超宽带穿墙探测雷达接收机的设计

第 �� 卷 第 � 期增刊 ��� � 年 � 月 仪 器 仪 表 学 报 ���� � � �� � � � �� � � � ��� ���� � �� ��� � � � � � �� 】� � � � � �� � � � �� 超宽带穿墙探测雷达接收机的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 , 刘丽华 ’, ’ 孟升卫 ’ 陈 洁 ’ 方广有 ‘ �� 中国科学院电子学研究所 , 北京 �� �� �� � � 中国科学院研究生院 , 北京 �� � �� �� 摘 要 � 本文设计并实现了一种新颖的脉冲型超宽带穿墙探测雷达接收机。 与传统取样门有所不同 , 该接收机利用取样相位 检测器 ���� �� !∀ �� �� � ��� �� �� � , ��� � 设计了一种开关速度极快的取样门。 接收机电路能很好的完成对微波信号的等效采 样 。 实验测试表明 , 该接收机可以重建微波信号下变频后的基带信号 , 且基带信号与微波信号在形状上高度 一致 。 该接收机 设计新颖 , 结构小巧 , 成本较低 , 实测取样带宽 � � � � , 动态范围 � � ! , 灵敏度一� � � � , 满足超宽带穿墙探测,��’达系统 的应用要求 。 关键词 � 超宽带雷达 取样相位检测器 等效时间采样 超宽带接收机 � � ��� � � � ��� � ���� 一� �� �� � � � � ��� � � �一� 自�� � � �� � ��� � � � � � � � � � ��� � � �� � ��� � �, � � � � � ��� � � � � �� � �� � ��� � ��� � � � �� � �� � � ���� ���“�� �� �� 七��� � �� � �� �� �� � � � � �� �� �� �� ���� � � �� ����� ��� �夕��� �� � � � � �� �� � �� �� �� !∀ 仰 �� �� �� � � �� � �� �� �� �� �� � ��� � ����� ��� ��夕�� �� � � � ���� � � � � � � ! � � ���� 一� �� � �� � � ��� � � �� �� ��� ��� � ��� � � � � !! ! �� �� �� � �� � ���� � � �一� � �� � ��� � ��� � � �� � � ����� � �� ��� �� ���� �� ���� �� �� � �� � ��� � �� ��� ���� ���� � ���� �� �� �� � �� � � � � � �� � � � �� � , ���� �� �� �� � � � ��� �� �� � ���� � � � � � � ��� �� � ���� � �� ��� � � �� �� �� �� � �� � � � �� � �� �� ���� � � � �� � �� � �� � ��� �一��� � � � ���� � �� � ��� � �� �� � � � � ��� � � ��� � ���� �� �� ��� ���� ��� � ��� �� �� �� �� � ! ∀ 一 e o n v e rt s t h e m i e ro w a v e s i g n a l t o b a s e b a n d s i g n a l a n d t h e w av e fo rm o f t h e b as e b an d s i gn a l agr e e s v e ry m u e h e l o s e t o t h e s h a P e o f o r i g i n a l m i e r o w av e i n P u t T h e m e a s u re d s a m P l i n g b a n d w i d t h 0 f th e no v e l e o m P a e t a n d I o w 一 e o s t re c e i v e r 1 5 6 G H z w i t h t h e d y n am i c r a n g e o f 5 0 d B an d t h e s e n s i t i v i ty o f 一 4 6 d B m t h us m e e t i n g t h e a P P l i e at i o n r e q u i r e m e