RADAR hyperfréquence autonome

(D'après l'article d'Electronique Pratique n221/Janvier 1998- P.47-52 de E.CHAMPLEBOUX)

La récente mise sur le marché d'un module radar hyperfréquence à effet Doppler intégré et blindé pour un prix relativement modique, va nous permettre d'envisager des applications alors réservées aux seuls professionnels des ondes ultracourtes. En effet, la mise au point de montages fonctionnant dans la gammes des hyperfréquences (9-10 Ghz) reste une affaire de spécialistes équipés d'appareils de mesure très sophistiqués. Les avantages en terme de détection de cette technologie sont biens connus: les ondes peuvent traverser les cloisons légères et n'ont pas besoin d'être en vue directe avec la cible comme les détecteurs pyro-électriques. De même, le rayonnement thermique de cette cible ne présente aucune importance sur le niveau de détection . Le thème de notre article consiste à mettre en uvre de façon correcte ce module, afin d'exploiter au mieux ses performances.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement de ce module radar repose sur l'effet DOPPLER bien connu! Il s'agit dans ce cas de mesurer la différence de fréquence existant entre un signal émis et un signal reçu par réflexion sur un objet se mouvant dans le "champ de vision" du radar. Le module en question fournit un signal de faible amplitude qui demande à être fortement amplifié et analysé afin de produire un signal exploitable par l'utilisateur.

Le radar compare les fréquences reçues et émises et produit un signal de fréquence proportionnelle à la vélocité de déplacement de l'objet à détecter. Son amplitude est une fonction complexe dépendant de sa taille et du pouvoir réfléchissant (pour les ondes) de celle-ci. Le signal de sortie, disponible sur la broche IF est d'amplitude très faible et nécessite d'être très fortement amplifié avant d'attaquer un comparateur qui réalise ainsi une sorte de filtrage en éliminant les impulsions dues au bruit résiduel. Ces états ne sont pas encore directement exploitables car ils imposeraient des déclenchements trop fréquents aussi, un système de comptage numérique pendant un laps de temps est adjoint avant la commande de l'étage de sortie.

Un point important concernant l'alimentation du montage mérite d'être approfondi. Si on alimente le module radar en permanence, sa consommation propre avoisine les 40-50 mA, ce qui semble peu mais encore beaucoup trop élevée pour une alimentation autonome par piles. Le remède consiste à alimenter le module en mode impulsionnel avec un rapport cyclique d'environ 3 à 5 %, on arrive dans ce cas avec toute l'électronique périphérique à une consommation de 4-5 mA soit 10 fois moins. Malheureusement, ce type d'alimentation du MDU1030 entraîne une baisse de sensibilité proportionnelle au rapport cyclique des impulsions. Le remède consiste à échantillonner le signal à l'aide d'un échantillonneur bloqueur. Celui-ci est constitué d'un interrupteur analogique qui relie la sortie IF du module radar à une capacité en la chargeant pendant que le module est alimenté. Dès que le module cesse d'être alimenté, le condensateur mémoire conserve la charge intacte jusqu'à l'impulsion suivante.

En pratique, si l'impulsion d'échantillonnage coïncidait exactement avec l'impulsion d'alimentation, on rencontrerait des transitoires parasites important au moment de la mise en marche et de la coupure de l'alimentation du radar, et ceux-ci perturberaient le fonctionnement de l'électronique en aval. La solution consiste à décaler légèrement l'impulsion de commande de l'impulsion analogique à l'intérieur des limites de l'impulsion d'alimentation, on laisse ainsi à l'oscillateur le temps de s'établir et de s'arrêter.

Schéma électronique

SCHEMA DISPONIBLE au format PDF: mdu1030.pdf

Nous débuterons par l'ensemble chargé du cadencement de l'alimentation et de l'interrupteur analogique d'échantillonnage. Un oscillateur articulé autour d'une porte trigger de Schmitt et des composants R1,R2,D1 et C1 produit des créneaux dissymétriques de période 25 ms avec un état haut d'environ 600 s. Les créneaux sont retardés légèrement par la porte (4,5,6) de IC1 et le réseau R3-C2, puis inversés par (8,9,10) de IC1.

