CN115032702A - 一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，尤其是一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，针对现有的探测器不能实现良好的电磁兼容以及成产成本过高的问题，现提出如下方案，其包括电路板和微波信号收发天线，所述电路板上电性连接有微波运动探测传感器电路，所述微波运动探测传感器电路包括单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及信号处理电路，本发明提供提供一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，窄频带工作具有良好的电磁兼容性、同时省去混频二极管简化电路结构、减小PCB占用面积、降低生产成本。

Description

一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器。

背景技术

随着物联网技术的发展，智能家居、以及智能安防技术对于环境探测，特别是对于人的移动以及微动的动作特征探测准确性的需求越来越高，只有获取足够稳定的探测结果，才能够为智能终端设备提供准确的判断依据。其中基于多普勒效应原理的微波探测技术作为物联网的重要枢纽在运动和存在探测技术中具有独特的优势，能够不侵犯人隐私，探测出活动物体，如人的移动、微动，心跳和呼吸特征，具有广泛的应用前景。

进一步地，在由ITU-R许可的ISM频段中，被应用于微波探测的频段主要有2.4GHz、5.8GHz、10.525GHz、24.125GHz等频段资源，并规定相应的微波探测器需要遵守一定的发射功率以减小对其他无线电设备的干扰。如何在小发射功率下实现精确灵敏的移动探测是当前面临的严峻挑战。在智能家居中，目前市场大多数的微波运动传感器存在如下问题：传统的窄频带工作的微波运动传感器需要一个用做发生窄频带微波信号的晶体管以及一个用做混频功能的二极管，这种方案具有电路结构复杂、生产成本较高的问题；传统的另一种单晶体管微波运动传感器，使用单晶体管的射极连接一段微带天线串联RC电路进行微波信号收发，该RC电路在工作时会充放电，引起晶体管的工作点变化，使得晶体管脉冲方式振荡，形成占用频带大于10MHz的宽频带辐射信号，易对其他传感器及无线设备产生干扰。以上两种传统的方案第一种必须使用二极管混频，存在成本过高、PCB面积大、电路复杂问题；第二种输出的微波信号频带不是窄频带，存在电磁兼容问题。随着电子产品趋于微型化的需求，如何降低移动微波传感器的体积、简化结构、降低成本、并减少辐射杂散成为亟需解决的技术问题，所以我们提出一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，用于解决上述所提出的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在目前的探测器不能实现良好的电磁兼容以及成产成本过高的缺点，而提出的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，包括电路板和微波信号收发天线，所述电路板上电性连接有微波运动探测传感器电路，所述微波运动探测传感器电路包括单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及信号处理电路。

优选的，所述微波运动传感器电路包括晶体管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、微带匹配网络L1和反馈网络，所述电阻R1和电阻R2的一端均与VCC馈电端电性连接，所述电阻R2的另一端分别与隔直电容C3、反馈网络、电阻R3及晶体管Q1的基极电性连接，所述电阻R1的另一端分别与反馈网络的另一端和晶体管Q1的集电极电性连接，所述晶体管Q1的发射极接地，所述电阻R3的另一端分别与电容C1的一端和中频放大及信号处理电路电性连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C3的另一端连接与微带匹配网络L1电性连接，所述微带匹配网络L1的另外一端与微波信号收发天线电性连接。

优选的，所述单晶体管窄频带振荡&混频电路输出信号为3dB工作频带小于100KHz的信号，所述中频信号放大及处理电路为运算放大器和信号处理器为核心组成的电路，所述单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及处理电路安装在电路板上，所述微波信号收发天线为微带天线，也可以为其他天线形式。

优选的，所述电阻R3的阻抗比微波信号收发天线的阻抗大。

优选的，所述电容C3为高频隔直电容。

优选的，所述晶体管Q1为微波晶体管，且晶体管Q1的集电极与基极均与反馈网络相连接。

有益效果：

1.本发明中，使用单晶体管产生微波运动传感器的窄频带微波信号、发射、接收和变频，而传统窄频带微波运动传感器需要1个晶体管、1个混频二极管才能实现相同的功能，本技术方案采用微波信号收发天线形成对信号的发射及接收，直接用单晶体管对窄频带微波收发信号进行混频产生中频信号，由于省去一个混频二极管，使电路更加简化，PCB面积更小，成本更加低廉。