n t s o f t h e U W B t h r o u g h 一 w a l l d e t e e t i n g ra d a r s y s t e m . K e y w o r d s : u l t r a 一 w i d e b an d ( U W B ) ra d a r s a m P l i n g P h as e d e t e e t o r ( S P D ) e q u i v a l e n t 一 t i m e s a m P l i n g U W B r e C e l V e f 引 言 在超宽带探地雷达 、 穿墙成像雷达等系统中 , 无载频脉冲体制是采用最为广泛的一种 。 雷达回波 信号通常经过低噪放后进入雷达接收机 , 若直接对 回波信号进行采集 , 对 A 心转换器的转换速率要求 极高 。 所以 , 雷达接收机通常采用等效时间采样的 方法完成对回波射频信号的信息提取 , 在每个重复 周期内进行适量次数的采样 , 然后综合所有采样 , 合成完整的输入信号 。 等效采样不仅克服 了速度方 面的困难 , 而且还有提高信噪比 , 增加系统带宽等 重要特性 。 超宽带接收机多采用取样门电路进行等效采 样 , 利用 sR D 管脉冲电路产生采样脉冲信号l’一2] 可 *基金项 目: 国家高技术研究发展计划 (863)项目 (No.2()()7AA 12Z124) 以获得皮秒级的采样脉冲 。 取样门电路通常利用肖 特荃二极管组成二管取样门或四管取样桥!3一4 ! 。传统 的方法是利用变压器得到一对平衡的对称脉冲作 为取样脉冲信号 , 这样容易产生的问题是 , 采样脉 冲很难做到完全对称 , 且单脉冲转换为对称脉冲时 能量损耗较大 , 脉宽也会被展宽 , 导致采样转换增 益降低 。 A . R e i s e n z a h n 和 T .B uehegg e 提出用取样 相位检测器 (sPD ) 作下变频器151 , 并对高斯脉冲 信号作了采样实验 , 等效采样后的基带信 号与原始 脉冲信号形状 ·致性较差 , 其主要原因是该电路利 用差分运算放大器获取平衡信号 , 而差分运算放大 器 的工作带宽有限 , 使输出的平衡信号对称性较 差 , 导致接收机的接收效果不理想 。 本文提出的新型超宽带穿墙探测雷达接收机 成功利用取样相位检测器 (SPD )的内部电路结构 , 突破 SPD 用于 V C O 锁相环的传统用法 , 设计的接 shannon Highlight shannon Highlight 第6期增刊 刘丽华 等: 超宽带穿墙探测雷达接收机的设计 收机电路减少了采样脉冲产生电路及平衡脉冲转 换电路 , 设计新颖 , 相比前述两类接收机设计方法 具有更大的采样带宽和更高的采样效率 , 实验结果 显示 , 等效采样后基带信号波形与原始微波信号波 形高度一致 , 进一步 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了该型超宽带接收机的优 越性能以及在实际工程中的应用前景 。 2 穿墙雷达接收机设计 穿墙探测雷达采用无载频脉冲信号直接作用在 发射天线上 , 天线紧贴墙体。 发射的脉冲信号必须 有较强的穿透性 , 其电磁波能量才能祸合到墙壁的 另一侧对 目标进行检测 。 无载频单极脉冲信号的数 学表达式为 s(, ) = [ 1一 4 二声鱼), ] ex p [一2 : (上生), ] ( 1 ) T T 式中, t J 为脉冲中心时刻 , : 为脉宽因子 , 可以控制 脉冲的有效宽度 。 式 (l) 无载频脉冲对应频谱的 能量主要集中在低频部分 , 从而保证了雷达良好的 穿透特性 。 2 . 1 取样相位检测器 取样相位检测器 (sam pling phase detec tor , S P D ) 是一种新型的微波器件 , 主要应用于射频以 及更高频率范围的通信及雷达系统 , 其内部结构如 图 l 所示 , 由一个阶跃恢复二极管 (st eP recov ery di ode, S R D ) , 两个电容和一对肖特基二极管组成 。 势垒电压为 43 0 m v 。 集成的电容为0. 6 pF , 能在很 宽的频域范围内与射频回波信号进行匹配 , 从而可 以提高接收机的取样带宽 。 2 . 2 阶跃恢复二极管特性分析 阶跃恢复二极管是一种 PN 结二极管 , 其直流 伏安特性和普通二极管相同 , 但在高频或突变电压 激励下 , 二极管正向导通时会贮存大量电荷 , 当电 压迅速转为反向电压时 , 这些贮存电荷迅速返回 原处 , 形成很大的反向电流 , 直到贮存电荷接近耗 完时 , 反向电流迅速减小 , 并立即恢复到反向截 止状态 。 