CN211979195U - 一种微波传感器及智能探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微波传感器及智能探测装置，包括有信号发生单元、连接信号发生单元的信号分配单元、连接信号分配单元的信号发射单元与信号处理单元、以及信号接收单元；其中，所述信号接收单元连接至信号处理单元；所述信号发生单元包括有振荡器；所述信号分配单元包括有功率分配器；所述信号发射单元包括有发送天线；所述信号处理单元包括有混频器；所述信号接收单元包括有接收天线；所述接收天线与发送天线为单独设计的缝隙天线，缝隙天线的缝隙长度为λ/2；所述混频器包括有本振信号输入端、接收天线信号输入端、中频信号输出端以及第一、第二混频管。本实用新型微波传感器尺寸小、低成本、性能高。

Description

一种微波传感器及智能探测装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种高性能、低成本的微波传感器及智能探测装置。

背景技术

微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，通过发射波和反射波之间的差频，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，侦测移动人或物体的存在，实现了微波检测。

不同于一般的红外探测器，微波传感器通过检测物体反射的微波来探测物体的运动状况，检测对象将并不会局限于人体，还有很多其他的事物，微波传感器不受环境温度的影响，探测距离远，灵敏度高，被广泛应用于工业、交通及民用装置中，如智能安放、车辆测速、自动门、感应灯、倒车雷达等。

现有微波传感器应用于灯控领域的探测器时，出于成本和无线电开放频率和传感器尺寸的综合考虑，目前主要为2.4GHz或5.8Ghz，但由于现实生活中 WiFi的广泛引用，探测器的实际使用环境中往往充满了2.4GHz或5.8GHz信号，所以很容易存在频率的冲突，由于频率冲突，往往会导致探测器的精度受到极大干扰，导致大量的误报警，从而给使用者带来巨大困扰。

为避免2.4GHz或5.8Ghz波段，出现有部分X波段的传感器，但由于设计的缺陷，一般采用单天线结构，以及单管结构混频器，使得传感器的信噪比不佳，探测距离小于5米，且成本高，尺寸大，难以满足实际应用需求。

故，针对上述目前现有技术存在的缺陷，实有必要进行开发研究，以提供一种解决方案，设计一种小尺寸、低成本、性能高、探测距离远的微波传感器。

实用新型内容

为解决现有存在的技术问题，本实用新型实施例提供一种小尺寸、低成本、性能高、探测距离远的微波传感器及智能探测装置。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

一种微波传感器，包括有信号发生单元、连接信号发生单元的信号分配单元、连接信号分配单元的信号发射单元与信号处理单元、以及信号接收单元；其中，所述信号接收单元连接至信号处理单元；所述信号发生单元包括有振荡器；所述信号分配单元包括有功率分配器；所述信号发射单元包括有发送天线；所述信号处理单元包括有混频器；所述信号接收单元包括有接收天线；所述接收天线与发送天线为单独设计的缝隙天线，缝隙天线的缝隙长度为λ/2；所述混频器包括有本振信号输入端、接收天线信号输入端、中频信号输出端以及第一、第二混频管。

可选地，所述功率分配器包括有本振信号输入臂、发送天线输出臂以及混频器信号输入臂；通过调节所述本振信号输入臂、发送天线输出臂以及混频器信号输入臂的长度与宽度，可以实现发送天线与混频器之间任意的功率配。

可选地，所述第一、第二混频管接收到的接收天线端的信号相位相差180°, 而本振信号的相位相同。

可选地，所述微波传感器的电路板采用双层PCB板结构，其中，振荡器电路设置在电路板一端，功率分配器以及混频器电路设置在电路板中间位置，所述发送天线与接收天线为缝隙天线，其分别设置在两侧，构成双缝隙天线结构。

可选地，所述集成有振荡器、功率分配器、混频器以及收发天线的电路板安装于外壳中。

可选地，所述PCB板的厚度为0.5mm，PCB板的面积小于20mm*30mm。

本实用新型另一技术方案为：

一种智能探测装置，包括有上述方案所述的微波传感器、连接微波传感器的脉冲电源、主控芯片模块、以及为主控芯片与脉冲电源提供电源的电源模块；其中，所述微波传感器对目标物体进行探测，将所获得的信息传输至主控芯片模块，主控芯片模块对所获得的信息进行处理，发出相应的控制指令。

本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本实用新型在面积小于20mm*30mm的两层板子pcb尺寸上实现了高性能，高信噪比，低成本的微波传感器。微波探测距离大于8米，探测角度大于100度。为一种低成本，小尺寸，高信噪比，工作频率在x波段 10.525GHz的微波传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例微波传感器的原理模块框图；

图2是本实用新型实施例微波传感器的探测目标物体的原理示意图；

图3是本实用新型实施例微波传感器的功率分配器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例微波传感器的最佳工作范围时振荡器输入功率示意图；

