TWI490524B - 多段距離選擇與超低功率之全類比式微波偵測器 - Google Patents

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Yun Chun Sung
Ming Tsung Hsu
Yih Ming Huang
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Description

多段距離選擇與超低功率之全類比式微波偵測器
本發明為一種微波偵測器，尤指一種可多段距離選擇與超低功率之全類比式微波偵測器。
請參閱第1圖，第1圖為習知技術中微波偵測器的結構示意圖。微波偵測器1包括一射頻模組10、一調變電路11、一中頻模組20、一數位訊號處理器30、一發射天線15和一接收天線16、射頻模組10包含有一壓控振盪器12、一功率分配器13、一驅動放大器14、一低雜訊放大器17以及一混波器18。調變電路11是用以產生所需的調變訊號，然後將該調變訊號輸出至壓控振盪器12。壓控振盪器12是一種電子振盪電路設計，可經由輸入電壓的不同來控制振盪頻率，最後輸出調頻連續波，並由發射天線15發射出發射波。但是在經過發射天線15之前，功率分配器13會將壓控振盪器12輸出功率的一部分輸入到混波器18，以利於之後獲得中頻訊號。同時，調頻連續波在被發射天線15接收之前，會經由驅動放大器14做放大處理。
接收天線16於接收到反射後的調頻連續波之後，會將所接收到的訊號輸入至混波器18，但是訊號在傳遞到混波器18之前，會先經過低雜訊放大器17，將訊號做放大處理的同時，又儘可能抑制雜訊，以便於後續的電子元件做處理。然後混波器18會計算出發射波與接收波之間的頻率差，進而降頻並輸出中頻訊號。接著，再透過後端的中頻模組20來律定偵測距離範圍，以取得偵測目標的資訊。最後會經過類比數位轉換，將訊號送至數位訊號處理器30中，再以數位訊號處理器30進行傅立葉轉換計 算目標距離。若需進行相對速度的量測，則多以目標通過的時間推導速度或以發射與接收差頻訊號的頻率差計算速度。
然而微波偵測器1是將天線15、16與射頻模組10做分開獨立的設計，然後做進一步的整合。但是微波偵測器1是以標準雷達原理作為偵測方式，換句話說，即主要是以功率大小作為偵測距離遠近的參考。同時天線的尺寸與工作頻率係直接相關，當工作頻率愈低時，尺寸愈大，但是3dB波束寬度較大，偵測的範圍也較廣。反之，當工作頻率愈高時，尺寸愈小，但是3dB波束寬度變小，偵測的範圍也相對變小。當採用雙天線架構時，因為使用雙天線必定使體積變大，非常不適用於一般的小型偵測器。但是若提高載波頻率，又會導致天線的3dB波束寬度變小，並不利於寬角度環境下的移動物體偵測。另外數位訊號處理器30必須使用大量傅立葉轉換以計算目標距離，再進行速度計算，因此數位訊號處理器30的設計複雜度較高，因此不符合低單價、小體積(直徑在2cm以內)、低耗能(耗能在1.5W以內)的產品，並且需考慮距離閘條件下進行量測速度(三段距離閘)。
因此，如何設計出新的微波偵測器，不僅將天線與射頻模組得以整合在一起，同時減少數位訊號處理器設計複雜度，以因應微型化實體的需求，便成為十分重要的課題。
本發明的目的是提供一種可多段距離選擇與超低功率之全類比式微波偵測器，不僅將天線與射頻模組整合在一起，同時整個微波偵測器使用多個類比電路設計，可以降低整體微波偵測器的功率消耗。
本發明提供一種微波偵測器，其包含：一主動式天線模組，用來以一掃頻週期朝一目標發射一第一調頻連續波訊號，並接收由該目標反射回來的一第二調頻連續波訊號；一調變模組，電性連接於該主動式天線模組，用來依據從複數個距離閘之中選取的一距離閘產生一調變訊號予該主動式天線模組，該第一調頻連續波訊號的頻寬依據該調變訊號的振幅調整，其中該複數個距離閘是一對一對應複數個第一調頻連續波訊號的頻寬；一第一解調器，電性連接該主動式天線模組，用來依據一距離閘解調 出該差頻訊號，該差頻訊號具有該第一調頻連續波訊號和該第二調頻連續波訊號的頻率差；一第二解調器，電性連接該第一解調器，用來解調該差頻訊號以產生該都卜勒訊號，該都卜勒訊號之頻率等於一上掃差頻和一下掃差頻的頻率差；一鑑別電路，電性連接該第二解調器，用來比較該距離閘內的該目標所對應的該都卜勒訊號以及雜波積分後的電壓差，以輸出一觸發訊號。
依據本發明的實施例，該主動式天線模組包含一迴路天線及一射頻電晶體。該迴路天線包含一發射端以及一接收端，該發射端用來傳遞該第一調頻連續波訊號，該接收端用來傳遞該第二調頻連續波訊號。該射頻電晶體具有一控制埠、一第一埠以及一第二埠，該第二埠耦接該發射端，該控制埠耦接該接收端，且該控制埠與該第二埠係為反相。
依據本發明的實施例，該微波偵測器另包含一第一低通濾波器，電性連接該射頻電晶體之第一埠，其中該第一低通濾波器與該射頻電晶體形成該第一解調器。
依據本發明的實施例，該第二解調器包含：一包跡檢測器，電性連接該射頻電晶體之第一埠；及一第二低通濾波器，電性連接包跡檢測器，用來輸出該都卜勒訊號。
依據本發明的實施例，該射頻電晶體係為一雙極性接面電晶體，該控制埠係為一基極，該第一埠係為一射極，且該第二埠係為一集極。
依據本發明的實施例，該射頻電晶體係為一場效電晶體，且該場效電晶體係包含一假型高速電子遷移率電晶體，該控制埠係為一閘極，該第一埠係為一源極，且該第二埠係為一汲極。