2.本发明中，相比传统的技术方案“一种5.8GHz单晶体管微波移动传感器”采用射极谐振发射微带线串联RC并联电路输出>10MHz宽频带微波信号，本技术方案的晶体管窄频带振荡产生的微波信号是窄频带信号，具有3dB带宽<100KHz的极窄工作频带信号，因此不会对其他微波运动传感器、电子设备产生电磁干扰，具有良好的电磁兼容性能。

3.本发明中的单晶体管窄频带微波运动探测传感器，可以通过采用多层电路板设计微波运动传感器，有效的减小PCB占用面积，使得产品微型化。

4.本发明中，的微波运动传感器，适用于2.4GHz、5.8GHz、10.525GHz、24.125GHz等ISM频段。

本发明提供提供一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，窄频带工作具有良好的电磁兼容性、同时省去混频二极管简化电路结构、减小PCB占用面积、降低生产成本。

附图说明

图1为本发明提出的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器的结构电路简图；

图2为本发明提出的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器的结构PCB布局图；

图3为本发明提出的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器的结构电路板叠层图；

图4为采用弹片天线的单晶体管窄频带微波运动探测传感器的叠层图；

图5为采用针状天线的单晶体管窄频带微波运动探测传感器的叠层图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参照图1-5，一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，包括电路板和微波信号收发天线，电路板上具有微波运动探测传感器电路，微波运动探测传感器电路包括单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及信号处理电路，微波信号收发天线可以采用在电路板上设计的微带收发天线，也可以采取其他天线形式。

本发明中，微波运动传感器电路包括晶体管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、微带匹配网络L1和反馈网络，电阻R1和电阻R2的一端均与VCC馈电端电性连接，电阻R2的另一端分别与隔直电容C3、反馈网络、电阻R3及晶体管Q1的基极电性连接，电阻R1的另一端分别与反馈网络的另一端和晶体管Q1的集电极电性连接，晶体管Q1的发射极接地，电阻R3的另一端分别与电容C1的一端和中频放大及信号处理电路电性连接，电容C1的另一端接地，电容C3的另一端连接与微带匹配网络L1电性连接，微带匹配网络L1的另外一端与微波信号收发天线电性连接，反馈网络为源极与基极之间的反馈网络，反馈网络为满足晶体管工作频点振荡条件所需相位及幅度要求的电路，通过设计合理的反馈系数和反馈相位，使振荡频率工作在设计的ISM频段，晶体管Q1起到振荡及混频的作用，能够通过反馈网络产生振荡生成微波信号，且能够给晶体管混频提供本振信号，采用微带收发天线时电路板与收发天线通过多层电路板上的金属过孔进行电气连接，微带收发天线设置于电路板上，具有发射微波信号与接收回波信号的功能，微带收发天线通过微带匹配网络L1、电容C3接入到晶体管Q1的基极获得发射信号，并通过该天线向空间辐射微波信号，微带收发天线同时接收到外界目标的反射回波信号，回波信号反方向馈入晶体管Q1的基极，利用晶体管Q1的非线性特性完成混频功能，产生包含运动信息的中频信号，晶体管Q1基极混频产生的包含运动信息的中频信号，经过电容R3、电容C1组成低通滤波电路，然后输入中频放大及信号处理电路，进行放大并判断后输出逻辑控制信号，微波运动传感器的微波信号收发天线不限于微带平面天线，也可采用其他天线形式，电路板与收发天线通过多层电路板上的金属过孔进行电气连接。

