Setup and calibration of a heterodyne receiver for microwave sensors

Abstract

Çeşitli niceliklerin ölçülmesi için kullanılan sensörlere olan talep endüstriyel işlemlerin otomasyonu ile birlikte artmıştır. Birçok durumda mikrodalga teknikleri rekabetçi çözümler sunmaktadır. Bu hususta dielektrik sabiti ölçümü, nem ölçümü, uzunluk ölçümü, gaz kaçağı tespiti ve radar uygulamaları gibi birçok önemli uygulamalar yapılmaktadır.Rezonatör tipi sensörlerin rezonans frekanslarının, hassas ve ucuz olarak ölçülmesi için heterodin alıcı sistemi kurulmuş ve ölçümlenmesi yapılmıştır. Rezonatör tipi sensörlerin çıkış frekansları rezonatörün fiziksel boyutlarının değişimine göre ve rezonatörün içine ölçüm yapılması için yerleştirilen maddenin fiziksel özelliklerine göre değişmektedir. Sinyalin değerlendirilmesi, klasik heterodin alıcının elemanlarından olan ses yükselticisi ve hoparlörün yerine, frekans sayıcı tarafından yapılmaktadır. Böylece, frekans ölçüm sisteminde kullanılan heterodin alıcı, karıştırıcı, voltaj kontrollü osilatör, mikroşerit hatlı alçak geçiren filtre ve frekans sayıcıdan oluşmaktadır. Rezonatörün çıkış frekansı, karıştırıcı vasıtasıyla, frekans sayıcının ölçüm aralığına uygun olarak bir ara frekansa düşürülür. Daha sonra, ölçüm değeri bir bilgisayara gönderilir ve hangi ölçümün (mesafe, dielektrik sabiti, vs.) yapıldığına ve hangi rezonatörün kullanıldığına göre istenen bilgiye dönüştürülür.Bu çalışmada, mikrodalga sensörü olarak heterodin alıcı sistemine bağlı olan dairesel oyuklu dalga kılavuzu osilatörü kullanılarak mesafe ölçümü yapılmıştır. Oyuklu dalga kılavuzu osilatörünün en önemli özelliği rezonatör yapısının açık ve ayarlanabilir olmasıdır. Bundan dolayı, rezonatör aralığının boyu değiştirildiğinde osilatörün rezonans frekansı değişmektedir. Bu da bize, oyuklu dalga kılavuzu rezonatörü ile rezonans frekansı ölçüm sistemini kullanarak mesafe ölçümü gibi değişik uygulamalar yapmaya olanak sağlayacaktır.

The demand for sensors for the measurement of various quantities has increased with the automatisation of industrial processes. In many cases microwave techniques provide competitive solutions. A large number of important applications are found such as dielectric constant measurement, moisture measurement, length measurement, leaking gas detection, radar applications, etc.Heterodyne receiver system is set up and calibrated to measure the resonant frequencies of resonator type sensors precisely and inexpensively. Output frequencies of the resonator type sensors are varied by the change in physical dimensions of the resonator or physical properties of a material placed in a resonator to be processed. Instead of the classical audio amplifier and a loudspeaker which are the elements of a classical heterodyne receiver, a frequency counter evaluates the signal. Thus, the heterodyne receiver used in frequency measurement system consists of a mixer, a voltage controlled oscillator, a microstrip line low-pass filter and a frequency counter. The output signal of the resonator is converted down to an intermediate frequency which is in the counting range of frequency counter via the mixer with VCO. Then, the measured data is sent to a computer and it is converted to the wanted data related to which measurement (distance, dielectric constant, etc.) is done and which resonator is used.In this study, distance measurement is performed by using a circular groove guide oscillator as a microwave sensor connected to the heterodyne receiver system. The most important feature of the groove guide oscillator is its resonator consists of physically two open parallel plates. Therefore, the resonant frequency of the oscillator can be changed depending on the distance between the two parallel plates. This makes the groove guide oscillator feasible for some applications like the distance measurement, using the resonant frequency measurement setup.