依據本發明的實施例，該微波偵測器另包含一第一電容，該第一電容之兩端跨接該射頻電晶體的該第一埠和該第二埠，其中該迴路天線包含：一第一電感，耦接於該射頻電晶體的該第二埠；一第二電感；一第三電感，耦接於該射頻電晶體的該控制埠；一第二電容，耦接於該第一電感和該第二電感之間；以及一第三電容，耦接於該第二電感和該第三電感之間。
依據本發明的實施例，該主動式天線模組包含一基板，包含 彼此相對的一第一表面以及一第二表面；一第一微帶天線金屬，設置於該基板之第一表面之上；一第二微帶天線金屬，設置於該基板之第一表面之上；一第三微帶天線金屬，設置於該基板之第一表面之上；一第一耦合金屬片，設置於該基板之第二表面之上；一第二耦合金屬片，設置於該第二表面之上；以及一第三耦合金屬片，設置於該第二表面之上。該射頻電晶體設置於該第一表面，該射頻電晶體的控制埠連接至該第三微帶金屬，且該第一埠以及該第二埠分別連接至該第一耦合金屬片以及該第一微帶金屬。其中，該第一微帶天線金屬之一第一部分以及該第一耦合金屬片構成一第一電容，該第一微帶天線金屬之一第二部分、與該第一微帶天線金屬之該第一部分相鄰之該第二微帶天線金屬之一第一部分以及該第二耦合金屬片構成一第三電容，該第二微帶天線金屬之一第二部分、與該第二微帶天線金屬之該第二部分相鄰之部分之該第三微帶天線金屬以及該第三耦合金屬片構成一第三電容。
依據本發明的實施例，該鑑別電路包含第一積分器，電性連接於該第二解調器，用來對該距離閘內的該目標所對應的該都卜勒訊號進行積分運算，以產生一第一比較電壓；一第二積分器，電性連接於該第二解調器，用來對該距離閘內雜波進行積分運算，以產生一第二比較電壓；一比較器，電性連接該第一積分器以及該第二積分器，用來於該第一比較電壓大於該第二比較電壓時，輸出一觸發訊號
依據本發明的實施例，該第一積分器的階數小於該第二積分器的階數。
依據本發明的實施例，該調變模組包含：一三角波產生器，用來輸出一三角波訊號；一第一切換開關，其包含複數個第一切換端以及一第一連接端，該第一連接端連接至一固定電壓端，複數個第一切換端一對一連接至複數個電阻；以及一第一運算放大器，其具有第一輸入正端、第一輸入負端及第一輸出端，該第一輸入正端耦接於該三角波產生器輸出的該三角波訊號，該第一輸入負端耦接至該第一切換開關，用來依據該第一切換開關切換使得該第一輸入負端通過其中一個第一切換端而電性連接該固定電壓端時，由該第一輸出端輸出具有不同振幅的該調變訊號。
依據本發明的實施例，該微波偵測器另包含一延時控制器，電性連接該比較器，用來接收該觸發訊號時，輸出一延遲控制訊號。
依據本發明的實施例，該延時控制器包含：一第二切換開關，其包含複數個第二切換端以及一第二連接端，該第二連接端連接至一固定電壓端，複數個第二切換端一對一連接至複數個電容；以及一計時器，包含一觸發端、一放電端以及一輸出端，該觸發端耦接於該比較器輸出的該觸發訊號，該放電端耦接該複數個電容，該計時器用來依據該第二切換開關切換使得該放電端通過其中一個第二切換端而電性連接該固定電壓端時，由該輸出端輸出具有不同長度的該延遲控制訊號。
相較於習知技術，本發明之微波偵測器適用於小型偵測器，應用於短距離但是涵蓋角度大時的移動目標偵測。由於其將射頻模組之震盪器、混波器與天線整合為一體，更使射頻收發機得以簡化並縮小體積。同時將壓控振盪器與混波器以一顆BJT或是FET(例如：P-Hemt)取代，無論在體積或是功耗率上，都有明顯的改善。此外，本發明之微波偵測器之解調器利用二極體配合低通濾波器取代混波器，進行二階段的降頻解調。另外本發明之微波偵測器直接且快速由電路硬體取出並計算距離及速度等兩種資訊，大幅度減少傳統微波偵測器之數位訊號處理器設計的複雜度。此外，本發明將固定的移動背景物的速度當作雜波(Clutter)，將瞬間及持續變大的速度訊號作為系統偵測及觸發的對象。本發明的微波偵測器使用兩個積分器，分別用來對該目標以及該固定的移動背景物所對應的該都卜勒訊號進行積分運算以產生第一比較電壓和第二比較電壓，並使用該比較器比較偵測到的第一比較電壓和第二比較電壓。由於本發明是比較積分器產生的兩個比較電壓來做為判斷該目標是否位於該距離閘內，有別於傳統直接以偵測訊號的振幅大小做觸發的參考，其抗干擾的能力是非常優異。此外，本發明利用改變三角波產生器產生之調變訊號之振幅以調整調變連續波訊號之射頻頻寬大小，來控制不同偵測範圍。本發明設定多個偵測範圍，只有在設定的偵測範圍內的目標才會被感應，將各段偵測範圍設定明顯化。當偵測有移動目標後，微波偵測器觸發後級裝置(例如LED燈與警報器)時，其啟動後級裝置的時間控制，通過第二切換開關對計時器的放電端上 的複數個電容做接地選擇，以進行延遲時間的控制改變。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
1‧‧‧微波偵測器
10‧‧‧射頻模組
12‧‧‧壓控振盪器
13‧‧‧功率分配器
14‧‧‧驅動放大器
15‧‧‧發射天線
16‧‧‧接收天線
17‧‧‧低雜訊放大器
18‧‧‧混波器
20‧‧‧中頻模組
30‧‧‧數位訊號處理器
100‧‧‧微波偵測器
110‧‧‧主動式天線模組
101‧‧‧迴路天線
1011‧‧‧第一微帶天線金屬
101T‧‧‧發射端
101R‧‧‧接收端
1012‧‧‧第二微帶天線金屬
1013‧‧‧第三微帶天線金屬
10121、10111、10131‧‧‧第一部分
10122、10112‧‧‧第二部分
102‧‧‧射頻電晶體
1023‧‧‧控制埠
1021‧‧‧第一埠
1022‧‧‧第二埠
103‧‧‧變容二極體
140a‧‧‧第一解調器
1051‧‧‧第一耦合金屬片