图5是本实用新型实施例微波传感器的发送天线结构示意图；

图6是本实用新型实施例微波传感器的电路板排布示意图；

图7是本实用新型实施例微波传感器的发送天线的场图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1所示，本实用新型微波传感器包括有信号发生单元、连接信号发生单元的信号分配单元、连接信号分配单元的信号发射单元与信号处理单元、以及信号接收单元；其中，所述信号接收单元连接至信号处理单元。

参照图2所示，所述信号发生单元包括有振荡器，本实用新型实施例中，所述振荡器包括有场效应管、介质谐振器以及微带结构，通过调节场效应管的工作点及反馈电路的相位，使场效应管工作于正反馈状态，从而得到所需要的工作信号。可以理解的是，本实用新型实施例中，通过调整振荡器的工作点到达谐波最小，从而可以省去滤波单元。可以理解的是，所述振荡器还连接有供压源，以为传感器提供工作电源。

所述信号分配单元包括有功率分配器；所述信号发射单元包括有发送天线；所述信号处理单元包括有混频器；其中，所述功率分配器用于调节配置振荡器传输到发送天线与混频器之间的功率配比。如图3所示，所述功率分配器包括有本振信号输入臂10、发送天线输出臂11以及混频器信号输入臂12。通过调节所述本振信号输入臂10、发送天线输出臂11以及混频器信号输入臂12的长度与宽度，可以实现发送天线与混频器之间任意的功率配。

可以理解的是，混频器的噪声和中频信号的幅度与振荡器输入大混频的功率有非常直接的关系，振荡器输入功率过小，噪声虽然小，但中频输出的信号幅过小，如果振荡器输入到混频的噪声过大，虽然中频信号的输入变大，但噪声随之变大，导致信噪比变差。因此振荡器输出合理的功率信号给混频器非常重要。本实用新型实施例中，设计小型尺寸功分器，通过调节本振信号输入臂10、发送天线输出臂11以及混频信号输入臂12三个功率传输线的长度和宽度，可以灵活配比振荡器到发送天线和混频之间的配比，灵活的达到最优的功率配比，如图4所示，使振荡器处于最佳工作范围，从而使得整个系统性能达到最佳。

可以理解的是，本实用新型实施例中的功率分配器结构通过调节3个功率传输线的长度宽度，使得灵活的达到最优的功率配比变得非常方便，且功率分配器具有体积小，损耗下，成本低的特点。

所述信号发射单元包括有发送天线，所述发送天线为单独设计的缝隙天线，缝隙天线的缝隙长度为λ/2。缝隙天线通过1/2波长的缝隙对微波信号进行辐射，参照图5所示，功率分配器的发送天线输出臂与缝隙天线交接处为天线的馈电位置A，通过调节馈电位置A，可以对最佳的功率传输效果进行调节。

所述信号处理单元用于把接收到的射频信号转变为中频信号，所述混频器接收来自功率分配器的混频器信号输入臂端以及接收天线端的信号，进行混频后输出中频信号。如图6示，所述混频器包括有本振信号输入端、接收天线信号输入端、中频信号输出端以及第一、第二混频管。其中，第一、第二混频管接收到的接收天线端的信号相位相差180°,而本振信号的相位相同，由此可得到：

u_S1(t)＝u_S2(t)＝V_S cosω_St

u_L2(t)＝V_L cosω_Lt

u_L1(t)＝V_L cos(ω_Lt-π)

其中，u_S1(t)、u_S2(t)分别为两个混频管上得到的来自功率分配器的信号；而 u_L1(t)、u_L2(t)分别为第一、第二混频管上接收到的来自接收天线端的信号。

第一、第二混频管的混频跨导分别为：

第一、第二混频管的电流分别为：

中频电流成份为:

i₀₁(t)＝g_1(t)v_s cos(ω_S-ω_L+π)t＝-g₁V_S cosω₀t

i₀₂(t)＝g_1(t)v_s cos(ω_S-ω_L)t＝g₁V_S cosω₀t

则总输出中频电流为：

i₀(t)＝i₀₂(t)-i₀₁(t)＝2g₁V_S cosω₀

随同接收天线进入的噪声信号为：

u_1n(t)＝V_n cos(ω_nt-π)

u_2n(t)＝V_n cosω_nt

则混频后，两混频管输出的中频噪声为：

i_1n(t)＝g_1(t)V_n cos[(ω_nt-π)-(ω_Lt-π)]＝g₁V_n cosω_0nt

i_2n(t)＝g_1(t)v_n cos(ω_n-ω_L)t＝g₁V_n cosω_0nt

由此可得混频器实际输出的噪声电流为：

i_Ln(t)＝i_2n(t)-i_1n(t)＝0

因此，通过混频器后，可以有效消除信号的噪声，改善噪声性能。

作为本实用新型另一实施例，两个混频管之间的相差为90°，可以有效抑制混频产生的偶次项，大大减小了中频信号的噪声；另外，所述第一、第二混频管在全波内均处于工作状态，工作效率高，信号强度高。

