Особенности формирования контуров
Из описания принципов работы систем ясны и методы формирования контуров для различной пространственной ориентации охраняемого периметра.
При охране неподвижных периметров, ограниченных непрерывным проводом или сеточными ячейками, контур создается набором (либо единым) самостоятельных участков, каждый из которых может содержать весь набор устройств. Такие же требования предъявляются и к волоконно-оптическим системам, и системам, использующим микрофонные, развешиваемые и заглубляемые кабели.
При использовании радиоволновых методов, контур может быть как стационарным, так и подвижным, формируемым скпнирующей диаграммой излучения. Элементы переотражения (уголковые отражатели, вибраторы и др.) требуют установки дополнительных опор для отражателей.
При вертикальных периметрах (объемные контура) необходимы соответствующие несущие конструкции, позволяющие создать систему объемного контроля, либо формировать пространства с перекрещивающимися линиями контроля. Последний вариант, в случае использования оптических систем охраны, требует стационарных несущих конструкций, в качестве которых могут использоваться различные строения и существующие сооружения (охранные вышки и т.п.). Для указанных периметров могут использоваться и системы охраны, построенные на основе комбинированных методов либо телевизионных систем.
Случай подвижных границ периметра
Случай подвижных границ периметра требует применения радиоволновых систем охраны с антеннами со специальными диаграммами направленности (плоские, веерные и т.п.). Для повышения чувствительности и избирательности системы охраны могут использоваться методы разнесенного контроля и селекции подвижных целей. Причем последние, при использовании запоминающих устройств достаточного объема памяти, способны конкурировать по цене с любыми из вышеназванных. Могут использоваться так же телевизионные и комбинированные системы при ограниченных размерах охраняемых площадей.
Задающие устройства СВЧ и оптических систем охраны
Генераторы на полупроводниковых приборах
Основными задающими устройствами радиоволновых СВЧ систем являются автогенераторы на диодах и транзисторах, используемые на основной частоте колебаний либо на гармониках, в случае, если генератор не обеспечивает получение требуемой частоты. В последнем случае применяются умножители частоты на варикапах.
Генераторы на диодах Ганна (ДГ)
ДГ (диод с междолинным переходом электронов) представляет собой однородный объем полупроводникового материала с двумя омическими контактами для подачи питающего напряжения. В отличие от диодов, свойства которых определяются процессами в р-п переходе, свойства ДГ характеризуются процессами, протекающими в объеме полупроводника (например, арсенида галлия). Зона проводимости такого материала состоит из центрального минимума (нижняя долина) и нескольких боковых (верхние долины). Разность энергетических уровней в этих долинах составляет 0,36 эВ. Свойства электронов в этих долинах неодинаковы. В нижней - эффективная масса электронов меньше и они обладают большей подвижностью, а в верхней - значительно меньшей подвижностью. При комнатной температуре, в отсутствие внешних полей, электроны находятся в нижней долине. Если к полупроводниковому кристаллу приложить постоянное напряжение, то электроны будут переходить в верхнюю долину, приобретая в этом внешнем поле кинетическую энергию. При слабых электрических полях (меньше порога) практически все электроны находятся в нижней долине и плотность тока соответствует первой восходящей части ВАХ, где соблюдается закон Ома. При увеличении напряженности электрического поля все большее количество электронов получает дополнительную энергию и переходит в верхнюю долину, а при напряженности больше порога, количество тяжелых электронов преобладает над количеством легких, что приводит к снижению плотности тока, так как тяжелые электроны обладают меньшей подвижностью. На этом участке ДГ в динамическом режиме обладает отрицательным сопротивлением. Для возникновения отрицательного сопротивления всего кристалла необходим одновременный переход большинства электронов из нижней долины в верхнюю при пороговой напряженности поля. Эта пороговая напряженность поля, при которой начинается междолинный переход электронов, достигается лишь в узкой области кристалла, где имеется неоднородность концентрации примеси. Если напряженность поля вблизи неоднородности превысит пороговую, то вследствие перехода электронов в верхнюю долину их дрейфовая скорость (под действием поля) на этом участке уменьшается, что приводит к накоплению вблизи неоднородности объемного заряда. Из-за разности скоростей начнет формироваться положительный объемный заряд (область с меньшим количеством электронов) и отрицательный в узкой области, что приведет к еще большему росту напряженности поля, которая вызовет дальнейший рост заряда и т.д. Эта локальная область с высокой напряженностью электрического поля (домен) распространяется в направлении от катода к аноду, достигнув который исчезает. Напряженность поля спадает до порогового уровня и начинается процесс формирования нового домена. Ток во внешней цепи ДГ повторяет изменения дрейфовой скорости электронов j = qnvs, так как его плотность пропорциональна дрейфовой скорости. Из-за периодического характера возникновения и исчезновения доменов во внешней цепи ДГ также появляется периодическая последовательность импульсов тока с пролетной частотой пропорциональной дрейфовой скорости и обратно пропорциональной длине образца кристалла (fп » vs/l).