1052‧‧‧第二耦合金屬片
1053‧‧‧第三耦合金屬片
106‧‧‧基板
107‧‧‧第一表面
108‧‧‧第二表面
C11‧‧‧第一電容
C13‧‧‧第三電容
C12‧‧‧第二電容
L1‧‧‧電感
L11‧‧‧第一電感
L12‧‧‧第二電感
L13‧‧‧第三電感
131‧‧‧三角波產生器
132‧‧‧第一運算放大器
133‧‧‧第一切換開關
120‧‧‧第一低通濾波器
140b‧‧‧第二解調器
141‧‧‧包跡檢測器
142‧‧‧第二低通濾波器
160‧‧‧鑑別電路
161‧‧‧第一積分器
162‧‧‧第二積分器
163‧‧‧比較器
170‧‧‧延時控制器
171‧‧‧計時器
173‧‧‧第二切換開關
180‧‧‧啟動單元
1331a-c‧‧‧第一切換端
1332‧‧‧第一連接端
1731a-c‧‧‧第二切換端
1732‧‧‧第二連接端
A、H、D、E‧‧‧貫孔
第1圖為習知技術中微波偵測器的結構示意圖。
第2圖為本發明之微波偵測器的功能方塊圖。
第3圖是第2圖之主動式天線模組之等效電路圖。
第4圖為本發明之主動式天線模組之結構的橫向剖面圖。
第5圖為第4圖之主動式天線模組之正面以及反面結構的對照圖。
第6圖為第4圖之主動式天線模組之結構的正視圖。
第7圖是本發明微波偵測器發射之第一調頻連續波訊號以及接收之第二調頻連續波訊號之頻率與時間關係圖。
第8圖係第2圖所示第二解調器的電路圖。
第9圖為雜波、目標訊號、觸發訊號以及延遲控制訊號的關係圖。
第10圖為第2圖所示的延時控制器的電路圖。
第11圖係掃頻頻寬與距離的關係圖。
第12圖為第2圖所示的調變模組的電路圖。
請參考第2圖，第2圖為本發明微波偵測器100的功能方塊圖。微波偵測器100包含一主動式天線模組110、一第一低通濾波器120、一調變模組130、一第二解調器140b、一第一積分器161、一第二積分器 162、一比較器163以及一延時控制器170。主動式天線模組110整合天線和射頻模組的功能，包含一迴路天線101和一射頻電晶體102。迴路天線101用來朝一目標發射一第一調頻連續波(frequency modulation continuous wave，FMCW)訊號，並接收由目標反射回來的一第二調頻連續波訊號。第一低通濾波器120與射頻電晶體102形成一第一解調器140a，第一解調器140a用來依據一距離閘解調該第一調頻連續波信號和第二調頻連續波信號以產生一差頻信號，且該差頻訊號具有該第一調頻連續波訊號和該第二調頻連續波訊號的頻率差。第二解調器140b用來解調該差頻訊號以產生一都卜勒訊號，該都卜勒訊號之頻率等於一上掃差頻(up-sweep beat frequency)和一下掃差頻(down-sweep beat frequency)之間的頻率差。調變模組130電性連接於主動式天線模組110，用來依據從複數個距離閘之中選取的一距離閘產生一調變訊號予主動式天線模組110。該第一調頻連續波訊號的頻寬依據該調變訊號的振幅調整，其中該複數個距離閘是一對一對應複數個第一調頻連續波訊號的頻寬。鑑別電路160電性連接第二解調器140b，用來比較該距離閘內的該目標所對應的該都卜勒訊號以及雜波積分後的電壓差，以輸出一觸發訊號。調變模組130用來於依據不同偵測距離而產生不同振幅的調變訊號。各元件的結構與運作容後詳述。
請參閱第3圖，第3圖是第2圖之主動式天線模組110之等效電路圖。主動式天線模組110具有自身混波解調架構，包含有一迴路天線101和一射頻電晶體102。迴路天線101具有發射端101T以及接收端101R，發射端101T用來傳遞該第一調頻連續波訊號，接收端101R用來傳遞該第二調頻連續波訊號。迴路天線101包含一第一電感L11、一第二電感 L12、一第三電感L13、一第一電容C11、一第二電容C12、一第三電容C13以及一變容二極體103。射頻電晶體102具有控制埠1023、第一埠1021以及第二埠1022。第二埠1022耦接發射端101T，控制埠1023耦接接收端101R。第一埠1021及第二埠1022分別連接第一電容C11的兩端。第一埠1021電性連接第一低通濾波器120，用以作為中頻(基頻)解調訊號的輸出端。變容二極體103並聯於第二電容C12。
值得注意的是，在第3圖中，發射端101T與接收端101R必需要相位差180°以形成正回授電路，才能使迴路天線101獲得良好的振盪。射頻電晶體102係以雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)表示，但事實上，射頻電晶體102亦可以為場效電晶體(field effect transistor，FET)，若為場效電晶體(field effect transistor，FET)時，可以為假型高速電子遷移率電晶體(P-Hemt)。當射頻電晶體102為BJT時，控制埠1023為一基極，第一埠1021也就是降頻埠係為一射極，而第二埠1022係為一集極。而當射頻電晶體102為FET時，控制埠1023為一閘極，第一埠1021也就是降頻埠為一源極，而第二埠1022係為一汲極。
