Danas je nabavljena mikrovalna primopredajna antena sa TX oscilatorom i RX mješačem (popularno Gunnplexer) američkog proizvođača Microwave Product Department (General Electric) iz sredine 1980-tih godina.
Tvrtka Microwave Product Department (MPD) kao dio General Electrica (GE) vuče korijene iz 1899. godine kad je osnovana tvrtka Kentucky Electric za proizvodnju električnih uređaja i svjetiljki, a zatim 1922. godine odvojeni odjel Kentucky Radio (Ken-Rad) u kojem su se proizvodile elektronske cijevi. Nakon 2. svjetskog rata 1945. godine tvrtku Ken-Rad je kupio General Electric (GE) i ista je postala dio odjela GE pod nazivom Microwave Product Department (MPD). Tvrtka je proširila proizvodnju na nove tipove elektronskih cijevi te na mikrovalne odašiljače i prijemnike. Godine 1987. GE je prodao imovinu tvrtke grupi privatnih investitora koji su tvrtku preimenovali u MPD, Inc. Tvrtka MPD je do tada bila težišno orijentirana na proizvodnju elektroničkih komponenti za vojne potrebe, a od 1988. godine kreće kupovina više drugih tvrtki kako bi se proizvodnja proširila i na civilni sektor. Tvrtka MPD, Inc. je danas organizirana kao ESOP tvrtka sa sedam funkcionalnih podružnica u kojima se proizvode komponente i gotovi uređaji vezani uz mikrovalnu elektroniku, radio primopredajnici, alkohol testeri, te druge elektroničke komponente za vojnu i civilnu primjenu.
Gunnplexer je izvorno bio komercijalni naziv za mikrovalne sklopove tvrtke Microwave Associates tijekom 1970-tih godina. Kasnije je to postao općeniti naziv za mikrovalne primopredajnike male snage, odnosno za modul koji objedinjava jednostavni mikrovalni oscilator sa Gunn diodom (TX) i prijemni detektor sa Schottky diodom (RX), gdje su obje diode zajedno sa antenom smještene u rezonantne šupljine, odnosno valovode.
Na Gunnplexeru MPD C-2070B jasno se uočavaju dvije spregnute rezonantne šupljine. Manji rezonator u obliku eliptičnog valjka dimenzija cca 27x24x12 mm sa podešavajućim vijcima je oscilator sa Gunn diodom, a veći rezonator pravokutnih oblika dimenzija cca 70x50x14 mm je mješač sa detektorskom Schottky diodom i antenski valovod.
Na slici desno su rastavljeni prijemni i predajni rezonator. Vidi se kružni otvor od 9 mm predajnog oscilatora sa Gunn diodom preko kojeg se dio RF energije prenosi na drugu rezonantnu šupljinu, odnosno na antenu. Antena istovremeno prima reflektirani RF signal sa frekvencijskim pomakom (Doppler) koji se u komori miješa sa frekvencijom odašiljačkog RF signala. Produkt miješanja je razlika frekvencija (niska MF) koja se detektira Schottky diodom.
Mikrovalni oscilator (odašiljač) Gunnplexera se bazira na Gunn diodi također poznatoj i pod nazivom TED (Transferred Electron Device). To je vrlo specifičan poluvodič koji se sastoji samo od N-tipa poluvodičkih slojeva. Takav poluvodič provodi struju u oba smjera i ne može ispravljati istu kao druge diode. Karakteristika u propusnom smjeru je slična karakteristici tunelske diode i također ima dva izvoda (anoda i katoda) koji se moraju ispravno polarizirati pa otuda naziv “dioda”, no s obzirom da nema ispravljačka svojstva onda se preferira naziv TED. Princip rada ovog poluvodiča se temelji na “Gunnovom efektu” koji je 1962. otkrio fizičar JB Gunn, pa otud naziv Gunn ili Gunnova dioda.
Specifičnost strujno-naponske karakteristike Gunn diode je što u vodljivom smjeru porast napona ne prati stalno porast struje, nego postoji jedno područje negativnog otpora gdje porast napona uzrokuje smanjenje struje. Ovo svojstvo omogućava Gunn diodi da funkcionira kao RF pojačalo kad se napaja izmjeničnim naponom ili postane nestabilna i funkcionira kao oscilator kad se dovede istosmjerni prednapon.
Struktura, simbol i strujno-naponska karakteristika Gunn diode. Gunn dioda se sastoji od tri sloja N-poluvodiča od čega su dva dopirana galijevim arsenidom (GaAs). Takve diode se izrađuju za frekvencije do 200 GHz, a ako se koristi galij nitrid frekvencije dosežu i 3 THz (teraherca). Tipične snage oscilatora sa Gunn diodama su u rasponu od 15 mW do 1 W.
