【正文】 三極管再次進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，再而截止?fàn)顟B(tài)，等待觸發(fā)脈沖使三極管再次進(jìn)入雪崩狀態(tài)。 由圖 電路可以得出，三極管集 射電壓增大到臨界狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電阻 LR上的電流可表示為： LSUSCCR R VVIL??ma x （ ） 其中 SUSV 為集 射擊穿電壓。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 雪崩三極管產(chǎn)生高幅度脈沖的要求是：三極管擊穿后，電容 C 放電的時(shí)間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時(shí)間間隔。故電流可允許的最高重復(fù)頻率表示為： CRf C3 1max ? （ ） 一般情況下有 LR 遠(yuǎn)小于 CR ，故對于 LR 對電容 C 充電時(shí)間的影響這里不做考慮。由于對于雪崩三極管的二次擊穿目前還沒有一個(gè)定向的嚴(yán)格分析，所以無法估計(jì)脈沖的前沿時(shí)間，只能說，雪崩效應(yīng)越強(qiáng)，其前沿時(shí)間越短，而后沿時(shí)間則由 CRL 來決定。 超寬帶雷達(dá)脈沖產(chǎn)生電路 元器件的選擇 衡量超寬帶脈沖性能的主要參數(shù)是：脈沖的峰值幅度 V0、脈沖的寬度 tW（包括上升時(shí)間或下降時(shí)間）和脈沖的重復(fù)頻率 f0；一般而言，在選擇雪崩三極管時(shí)，要注意幾點(diǎn)：三極管應(yīng)具有較高 BVCEO 和較寬的雪崩區(qū)；較高的放大倍數(shù)和特征頻率；較低的飽和壓降。這些參數(shù)對于電路的穩(wěn)定性，確保輸出脈沖的寬度和幅度指標(biāo)有重要影響。同時(shí)，還應(yīng)考慮晶體管的功率損耗，其觸發(fā)脈沖的作用下可表示為： 2/2 fCVP o? （ ） 單極性脈沖產(chǎn)生電路 本文采用雪崩三極管產(chǎn)生 ps 極的窄脈沖，由上節(jié)可知產(chǎn)生脈沖的基本形成電路，但在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，通常為了可以使三極管快速進(jìn)入雪崩狀態(tài)，加入微分整形電路。其微分整形電路是由電容 Cl 和電阻 R1 組成的，可以使觸發(fā)脈沖的前沿更陡峭，從而使三極管以最短的時(shí)間進(jìn)入雪崩狀態(tài)，也不會因?yàn)榛夒娏鬏斎氲某掷m(xù)時(shí)間而導(dǎo)致三極管的損壞。本文在設(shè)計(jì)過程中，在微分整形電路后加入了加速電路，其 目的是改善脈沖上升沿及下降沿，使其更陡峭，同時(shí)也為三極管西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 輸入脈沖信號與微分整形電路輸出信號的一致提供了保證。如圖 極管產(chǎn)生的單極性超寬帶脈沖電路。 圖 單極性超寬帶脈沖 通過仿真及電路的進(jìn)一步分析，可知影響單極性超寬帶脈沖復(fù)制的觸發(fā)脈沖、儲能電容 C負(fù)載電阻 R5等。為了減小基極觸發(fā)脈沖對其輸出脈沖的影響，在微分整形電路后加入了肖特二極管 BAT14098，經(jīng)過仿真分析，可以使相鄰脈沖間的電壓幅值明顯降低。儲能電容 C3對輸入脈沖的影響極大，當(dāng)電容增大時(shí)，會導(dǎo)致脈沖寬度增 加、帶寬變窄。負(fù)載電阻 R5 增大的同時(shí)，輸出脈沖的幅度絕對值也會相應(yīng)增大，但其脈沖寬度也會增大。 根據(jù)第三章介紹單極性脈沖電路設(shè)計(jì)，使用軟件 Multisim 經(jīng)過反復(fù)仿真調(diào)試，最終獲得了峰值電壓為 ，周期為 的單極性超寬帶負(fù)脈沖，如圖 所示。該單極性超寬帶負(fù)脈沖的局部放大圖如圖 所示，由圖可知其脈沖寬度為 。 圖 單極性脈沖產(chǎn)生電路仿真圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 單極性脈沖局部放大圖 因?yàn)閱螛O性脈沖脈沖中含有微小的直流分量，若采用此單極性脈沖，在空間傳播電磁 波時(shí)將會使電磁波嚴(yán)重失真，達(dá)不到理想的探測效果。