前言:使用雷达模块的低成本10GHz发射机是我一直想要尝试的一个低成本项目(但是似乎在现代通信做过文章之后也没有看到实验这种途径的友台)。现闻HamZone新坛开张,以此文抛砖引玉,希望论坛越来越好。
GHz波段的通联一般被认为是纯研究方向的业余无线电玩法。在我国的无线电频率划分中,业余爱好者最高可以使用到250GHz频段。其中1.2GHz10GHz之间的业余频段被应用于EME、对流层波导、卫星通信等传播方式的实验中,而更高的波段则一般由微波爱好者自制设备,挑战视距波通信距离的极限。
从最低的1.2GHz波段到248GHz,大部分波段都没有成品的业余无线电收发信机。若想进行实验,大部分情况下都需要自制设备并与其他爱好者约定通联。然而随着微电子工业的发展和软件无线电技术的进步,较低波段的自制设备可以得益于其他业务的进步(如无人机、卫星电视等)而得到性能较好的结果。本设计即脱胎于一种简单的10GHz微波测距雷达,从而实现了简单的通信实验。
本设计的核心是HB100微波雷达模块。这种微波雷达模块内部本振主要采用了一块DRO介质振荡器,简化了内部结构。如果我们拆解这种模块,就能看到其实其内部主要电路都是围绕这块DRO晶体实现的。HB100的结构图如图1所示。
可以看到其内部通过DRO晶体产生10GHz的本振频率,一方面将其直接送往发射天线(PCB天线),另一方面将其送至混频管作为本振、来自PCB接收天线的入射信号与本振混频,产生输出中频信号。在这个设计中我们主要利用的是DRO部分,因此接收部分并不是我们所关心的。
通过试验HB100模块,我们可以注意到HB100的发射频率主要受到输入电源电压和DRO晶体本身性质的决定。HB100模块原工作于10.525GHz,而我国的业余10GHz频段为1010.5GHz共500MHz带宽,因此有必要对于HB100模块进行修改,从而使其发射频率位于业余频段内。
通过调整DRO周围的物体分布,可以在一定范围内较大程度地调整DRO的振荡频率。对于HB100模块来说,原装的金属屏蔽外壳除了起到屏蔽作用以外,还固定了HB100的震荡频率。修改时,需要在金属屏蔽罩正对着DRO的位置上钻一个合适的孔,并拧入适当大小的螺丝,使得螺丝的下表面正对着DRO的上表面。通过改变螺丝旋入屏蔽罩的深度,改变了DRO上方的空间从而调整DRO的振荡频率。安装了这一调整螺丝后的HB100模块如图2所示。通过这样的修改,该模块可以工作在10.361GHz,从而位于业余段内。
HB100模块的振荡频率同样受到供电电压的影响。但这一影响是较小的。我们可以通过这一方式对发射的单一频率信号进行FM调制,从而实现FM调制发射。实现这一调制的方式比较简单,使用三极管放大电路,对输入音频信号进行放大,并使得输出电压幅度为DC 5V附近即可。该部分的电路图如图3所示。成品如图4所示。
通过测试,这一电路可以对输入的音频进行调制,通过调整DRO供电电压的方式实现FM调制。为了实现测试接收,我们还需要对应的接收部分。这里由于它工作于10GHz波段,因此可以借用卫星电视的LNB(高频头)。我们需要一个工作于9.75GHz的LNB,通过馈线Bias-T供电的方式对其供电。Bias-T的电路图如图5所示。
整个系统的结构图如图6所示。
通过计算机端的SDR Console,可以操作Adalm Pluto接收到发射机发射的信号。由于我们发射的信号频率为10.361GHz,而LNB的本振频率为9.75GHz,因此我们期待在10.361-9.75=611MHz附近接收到信号。我们可以首先选择6MHz带宽检查整个频段,然后找到发射信号后使用BC-FM进行解调。软件接收结果图如图7所示。(输入音频信号 50mV 1kHz正弦波)
从图中我们可以注意到,发射信号的稳定性不佳。导致这一问题的原因有两个,DRO的温度稳定性和LNB的温度稳定性。第一个问题可以通过预热DRO、为DRO增加稳定的工作环境等方式改善。第二个问题可以通过改进LNB本振、引入GPS驯服钟等方式改善。再次不再赘述。
由于FM调制方式的占用带宽是由调制信号的带宽来决定的,因此当应用于语音通联时,需要为输入信号进行滤波。这样可以尽量降低发射带宽。整个测试系统的照片如图8所示。
参考文献:
[1]PA1SDB. QRV voor €3,- op de 3cm band met de “HB100” motion detection device ![EB/OL]. [2017]. http://home.deds.nl/~knol/HB100/.
[2] IK1HGI. HB100 Modulatore per ATV[EB/OL]. [2021]. https://www.qsl.net/ik1hgi/atv/hb100.htm.
[3] PE1RKI. DRO modulator[EB/OL]. http://www.pe1rki.com/dro.html.