Le mélange des signaux d'origine avec ceux retardés réalisé avec une porte NAND suivie d'un inverseur, nous donne les impulsions de commande positives de 550 s de l'interrupteur analogique. Le même mélange réalisé cette fois-ci avec une porte NOR fournit les impulsions négatives de 700 s destinées à la commande du transistor T1 chargé de l'alimentation périodique du radar. Le module fournit donc périodiquement sur sa sortie IF de brèves impulsions d'amplitude variable. Ces signaux de faible amplitude permettent, à travers un interrupteur analogique intégré dans IC4, de charger le condensateur C3. Celui-ci doit être chargé par une très forte impédance afin de maintenir constante la tension à ces bornes jusqu'à l'impulsion suivante de mémorisation.

C'est le rôle de IC3 qui est un amplificateur opérationnel CMOS à faible consommation cablé en amplificateur suiveur à haute impédance. Cet ampli opérationnel nécessite une tension négative d'alimentation pour assurer une excursion de tension suffisante. Le signal disponible en sortie de IC3 va subir une amplification musclée, c'est le rôle dévolu à deux des quatre amplificateurs contenus dans IC5. Le premier de ceux-ci est configuré en amplificateur non inverseur possédant un gain de 100. C4 réalise le couplage en continu et C13 en parallèle avec R6 limite la bande passante de l'amplificateur. Ce premier étage est couplé par C5 avec un second amplificateur inverseur dont le gain est ajustable par R8. C6 réalise comme précédemment une limitation de la bande passante.

Les signaux d'une amplitude suffisante nécessite maintenant d'être filtrés grâce à un comparateur dont le seuil se règle grâce à R12, C7 intègre le signal. Les résistances R10, R13 et R14 fixent le seuil de référence des deux comparateurs restant reliés en parallèle. L'un de ces comparateurs commande l'illumination de la LED rouge D2 chargée de visualiser les déclenchements. L'autre fournit les impulsions destinées à la partie logique chargée du comptage.

Le comptage d'impulsion chargé de la commande finale est articulé autour d'un compteur possédant 10 sorties décodées IC8 dont une seule commande un monostable non redéclenchable (V2 de IC7). Ce monostable, dont la période est fixée à 1,5 s par C9, R18, assure l'illumination de la LED verte D3 grâce à R19 et T2. Un autre monostable dont la période variable est fixée par R16, R17 et C8 libère le compteur IC8 grâce à son entrée de remise à zéro passant à l'état bas.

En pratique lorsque le radar fournit une salve d'impulsions en sortie 8 de IC5, et si on a relié la sortie 7 à l'entrée TR(4) de IC7, on aura un déclenchement de l'alarme uniquement si la septième impulsion parvient avant que la sortie Q(9) de IC7 ne repasse à 1.

Une dernière précision concerne l'alimentation que nous avons délibérément choisie autonome grâce à une pile 9 volts classique. Nous avons vu précédemment que IC3 nécessitait une tension négative pour fonctionner correctement. Nous allons donc produire celle-ci par décalage du potentiel de référence grâce à IC6 monté en amplificateur suiveur permettant d'obtenir une faible impédance de sortie. Les différents potentiels sont obtenus à partir du pont résistif composant de R21 et R22. La sortie de IC6 devient la borne de référence 0V et on obtient donc +5 Volts entre cette borne et le + de la pile et -4 Volts entre celle-ci et le - de la pile avec découplage grâce à C10,C11.

Réalisation et essais

La réalisation débutera par la confection du circuit imprimé par tout moyen à votre convenance, bien que la méthode photographique semble la plus appropriée. Comme vous pouvez le constater à l'examen du dessin du circuit imprimé, une attention toute particulière doit être réservée aux pistes véhiculant les signaux de faible amplitude provenant du module MDU1030. Celles-ci doivent être les plus courtes possibles et en guise de plan de masse, nous avons placé des pistes de garde très proches du signal référencées 0V et réalisant une sorte de blindage.