利用这一特性 , 可以产生高斯窄脉冲 , 且 脉冲宽度由阶跃管的渡越时间参数决定 。 阶跃恢复二极管在正向偏置时存储的电荷可 由以下电荷连续性方程得出 i(t)= dQ /dt + Q /: ( Q > 0 ) (2 ) 其中, i( l) 表示二极管总的瞬时电流 , 口表示二极 管 PN 结存储电荷 , T 表示少数载流子的寿命 。 若 电流为恒定电流时 , 存储电荷可以表示为 必 = I;:(l一e 一介‘r ) ( 3 ) 其中 , 人表示二极管正向电流 , t ; 表示二极管正 向导通时间。 当二极管反向偏置且反向电流为恒定 电流 I;时 , 则从反向电流开始到阶跃管截 l卜所需要 的时间为 I 。 ( l 一 e 一 I , 了r ) _ 于 _ 一 .一. , I f 、 了 .‘“ 一 ‘ ”‘[ , 一 es 一一万— ,三 R ( 4 )厂 一 一 一 一万.一 一 一 一 IF .O U T 阶跃恢复二极管的渡越时间 t *定义为二极管 反向偏置时阻抗突变的时间 。 渡越时间由两个因素 决定 , 其大小可表示为 t、司不奋畜 (5) L-- _ __ 二 _ _ _ _ l 图 1 取样相位检测器 (SPD) 内部电路 本文接收机中取样相位检测器选用 M et eli es 公司的 M SPD 201 8 , 其内部集成中的 SR D 拥有比一 般 SR D 更 为优 越 的工作特 性 , 其渡 跃 时间 (tran sition tim e) 为 55 ps, 少子寿命 5 ns, 结电容 为 0. 35 pF , 在对称信号的激励下 , 可以在阶跃恢复 二极管(s R D )的两端获得一对窄脉冲信号 。 取样相 位检测器 (SPD ) 内部电路中的肖特基二极管工作 频率可达 22 G H z , 具有非常好的开关特性 , 二极管 其中 , t , 为由阶跃恢复二极管本身固有的渡越时间 , ·般在该二极管的数据手册上可六; 气〔, 为由二极 管反偏电容砚* (等效为二极管反偏结电容C , 与体 电容 q 并联)及与二极管并联的等效电阻尺。决定 的时间 , 脉冲上升时间 (10% ~90% ) 表示为 tltc = 2 · Z R 、喻 (6)2.3 接收机电路设计 图 2 为超宽带穿墙探测雷达接收机的电路原理 简图 , 其中 Q I、 Q Z 均为微波三极管 。 该接收机最 关键的器件是取样相位检测器 (SPO ) 。 接收机电 N.LO shannon Highlight 第 30 卷 仪 器 仪 表 路主要由前级对称脉冲驱动电路 、 S P D 采样门 、 以 3 及基带电路组成 。 学 报 接收机电路参数分析 sss盼 (’ 复复又又 艺艺 sc 加”k y ’’ R F 一 i nnn。。 翔翔一《《又又又 ::: ,,, R 』』 图2 超宽带接收机电路原理图 前级驱动电路的工作过程简述如 卜: 由于电路 结构对称 , 当时钟信号输入时 , 变压器次级输出一 对边沿对称信号 , 使微波只极管 Q I 和 Q Z 同时导 通 , 迅速从截止区经过放大区进入饱和区 , 所以 , 该电路中微波只极管的作用为高速开关 , 在二极管 Q l和 Q Z 的集电极llJ’以得到对称且边沿更陡的一对 T TL 信号 。 取样门中的电容 C 称为采样电容 , C . 为保持电 容 。 在 TT L 信号的驱动 卜, 当 SR D 反向偏置时 , 由于 SR D 的阶跃特性 , S R D 并不会马上截止 , l (iJ 是经历存储时间及阶跃时间后才完全截止 , 在 Q l 与 Q Z 的集电极分别产生完全对称的正负窄脉冲信 号作为接收机取样门的取样脉冲网 。 当对称取样脉 冲经电容 C 祸合到肖特基二极管时 , 取样门迅速打 开 , 取样过程开始 , R F 一 in 端输入的身」‘频回波信号 对电容C 充电;当取样脉冲消失时取样门迅速关断 , 取样结束 , 电容 C 卜集聚的电荷通过 R3 , 凡 转移 至保持电容 C l上 , 使 C I两端电压与 R F 信号电压 成 ·定比例关系 , 并实时反映 R F 信号的大小变 化I, , 8 一。 图 3 为研制的接收机电路实物 , 尺寸为 7 cm \ 5 cm , 结构小巧 , 基板为普通 FR4 板材 。 荃于取样相位检测器 (SPD ) 的肖特墓二极管取 样开关是接收机电路的关键部分 , 取样开关的有效 取样时间定义为 界司不万 (7) 其中, t ; 为为射频信号给肖特基二极管充电的上升 时间; t。 为电路的取样缝隙时间 。 由于t, 很小可以 忽略不计 , 所以界二 ta , 则基于 SPD 的超宽带接收 机双“ t。 = 55 pe , 根据采样带宽的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 (8) , 该接收机取样宽带计算值为 6. 