請參考第4圖和第5圖，第4圖為本發明之主動式天線模組之結構的橫向剖面圖，第5圖為第4圖之主動式天線模組之正面以及反面結構的對照圖。主動式天線模組110包含有一第一微帶天線金屬1011、一第二微帶天線金屬1012、一第三微帶天線金屬1013、一基板106、一射頻電晶體102、一第一耦合金屬片1051、一第二耦合金屬片1052以及一第三耦合金屬片1053。第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012以及第三微帶天線金屬1013設置於基板106之第一表面107(即正面)上。而第 一耦合金屬片1051、第二耦合金屬片1052以及第三耦合金屬片1053係設置於基板106之第二表面108(即反面)上，第一表面107和第二表面108係指基板106的相對兩面。第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012、第三微帶天線金屬1013、基板106、第一耦合金屬片1051、第二耦合金屬片1052以及第三耦合金屬片1053係構成如第3圖所示的迴路天線101。第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012、第三微帶天線金屬1013、第一耦合金屬片1051、第二耦合金屬片1052以及第三耦合金屬片1053的材質可以為銅箔。射頻電晶體102的第一埠1021、第二埠1022以及控制埠1023分別連接至第一耦合金屬片1051、第一微帶天線金屬1011以及第三微帶天線金屬1013，且第一埠1021為一降頻埠，用以作為中頻(基頻)解調訊號的輸出端。貫孔A、貫孔H、貫孔D、貫孔E均貫通基板106且有銅箔貼附以形成導電通道。貫孔A連接第一微帶天線金屬1011，也是做為天線電源訊號輸入端，即一天線電源訊號係經由第一微帶天線金屬1011(等效於第3圖的第一電感L11)輸入。貫孔H連接第二微帶天線金屬1012，也是做為調變訊號輸入端，亦即貫孔H耦接於調變模組130，使調變訊號經由第二微帶天線金屬1012(等效於第3圖的第二電感L12)輸入，且該調變訊號可為三角波或是弦波。貫孔D連接第三微帶天線金屬1013，也是做為射頻電晶體102的偏壓輸入端，當射頻電晶體102為FET時，貫孔D所連接可以是固定電壓(可為接地端)。貫孔E連接第一耦合金屬片1051。
主動式天線模組110另可包含一變容二極體103，設置於第一表面107上。變容二極體107兩端分別連接第一微帶天線金屬1011和第二微帶天線金屬1012。變容二極體107的電容會隨施加於其兩端的電壓變 化而改變。當主動式天線模組110應用於FM調諧器和FM調變電路時，用來調諧FM訊號。
請參閱第6圖，第6圖為第4圖之主動式天線模組之結構的正視圖。第一微帶天線金屬1011之一第一部分10111以及第一耦合金屬片1051重疊之處構成一第一電容C11。第一微帶天線金屬1011之一第二部分10112、與第一微帶天線金屬1011之一第二部分10112相鄰之第二微帶天線金屬1012之一第一部分10121以及第二耦合金屬片1052重疊之處構成一第三電容C13。第一微帶天線金屬1011大致呈一弧型結構，其第一部分10111和第二部份10112分別位於該弧型結構的兩端。第二微帶天線金屬1012之一第二部分10122、與第二微帶天線金屬1012之第二部分10122相鄰之第三微帶天線金屬1013之第一部分10131以及第三耦合金屬片1053重疊之處構成一第二電容C12。第二微帶天線金屬1012大致呈一弧型結構，其第一部分10121和第二部份10122分別位於該弧型結構的兩端。射頻電晶體102則設置於第一表面107上，射頻電晶體102的控制埠1023連接至第三微帶天線金屬1013。
在設計本發明的迴路天線101時，必需透過實驗的方式進行分析驗證，即是將本發明的主動式天線模組110轉換成如第3圖所示的雙埠電路。請一併參考第6圖，平面的迴路天線101其圓周長約為射頻波長的二分之一(λ/2=2πr)，其正面的第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012以及第三微帶天線金屬1013的外緣直徑為17.1mm，則其頻率應大於2.79GHz，但以第6圖的結構可知，反面的銅箔實為等效的金屬耦合電容，使得LC共振器(LC Tank)的等效長度大於17.1π(mm)的圓周長，故使 得天線頻率降至2.79GHz以下。另外在射頻電晶體102的相位控制，由於射頻電晶體102本身的汲極-閘極或是集極-基極存在不同電性相位長度(Phase Delay)，其與天線在工作頻率的相位長度結合後，形成正迴授(180°)的長度時，即形成最佳的震盪條件。因此，經過實驗測試，使用AT41486電晶體作為震盪器時，其震盪頻率為2.3-2.4GHz，若採用BFR92電晶體作為震盪器時，則其震盪頻率為2.0-2.1GHz，因此配合金屬耦合電容及不同電晶體，可以使在原尺寸在2.79GHz震盪條件的天線，降至為2.0-2.1GHz的震盪，此一貢獻即使天線尺寸進行縮裝與微型化。
但是，必需注意的是，做調整時金屬耦合電容會影響迴路天線101的穩定性。以BJT作為射頻電晶體102為例，由BJT的簡易小訊號模型方程式可知，若金屬等效耦合電容作為第一電容C11的電容值愈小，則射頻電晶體102內部阻抗愈小，使得基極電流IB 值增大，而基極電流IB 值增大就會使集極電流IC 值增大，因此迴路天線101的射頻震盪輻射穩定性隨之增加。另外，若射頻電晶體102為BJT時，必需要考慮到基極電流IB 、射極電流IE 以及集極電流IC ，而若射頻電晶體102為FET時，則必需考慮到閘極電流IG 、源極電壓VS 以及汲極電流ID 。例如，射極電流IE 決定了輻射訊號的強弱，將直接影響偵測範圍，因此在設計時就必需特別注意。可以理解的是，振盪器的工作點可以經由偏壓來決定，理論值很容易求出，但是最適宜點則必需由實驗驗證，從訊號雜訊比(S/N)大於要求的情形中找出最佳的工作點。