可以理解的是，本实用新型实施例采用第一、第二双混频管结构，信号全周期内都有混频管处在工作状态，使得混频中频输出的信号强度大幅度增强，本实用新型实施例中，相较于一个混频管，本实用新型实施例的信号幅度可以提高一倍；同时，由于存在两个混频管工作，有90度或者180度相位差，所以奇次项或偶次项噪声会被抑制和抵消。

所述信号接收单元包括有接收天线，所述接收天线与发送天线为单独设计的缝隙天线，缝隙天线的缝隙长度为λ/2。本实用新型实施例中，接收端和发送端分别单独设计为缝隙天线，占用体积小，观测角度大，相比单天线结构，有效的提高了发送端天线和接收端天线的效率，(本实用新型实施例通过实验验证，至少提高3dB)，并且由于将接受天线和发送天线分离，可以单独控制天线系统的阻抗调节，功率分配也可以单独调节，使整个系统的性能调节非常方便。如图7所示为本实用新型实施例中天线的场图。

如图2所示，振荡器输出一个频率为f_tra的发射信号，其中一路经过发射天线发射出去，一路进入混频器中；发射天线发射出的信号遇到目标物体后反射回来，发射回来的信号称为回波信号，接收天线接收回波信号，传送至混频器中进行处理，最后输出携带有目标物体相关信息的信号。

如图6示，本实用新型微波传感器的电路板图示，其中，所述电路板采用双层PCB板结构，振荡器电路1设置在电路板一端，功率分配器2以及混频器电路5设置在电路板中间位置，所述发送天线3与接收天线4为缝隙天线，其分别设置在两侧，构成双缝隙天线结构，如此设置布局可有效利用PCB的有效面积，使整个微波传感器的尺寸大幅度减小，可实现微波传感器的小型化设计。本实用新型实施例中，在保证强度的条件下，尽可能采用厚度小的PCB，作为本实用新型一实施例，所述PCB板的厚度为0.5mm，PCB板的面积小于 20mm*30mm，从而使得所述缝隙天线的馈电损耗达到最小，天线的效果最佳。本实用新型实施例针对X波段小尺寸微波传感器，采用双层PCB板结构，使用双缝隙天线，有效的利用了PCB的有效面积。可以理解的是，本实用新型微波传感器还包括一个外壳，所述集成有振荡器、功率分配器、混频器以及收发天线的PCB板安装于外壳中。

作为本实用新型另一实施例，还提供一种智能探测装置，包括有上述实施例所述的微波传感器、连接微波传感器的脉冲电源、主控芯片模块、以及为主控芯片与脉冲电源提供电源的电源模块。其中，所述微波传感器对目标物体进行探测，将所获得的信息传输至主控芯片模块，主控芯片模块对所获得的信息进行处理，发出相应的控制指令，从而完整探测工作。

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 (7)

1.一种微波传感器，其特征在于，包括有信号发生单元、连接信号发生单元的信号分配单元、连接信号分配单元的信号发射单元与信号处理单元、以及信号接收单元；其中，所述信号接收单元连接至信号处理单元；所述信号发生单元包括有振荡器；所述信号分配单元包括有功率分配器；所述信号发射单元包括有发送天线；所述信号处理单元包括有混频器；所述信号接收单元包括有接收天线；所述接收天线与发送天线为单独设计的缝隙天线，缝隙天线的缝隙长度为λ/2；所述混频器包括有本振信号输入端、接收天线信号输入端、中频信号输出端以及第一、第二混频管。

2.根据权利要求1所述的微波传感器，其特征在于：所述功率分配器包括有本振信号输入臂、发送天线输出臂以及混频器信号输入臂；通过调节所述本振信号输入臂、发送天线输出臂以及混频器信号输入臂的长度与宽度，可以实现发送天线与混频器之间任意的功率配。

3.根据权利要求2所述的微波传感器，其特征在于，所述第一、第二混频管接收到的接收天线端的信号相位相差180°,而本振信号的相位相同。

4.根据权利要求1所述的微波传感器，其特征在于，所述微波传感器的电路板采用双层PCB板结构，其中，振荡器电路设置在电路板一端，功率分配器以及混频器电路设置在电路板中间位置，所述发送天线与接收天线为缝隙天线，其分别设置在两侧，构成双缝隙天线结构。

5.根据权利要求4所述的微波传感器，其特征在于，还包括有外壳，所述集成有振荡器、功率分配器、混频器以及收发天线的电路板安装于外壳中。

6.根据权利要求4所述的微波传感器，其特征在于，所述PCB板的厚度为0.5mm，PCB板的面积小于20mm*30mm。

7.一种智能探测装置，其特征在于：包括有上述权利要求1-6任一项所述的微波传感器、连接微波传感器的脉冲电源、主控芯片模块、以及为主控芯片与脉冲电源提供电源的电源模块；其中，所述微波传感器对目标物体进行探测，将所获得的信息传输至主控芯片模块，主控芯片模块对所获得的信息进行处理，发出相应的控制指令。

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