4 G H z 。 B 砰(G llz )= 350 /界 (8) 为了保证接收机能够正常工作 , 电路中元件参 数 和 偏 置 电压 的选 择 必 须 满 足 V /R , ‘I: , V / 凡 ‘ 1 2 , V 三 K ,Ii( , , 其中11为二极管Q l集电极 的最大电流 , I : 为二极管 Q Z集电极的最大电流 , K I{( , 为微波二极管丛极开路时集电极与发射极之 间的反向击穿电压 。 利用上述关系可以计算 R l, R Z 的份L值范围 。 丛带电路由 R 3、 凡 , 电容 C :以及运算放大器 组成 , 其中凡 、 凡 和电容 C .组成一个低通滤波器 , 设定 R 3 = R 4 二 R 。 , 则滤波器的 3d B 带宽为 B = l/R oC 一 ( 9 ) 假设电路的脉冲重复周期 (PR F) 为 T0 , 为了保证 SPO 中采样电容C 上的电荷可以全部转移至保持电 容 C 3 一 卜, 则放电时间 t必须满足 t = 凡CI<兀 , 由 此可以估算 R3、 瓜 及 C , 的值 。 4 实际测量结果 图 3 接收机电路板 通过 比较接收机等效采样后的基带波形与原 始波形的一致性 , 可以测试接收机的超宽带特性101 。 自制脉冲信号发生器产生的高斯脉冲的宽度为 400 ps (100,0 一 1 0 0,0 ) , 脉冲重复频率为 一 M H z , 与接收 机时钟之间的步进时间为 10 Ps 。接收机等效采样后 的基带信号波形如图 4 所示 , 4 00 ps 的高斯脉冲被 展宽为 40 p s , 与理论计算值相 同 。 此外 , 基带信 号波形与原始高斯脉冲波形几乎完全一致 , 脉冲尾 部的振铃也较小 , 验证了该接收机设计方法 的正确 性和实用性 。 第 6期增刊 刘丽华 等: 超宽带穿墙探测雷达接收机的设计 实际测量的该接收机的转换增益为 7 dB 一 10 d B , 对应取样带宽为 6 G H z, 与理论计算值 6. 4 G H z 丛本 一致 。 接收机动态范围为 50 dB , 灵敏度为 一46 d B m 。 0 0 . 1 0 . 2 时间lm s 0.3 0 .4 0 .5几几几几几几几.1...一一 ’“ {{{{{带---:::::::—原姑1舀亏 --- 1111111 1 ... 波集成器件 , 包含脉冲产生电路以及取样门所需要 的 SR D 管和肖特基二极管 , 并将它们整体封装在 一个元器件中。 本文设计的超宽带接收机新颖之处 在于巧妙利用 SPD 的这一特点 , 突破传统用法 , 结 合以微波三极管为基础的对称脉冲产生电路 , 成功 运用 SPD 替代独立器件设计了满足超宽带穿墙探 测雷达系统要求的接收机电路 , 提高了雷达接收机 的性能。 实验表明 , 本文设计的新型超宽带探地雷 达接收机取样带宽大 , 分辨率高 , 结构小巧 , 并已 经成功应用到小型化超宽带穿墙雷达系统中 。 参考文献 02468 -0-0-0刁侧浮牟!里 0 1 2 3 4 5 时间In s 图4 原始波形与接收波形的比较 将该接收机应用于实际的穿墙探测雷达系统 中, 棍凝土墙体厚度为 30 cm , 相对介电常数约为 7一9 。 需达工作频率范围为 1一3 G H z , 中心频率 2 G Hz , 发射机脉冲宽度 soo pe , 峰值电压 SV , 工作 重复频率为 1 M H z , 采样步进时间 20 pe , 每道波 形采样点为数 511, 则接收机采样时窗为 10 ns 。 雷 达发射衫L与接收机天线之间相距 20 cm 。 图 5 为穿 墙雷达动 目标检测的实测 B 一 s c an 灰度图 , 可以清楚 的看到雷达穿透墙体后检测到的动目标运动轨迹 。 [ l ] L e e J S , N g uy e n C , A l o w 一e o s t u n i P l an ar s am P l i n g d o w n 一c o n v e rte r w i th i n te rn a l l oc a l o s e i l l ato r, P u l se g e n e rat o r an d I F am P li fi e r, I E E E T ran s . O n M i e r o w a v e T h e o ry an d T e e h n iq u es, 2001 , 4 9 ( 2 ) : 3 9 0 一 3 9 2 . [ 2 ] H an J W , N g uy c n C , o n th e d e v e l o P m e n t o f a e o m P a