在此結構中，第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012以及第三微帶天線金屬1013與第一耦合金屬片1051、第二耦合金屬 片1052以及第三耦合金屬片1053可以形成所欲選擇的等效電感值與等效電容值。如前所述，配合金屬耦合電容的長度設計，可以將主動式天線模組110的工作頻率向低頻做調整，換句話說，即是將半波長(λg/2)等效的尺寸加長，並且以射頻電晶體102的工作點做調整，來補償其相位的不同。最終將可設計出第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012以及第三微帶天線金屬1013與第一耦合金屬片1051、第二耦合金屬片1052以及第三耦合金屬片1053作為與射頻電晶體102諧振時的共振器。
請再參考第3圖，本發明之主動式天線模組110的工作頻率係由電感值L(與第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012以及第三微帶天線金屬1013的長度相關)以及第一、第二、第三電容C11、C12、C13的電容值C(與第一電容C11與第二、第三電容C12、C13的長度相關)所決定，當LC值愈大時，射頻振盪頻率就愈低；反之，當LC值愈小時，則射頻振盪頻率就愈高。但是值得注意的是，射頻穩定度與耦合電容、旁路電容的選擇有密切的關聯。當射頻電晶體102為BJT時，由簡易小訊號模型方程式IC =βIB 可知，若旁路電容C2的電容值愈小，則射頻電晶體102內部阻抗愈小，使得β值增大，亦即集極電流IC 值增大，因此迴路天線101的射頻穩定度隨之增加。而當當射頻電晶體102為FET時，其簡易小訊號模型方程式如下：
其中VP 為夾止電壓，VGS 為閘極電壓，IDSS 為汲-源極飽和電流。若旁路電容C2之電容值愈小，則射頻電晶體102內部阻抗rDS 愈 小，由於VDS =rDS ×ID ，所以在定電壓輸入時(汲極-源極電壓VDS 為定值)，ID 值相對增大。
總結來說，在此電路設計上，若做為旁路電容的第一電容C11的電容值愈小，其射頻振盪將越趨穩定，反映在頻譜分布圖上時，諧波的能量減小，而主波的能量增大。反之若第一電容C11的電容值愈大，其射頻振盪越不穩定，反映在頻譜分布圖上時，各諧波能量增大，而主波能量減小。至於第二、第三電容C12、C13的效應，則恰好與第一電容C11相反，第二、第三電容C12、C13的電容值愈大，則系統愈穩定，反映在頻譜分布圖上時，各諧波能量減小而主波能量增大。反之，若第二、第三電容C12、C13的電容值愈小，則系統愈不穩定，反映在頻譜分布圖上時，各諧波能量增大而主波能量減小。
若將第3圖的等效模型架構與標準的雷達架構作對照，等效於標準雷達的天線時，表面的金屬(或是銅箔)和背面的金屬(或是銅箔)相當於環型天線架構，另外作為壓控振盪器(VCO)時，環形天線和背面的金屬條紋是分別相當於等效電感(L)和等效電容(C)，且共同構成電晶體的共振腔。本發明之主動天線模組100中，射頻電晶體102的基極與射極(或是閘極與汲極)等效於反向的二極體，可作為簡易混波器之用。射頻電晶體102亦具有壓控振盪器以及混波器的功能。可藉由設計，得出第一微帶天線金屬1011、第二微帶天線金屬1012以及第三微帶天線金屬1013與第一耦合金屬片1051、第二耦合金屬片1052以及第三耦合金屬片1053作為與射頻電晶體102諧振時的共振器。在作為混波器時，係運用基極的偏壓驅動射頻電晶體102工作在接近飽和區，即可在射極端檢測出中頻訊號。
請繼續參閱第3圖。由於主動式天線模組110的射頻電晶體102具有混波器的功能，因此射頻電晶體102和第一低通濾波器120可以做為解調器140a，用來對該第一調頻連續波信號以及該第二調頻連續波信號進行第一次降頻解調以取得一差頻信號。也就是說，當射頻電晶體102的第二埠1022做為第一調頻連續波信號(具有頻率ft )的發射端101T，且控制埠1023做為接收由目標反射回來的第二調頻連續波信號(具有頻率fr )的接收端101R時，第一端1021輸出的是差頻信號，該差頻信號的頻率fb (=ft -fr )可以用來計算微波偵測器100與目標之間的距離，其方式容後再述。
請參閱第7圖，第7圖是本發明微波偵測器100發射之第一調頻連續波訊號以及接收之第二調頻連續波訊號之頻率與時間關係圖。上掃差頻(up-sweep beat frequency)fb + 和下掃差頻(down-sweep beat frequency)fb - 分別表示在上掃時和下掃時該第一調頻連續波訊號以及該第二調頻連續波訊號之頻率差。當目標和微波偵測器100之間無相對移動時，fb =f b + =f b - 。當目標朝微波偵測器100靠近時，f b + =fb -fd ，f b - =fb +fd ，fd 表示都卜勒訊號之頻率。當目標遠離微波偵測器100移動時，f b - =fb -fd ，f b + =fb +fd 。所以fb =(fb - +fb + )/2。