Конструктивное оформление генераторов на ДГ весьма разнообразно и они бывают полосковой и волноводных конструкции (на фиксированные частоты, с механической и электронной перестройкой частоты). Значительную электронную перестройку (до октавы) получают с помощью ЖИГ-резонаторов. Перестройку в меньшем диапазоне обеспечивают варикапы, которые осуществляют ее практически безынерционно.
Генераторы на лавинно-пролетных диодах (ЛПД)
Генерация СВЧ колебаний с помощью ЛПД основывается на двух физических явлениях: лавинном умножении носителей заряда при высокой напряженности электрического поля, превышающей пробивное значение, и пролете этими носителями обедненного слоя диода под действием электрического поля за определенное время. При подаче на ЛПД постоянного обратного напряжения ток через него практически отсутствует до напряжения ниже пробивного. Распределение приложенного напряжения между областями лавинного умножения и пролетного пространства определяется характером распределения примесей. Так как в запорном слое р-п-перехода примеси взаимно компенсируются, то сопротивление его велико и все подводимое напряжение приложено к слоям умножения и запорному. При повышении напряжения до пробивного напряженность поля в слое умножения достигает такой величины, при которой начинается ударная ионизация в слое умножения. Происходит процесс лавинного пробоя запорного слоя и если не принять мер для ограничения тока то произойдет тепловое разрушение ЛПД и выход его из строя. Если такой диод включен в резонансную систему, настроенную на определенную частоту, то из-за флуктуаций в контуре возникают установившиеся колебания. В связи с сильной зависимостью тока ЛПД от приложенного напряжения в течение положительного полупериода начинается резкое увеличение тока. В отрицательный полупериод рост тока прекращается, но из-за инерционности процесса развития лавины максимум инжекционного тока получается не в момент максимума положительного полупериода, а несколько позже. Этот сдвиг благодаря выбору нужной толщины запорного слоя составляет /2. Длина пролетной области ЛПД выбирается такой, чтобы время прохождения импульса тока соответствовала примерно четверти периода переменного напряжения. Таким образом, благодаря задержке лавины и наличию пролетной области обеспечивается сдвиг по фазе на между импульсами тока и напряженностью высокочастотного поля. Следовательно, сгустки электронов движутся в тормозящем высокочастотном поле, отдавая во внешнюю цепь свою энергию. При этом ЛПД в динамическом режиме обладает отрицательным сопротивлением, которое называют динамическим отрицательным сопротивлением. Как и генераторы на ДГ, ЛПД генераторы могут быть выполнены в различных вариантах (в сантиметровом и дециметровом диапазонах создаются в гибридно-интегральном исполнении, а в миллиметровом - на волноводах и объемных резонаторах).
Основными элементами генераторов является резонансные контура, диоды, элементы развязки, а у перестраиваемых генераторов еще и элемент перестройки частоты. Электрическая перестройка осуществляется с помощью варикапов, ЖИГ-резонаторов (резонатор с помещенным в него монокристаллом железо-иттриевого граната) и током смещения ЛПД.
Генераторы на транзисторах
Транзистор, благодаря своей способности усиливать мощность, может генерировать незатухающие колебания. Для этого в усилитель на транзисторе необходимо ввести цепь положительной обратной связи, т.е. с выхода на вход подать определенную мощность в соответствующем фазовом соотношении.
Работа транзистора в нелинейной области его характеристики сопровождается генерированием гармоник - сигналов с частотами кратными основной. Это обстоятельство используется для создания генераторов-умножителей, что позволяет существенно поднять частоту выходного сигнала. В таких генераторах контур, настроенный на частоту определенной гармоники, находится в цепи коллектора (для полевых транзисторов в цепи истока или стока), а контур основной частоты в цепь базы (затвора).
Генераторы на транзисторах выпускаются как на фиксированные частоты, так и с перестройкой частоты. Электрическая перестройка частоты реализуется варикапами и ЖИГ-резонаторами и может достигать октавы.