CN207502745U - 一种毫米波传感器及智能探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种毫米波传感器及智能探测器，该毫米波传感器包括依次连接的信号产生器、收发集成芯片、带通滤波器、放大器、A/D转换器和数字信号处理器。该毫米波传感器和现存的24/77GHz毫米波传感器相比，信号频率更高，具有波束指向性强，抗干扰能力强，体积小、重量小的优点；另外，采用基于SiGe工艺的收发集成芯片和分立器件组成的传感器相比，具有结构简单、体积小便携、便于批量生产、成本低的优点，大大提升了传感器的适应性，为日后日益复杂的信息化探测环境提供了强大的技术支撑。

Description

一种毫米波传感器及智能探测器

技术领域

本实用新型涉及雷达探测与安全领域，特别是一种体积小、集成度高、成本低廉、高精度的毫米波传感器及智能探测器。

背景技术

近距离传感器主要分为光传感器、超声波传感器、无线电传感器等几种。无线电传感器又包括微波传感器和毫米波传感器。现有的毫米波传感器主要为24/77GHz毫米波传感器，毫米波收发集成芯片是毫米波传感器的关键部件，芯片技术主要由在国外半导体公司掌控。因国内芯片技术的受限，毫米波传感器大多采用分立器件构成，导致体积和成本成为了致命的缺陷，工艺的不成熟也导致无法大批量生产。目前国内24/77GHz毫米波收发集成芯片已取得技术突破，而超过77GHz的芯片技术还未实现。24/77GHz毫米波波长大于2mm，所以该传感器的天线体积较大，且24/77GHz毫米波传感器具有抗干扰能力较差、成本较高、体积较大的缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种毫米波传感器及智能探测器，该毫米波传感器具有结构简单、体积小便携、便于批量生产、成本低的优点。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种毫米波传感器，包括依次连接的信号产生器、收发集成芯片、带通滤波器、放大器、A/D转换器和数字信号处理器；

所述信号产生器，包括相连接的晶振和锁相环，用于产生三角波信号，并输入到所述收发集成芯片；

所述收发集成芯片，用于对接收到的三角波信号控制其中心频率产生调频连续波信号，并以一定波束宽度向空间辐射电磁波，遇到目标回波反射信号加到混频器与耦合来的发射信号混频，形成I、Q正交差频信号，并输入到所述带通滤波器；

所述带通滤波器，用于对所述I、Q正交差频信号进行滤波，得到有效目标信号，并输入到所述放大器；

所述放大器，用于将所述有效信号进行放大，并将放大后的有效目标信号输入到所述A/D转换器；

所述A/D转换器，用于将所述放大后的有效目标信号转换成数字信号，并输入到所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器，用于对所述数字信号进行分析计算，得到目标具体距离信息。

本实用新型的有益效果是：该毫米波传感器和现存的24/77GHz毫米波传感器相比，信号频率更高，具有波束指向性强，抗干扰能力强，体积小、重量小的优点。另外，采用基于SiGe工艺的收发集成芯片和分立器件组成的传感器相比，具有结构简单、体积小便携、便于批量生产、成本低的优点，大大提升了传感器的适应性，为日后日益复杂的信息化探测环境提供了强大的技术支撑。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述收发集成芯片包括：压控振荡器，用于对接收到的三角波信号控制其中心频率产生调频连续波信号；

功分器，用于将所述调频连续波信号分为两路发射信号输出，一路发射信号依次通过放大器、检波器和毫米波微带发射天线以一定波束宽度向空间辐射2mm电磁波；另一路发射信号通过放大器和移相器耦合到混频器，毫米波微带接收天线接收到目标回波信号，经过低噪声放大器放大后在混频器与耦合来的发射信号混频，得到两路I、Q正交差频信号。

采用上述进一步方案的有益效果是：原理简单，收发信号同源能得到精确的频率差，前端电路集成度非常高，得出的I、Q信号能有效的抑制电路噪声和收发信号泄露。

进一步，所述A/D转换器采样率为2.4MHz。

采用上述进一步方案的有益效果是：满足距离测量功能同时尽量减少AD采样电路的压力，降低系统成本。

进一步，所述锁相环为具有调制和波形产生能力的6.1GHz小数N分频频率合成器。

采用上述进一步方案的有益效果是：能产生超宽带的扫频信号，且具有较高的频率精度，可编辑的扫频模式，较快的扫频周期。

进一步，所述压控振荡器的输出信号一部分耦合后经过分频器再输入到所述锁相环，用于控制压控振荡器输出相应的输出频率，从而形成一个频率控制的环路。

采用上述进一步方案的有益效果是：使用高性能的分频器，将毫米波信号分频到较低频率，降低了锁相环电路的实现难度，也能保证锁相电路的锁频频率精度。

进一步，所述毫米波发射芯片的功率为0dBm，其微带天线的增益达到8dbi。

采用上述进一步方案的有益效果是：使用高度集成的天线，保证了近距离探测所需要的输出功率。

进一步，所述带通滤波器通带范围为10～500KHz，阻带抑制率为-40dB。

采用上述进一步方案的有益效果是：不仅抑制了发射信号泄露产生的接近零频的信号，还有效的抑制了电路中产生的杂散，使系统的信噪比得到有效的提高。

进一步，所述收发集成芯片为2mm收发集成芯片，所述毫米波传感器为2mm波传感器。

采用上述进一步方案的有益效果是：填补了国内2mm集成收发芯片应用的空白，使整个产品的体积成本大大的缩小，且避免了高频信号在电路间传输匹配的问题，有利于产品的大批量生产。