e t s u b- n an o s e e o n d t u n a b l e m o n oc y e l e P u l s e t ran s m i tt e r fo r U W B a P P l i e at i on s , I E E E T ran s . M i e r o w a v e . T h e o ry T e e h . , 2 0() 6 , 5 4( l ) : 2 8 乡293. [3] H an J W , N g u y e n C , D e v e l o P m e n t o f a t u n a b l e M u l t i b a n d U W B rad ar s e n s o r an d i t s A P P l i e at i o n s t o s u b s u ri 触ee se nsing , I E E E S e n s o rs J o u rn a l , 2 0 0 7 , 7 ( l ) : 5 1 一 5 8 . I 4 ) C H E N Y u 一x i ao , Y IN X i an 一 d o n g, D e s ig n an d si m ul at i o n o f 100 Ps tr an sie n t s am P l ing g at e ba s e d o n h igh s Pe e d S e ho tt 勺 diod e , H i g h P o w e r L as e r an d P art i c l e B e am s , 2 0 0 6 , 1 8 ( l ) : 4 5 一 5 0 . [ 5 1 R e i s e n z ah n A , B u e h e g g e r T, Ka ine der G , D i s k u s C , P h as e sy n e h ro n i z a t i on i n U W B r e c e i v e r s w i t h s am P l i n g P h as e d e t ec to rs , I E E E M TT 一 S , I n t e rn at i o n a l M i e r o w a v e S y m P o s i u m D i g e s仁L on g B eaeh , C A , 2 0 0 5 . 【6] Z hang C e一m i n g, F at 妙 A ly E .Perfo rm an ce Enhan eem entof a sub一s am P l i n g e i re u i t fo r u l tr a- w i d e b a n d s i gn a l P ro e e s s i n g . I E E E M i e ro w a v e an d W i re l e s s C o m P o n e n t s L e tt e rs , 2 0() 7 , 1 7 ( 2 ) : 8 7 于875. [7] W illiam s D F , R e m l ey K A , A n a l y t i c s a m P l i n g 一e i re u i t m o d e l , I E E E T ran s . M i e ro w a v e T h e o ry T e e h . , 2 0 0 1 , 4 9 : 1 0 1 3 一 10 19 . [8 ] A b e le P, S am Pli ng eireu it on s il ieo n substrate fo r fre q uene ies bey o nd 50 G Hz, IE E E M Tl’ 一5 D i g . , 2 0 0 2 : 1 6 8 1 一1 6 8 4 . [9 ] 丫恤n M in g , T i an M ao , G an L u . I m P u l s e g r o u n d P e n e t r at i n g rad ar h剑ware 斗st e m d esign . 6th 一ntern at ion al C on fe re nee on IT S Te leeo m m un ieation s Pr oc ee din g s. 20 0 6:1244 一 1 2 4 7 . 50 100150200250300350400450500 彩城耸叹 0 20 40 60 80 A名ean 次数 图 5 穿透墙体动目标检测 B 一s ca n 灰度堆积图 5 结 论 取样相位检测器 (SPD ) 是一种性能优越的微