Наскоро си купих евтини микровълнови сензори за движение RCWL-0516, отчасти за да разбера как китайците са успели да създадат радар, който струва по-малко от един долар.

Не беше трудно да накарам този да заработи. Просто свързах извода VIN към 5 волта, GND към земя и добавих блокиращ кондензатор към извод 3V3. Когато има някакво движение в рамките на 5 метра, изводът OUT повишава нивото на напрежението до 3 V за 3 секунди.

Така или иначе, устройството работи, но как?

Започнах, като намерих спецификацията за големия чип SOIC-16. Оказа се, че BISS0001 е инфрачервен сензор за движение? И така, как работи той?

Обикновено радарите за движение и скорост (доплеровите) работят по следния начин: те изпращат непрекъснат носещ сигнал и смесват върнатия сигнал с него, създавайки нискочестотен междинен сигнал. Ако отражението е от движещ се обект, приетият сигнал плавно влиза и излиза от фаза с изпратения сигнал, създавайки пулсация с честота само няколко херца. Тъй като конкретната скорост не е важна за сензора за движение, чипът трябва само да проследява промените на ниво миливолти – цялата основна работа вече е свършена.

В моя модул сигналът с междинна честота постъпва в чипа през извод 14 и излиза от него в усилен вид през извод 16, откъдето е много по-лесно да бъде видян с помощта на осцилоскоп:

Средната част на тази графика отразява момента, в който приближих лаптопа на около 40 cm до сензора, но сензорът регистрира и по-бавни промени на нивото от двете страни, когато протегнах ръка, за да изключа осцилоскопа. Всъщност тази графика е достатъчна, за да разберете каква честота използва радарът: има 8 пика, докато лаптопът се движеше, което означава, че кръговата траектория на сигнала се променя с 8 стъпки на вълната. Осем стъпки при преместване от 80 см са около 10 см за всяка от тях, което е много близо до действителната дължина на вълната от 9,4 см.

И така, къде е цялата магия?

Цялата дясна страна на платката е заета от чипа BISS001, който действа като усилвател, компаратор и таймер. Цялата радиочестотна обработка се осъществява от лявата страна с помощта на само няколко компонента:

На пръв поглед всичко това прилича на еднотранзисторен генератор, работещ на честота 3,18 GHz.

S-образната следа на емитерната верига представлява микровълнов резонатор и антена, управлявани от биполярен транзистор, който получава обратна връзка от кондензатора, образуван от резонатора и паралелната медна пътечка. Подозирам, че кръглият сегмент на гърба на платката служи просто за предотвратяване на осцилациите при други честоти. Много подобни сензори или го нямат, или използват плътна заземителна плоскост.

Осцилаторът също така е доста нестабилен и се отклонява с няколко MHz поради капацитета на ръката и дрейфа на компенсиращото напрежение. Очевидно това е причината, поради която модулът е доста чувствителен към шума от захранването.

Но всъщност това са 2 осцилатора в един: генерират се микровълнови трептения с честота около 20 MHz, като се създава следната форма на вълната в емитера:

Моят осцилоскоп не може да регистрира 3 GHz, но тази честота присъства навсякъде, с изключение на низходящата част на сигнала.

Това, което се случва тук, е следното: по време на работа осцилаторът променя капацитета на кондензаторите от 33 pF, като повишава напрежението на емитера, докато той не може да функционира повече. В този момент резистор от 220 ома разрежда кондензатора, като рестартира процеса на генериране за няколко наносекунди.

Този вид пулсации му позволяват да функционира като ултрарегенеративен приемник. След като усилването на транзистора се повиши над единица, осцилаторът не се стартира веднага – той се нуждае от малък тласък. Всеки сигнал в резонатора се усилва отново и отново, докато стане достатъчно силен, за да зареди кондензаторите и да рестартира цикъла. Поради експоненциалното нарастване на амплитудата дори една незначителна радиовълна повишава честотата на пулсациите, превръщайки генератора в чувствителен приемник. (Точно затова никога не се налага да чакате генераторът да заработи – шумът бързо се увеличава, докато не предизвика клипинг на транзисторния усилвател).