进一步，该毫米波传感器采用片上系统和封装内系统设计以及先进的半导体锗化硅工艺制成。

另外，本实用新型还提供了一种智能探测器，包括若干上述毫米波传感器，以及与每个所述毫米波传感器均相连的信号处理器，所述信号处理器连接控制系统。

附图说明

图1为本实用新型毫米波传感器原理图；

图2为本实用新型智能探测器原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

传统的传感器如激光传感器大多都选取为半主动方式，主要原因为主动式发射源及接收均在传感器内，传感器的体积及功耗会很大，成本也相对较高；而半主动方式传感器内就只有接收系统，这样就大大降低了引信的体积、功耗和成本，所以备受青睐。但半主动式传感器也有其不可避免缺陷，就是需要人为提前在目标物周围放置场源，提前放置的场源很容易暴漏而且容易受到针对性的干扰。这样就使得其传感器有很大的局限性。

前十几年因为国内太赫兹芯片技术的受限，毫米波及太赫兹的传感器大多采用分立器件构成，导致体积大、成本高的缺点。而本实用新型涉及产品基于太赫兹频段收发一体的主动式传感器则仅克服了传统无线电近炸引信抗干扰性差，受天气环境影响，成本高，体积大等等缺点，在国内填补了太赫兹频段传感器的技术应用空白，还克服了半主动式的局限性，大大提升了传感器的适应性，为日后日益复杂的信息化探测环境提供了强大的技术支撑，拥有极大的应用价值和广泛的市场需求。

本实用新型提供的毫米波传感器为2mm波传感器，采用片上系统(SoC)和封装内系统(SiP)的设计理念以及先进的半导体锗化硅(SiGe)工艺，最大限度集成了所有能够集成的器件，首次实现了高频率2mm的收发集成芯片设计。该芯片具有体积小，集成度高，成本低廉，方便使用等特点。并采用该芯片设计了抗干扰能力强、穿透雾、烟、灰尘的能力强、适用于山地、丘陵、戈壁、沙漠等多种典型目标和优良的全天候性能、体积小、质量小的毫米波传感器。

如图1所示，一种毫米波传感器，包括依次连接的信号产生器、收发集成芯片、带通滤波器、放大器、A/D转换器和数字信号处理器；

所述信号产生器，包括相连接的晶振和锁相环，用于产生三角波信号，并输入到所述收发集成芯片；

所述收发集成芯片，用于对接收到的三角波信号控制其中心频率产生调频连续波信号，并以一定波束宽度向空间辐射电磁波，遇到目标回波反射信号加到混频器与耦合来的发射信号混频，形成I、Q正交差频信号，并输入到所述带通滤波器；

所述带通滤波器，用于对所述I、Q正交差频信号进行滤波，得到有效目标信号，并输入到所述放大器；

所述放大器，用于将所述有效信号进行放大，并将放大后的有效目标信号输入到所述A/D转换器；

所述A/D转换器，用于将所述放大后的有效目标信号送入A/D转换器转换成数字信号，并输入到所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器，用于对所述数字信号进行分析计算，得到目标具体距离信息。

所述收发集成芯片为2mm收发集成芯片，包括：压控振荡器，用于对接收到的三角波信号控制其中心频率产生调频连续波信号；功分器，用于将所述调频连续波信号分为两路发射信号输出，一路发射信号依次通过放大器、检波器和毫米波微带发射天线以一定波束宽度向空间辐射2mm电磁波；另一路发射信号通过放大器和移相器耦合到混频器，毫米波微带接收天线接收到目标回波信号，经过低噪声放大器放大后在混频器与耦合来的发射信号混频，得到两路I、Q正交差频信号，目的是可以消除共模干扰信号，提高信号的传输质量。

毫米波传感器采用调频连续波体制，传感测量精度高。发射波频率随时间以三角波或锯齿波规律变化。毫米波传感器接收的回波频率与发射频率变化规律相同。但因为发射信号和目标回波信号有一个时间差，因此，两个信号存在频率差。发射信号和目标回波信号混频后会得到差频信号，利用差频信号的频率可精确计算出目标的距离。

