一種10.525 GHz安防雷達(dá)中頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

陳琳琳，李軍紅，鐘仁海

（南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421001）

一種10.525 GHz安防雷達(dá)中頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

陳琳琳，李軍紅，鐘仁海

（南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421001）

介紹了10.525 GHz安防雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)與市場(chǎng)應(yīng)用前景，并對(duì)該雷達(dá)中頻信號(hào)處理電路進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種低成本的安防雷達(dá)前端供電控制電路、中頻放大電路、濾波電路、遲滯比較電路。實(shí)驗(yàn)表明，該電路具有較好的抗干擾、節(jié)電能力，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出正對(duì)雷達(dá)前方10 m處、速度不低于0.5 m/s相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人。通過(guò)單片機(jī)處理之后，可輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL時(shí)序電平信號(hào)，用戶可以根據(jù)該信號(hào)進(jìn)行二次開發(fā)，可以擴(kuò)展應(yīng)用于安防、自動(dòng)門等場(chǎng)所，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。

安防雷達(dá)；中頻信號(hào)；傳感器；熱源

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)人身安全、財(cái)產(chǎn)安全防范意識(shí)不斷增強(qiáng)，安防行業(yè)發(fā)展速度明顯加快。目前，安防產(chǎn)業(yè)總體趨勢(shì)向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。安防傳感器的應(yīng)用也向著采用多種傳感器復(fù)合感應(yīng)的方向發(fā)展，目前，感應(yīng)某個(gè)區(qū)域時(shí)，主要采用紅外感應(yīng)的方式。這種感應(yīng)容易受到各種熱源、熱氣流的干擾，且被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射易被遮擋。當(dāng)環(huán)境溫度與人體溫度接近時(shí)，易產(chǎn)生虛警。這就需要另一種傳感器能夠在此類情況下正常工作。高頻微波傳感器能夠在人類能夠承受的溫度范圍內(nèi)正常工作，并對(duì)移動(dòng)物體感應(yīng)靈敏，能夠作為一種輔助傳感器使用，用來(lái)構(gòu)成復(fù)合感應(yīng)，從而使得整個(gè)安防的虛警率降低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文采用深圳市天鼎微波科技有限公司生產(chǎn)的ZH100型10.525 GHz安防雷達(dá)前端設(shè)計(jì)了一種低成本的中頻信號(hào)處理電路。

1 雷達(dá)前端與感應(yīng)原理簡(jiǎn)介

該雷達(dá)前端頻率源采用串聯(lián)反饋型介質(zhì)振蕩器的方法設(shè)計(jì)，采用低噪聲PHEMT晶體管作為振蕩器的有源器件，高Q值、高介電常數(shù)的介質(zhì)諧振器作為穩(wěn)頻元件確定振蕩器的諧振頻率，經(jīng)過(guò)平面微帶天線發(fā)射10.525 GHz電磁波，接收天線接收反射回來(lái)的電磁波。如果有物體相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，則反射回來(lái)的電磁波會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，經(jīng)過(guò)混頻電路輸出中頻信號(hào)，該信號(hào)實(shí)測(cè)在1～10 m的距離內(nèi)電壓峰峰值約為十幾毫伏至幾毫伏，需要設(shè)計(jì)后端的信號(hào)處理電路使得單片機(jī)能夠處理這種信號(hào)。

2 雷達(dá)中頻信號(hào)分析與處理電路設(shè)計(jì)

由于需要對(duì)混頻器輸出的微弱中頻信號(hào)進(jìn)行處理，需要分析其輸出信號(hào)的頻率范圍。雷達(dá)多普勒頻移計(jì)算公式為：

式（1）中：fd為多普勒頻移量；fc為安防雷達(dá)發(fā)射電磁波的頻率；vr為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的速度；c為電磁波在空氣中的傳播速度。由式（1）計(jì)算出幾種相對(duì)移動(dòng)速度所對(duì)應(yīng)的多普勒頻移如表1所示。

表1 多普勒頻移

從表1中可以看出，如果雷達(dá)感應(yīng)到正常移動(dòng)的人、車，其多普勒頻移不超過(guò)3 kHz，該參數(shù)為后續(xù)的信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。實(shí)測(cè)該雷達(dá)中頻信號(hào)很微弱，針對(duì)安防應(yīng)用，可以采用一種低成本的設(shè)計(jì)方案。方案框圖如圖1所示。