Nous poursuivons par la pose des straps (hélas nombreux au vu de la compacité du circuit), des composants passifs et des supports de circuits intégrés. On reliera la pile de 9 Volts grâce à un connecteur approprié et on placera IC6 sur son support. On doit pouvoir mesurer une tension de 5V +/-10% entre la masse et l'alimentation positive es circuits intégrés sur leurs supports. Notez l'utilisation, pour IC3 et IC6, d'amplificateurs opérationnels CMOS faible consommation toujours dans un soucis d'alimentation autonome; des modèles plus classiques devraient pouvoir être utilisés en lieu et place.

On fixera le module MDU1030 fermement à l'aide de grande vis M3 avec écrous et contre-écrous, au plus près de la platine et on reliera les 3 bornes du connecteur au circuit imprimé grâce à 3 fils courts rigides.

Tracé du circuit imprimé

On pourra alors débuter la phase des essais. Après connexion de la pile, on attendra une quinzaine de secondes que le montage se stabilise au niveau de l'échantillonneur bloqueur et on placera tous les ajustables à mi-course.

On réglera en premier R12 pour éliminer les impulsions parasites visualisées par D2 en l'absence de mouvement.

Si la sensibilité est insuffisante, on augmentera le gain à l'aide de R8 , puis on retouchera de nouveau R12 pour ne pas avoir de déclenchement intempestif. En jouant avec précaution sur ces deux ajustables, on pourra obtenir une portée supérieure à 10 mètres avec une grande sensibilité, le moindre mouvement étant détecté.

Il nous reste plus désormais, à régler l'étage de comptage. L'ajustable R16 permet de déterminer le créneau de temps d'acquisition des impulsions et, à l'aide de pont de soudure on sélectionne quelle sortie du compteur IC8 désirons-nous choisir (de 2 à 7). En combinant ces deux éléments, on pourra espérer trouver un réglage à sa convenance.

Une fois ces réglages effectués, on disposera de radar dans le boîtier plastique en prenant garde à ce que le couvercle soit situé à plus de 6 mm de l'antenne du module MDU1030.

Les micro-ondes peuvent traverser les parois plastiques (polyétylène, ABS, PVC) mais il faut noter une atténuation de 10% pour une épaisseur de 2 mm du couvercle par exemple.

La détection finale est visualisée par l'éclairement de la diode D3, mais on peut commander n'importe quoi (relais statique, optocoupleur, relais REED) en l'intercalant en série avec cette diode.

Comme vous pourrez le constater, la mise en uvre de ce module, mis tout récemment sur le marché amateur, se révèle être d'une facilité déconcertante. Ses caractéristiques de détection supérieures à la technologie infrarouge pour une consommation identique, vous suggérerons nous le pensons, de nombreuses applications différentes de la protection volumétrique.

E.CHAMPLEBOUX.

Nomenclature:

R1:3,9 Mohms

R2,R3:82 kohms

R4,R13:10 kohms

R5,R10,R14,R22: 100 kohms

R6,R11: 1 Mohms

R7,R9: 4,7kohms

R8: Ajustable horizontal 100 kohms

R12: Ajustable horizontal 1 Mohms

R15: 1 kohms

R16: Ajustable horizontal : 470kohms

R17: 56kohms

R18: 680 kohms

R19: 15kohms

R20: 820 ohms

R21: 130 kohms

R23: 8,2 kohms

C1,C6,C7,C13: 22 nF MKT

C2: 1 nF MKT

C3: 0,47 F MKT

C4,C5: 10 F/16V tantale

C8: 4,7 F/16V tantale

C9: 2,2 F

C10,C11: 22 F tantale

C12: 0,1 F MKT

C14: 220 F/16V

IC1: 4093

IC2:4001

IC3,IC6: OP234 ou équivalent

IC4: 4016

IC5: LM324

IC7: 4538

IC8: 4017

T1: BC557C

T2: BC547C

D1: 1N4148

D2: LED ROUGE 3mm

D3: LED VERTE 3mm

1 module hyperfréquence MDU1030 (LEXTRONIC)

1 boîtier DIPTAL

1 coupleur pile 9V.

Note: LEXTRONIC 36/40 Rue du Gal de Gaulle, 94510 LA QUEUE EN BRIE

Tel: 01.45.76.83.88. Fax: 01.45.76.81.41.

Module Réf.: MDU1030 - Prix 196F TTC.


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M--j: 24 août, 2009

matthieu.benoit@free.fr