CN110907898B - 一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达电路结构 - Google Patents

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Abstract

一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达电路结构，目的主要是在解决直流偏置的基础上，降低雷达的实现复杂度及成本，通过在发射端添加一个射频开关，减少非调制信号对接收端的影响。

Description

一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达电路结构
技术领域
本发明涉及多普勒雷达电路领域，尤其涉及一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达电路结构。
背景技术
生命体征探测和短距离定位是当今的研究热点，在消费电子、医疗监护、辅助驾驶和机器人室内导航等领域应用广泛[1]。相比于传统的接触式传感器和基于光照的传感器，双频多普勒雷达具有无需接触、不依赖于光照和穿透力强的优点[2]。
但是双频连续波多普勒雷达存在直流偏置问题。针对该问题有人提出了数字低中频接收机结构[3]，即利用一个与发射信号频率相差较小的本振信号输入混频器并与接收信号混频，混频产生的低中频信号再由模数转换器采样，最后在数字域进行第二次混频而产生基带信号。在该结构中，需要产生两个不同频率的信号源，在接收机中也需要两次混频，这令微波雷达的结构更加复杂化，也使微波雷达的实现成本更高。
基于现有雷达结构的不足，有必要提出一种新型的微波雷达结构，在解决直流偏置问题的基础上，进一步降低微波雷达的复杂度和成本。
【参考文献】
[1] Peng Z, Muñoz-Ferreras J M, Tang Y, et al. A Portable FMCWInterferometry Ra-dar with Programmable Low-IF Architecture for Localization,ISAR Imaging, and Vital Sign Tracking[J]. IEEE Transactions on MicrowaveTheory & Techniques, 2017, PP (99):1-11.
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[3] Wu Y, Li J. The design of digital radar receivers [J]. IEEEAerospace & Electronic Systems Magazine, 1998, 13(1):35-41。
发明内容
针对现有技术存在的难题，本发明提出了一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达电路结构，目的主要是在解决直流偏置的基础上，降低雷达的实现复杂度及成本，通过在发射端添加一个射频开关，减少非调制信号对接收端的影响。
一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达电路结构，本发明的完整电路图如图1所示。在该图中，利用本振产生两个频率的信号，这两个频率的信号都用功分器分成两路，分别用作本振信号和发射信号。然后利用功分器合成两个频率的信号，合成后的信号先经过射频开关，之后经过功率放大器放大，最后通过发射天线发射。其中射频开关为抑制直流偏置的核心部件，利用该部件减弱未经调制的发射信号对接收机的影响，进而降低直流偏置的影响。在接收机部分，首先利用功分器分离两个频率的信号，每路中的信号首先经过带通滤波器，使每路中的信号只含单频信号。之后信号经过低噪声放大器放大，然后与本振信号在混频器中进行正交混频。正交混频得到的基带信号利用数据采集卡转换成数字信号。
首先射频开关处于闭合状态，利用双频雷达实现短距离定位，具体的实现方式如下；
当该双频雷达的工作频率为f1和f2时，计算的距离信息如式（1）所示：
Figure 172987DEST_PATH_IMAGE001
（1）
方位角信息通过旋转雷达系统测得，合并距离信息和方位角信息，便可以得到短距离定位信息；
在得到距离信息后，射频开关的开闭频率如式（2）所示：
Figure 214892DEST_PATH_IMAGE002
（2）
之后开始测量生命体征信息，生命体征探测实现的方式具体如下，忽略幅度变化，设发射的信号如公式（3）所示：
Figure 387379DEST_PATH_IMAGE003
（3）
人的胸腔运动会对发射信号产生调制作用，并使发射信号产生反射，接收天线接收到的反射信号如式（4）所示：
Figure 246750DEST_PATH_IMAGE004
（4）
在式（4）中，
Figure 671565DEST_PATH_IMAGE005
为雷达与被测物之间的距离，x(t)为人体的胸腔运动；
反射信号与本振信号正交混频后，得到的基带信号如式（5）所示：
Figure 907374DEST_PATH_IMAGE006
（5）
利用复数信号解调法提取生命体征信号，
Figure 324580DEST_PATH_IMAGE007
（6）
重建的复数信号如式（6）所示。
本发明的优势有两点，第一，可以解决直流偏置问题，通过射频开关大幅度降低非调制信号对接收机的影响；第二，降低了雷达结构的复杂度和实现成本，由于在接收机部分不再需要两次混频，这会降低雷达的设计复杂度，也会降低雷达的实现成本。
附图说明
图1是本发明双频雷达电路原理图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明的最佳实施方式如下。如图1所示，两个PLL产生的频率分别为1.67GHz和2.06GHz，为了尽量减小混频后基带信号的残余相位噪声，使用同一块晶振驱动两块PLL。产生的两个频率信号利用功分器合成，之后经过射频开关并经功率放大器放大后通过天线发射出去。在接收端，接收到的信号先由功分器分成两路，之后经过中心频率分别为1.67GHz和2.06GHz的带通滤波器，使每个接收通道中只含有一个频率的信号。滤波后的信号线经低噪声放大器放大，然后与本振信号进行混频。为了解决零点问题，采用正交混频的方式产生两路正交的基带信号。最后利用模数转换器将基带信号转换成数字信号。
本发明中具体使用元器件的型号如下描述， 压控振荡器采用Analog Devices公司的LTC6948IUFD，利用该压控振荡器产生1.67GHz和2.06GHz两个频率的信号；功分器采用Anaren公司的PD0922J5050S2HF；射频开关采用pSemi公司的4239-52；中心频率为1.67GHz的带通滤波器采用TriQuint公司的TQQ7303；中心频率为2.06GHz的带通滤波器采用TriQuint公司的856738；低噪声放大器采用Analog Devices公司的HMC618ALP3ETR；正交混频器采用Analog Devices公司的LT5575EUF；模数转换器采用NI USB-6211。