Najveća primjena Gunn diode je za mikrovalne oscilatore frekvencije 10 GHz i više. Na diodu se dovodi istosmjerni prednapon razine gdje ona ulazi u područje negativnog otpora (Eb). Negativni diferencijalni otpor diode u tom slučaju poništava pozitivni otpor kruga opterećenja, stvarajući tako krug s nultim diferencijalnim otporom, koji će proizvesti spontane oscilacije. Frekvencija oscilacija je najviše određena svojstvima (debljini) srednjeg sloja diode, no može se dodatno prilagoditi i stabilizirati dodavanjem rezonantne šupljine (rezonatora). Dioda onda poništava otpor gubitka rezonatora, proizvodeći oscilacije na njegovoj rezonantnoj frekvenciji.
Frekvencija samog rezonatora se u određenim granicama može ugoditi mehanički, podešavanjem veličine šupljine pomoću vijka za ugađanje. Na karakterističnoj frekvenciji 10 GHz frekvencija se mehanički može ugoditi u opsegu do ±600 MHz. Isto tako, frekvencija oscilatora se mijenja i sa promjenom napona napajanja (prednapon diode, bias) koji je obično u granicama 6-10 V. U našem slučaju bias napon (Eb) je 9,6 V. Promjenom napona biasa za Gunn oscilator na 10 GHz frekvencija se može ugoditi u rasponu do ±55 MHz. Ovo se koristi za FM modulaciju Gunn oscilatora ako se isti upotrebljava za radio komunikaciju.
Na rezonantnoj šupljini našeg Gunn oscilatora su dva vijka. Jedan bliže izlaznom otvoru (irisu) je za mehaničko podešavanje rezonantne frekvencije šupljine, a drugi vijak je spregnut sa samom Gunn diodom. Pomoću tog vijka se podešava rezonancija VF prigušnice (1/4 valne duljine) preko koje se uvodi napajanje, odnosno istosmjerni bias napon za Gunn diodu. Na zadnjoj slici se vidi Gunn dioda (bijelo) u unutrašnjosti rezonatora koliko smo to uspjeli fotografirati kroz otvor irisa od 9 mm. Dioda pomoću podešavajućeg vijka sa donje strane više ili manje ulazi u cilindričnu spregu sa podesivom VF prigušnicom.
Gunn oscilator sa strane otvora irisa (lijevo) i rastavljena rezonantna šupljina mješača sa detektorskom Schottky diodom.
Za prijemni detektor je upotrijebljena Schottky dioda D6224-B3 (Alpha Industries). Schottky diode se ovdje koriste zbog malog pada napona u vodljivom smjeru (prag vođenja), brzog vremena oporavka i niskog unutrašnjeg kapaciteta. U prijemnoj rezonantnoj komori sa Schottky diodom miješa se frekvencija Gunn oscilatora sa frekvencijom primljenog obijenog RF signala, a ako produkt toga nastaje međufrekvencija (MF) koju ispravlja (demodulira) dioda.
Naime, ako se odaslani RF signal iz Gunn oscilatora odbija od predmeta koji je u pokretu, tada će se zbog Dopplerovog efekta reflektirani signal malo razlikovati po frekvenciji od odaslanog signala. Frekvencijski pomak izravno ovisi o brzini predmeta od kojeg se signal odbija. Ako predmet nije u pokretu, reflektirani signal će biti iste frekvencije kao i odaslani, te na izlazu iz mješača neće biti nikakvog napona. Što se predmet brže kreće, to će frekvencijski pomak biti veći i na izlazu iz diodnog mješača/detektora ćemo dobiti MF signal veće frekvencije. Na osnovu dobivene razlike frekvencija između odaslanog i reflektiranog signala, odnosno na osnovu dobivene MF možemo odrediti brzinu objekta od kojeg se odbija odaslani signal.
Schottky dioda D6224-B3 (Alpha Industries).
Gunnplexeri poput ovog našeg široko su se koristili u raznim detektorima pokreta i mjeračima brzine. To su onda uređaji poput mjerača brzine vozila, radari za izbjegavanje sudara zrakoplova u zraku, detektora za automatsko otvaranje vrata, razni brojači protoka, detektori vibracija, tahometri, alarmni uređaji i slično. Načelno svi uređaji koji se baziraju na detekciji ili mjerenju brzine, pomaka, pokreta ili protoka ljudi i objekata mogu se bazirati na mikrovalnim Gunnplexerima. Za naš konkretni Gunnplexer MPD C-2070B nismo našli nikakve podatke no vrlo vjerojatno je dio nekog radarskog sustava za detekciju ili mjerenje brzine. Nacrtali smo osnovni presjek istog.