故針對單極性脈沖的缺點(diǎn)，本文采用雙極性超寬帶脈沖作為發(fā)射信號，如圖 沖產(chǎn)生電路，是在單極性負(fù)脈沖產(chǎn)生電路后級聯(lián)一路脈沖產(chǎn)生電路，將單極性負(fù)脈沖轉(zhuǎn)換為雙極性脈沖。 雙極性脈沖產(chǎn)生電路 雙極性超寬帶脈沖產(chǎn)生的電路采用射頻三極管 MRF5812,利用其雪崩效應(yīng)，結(jié)合微分整形電路、加速電路等構(gòu)成。其中觸發(fā)脈沖采用的是有源晶振輸出 5V、占空比 50%、重復(fù)頻率為 10MHz 的脈沖序列。微分電路由電容 Cl和電阻 R2構(gòu)成；肖特基二極管與單極性超寬帶脈 沖產(chǎn)生電路中的作用相同；加速電路由電容 C2和電阻 R3構(gòu)成；經(jīng)過 Ql、 C R6等產(chǎn)生負(fù)極性超寬帶脈沖，再通過一次三極管的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生雙極性脈沖如圖 所示。其中 Q2基級輸入脈沖為第一級輸出的單極性超寬帶負(fù)脈沖，在負(fù)極性脈沖下降沿觸發(fā) Q2時(shí)，產(chǎn)生負(fù)脈沖，而負(fù)極性脈沖上升沿觸發(fā) Q2時(shí)，產(chǎn)生正脈沖，從而產(chǎn)生雙極性超寬帶脈沖。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 雙極性超寬帶脈沖產(chǎn)生 仿真電路如圖 ，它的峰峰值電壓為 ,脈沖寬度為 ，其脈沖的局部放大圖如圖 ，可以看出其應(yīng)用于穿墻探測雷達(dá)中，波形己經(jīng)是比 較理想了。 圖 雙極性脈沖產(chǎn)生電路的仿真圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 雙極性脈沖的局部放大圖 通過比較圖 和圖 可知，雙極性脈沖沒有單極性負(fù)脈沖中的直流分量成份，而且沒有拖尾現(xiàn)象。脈沖是雷達(dá)發(fā)射端的重要產(chǎn)生因素，它直接決定了系統(tǒng)的探測性能，本文通過仿真調(diào)試產(chǎn)生幅值為 ，脈寬為 的雙極性脈沖，從理論上講可以達(dá)到穿墻探測的目的，且波形較為理想。 本章總結(jié) 本章首先介紹確定脈沖產(chǎn)生方案過程，選擇利用雪崩三極管；然后分析了雪崩三級管的工作原理；最后詳細(xì)介紹超寬帶探地雷達(dá)的脈沖產(chǎn) 生電路，包括元器件的選擇和具體電路分析設(shè)計(jì)及優(yōu)化。4 微功率超寬帶雷達(dá)接收電路設(shè)計(jì)與分析 25 4 微功率超寬帶雷達(dá)接收電路設(shè)計(jì)與分析 接收前端電路總體設(shè)計(jì)與分析 微功率沖擊雷達(dá)的接收電路是對天線發(fā)射的電磁波經(jīng)人體胸腔運(yùn)動而發(fā)生微小變化的反射波進(jìn)行相關(guān)檢測和提取，但由于微功率沖擊雷達(dá)的功率低、頻帶寬及中心頻率高的特點(diǎn)，使微功率沖擊雷達(dá)接收電路的關(guān)鍵問題歸根于回波信號的檢測 ]38[ 。 本文主要研究的是運(yùn)用微功率沖擊雷達(dá)來探測墻壁后面的人體生命信號，但由于人體生命信號是極 其微弱的信號，所以檢測接收的回波信號必須要提高信噪比。與一般的檢測技術(shù)相比，微弱信號的檢測技術(shù)主要關(guān)注的是抑制噪聲和提高信噪比的方法，而不是傳感器物理模型和傳感器原理、相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換電路和儀表的實(shí)現(xiàn)方法 ]39[ ，故這就要求我們要靈活運(yùn)用上述的理論知識提高信噪比，從而檢測出良好的微弱信號。 接收回波信號的方法有很多種，而人體的生命信號一般可看為是正弦信號。通過查閱資料可知，取樣積分適合復(fù)雜的寬帶周期信號波形的檢測。本文采用取樣積分對接 收回來的信號進(jìn)行檢測，此方法又稱為門控相關(guān)檢測 ]40[ ，此方法是針對噪聲的隨機(jī)性，對接收回來的回波信號進(jìn)行積分平均從而提高其信噪比，達(dá)到提取微弱信號的目的。 