Но почакайте малко, ако сигналът се приема, докато генераторът работи, преди да започне предаването, как може сензорът да открие изместване на фазата, дължащо се на движещите се обекти?

С разлика във времето от около 15 ns всеки сигнал, отразен от статичен обект, намиращ се на повече от 2,5 метра, ще бъде приет по време на стартирането на генератора. Това отражение от неподвижните обекти действа като местен генератор на радара. Суперрегенеративният приемник открива амплитудно-модулирания сигнал, получен от суперпозицията на сигналите, отразени от статичните и движещите се обекти. В затворено пространство с много отражения винаги ще има радиосигнали за откриване на движещи се обекти, независимо от това колко близо са те.

Може би именно поради този пожелателен подход към реализацията радарът показва толкова противоречиви резултати. В затворени помещения в радиус до 5 метра устройството работи доста добре, но на открито при липса на отражения от неподвижни обекти то често изобщо не работи.

Интересен експеримент – предавател за S-диапазона.

Като първа модификация реших да премахна кондензаторите, които причиняват пулсациите на 20 MHz:

Това превърна устройството в предавател. Сега подаването на сигнал към почти всяка част на генератора води до модулиране на честотата му, а устройството може да се модулира амплитудно чрез циклично подаване на енергия.

При отсъствието на пулсации и свръхрегенерация радарът продължаваше да работи, но сигналите с междинна честота бяха значително отслабени, което значително намали чувствителността. В този случай самият генератор действа като смесител, преобразувайки приетия сигнал с намаляване на честотата, но без усилване.

Бистатичен радар

Добре, значи можем да го използваме в по-традиционна конфигурация на радара? Опитах се да поставя друг подобен до него, като немодифициран модул да работи като приемник. В крайна сметка получих много по-последователни отразени сигнали:

Странните вариации на амплитудата изчезнаха, а отразените сигнали от моите сравнително бавни движения станаха много по-слаби, както се очакваше от един доплеров радар. От друга страна, отдалечените отразени сигнали отслабнаха, защото приемникът е постоянно облъчван от сигналите от предавателя. Функционалността му като сензор за движение също пострада, тъй като сега той изисква значително движение към или от приемника, за да се задейства, което е в рязък контраст със стандартното състояние, при което почти всяко движение предизвикваше задействане.

В същото време той работи доста добре като сензор за скорост, извършвайки FFT (бързо преобразуване на Фурие) или просто откривайки пресичането на нулевата точка в междинната честота (на изводи 14/16 на чипа). Математиката тук е проста. Просто умножете дължината на вълната по честотата на пулсациите и разделете резултата на 2, за да получите скоростта. Така например максималната честота на пулсациите на графиката на осцилоскопа е 15 Hz, така че скоростта е 0,7 m/s:

9.4 cm * 15 Hz / 2 = 70 cm/s = .7 m/s

Ако двата използвани модула са разположени на разстояние 1-2 метра един от друг, качеството на работата им на открито значително се подобрява в сравнение с един модул. Най-добрата чувствителност се наблюдава в зоната между тях. Като цяло, качеството в открити пространства все още не е особено високо, но вече е много по-добро от първоначалното направо никакво качество.

Да уточня, че всъщност в чипа са интегрирани няколко операционни усилвателя, двупрагов компаратор и RC таймер. Коефициентът на усилване, чувствителността и времетраенето се настройват с помощта на външни пасивни компоненти.

И още използва се микролентова предавателна линия с дължина на вълната ¼. Кондензаторът в нейния край шунтира радиочестотния сигнал към земята, като го отразява обратно към транзистора. Фазовите измествания възлизат на 360° (90° в едната посока, 180°, отразени от кондензатора 66 pF, и 90° в обратна посока), така че при 3,18 GHz линията работи като отворена верига, а при постоянен ток – като късо съединение. А при дължини на вълните, нечетно кратни на 3,18 GHz, възниква резонанс. Може би пръстеновидната структура от задната страна просто елиминира тези по-високочестотни трептения.