超寬帶UWB(Ultra-Wide Band)定義為:相對(duì)其中心頻率有高比例的帶寬。即任何波形,只要帶寬大于中心頻率的25%,就可認(rèn)為是超寬帶。超寬帶使用脈寬很窄的基帶脈沖,典型為納秒量級(jí)。從頻域上看,其能量稀薄地?cái)U(kuò)散在整個(gè)使用的帶寬里。超寬帶技術(shù)在許多軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,如超寬帶隱蔽通信、超寬帶傳感器、穿墻監(jiān)控、非金屬地雷探測(cè)、穿透植物尋的制導(dǎo)等領(lǐng)域。 

    基于微功率脈沖雷達(dá)(Micro power Impulse Radar)的運(yùn)動(dòng)傳感器可作為防盜報(bào)警器,隱蔽地安裝在房屋的天花板上,它可以穿過(guò)天花板探測(cè)指定區(qū)域內(nèi)人體的移動(dòng)。微功率脈沖雷達(dá)的微功率、低成本等特性要求其具體電路設(shè)計(jì)必須要有其自身的特點(diǎn)。 

1 MIR運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)原理 

    MIR運(yùn)動(dòng)傳感器由發(fā)射單元、接收顯示單元和天線三部分組成,如圖1所示。發(fā)射部分是從脈沖振蕩產(chǎn)生(1.8MHz,占空比50%),窄脈沖成形(脈寬幾十納秒),最后經(jīng)階躍二極管成形脈寬為400ps左右的快脈沖,由偶極子超寬帶天線發(fā)射出去;接收部分采用相關(guān)取樣的辦法,提取從目標(biāo)反射回來(lái)的超寬帶信號(hào),由取樣延遲、取樣門信號(hào)產(chǎn)生、積分取樣、寬帶信號(hào)放大、帶通濾波和顯示部分組成。 

 

 

    取樣延遲是將發(fā)射部分的窄脈沖信號(hào)延遲,經(jīng)快脈沖成形后作為相關(guān)接收機(jī)的參考信號(hào)。取樣門寬的脈沖寬度決定傳感器的空間分辨率,根據(jù)具體需要可取100ps～400ps。積分取樣是將天線接收的微弱的、被目標(biāo)反射的超寬帶信號(hào)進(jìn)行積分,從而提高信噪比。對(duì)于重復(fù)頻率為1MHz的發(fā)射脈沖,如果積分時(shí)間常數(shù)取1毫秒,將有10000個(gè)脈沖在積分器被平均。被平均的接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大1000倍后,通過(guò)一個(gè)帶通濾波器就可以將信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè),其上、下截止頻率可分別取0.1Hz和10Hz。 

    電路見(jiàn)圖2。圖2中較有特色的是發(fā)射端的“電感激勵(lì)快脈沖成形”和“相關(guān)檢測(cè)電路”。在該電路的印制板設(shè)計(jì)中,必需考慮分布參數(shù),并采用微帶工藝。 

 

 

1.1 電感激勵(lì)快脈沖成形  

    階躍恢復(fù)二極管是一種特殊的變?nèi)莨?又稱作階躍二極管。它在突變電壓激勵(lì)下,能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間極短的快脈沖,一般用于十倍以上的倍頻。 

    D1、D2為階躍二極管,L1、L2為微帶電感(nH級(jí))。該電路可以激勵(lì)輸入為窄脈沖的方波,成形為皮秒級(jí)的快脈沖。其中一路用于發(fā)射脈沖,另一路延遲快成形后用于取樣門信號(hào)。在該電路的具體參數(shù)選擇中,脈沖寬度和脈沖幅度是一對(duì)矛盾,即為追求較窄的脈沖寬度,必須以犧牲輸出脈沖幅度為代價(jià),降低輸出的平均功率。 

    經(jīng)過(guò)多次電路試驗(yàn),得到了上升沿小于350ps左右的脈沖源(見(jiàn)圖3),脈沖底寬小于800ps。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)傳感器參數(shù)選擇中,主要考慮信號(hào)頻譜匹配于天線的帶寬(500MHz～1.4GHz),同時(shí)要考慮有盡可能大的輸出幅度。 

 

 

1.2 微功率脈沖雷達(dá)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)電路 

    是否能在微瓦級(jí)發(fā)射功率的條件下檢測(cè)到被測(cè)物體微弱的反射信號(hào)是接收系統(tǒng)的關(guān)鍵。相關(guān)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是它以相對(duì)于參考信號(hào)的形式積累被接受信號(hào),可以產(chǎn)生大于噪聲電平輸出信號(hào)。 

    圖2中,當(dāng)無(wú)天線信號(hào)時(shí),A點(diǎn)電平為偏置基準(zhǔn)電平,為50mV～150mV。當(dāng)接收天線接收到物體反射信號(hào)時(shí),信號(hào)在C₁偏置電平的基準(zhǔn)上充電。此時(shí)取樣門的負(fù)信號(hào)經(jīng)Cp使D導(dǎo)通,物體的反射信號(hào)按信號(hào)的重復(fù)周期和取樣脈沖信號(hào)脈寬多次充放電,在A點(diǎn)平均并能很好地抑制外來(lái)噪聲,此電壓經(jīng)A1運(yùn)放輸出,其波形時(shí)間關(guān)系如圖4所示。 

 

 

2 微功率脈沖雷達(dá)運(yùn)動(dòng)傳感器探測(cè)實(shí)驗(yàn) 

    對(duì)所完成的運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)主要做了兩種試驗(yàn):(1)不同材質(zhì)目標(biāo)探測(cè)和分辯率試驗(yàn);(2)穿透性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)(1)選用多種材質(zhì)(金屬、木材、人體等)。實(shí)驗(yàn)表明:其探測(cè)靈敏度和材料的介電常數(shù)ε成正比,和目標(biāo)的體積成正比。 

    穿透性試驗(yàn)以檢驗(yàn)傳感器系統(tǒng)的穿透性為目的,這也是超寬帶探測(cè)最為顯著的特點(diǎn)。用TEK602存儲(chǔ)示波器接MIR接收機(jī)的輸出,在實(shí)驗(yàn)室穿透30cm磚墻能清楚地探測(cè)到走廊上人體運(yùn)動(dòng)穿過(guò)探測(cè)區(qū)域時(shí),由該傳感器獲取的波形。 

    圖5是人在走廊上走過(guò),MIR在實(shí)驗(yàn)室里天線貼墻、方向向著走廊。從圖5中可以看出人進(jìn)出探測(cè)區(qū)域一進(jìn)一出的兩個(gè)波峰。