請參閱第8圖，第8圖係第二解調器140b之電路圖。第二解調器140b包含一包跡檢測器(AM Peak envelop detector)141和一第二低通濾波器142。包跡檢測器141電性連接第一解調器120的輸出，包含二極體D1和D2。二極體D1的正端耦接於第一解調器120的輸出，二極體D1的負端耦接於第二低通濾波器142。二極體D2的正端耦接於接地端，二極體D2的負端耦接於第二低通濾波器142。包跡檢測器141用來以包跡解調方 式(AM Peak Envelope Detection)從差頻訊號fb 取出分別具有fb - +fb + 與fb - -fb + 頻率的兩信號。再通過第二低通濾波器142取得都卜勒信號，該都卜勒信號的頻率fd =|fb - -fb + |。
請參閱第2圖和第9圖，第9圖為雜波(clutter)、目標訊號、觸發訊號Vtrig以及延遲控制訊號Vdelay的關係圖。本發明的鑑別電路160採用類比電路來鑑別目標所產生的都卜勒訊號與雜波的差別，而不採用數位訊號處理器。第一積分器161用來對該距離閘內的該目標所對應的該都卜勒訊號進行積分運算，以產生一第一比較電壓Vcom1。而第二積分器162用來對該距離閘內雜波進行積分運算，以產生一第二比較電壓Vcom2。請注意，第一積分器161的階數小於第二積分器162的階數，也就是說，第一積分器161的充放電速率大於第二積分器162。比較器163用來於第一比較電壓Vcom1大於第二比較電壓Vcom2時，輸出一觸發訊號Vtrig予啟動單元180。鑑別電路160的原理是以斜率與電壓差兩參數來鑑別目標的都卜勒訊號與雜波的差別，同時利用兩個不同階數的積分器，運用速度訊號的積分快慢分辨目標的都卜勒訊號與雜波。如第9圖所示，當沒有任何目標進入微波偵測器100所設定的距離閘之內時，第一積分器161輸出的第一比較電壓Vcom1小於第二積分器162輸出的第二比較電壓Vcom2，且第一比較電壓Vcom1與第二比較電壓Vcom2之間具有一電位差△V。該電位差△V表示微波偵測器100能承受雜波最大量。當目標進入微波偵測器100所設定的距離閘之內時，第一積分器161會將第二解調器140b產生的該目標的都卜勒訊號進行積分運算，以得到第一比較電壓Vcom1。此時，第一比較電壓Vcom1大於第二比較電壓Vcom2，故比較器163會產生觸發訊號 Vtrig予延時控制器170或是啟動單元180。
當啟動單元180接收該觸發訊號時會控制後級電路的運作，例如控制LED發出光線或是警報器發出警報。
請參閱第9圖和第10圖，第10圖為第2圖的延時控制器170的電路圖。因為比較器163產生觸發訊號Vtrig後，若遇到脈波震盪的觸發情形，會讓比較器163斷斷續續發出觸發訊號Vtrig。此時啟動單元180也會斷斷續續啟動。舉例來說，用在照明系統上，會發生一直閃爍的現象，用在保全系統上，則警報訊號會有間斷的現象。因此微波偵測器100另包含延時控制器170，用來接收觸發訊號Vtrig時，輸出一延遲控制訊號Vdelay。啟動單元180在接收到延遲控制訊號Vdelay就會延長啟動時間TD。延時控制器160包含一第二切換開關173以及一計時器171。第二切換開關173包含複數個第二切換端1731a-1731c以及一第二連接端1732，第二連接端1732連接至一固定電壓端(例如接地端)，複數個第二切換端1731a-1731c一對一連接至複數個電容C1-C3，且每一電容C1-C3的電容值皆不相同。計時器171包含一觸發端TRIG、一放電端DISCHARGE以及一輸出端OUT，觸發端TRIG耦接於比較器163輸出的時脈訊號Vtrig，放電端DISCHARGE耦接複數個電容C1-C3。計時器171用來依據第二切換開關173切換使得放電端DISCHARGE通過其中一個第二切換端而電性連接該固定電壓端時，由輸出端OUT輸出具有不同長度的延遲控制訊號Vdelay予啟動單元180。延遲控制訊號Vdelay的長度是隨著RC值(亦即電阻R1與電容C1-C3其中之一的乘積)而改變。因此可以通過第二切換開關173來選擇性地決定延遲控制訊號Vdelay的長度。舉例來說，延遲控制訊號Vdelay 的長度可以是17秒，使得啟動單元180可以在啟動之後至少維持17秒的運作時間。
請參閱第11圖，第11圖係掃頻頻寬與距離的關係圖。第11圖採用12V操作電壓下，第一調頻連續波訊號在掃頻頻寬在16MHz與40MHz兩種模式下向不同距離的目標發射。可以觀察到，掃頻頻寬在40MHz時，所有能量集中4公尺之內，自4公尺之後能量隨著距離急遽衰減；掃頻頻寬在16MHz時，其能量較平均分布在7公尺以內。因此掃頻頻寬B(等於第一調頻連續波訊號之射頻頻寬△f)愈大則微波偵測器100的偵測範圍愈短，反之掃頻頻寬B愈小則微波偵測器100的偵測範圍愈遠。
請參閱第2圖、第11圖和第12圖，第12圖為第2圖所示的調變模組130的電路圖。調變模組130包含三角波產生器131、第一運算放大器132以及第一切換開關133。第一調頻連續波訊號之射頻頻寬△f會直接受到三角波產生器131產生之調變訊號的振幅影響，當該調變訊號的振幅愈大則射頻頻寬△f愈大，反之，該調變訊號的振幅愈小則射頻頻寬△f愈小。所以當微波偵測器100需要提高偵測範圍，則降低第一調頻連續波訊號之射頻頻寬△f，反之當微波偵測器100需要降低偵測範圍，則提高第一調頻連續波訊號之射頻頻寬△f。