本发明中，单晶体管窄频带振荡&混频电路输出信号为3dB工作频带小于100KHz的信号，微波信号收发天线为微带收发天线，也可以为其他天线形式，中频信号放大及处理电路为运算放大器和信号处理器为核心组成的电路，单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及处理电路安装在电路板上，微波信号收发天线为微带天线，也可以为其他天线形式。

本发明中，电阻R3的阻抗比微波信号收发天线的阻抗大。

本发明中，电容C3为高频隔直电容。

本发明中，晶体管Q1为微波晶体管，且晶体管Q1的集电极与基极均与反馈网络相连接，晶体管Q1产生工作频点的微波本振信号，一部分本振信号由晶体管Q1的基极经电容C3及微带匹配网络L1向微波信号收发天线馈入微波信号进而向空中辐射信号，同时辐射场中运动物体反射的多普勒频移信号经微波信号收发天线接收，通过微带匹配网络及C3输入到微波晶体管Q1的基极，该接收信号和另一部分本振信号经晶体管Q1基极与发射极的PN结进行混频，产生包含运动信息的中频信号，晶体管Q1基极产生的包含运动信息的中频信号，经过电容R3、电容C1组成低通滤波后输入中频放大及信号处理电路，进行放大并判断后输出逻辑控制信号。

本实例中，电阻R1为50-20OΩ，电阻R2为10-20KΩ，电阻R3为500-2KΩ，电容C3的大小为10-100pF，电容C2为100-1000pF，电容C1为10-330nF。

本发明中，单晶体管Q1充当振荡&混频器，从基极混频输出的中频信号通过一个远高于微带收发天线阻抗的电阻R3进入中频放大电路，电阻R3也可以用电感隔离射频信号与中频端口，保证了输出到天线的信号功率不被衰减。

本发明中，晶体管Q1混频产生的包含运动信息的中频信号，经晶体管Q1的基极，连接电阻R3、电容C1组成的RC滤波电路，进入具有运算放大功能的运算放大电路，信号经放大后由MCU或者逻辑芯片进行信号判断处理。

请参考图2和图3，本实施例中的移动微波传感器采用多层板工艺与中频信号放大、信号处理电路组成，采用四层板工艺来实现，包括电路板，第一地层，第二地层及天线层，电路板通过金属过孔与天线层连接，第二地层可选择去除或者保留。

实施例二

本发明中另一种天线方案，如图4或者图5所示的天线形式，可采用两层板工艺实现，包括电路板，地层，及弹片或者针状天线。电路板通过金属过孔与天线连接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，包括电路板和微波信号收发天线，所述电路板上电性连接有微波运动探测传感器电路，其特征在于：所述微波运动探测传感器电路包括单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，其特征在于，所述单晶体管窄频带振荡&混频电路包括晶体管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、微带匹配网络L1和反馈网络，所述电阻R1和电阻R2的一端均与VCC馈电端电性连接，所述电阻R2的另一端分别与隔直电容C3、反馈网络、电阻R3及晶体管Q1的基极电性连接，所述电阻R1的另一端分别与反馈网络的另一端和晶体管Q1的集电极电性连接，所述晶体管Q1的发射极接地，所述电阻R3的另一端分别与电容C1的一端和中频放大及信号处理电路电性连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C3的另一端连接与微带匹配网络L1电性连接，所述微带匹配网络L1的另外一端与微波信号收发天线电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，其特征在于，所述单晶体管窄频带振荡&混频电路输出信号为3dB工作频带小于100KHz的信号，所述中频信号放大及处理电路为运算放大器和信号处理器为核心组成的电路，所述单晶体管窄频带振荡&混频电路、中频信号放大及处理电路安装在电路板上。

4.根据权利要求2所述的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，其特征在于，所述电阻R3的阻抗比微波信号收发天线的阻抗大。

5.根据权利要求2所述的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，其特征在于，所述电容C3为高频隔直电容。

6.根据权利要求2所述的一种单晶体管窄频带微波运动探测传感器，其特征在于，所述晶体管Q1为微波晶体管，且晶体管Q1的集电极与基极均与反馈网络相连接。

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