UWB 生命探測雷達(dá)系統(tǒng)接收前端電路原理框圖如圖 所示 : 圖 可變延遲 取樣積分 帶通濾波 放大濾波 接收天線 脈沖震蕩器 微控制單元 A/D 轉(zhuǎn)換 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波和放大濾波電路組成。其中取樣積分電路將接 收的微弱的、被目標(biāo)反射的 UWB脈沖信號和經(jīng)過延時(shí)后的參考脈沖信號進(jìn)行相關(guān)檢測，即取樣積分，提高信噪比，然后經(jīng)過帶通濾波電路和放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動信息和生命特征信息的接收和檢測。這里可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈沖信號，它的一個(gè)輸入是發(fā)射端脈沖信號，另一個(gè)輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。 取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析 從圖 中可以看出取樣積分電路有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其輸入端包括要取樣的信號輸入端和取樣的控制端，其中控制端是發(fā)射端同步信號經(jīng)過延時(shí)達(dá)到對取樣門的控制。采 用相干疊加技術(shù)，通過延時(shí)控制后對取樣信號進(jìn)行積分達(dá)到對隨機(jī)噪聲的抑制和提高信噪比的目的，最終實(shí)現(xiàn)微弱信號的提取。 取樣積分原理介紹 取樣積分是目前檢測微弱信號的方法之一，它采用相干疊加原理技術(shù)，對微弱信號進(jìn)行相干處理。其方法是根據(jù)噪聲的隨機(jī)性，而接收的回波中有用信號的周期性，通過不斷對回波信號進(jìn)行累加，達(dá)到提高信噪比和提取人體微弱信號的目的。由于噪聲前后是不相關(guān)的，所以回波信號在受到噪聲的影響后，回波信號的變化也是不同的，在回波信號進(jìn)行取樣時(shí)，人體有關(guān)的微弱信號隨著周期性而不斷累加，信號越來越強(qiáng) ，而噪聲在不斷累加的過程中，因?yàn)榍昂蟮南嚓P(guān)性差異而不斷變?nèi)?]41[ 。取樣到的信號再經(jīng)過積分電路，若積分電路中的電容足夠大時(shí)，積分電路取樣加波信號進(jìn)行積分平均，則周期性的微弱信號不會發(fā)生變化，而噪聲則隨著積分平均而變得很弱，如果積分的次數(shù)足夠多時(shí)，噪聲的平均值也就近似為零了，而穩(wěn)定的周期信號則不會受影響 ]42[ 。經(jīng)過取樣積分后微弱的回波信號還是會有一些噪聲的干 擾，則需通過信號處理電路將信號檢測出來 ]43[ 。 取樣積分電路是取樣和積分兩步完成的，取樣如圖 取樣開門對輸入信號進(jìn)行采樣的過程。其輸出信號 ??tq 等于取樣脈沖序列 ??tp 與輸入信號 ??tf 的乘積，即： ? ? ? ? ? ?tptftq ?? （ ） 積分則是采用電阻和電容構(gòu)成。如圖 所示，可知流過電阻 R 的電流為 ]44[ ： ? ? ? ? ? ?Rtvdt tC dvti i??? 0 （ ） ? ? ? ?dttvRCtv t i??? 00 1 （ ） 積分器一般分為線性門積分器和指數(shù)式門積分器，本文采用線性門積分器，改善信噪比是受電路的動態(tài)范圍限制，而不是受積分時(shí)間常數(shù) ct 限制。而信噪比與取樣次數(shù)是成正比的，只有選擇合適的積分時(shí)間常數(shù) ct 和取樣門寬 0? ，才能設(shè)計(jì)一個(gè)很好的取樣積分器。取樣門寬越小，其恢復(fù)波形越接近原波形，而當(dāng)取樣西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 門寬度一樣時(shí)，積分時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于取樣門寬。