依據本發明的實施例，微波偵測器100設定多段距離閘(亦即偵測範圍)，每一段距離閘對應到一個調頻連續波的射頻頻寬△f，每一個調頻連續波的射頻頻寬△f對應到一個調變訊號的振幅。假設微波偵測器100設定距離閘為4公尺，則三角波產生器131會產生對應的三角波訊號以產生40MHz的第一調變連續波訊號。距離超過4公尺以上的目標所反射的第 二調頻連續波訊號的能量相較於4公尺以下的目標所反射的第二調頻連續波訊號大幅衰減，因此第一積分器161所產生的第一比較電壓Vcom1仍會低於第二積分器161所產生的第二比較電壓Vcom2，所以比較器163不會輸出觸發訊號Vtrig。如此一來，微波偵測器100會忽略超過4公尺以上的目標所反射的第二調頻連續波訊號。通過上述方式，即是運用本發明微波偵測器100控制三角波產生器131產生的調變訊號的振幅來設定多段距離閘(range gate)。每一段距離閘對應到一個偵測範圍，只有位在設定偵測範圍內的目標才會被偵測。因此本發明將各段偵測範圍設定明顯化。
調變模組130的第一切換開關133包含複數個第一切換端1331a-1331c以及一第一連接端1332。第一連接端1332連接至固定電壓端(例如接地端)，複數個第一切換端1331a-1331c一對一連接至複數個電阻R22-R24。第一運算放大器132具有第一輸入正端、第一輸入負端及第一輸出端Amp_out，該第一輸入正端耦接於三角波產生器131輸出的該三角波訊號，該第一輸入負端耦接至第一切換開關133，用來依據第一切換開關133切換使得該第一輸入負端通過其中一個第一切換端1331a-1331c而電性連接該固定電壓端時，由第一輸出端Amp_out輸出具有不同振幅的該調變訊號。較佳地，三角波產生器131輸出的三角波訊號的頻率是設定在40KHz，其振幅需控制在0~3V，避免訊號飽和。為控制不同的距離閘，可以改變三角波訊號的振幅來控制主動式天線模組110的調頻頻寬。利用第一切換開關133選擇不同電阻，用來調整三角波訊號的放大倍率。最後通過第一運算放大器132將三角波產生器131輸出的三角波訊號依據選擇的放大倍率而輸出一特定振幅的調變訊號。由於調變連續波訊號的頻率正比 於該調變訊號，因此調變連續波訊號的頻率範圍可以由1K~10KHz提升至40K~100KHz，如此可將後續偵測距離參數的中頻濾波器頻率範圍提升，避免低頻雜訊的侵入，更有效地隔離低頻干擾訊號。
本發明之微波偵測器適用於小型偵測器，應用於短距離但是涵蓋角度大時的移動目標偵測。由於其將射頻模組之震盪器、混波器與天線整合為一體，更使射頻收發機得以簡化並縮小體積。同時將壓控振盪器與混波器以一顆BJT或是FET(例如：P-Hemt)取代，無論在體積或是功耗率上，都有明顯的改善。此外，本發明之微波偵測器之解調器利用二極體配合低通濾波器取代混波器，進行二階段的降頻解調。另外本發明之微波偵測器直接且快速由電路硬體取出並計算距離及速度等兩種資訊，大幅度減少傳統微波偵測器之數位訊號處理器設計的複雜度。此外，本發明將固定的移動背景物的速度當作雜波(Clutter)，將瞬間及持續變大的速度訊號作為系統偵測及觸發的對象。本發明的微波偵測器使用兩個積分器，分別用來對該目標以及該固定的移動背景物所對應的該都卜勒訊號進行積分運算以產生第一比較電壓和第二比較電壓，並使用該比較器比較偵測到的第一比較電壓和第二比較電壓。由於本發明是比較積分器產生的兩個比較電壓來做為判斷該目標是否位於該距離閘內，有別於傳統直接以偵測訊號的振幅大小做觸發的參考，其抗干擾的能力是非常優異。此外，本發明利用改變三角波產生器產生之調變訊號之振幅以調整調變連續波訊號之射頻頻寬大小，來控制不同偵測範圍。本發明設定多個偵測範圍，只有在設定的偵測範圍內的目標才會被感應，將各段偵測範圍設定明顯化。當偵測有移動目標後，微波偵測器觸發後級裝置(例如LED燈與警報器)時，其啟動後級 裝置的時間控制，通過第二切換開關對計時器的放電端上的複數個電容做接地選擇，以進行延遲時間的控制改變。
雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧微波偵測器
110‧‧‧主動式天線模組
101‧‧‧迴路天線
130‧‧‧調變模組
102‧‧‧射頻電晶體
140a‧‧‧第一解調器
131‧‧‧三角波產生器
132‧‧‧第一運算放大器
133‧‧‧第一切換開關
120‧‧‧第一低通濾波器
140a‧‧‧第一解調器
140b‧‧‧第二解調器
141‧‧‧包跡檢測器
142‧‧‧第二低通濾波器
160‧‧‧鑑別電路
161‧‧‧第一積分器
162‧‧‧第二積分器
163‧‧‧比較器
170‧‧‧延時控制器
171‧‧‧計時器
173‧‧‧第二切換開關
180‧‧‧啟動單元

Claims (13)

  1. 一種微波偵測器，其包含：一主動式天線模組，用來以一掃頻週期朝一目標發射一第一調頻連續波訊號，並接收由該目標反射回來的一第二調頻連續波訊號；一調變模組，電性連接於該主動式天線模組，用來依據從複數個距離閘之中選取的一距離閘產生一調變訊號予該主動式天線模組，該第一調頻連續波訊號的頻寬依據該調變訊號的振幅調整，其中該複數個距離閘是一對一對應複數個第一調頻連續波訊號的頻寬；一第一解調器，電性連接該主動式天線模組，用來依據一距離閘解調出該差頻訊號，該差頻訊號具有該第一調頻連續波訊號和該第二調頻連續波訊號的頻率差；一第二解調器，電性連接該第一解調器，用來解調該差頻訊號以產生一都卜勒訊號，該都卜勒訊號之頻率等於一上掃差頻和一下掃差頻的頻率差；以及一鑑別電路，電性連接該第二解調器，用來比較該距離閘內的該目標所對應的該都卜勒訊號以及雜波積分後的電壓差，以輸出一觸發訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微波偵測器，其中該主動式天線模組包含：一迴路天線，其包含一發射端以及一接收端，該發射端用來傳遞該第一調頻連續波訊號，該接收端用來傳遞該第二調頻連續波訊號；以及一射頻電晶體，具有一控制埠、一第一埠以及一第二埠，該第二埠耦接該發射端，該控制埠耦接該接收端，且該控制埠與該第二埠係為反相。