Claims (1)

1.一种利用射频开关抑制直流偏置的多普勒雷达，其特征在于：利用本振产生两个频率的信号，这两个频率的信号都用功分器分成两路，分别用作本振信号和发射信号；利用功分器合成两个频率的信号，合成后的信号先经过射频开关，之后经过功率放大器放大，最后通过发射天线发射；射频开关为抑制直流偏置的核心部件，利用该部件减弱未经调制的发射信号对接收机的影响，进而降低直流偏置的影响；在接收机部分，首先利用功分器分离两个频率的信号，每路中的信号首先经过带通滤波器，使每路中的信号只含单频信号；信号经过低噪声放大器放大，然后与本振信号在混频器中进行正交混频，正交混频得到的基带信号利用数据采集卡转换成数字信号；
首先射频开关处于闭合状态，利用双频雷达实现短距离定位，具体的实现方式如下；
当该双频雷达的工作频率为f1和f2时，计算的距离信息如式（1）所示：
Figure QLYQS_1
方位角信息通过旋转雷达系统测得，合并距离信息和方位角信息，便可以得到短距离定位信息；
在得到距离信息后，射频开关的开闭频率如式（2）所示：
Figure QLYQS_2
之后开始测量生命体征信息，生命体征探测实现的方式具体如下，忽略幅度变化，设发射的信号如公式（3）所示：
Figure QLYQS_3
人的胸腔运动会对发射信号产生调制作用，并使发射信号产生反射，接收天线接收到的反射信号如式（4）所示：
Figure QLYQS_4
式（4）中， d0为雷达与被测物之间的距离，x(t)为人体的胸腔运动； 反射信号与本振信号正交混频后，得到的基带信号如式（5）所示：
Figure QLYQS_5
利用复数信号解调法提取生命体征信号，
Figure QLYQS_6
重建的复数信号如式（6）所示。
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