目前世界上还没有商用的2mm波传感器。本实用新型的成功实施，将填补世界空白，成为世界上第一个量产的2mm波传感器。

该毫米波传感器和现存的24/77GHz毫米波传感器相比，信号频率更高，因此，具有波束指向性强，抗干扰能力强，体积小、重量小的优点。另外，采用基于SiGe工艺的2mm收发集成芯片和分立器件组成的传感器相比，具有结构简单、体积小便携、便于批量生产、成本低的优点，大大提升了传感器的适应性，为日后日益复杂的信息化探测环境提供了强大的技术支撑。

2mm波近距离传感器的常温性能指标和极限工作参数如下所示：

常温性能指标(T＝25℃)

性能指标	符号	单位	最小值	典型值	最大值
						发射波长	λ	mm	1.7	2	2.3
波束宽度	－	°	10	15	20
						测距范围	－	m	0.1	20	100
测量精度	－	mm	4	10	/
						速度适应范围		m/s	1	/	1500
响应时间	-	ms	1ms	2ms	7ms
						抗冲击能力	-	g	30000	/	/
功耗(单个)	P	mW	/	1200	1500

极限工作参数：

最大输入电压	+15V
		最大工作电流	0.3A
工作温度	-40℃～+100℃

毫米波传感器具有以上优点，可广泛应用于汽车工业、工业自动化、电动工具、电动玩具、医疗监控、盲人导航拐棍等领域。

如图2所示，智能探测器包括若干上述毫米波传感器，以及与每个所述毫米波传感器均相连的信号处理器，所述信号处理器连接控制系统。由n个毫米波传感器集成为一个探测矩阵，加强了2mm波传感器在复杂探测环境下的适应性、可靠性及智能化。通过对不同探测器接收的距离信息分析可以得到一定的方位信息，再通过数据处理模块经过复杂的数据分析算法，可以得出探测物体的轮廓信息，达到一定的物体识别能力。当集成多个传感器共同形成一个探测矩阵时，通过对不同探测器接收的距离信息分析还可以得到一定的方位信息，当加上后面复杂的数据分析后，还可以得出探测物体的轮廓从而达到一定的物体识别能力，从而构建成智能的探测器，加强了毫米波探测器在未来复杂探测环境下的适应性、可靠性及智能化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种毫米波传感器，其特征在于，包括依次连接的信号产生器、收发集成芯片、带通滤波器、放大器、A/D转换器和数字信号处理器；

所述信号产生器，包括相连接的晶振和锁相环，用于产生三角波信号，并输入到所述收发集成芯片；

所述收发集成芯片，用于对接收到的三角波信号控制其中心频率产生调频连续波信号，并以一定波束宽度向空间辐射电磁波，遇到目标回波反射信号加到混频器与耦合来的发射信号混频，形成I、Q正交差频信号，并输入到所述带通滤波器；

所述带通滤波器，用于对所述I、Q正交差频信号进行滤波，得到有效目标信号，并输入到所述放大器；

所述放大器，用于将所述有效信号进行放大，并将放大后的有效目标信号输入到所述A/D转换器；

所述A/D转换器，用于将所述放大后的有效目标信号转换成数字信号，并输入到所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器，用于对所述数字信号进行分析计算，得到目标具体距离信息。

2.根据权利要求1所述的毫米波传感器，其特征在于，所述收发集成芯片包括：压控振荡器，用于对接收到的三角波信号控制其中心频率产生调频连续波信号；

功分器，用于将所述调频连续波信号分为两路发射信号输出，一路发射信号依次通过放大器、检波器和毫米波微带发射天线以一定波束宽度向空间辐射2mm电磁波；另一路发射信号通过放大器和移相器耦合到混频器，毫米波微带接收天线接收到目标回波信号，经过低噪声放大器放大后在混频器与耦合来的发射信号混频，得到两路I、Q正交差频信号。

3.根据权利要求1所述的毫米波传感器，其特征在于，所述A/D转换器采样率为2.4MHz。

4.根据权利要求1所述的毫米波传感器，其特征在于，所述锁相环为具有调制和波形产生能力的6.1GHz小数N分频频率合成器。

5.根据权利要求2所述的毫米波传感器，其特征在于，所述压控振荡器的输出信号一部分耦合到所述锁相环，用于控制压控振荡器输出相应的输出频率，从而形成一个频率控制的环路。

6.根据权利要求2所述的毫米波传感器，其特征在于，所述毫米波发射芯片的功率为0dBm，其微带天线的增益为8dbi。

7.根据权利要求1所述的毫米波传感器，其特征在于，所述带通滤波器通带范围为10～500KHz，阻带抑制率为-40dB。

8.根据权利要求1所述的毫米波传感器，其特征在于，所述收发集成芯片为2mm收发集成芯片，所述毫米波传感器为2mm波传感器。

9.根据权利要求1所述的毫米波传感器，其特征在于，该毫米波传感器采用片上系统和封装内系统设计以及先进的半导体锗化硅工艺制成。

10.一种智能探测器，其特征在于，包括若干个权利要求1至9中任一项所述的毫米波传感器，以及与每个所述毫米波传感器均相连的信号处理器，所述信号处理器连接控制系统。