圖1方案框圖

圖1 中對(duì)中頻信號(hào)采用三級(jí)放大的方案，由于采用低成本的運(yùn)放，其帶寬增益積較小，因此，每一級(jí)放大倍數(shù)不能太大，低價(jià)運(yùn)放的噪聲參數(shù)較大，經(jīng)過(guò)三級(jí)放大之后需要進(jìn)行濾波處理。低成本的單片機(jī)功能少，但基本都具有外部中斷功能，要使得單片機(jī)能夠處理這種信號(hào)，還需要把濾波之后的波形轉(zhuǎn)換成方波，以便利用單片機(jī)的外部中斷功能。相比于單門限比較電路，遲滯比較電路可提高抗干擾能力；而相比于雙門限比較電路，遲滯比較電路只需1個(gè)運(yùn)放，降低了成本。雷達(dá)前端采用單片機(jī)控制三極管飽和導(dǎo)通與截止的PWM方式供電，節(jié)電能力較好。主要電路如圖2所示。對(duì)于圖2的參數(shù)選擇，N1選用三極管SS8550，R12取10k。A1，A2，A3構(gòu)成帶通反相放大，C1，C3，C5取值47 uf，R1，R3，R5取值470 Ω，C2，C4，C6取值3.3 nf，R2，R4，R6取值15 k，三級(jí)放大總增益約為90 dB，帶通頻率為3.2～7.2 kHz，R5和R6取10k，用于分壓做偏置，C9取47 uf，用于消除電源電壓紋波對(duì)運(yùn)放同相輸入端的干擾。

圖2 電路

實(shí)測(cè)經(jīng)過(guò)三級(jí)放大之后運(yùn)放A3的輸出峰峰值有1 V左右，此峰峰值過(guò)高，需加濾波電路濾掉一些高頻噪聲以降低峰峰值。本文采用一階RC濾波電路，R7取100 Ω，C7取470 nf，截止頻率約為3.38 kHz。運(yùn)放A4做遲滯比較用，取R8為15k，R9為30k，R10取33k，R11取22k，C8取47 uf。如果以5 V電壓供電，上門限電壓為VT+=3.7 V，下門限電壓為VT-=1.2 V，則ΔVT=2.5 V，具有一定的抗干擾裕量。放大器A4輸出信號(hào)為遲滯比較之后的信號(hào)，如果感應(yīng)到有移動(dòng)的物體則輸出方波，單片機(jī)外部中斷口可以檢測(cè)到該波形從而可以程序處理并對(duì)外輸出TTL時(shí)序電平信號(hào)。

3 測(cè)試結(jié)果分析

當(dāng)雷達(dá)前方?jīng)]有移動(dòng)物體時(shí)，用示波器測(cè)試出一階RC濾波的波形如圖3所示。

圖3 一階RC濾波的波形

經(jīng)過(guò)三級(jí)放大之后，外界干擾信號(hào)易引起遲滯比較輸出電平變化，導(dǎo)致虛警產(chǎn)生。從圖3中可以看出經(jīng)過(guò)一階RC濾波電路之后的波形峰峰值降為520 mV，可以降低虛警率。

圖4人從10 m處人以不低于0.5 m/s的速度靠近雷達(dá)時(shí)，示波器顯示的波形

圖4 為人從10 m處人以不低于0.5 m/s的速度靠近雷達(dá)時(shí)，示波器顯示的波形。其中，示波器通道4顯示波形為經(jīng)過(guò)RC濾波之后，輸入遲滯比較器的波形，示波器通道3顯示波形為輸入單片機(jī)的經(jīng)過(guò)遲滯比較之后的放大器A4輸出波形，可以看出經(jīng)過(guò)遲滯比較電路之后波形成功轉(zhuǎn)換成了方波，利用單片機(jī)的外部中斷功能能夠處理該方波。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用低價(jià)的運(yùn)放與單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種10.525 GHz安防雷達(dá)中頻信號(hào)處理電路，該電路工作可靠，能準(zhǔn)確檢測(cè)到10 m處以不低于0.5 m/s靠近的人，并通過(guò)單片機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL時(shí)序電平信號(hào)，用戶可根據(jù)該信號(hào)進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)展應(yīng)用于安防、自動(dòng)門等場(chǎng)所，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］簡(jiǎn)明全.2016年安防行業(yè)四大新技術(shù)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷［J］.中國(guó)公共安全，2016（Z1）.

［2］劉國(guó)柱.淺析我國(guó)安防行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［J］.經(jīng)營(yíng)管理者，2016（15）.

［3］瞿貴榮.熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)原理及特性［J］.家庭電子，2005（08）.

［4］張福云，唐紅艷，鐘催林.一種X波段串聯(lián)反饋介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2012（S2）.

［5］鐘錫華.多普勒頻移的普遍公式［J］.大學(xué)物理，1995，10（14）.

〔編輯：張思楠〕

TN957.51

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.102

2095－6835（2017）16－0102－03