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之微波偵測器，其中該微波偵測器另包含：一第一低通濾波器，電性連接該射頻電晶體之第一埠，其中該第一低通濾波器與該射頻電晶體形成該第一解調器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微波偵測器，其中該第二解調器包含：一包跡檢測器，電性連接該第一低通濾波器；及一第二低通濾波器，電性連接包跡檢測器，用來輸出該都卜勒訊號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之微波偵測器，其中該射頻電晶體為一雙極性接面電晶體，該控制埠係為一基極，該第一埠係為一射極，且該第二埠係為一集極。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之微波偵測器，其中該射頻電晶體為一場效電晶體，且該場效電晶體係包含一假型高速電子遷移率電晶體(P-Hemt)，該控制埠係為一閘極，該第一埠係為一源極，且該第二埠係為一汲極。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之微波偵測器，其中該微波偵測器另包含一第一電容，該第一電容之兩端跨接該射頻電晶體的該第一埠和該第二埠，其中該迴路天線包含：一第一電感，耦接於該射頻電晶體的該第二埠；一第二電感；一第三電感，耦接於該射頻電晶體的該控制埠；一第二電容，耦接於該第一電感和該第二電感之間；以及一第三電容，耦接於該第二電感和該第三電感之間。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之微波偵測器，其中該主動式天線模組包含一基板，包含彼此相對的一第一表面以及一第二表面； 一第一微帶天線金屬，設置於該基板之第一表面之上；一第二微帶天線金屬，設置於該基板之第一表面之上；一第三微帶天線金屬，設置於該基板之第一表面之上；一第一耦合金屬片，設置於該基板之第二表面之上；一第二耦合金屬片，設置於該第二表面之上；以及一第三耦合金屬片，設置於該第二表面之上；該射頻電晶體，設置於該第一表面，該射頻電晶體的控制埠連接至該第三微帶金屬，且該第一埠以及該第二埠分別連接至該第一耦合金屬片以及該第一微帶金屬；其中，該第一微帶天線金屬之一第一部分以及該第一耦合金屬片構成一第一電容，該第一微帶天線金屬之一第二部分、與該第一微帶天線金屬之該第一部分相鄰之該第二微帶天線金屬之一第一部分以及該第二耦合金屬片構成一第三電容，該第二微帶天線金屬之一第二部分、與該第二微帶天線金屬之該第二部分相鄰之部分之該第三微帶天線金屬以及該第三耦合金屬片構成一第三電容。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之微波偵測器，其中該第一積分器的階數小於該第二積分器的階數。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之微波偵測器，其中該調變模組包含：一三角波產生器，用來輸出一三角波訊號；一第一切換開關，其包含複數個第一切換端以及一第一連接端，該第一連接端連接至一固定電壓端，複數個第一切換端一對一連接至複數個電阻；以及 一第一運算放大器，其具有第一輸入正端、第一輸入負端及第一輸出端，該第一輸入正端耦接於該三角波產生器輸出的該三角波訊號，該第一輸入負端耦接至該第一切換開關，用來依據該第一切換開關切換使得該第一輸入負端通過其中一個第一切換端而電性連接該固定電壓端時，由該第一輸出端輸出具有不同振幅的該調變訊號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之微波偵測器，其中該鑑別電路包含：一第一積分器，電性連接於該第二解調器，用來對該距離閘內的該目標所對應的該都卜勒訊號進行積分運算，以產生一第一比較電壓；一第二積分器，電性連接於該第二解調器，用來對該距離閘內雜波進行積分運算，以產生一第二比較電壓；以及一比較器，電性連接該第一積分器以及該第二積分器，用來於該第一比較電壓大於該第二比較電壓時，輸出該觸發訊號。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之微波偵測器，其另包含一延時控制器，電性連接該比較器，用來接收該觸發訊號時，輸出一延遲控制訊號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之微波偵測器，其中該延時控制器包含：一第二切換開關，其包含複數個第二切換端以及一第二連接端，該第二連接端連接至一固定電壓端，複數個第二切換端一對一連接至複數個電容；以及一計時器，包含一觸發端、一放電端以及一輸出端，該觸發端耦接於該比較器輸出的該觸發訊號，該放電端耦接該複數個電容，該計時器用來依 據該第二切換開關切換使得該放電端通過其中一個第二切換端而電性連接該固定電壓端時，由該輸出端輸出具有不同長度的該延遲控制訊號。
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