根據(jù)取樣脈沖寬度和信號周期等的要求，結(jié)合考慮積分器的時(shí)間常數(shù)以達(dá)到增大信噪比。 圖 取樣原理圖 圖 取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析 微功率沖擊雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號 為超寬帶信號，對檢測接收回來的含有微弱信號的回波信號采用取樣積分方法進(jìn)行提取。取樣積分電路包括取樣和積分兩個(gè)步驟，且將取樣積分方法有很多種類。根據(jù)取樣點(diǎn)的不同將取樣積分方法分為單點(diǎn)式取樣積分和多點(diǎn)式取樣積分，單點(diǎn)式取樣積分是指在每個(gè)周期內(nèi)固定取樣，且僅僅為一個(gè)取樣點(diǎn)。如果采用此方法對生命信號進(jìn)行取樣積分時(shí)，需要經(jīng)過太多的周期才能得到測量結(jié)果，這將大大降低了取樣積分的效率。而被測生命信號為低頻率微弱信號，所以在采樣過程中要采樣更多的點(diǎn)，即更多個(gè)周期，所以過長的測量時(shí)間會因電容漏電因素而導(dǎo)致對生命信號的測量不準(zhǔn) 確。多點(diǎn)取樣積分方式是指在每個(gè)周期內(nèi)固定取樣，但每次取樣為多個(gè)取樣點(diǎn)，這就大大提高了取樣的效率。每個(gè)周期取樣點(diǎn)數(shù)的多少都是由輸入信號的頻率和要求恢復(fù)信號的精度決定的，但要求積分器的多少與取樣的點(diǎn)數(shù)相同。 取樣積分電路根據(jù)取樣門的不同分為對稱平衡取樣積分電路 ]45[ 、雙管取樣積分電路 ]46[ 和橋式取樣積分電路 ]47[ 等。各種取樣門電路各有其優(yōu)缺點(diǎn)，平衡取樣積分電路是由兩個(gè)采用共陰極集成的高速開關(guān)二極管接成對稱結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)門電路共用一個(gè)取樣脈沖，后面的積分電路采用共模抑制比較高的差分放大器、電容和電阻構(gòu)成線性積分電路；雙管取樣門電路是由兩個(gè)快速二極管和電阻組成一個(gè)橋路，其中二極管一般都處于截止?fàn)顟B(tài)，由兩個(gè)極性相反的取樣脈沖對其二極管進(jìn)行控制，后面的積分電路采用線性積分電路，其良好的對稱性幫助其電路更好的實(shí)現(xiàn)取樣積分；橋式取樣積分電路是由四個(gè)二極管構(gòu)成一個(gè)橋路，由幅度相取樣門 取樣脈沖 p(t) 輸入信號 f(t) 輸出信號 q(t) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 等、極性相反的取樣脈沖 控制其橋式二極管的開關(guān)，后面積分電路采用最簡單電容和電阻構(gòu)成。綜上所述，三個(gè)取樣積分電路各有其特點(diǎn)：平衡取樣積分電路是由一個(gè)取樣脈沖對其電路進(jìn)行控制，電路簡單易設(shè)計(jì)，但其對取樣脈沖寬度的要求很高；雙管取樣門電路則是由兩個(gè)極向相反的取樣脈沖對電路進(jìn)行控制，且對電路的對稱性要求極高。同平衡取樣積分電路一樣，其對取樣脈沖寬度的要求極高，要求其取樣門導(dǎo)通時(shí)間要小于被取樣信號最高頻率倒數(shù)的 倍；橋式二極管取樣積分電路同雙管取樣門電路相同，雙端取樣脈沖進(jìn)行控制，但其后面由電容構(gòu)成的跟蹤保持電路將大大放寬了對取樣 脈沖寬度的要求。經(jīng)過比較，本文采用的橋式二極管取樣積分電路對回波信號進(jìn)行檢測。 橋式二極管取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析 圖 橋式二極管取樣積分電路由四個(gè)二極管組成橋（如圖 所示），其中 A 和B 端輸入的是一對極性相反，幅度相同的取樣脈沖信號， C 端則輸入的是被取樣的輸入信號， D 端則為取樣結(jié)束后的輸出信號，后面一般接一個(gè)儲能電容 C1 及負(fù)截電阻 RL 構(gòu)成簡單的積分電路。電路工作時(shí)，橋式二極管一般都處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)橋式二極管的 A、 B 端被輸入極性