Veličina otvora irisa, odnosno otvora valovoda (rezonatora) oscilatora definira veličinu same rezonantne šupljine i pomaže stabilizirati Gunn oscilator. Otvorom irisa (u našem slučaju 9 mm) podešava se optimalna količina RF energije koja se propušta na antenu i prijemni dio, odnosno rezonantnu šupljinu mješača sa diodnim detektorom. Ta količina propuštanja RF energije nikad nije maksimalna moguća jer bi to dovelo do nestabilnosti rada oscilatora uslijed velikog opterećenja i parazitskih kapaciteta.
Ovaj naš Gunnplexer vjerojatno radi na karakterističnoj frekvenciji 10,250 GHz sa snagom u rasponu 15-40 mW. Rog antena svakako pomaže boljoj usmjerenosti i pojačanju odaslane i primljene RF energije. Tipično je domet ovakvih Gunnplexera oko 500 metara bez antene, a sa stavljenom rog (horn) antenom domet se može povećati i više od 10 puta.
S obzirom da nemam mikrovalnu opremu za izravno mjerenje frekvencija reda 10 GHz jedini način za provjeru rada ovog Gunnplexera je detektiranje MF koja bi se trebala pojaviti ako ispred antene ima neki predmet u kretanju. Za napajanje Gunn diode već je ugrađen filtarski kondenzator 10 µF i zaštitna 12 V zener dioda 1N4742A.
Za AM detekciju MF signala ćemo odabrati najjednostavniji način tako da paralelno diodi dodamo samo jedan kondenzator i jedan otpornik. To je u osnovi AM detektor kakav nalazimo kod većine klasičnih AM prijemnika. Kada amplituda MF signala raste onda raste i napon na kondenzatoru ispravljen preko diode (samo pozitivne poluperiode). Kada amplituda signala pada, napon na kondenzatoru se počinje prazniti preko otpornika. Tako napon na kondenzatoru stalno slijedi promjene amplitude MF napona čime dobivamo amplitudnu demodulaciju (detekciju).
Izlaz iz detektora smo spojili na osciloskop i potvrdili da naš Gunnplexer radi. Kada se ispred antene maše nekom metalnom pločom na osciloskopu se može vidjeti pojava NF oscilacija.
Iako Gunnplexer izvorno nije zamišljen za radio komunikaciju, radioamateri još od kraja 1970-tih godina eksperimentiraju sa mikrovalnim FM radio i TV vezama pomoću Gunnplexera na opsezima od 10 GHz i 24 GHz. Već smo rekli da veličina napona na Gunn diodi mijenja frekvenciju oscilacija, a to se onda može iskoristiti za FM modulaciju. Valovodi, rezonantne šupljine i rog antene su se radile ručno prema nacrtima, a Gunn i Schottky diode su se nabavljale iz različitih izvora. Za MF pojačala i FM demodulatore koristili bi se prilagođeni komercijalni radiodifuzni FM prijemnici. Ovo svakako nije bilo dostupno u nerazvijenim zemljama, a nije bilo ni jeftino za nabavu. Danas kada su Gunnplexere u velikom broju uređaja zamijenile druge tehnologije, isti se mogu nabaviti već po cijeni od 20-tak eura iz nekih dotrajalih ili otpisanih mikrovalnih uređaja. Tko ima volje, sada ima priliku nadoknaditi izgubljeno 🙂
Danas se kao senzori pokreta najčešće koriste PIR senzori (pasivni infracrveni senzori) koji detektiraju promjenu topline u određenom perimetru. Tijela ljudi i životinja, motori vozila i time praktično sve što se kreće emitira toplinu veću od okoline što PIR senzor lako detektira. Iako na detekciju u određenoj mjeri mogu utjecati neki ekstremni meteorološki uvjeti, te mogu postojati i neki predmeti koji se možda kreću bez izraženog toplinskog traga u ambijentalnom okruženju, ovakvi pasivni senzori u praksi vrlo dobro rade. Međutim, takvim senzorima se na indirektan način može detektirati samo pokret ali nikako ne i brzina objekta koji je ušao u perimetar. Za to je svakako potreban neki aktivni senzor, a oni su danas najčešće laserski, ultrazvučni ili mikrovalni.
Od jeftinih opcija možete vrlo lako nabaviti neki mikrovalni “Doppler Radar” senzor, primjerice popularni HB100 kojemu je cijena oko 5 eura. Ovaj senzor radi na frekvenciji 10,525 GHz, napaja se sa 5 V / 40 mA i ima domet oko 20 metara. Sastoji se od dielektričnog rezonatorskog oscilatora (DRO), odašiljačke antene, prijemne antene i prijemnog mješača/detektora s Schottky diodom. Ima samo MF izlaz pa mu je jednako kao i našem Gunnplexeru potrebno dodati krug napajanja (po potrebi za impulsni način rada) te MF filtar i pojačalo. Svakako dobar početak za mikrovalno eksperimetiranje 🙂