一种基于超宽带MIR运动传感器的电路实现

超宽带UWB(Ultra-Wide Band)定义为:相对其中心频率有高比例的带宽。即任何波形,只要带宽大于中心频率的25%,就可认为是超宽带。超宽带使用脉宽很窄的基带脉冲,典型为纳秒量级。从频域上看,其能量稀薄地扩散在整个使用的带宽里。超宽带技术在许多军事领域有着广泛的应用,如超宽带隐蔽通信、超宽带传感器、穿墙监控、非金属地雷探测、穿透植物寻的制导等领域。 

    基于微功率脉冲雷达(Micro power Impulse Radar)的运动传感器可作为防盗报警器,隐蔽地安装在房屋的天花板上,它可以穿过天花板探测指定区域内人体的移动。微功率脉冲雷达的微功率、低成本等特性要求其具体电路设计必须要有其自身的特点。 

1 MIR运动传感器实现原理 

    MIR运动传感器由发射单元、接收显示单元和天线三部分组成,如图1所示。发射部分是从脉冲振荡产生(1.8MHz,占空比50%),窄脉冲成形(脉宽几十纳秒),最后经阶跃二极管成形脉宽为400ps左右的快脉冲,由偶极子超宽带天线发射出去;接收部分采用相关取样的办法,提取从目标反射回来的超宽带信号,由取样延迟、取样门信号产生、积分取样、宽带信号放大、带通滤波和显示部分组成。 

 

 

    取样延迟是将发射部分的窄脉冲信号延迟,经快脉冲成形后作为相关接收机的参考信号。取样门宽的脉冲宽度决定传感器的空间分辨率,根据具体需要可取100ps～400ps。积分取样是将天线接收的微弱的、被目标反射的超宽带信号进行积分,从而提高信噪比。对于重复频率为1MHz的发射脉冲,如果积分时间常数取1毫秒,将有10000个脉冲在积分器被平均。被平均的接收信号经过放大1000倍后,通过一个带通滤波器就可以将信号检测出来。对于人体运动的检测,其上、下截止频率可分别取0.1Hz和10Hz。 

    电路见图2。图2中较有特色的是发射端的“电感激励快脉冲成形”和“相关检测电路”。在该电路的印制板设计中,必需考虑分布参数,并采用微带工艺。 

 

 

1.1 电感激励快脉冲成形  

    阶跃恢复二极管是一种特殊的变容管,又称作阶跃二极管。它在突变电压激励下,能产生持续时间极短的快脉冲,一般用于十倍以上的倍频。 

    D1、D2为阶跃二极管,L1、L2为微带电感(nH级)。该电路可以激励输入为窄脉冲的方波,成形为皮秒级的快脉冲。其中一路用于发射脉冲,另一路延迟快成形后用于取样门信号。在该电路的具体参数选择中,脉冲宽度和脉冲幅度是一对矛盾,即为追求较窄的脉冲宽度,必须以牺牲输出脉冲幅度为代价,降低输出的平均功率。 

    经过多次电路试验,得到了上升沿小于350ps左右的脉冲源(见图3),脉冲底宽小于800ps。在实际运动传感器参数选择中,主要考虑信号频谱匹配于天线的带宽(500MHz～1.4GHz),同时要考虑有尽可能大的输出幅度。 

 

 

1.2 微功率脉冲雷达信号的相关检测电路 

    是否能在微瓦级发射功率的条件下检测到被测物体微弱的反射信号是接收系统的关键。相关检测的优点是它以相对于参考信号的形式积累被接受信号,可以产生大于噪声电平输出信号。 

    图2中,当无天线信号时,A点电平为偏置基准电平,为50mV～150mV。当接收天线接收到物体反射信号时,信号在C₁偏置电平的基准上充电。此时取样门的负信号经Cp使D导通,物体的反射信号按信号的重复周期和取样脉冲信号脉宽多次充放电,在A点平均并能很好地抑制外来噪声,此电压经A1运放输出,其波形时间关系如图4所示。 

 

 

2 微功率脉冲雷达运动传感器探测实验 

    对所完成的运动传感器系统主要做了两种试验:(1)不同材质目标探测和分辩率试验;(2)穿透性试验。实验(1)选用多种材质(金属、木材、人体等)。实验表明:其探测灵敏度和材料的介电常数ε成正比,和目标的体积成正比。 

    穿透性试验以检验传感器系统的穿透性为目的,这也是超宽带探测最为显著的特点。用TEK602存储示波器接MIR接收机的输出,在实验室穿透30cm砖墙能清楚地探测到走廊上人体运动穿过探测区域时,由该传感器获取的波形。 

    图5是人在走廊上走过,MIR在实验室里天线贴墙、方向向着走廊。从图5中可以看出人进出探测区域一进一出的两个波峰。