【正文】 電路工作時，橋式二極管一般都處于截止狀態(tài)，當橋式二極管的 A、 B 端被 輸入極性相反的取樣脈沖時，四個二極管全部導通，并對 C 端的輸入信號進行取樣， 從 D 端輸出被取樣信號。經過比較，本文采用的橋式二極管取樣積分電路對回波信號進行檢測。綜上所述，三個取樣積分電路各有其特點：平衡取樣積分電路是由一個取樣脈沖對其電路進行控制，電路簡單易設計，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極向相反的取樣脈沖對電路進行控制，且對電路的對稱性要求極高。 取樣積分電路根據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。多點取樣積分方式是指在每個周期內固定取樣，但每次取樣為多個取樣點，這就大大提高了取樣的效率。如果采用此方法對生命信號進行取樣積分時，需要經過太多的周期才能得到測量結果，這將大大降低了取樣積 分的效率。取樣積分電路包括取樣和積分兩個步驟，且將取樣積分方法有很多種類。根據取樣脈沖寬度和信號周期等的要求，結合考慮積分器的時間常數(shù)以達到增大信噪比。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間常數(shù) ct 和取樣門寬 0? ，才能設計一個很好的取樣積分器。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成。經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[ 。由于噪聲前后是不相關的，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 進行取樣時，人體有關的微弱信號隨著周期性而不斷累加，信號越來越強，而噪聲在不斷累加的過程中，因為前后的相關性差異而不斷變弱 ]41[ 。 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，對微弱信號進行相干處理。 取樣積分電路的設計與分析 從圖 ，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)射端同步信號經過延時達到對取樣門的控制。其中取樣積分電路將接收的微弱的、被目標反射的 UWB脈沖信號和經過延時后的參考脈沖信號進行相關檢測，即取樣積分，提高信噪比，然后經過帶通濾波電路和放大濾波電路實現(xiàn)對人體運動信息和生命特征信息的接收和檢測。本文采用取樣積分對接收回來的信號進行檢測，此方法又稱為門控相關檢測 ]40[ ，此方法是針對噪聲的隨機性，對接收回來的回波信號進行積分平均從而提高其信噪比，達到提取微弱信號的目的。 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。 本文主要研究的是運用微功率沖擊雷達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。 本章總結 本章首先介紹確定脈沖產生方案過程，選擇利用雪崩三極管；然后分析了雪崩三級管的工作原理；最后詳細介紹超寬帶探地雷達的脈沖產生電路，包括元器件的選擇和具體電路分析設計及優(yōu)化。 圖 雙極性脈沖產生電路的仿真圖 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 24 圖 雙極性脈沖的局部放大圖 通過比較圖 和圖 ，雙極性脈沖沒有單極性負脈沖中的直流分量成份，而且沒有拖尾現(xiàn)象。其中 Q2基級輸入脈沖為第一級輸出的單極性超寬帶負脈沖，在負極性脈沖下降沿觸發(fā) Q2時，產生負脈沖，而負極性脈沖上升沿觸發(fā) Q2時，產生正脈沖，從而產生雙極性超寬帶脈沖。其中觸發(fā)脈沖采用的是有源晶振輸出 5V、占空比 50%、重復頻率為 10MHz的脈沖序列。故針對單極性脈沖的缺點，本文采用雙極性超寬帶脈沖作為發(fā)射信號，如圖 沖產生電路，是在單極性負脈沖產生電路后級聯(lián)一路脈沖產生電路，將單極性負脈沖轉換為雙極性脈沖。該單極性超寬帶負脈沖的局部放大圖如圖 ，由圖可知其脈沖寬度為 。負載電阻 R5 增大的同時，輸出脈沖的幅度絕對值也會相應增大，但其脈沖寬度也會增大。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，經過仿真分析，可以使相鄰脈沖間的電壓幅值明顯降低。如圖 所示采用三極管產生的單極性超寬帶脈沖電路。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間進入雪崩狀態(tài)，也不會因為基級電流輸入的持續(xù)時間而導致三極管的損壞。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有重要影響。由于對于雪崩三極管的二次擊穿目前還沒有一個定向的嚴格分析，所以無法估計脈沖的前沿時間，只能說，雪崩效應越強，其前沿時間越短，而后沿時間則由 CRL 來決定。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 20 圖 雪崩三極 管產生高幅度脈沖的要求是：三極管擊穿后，電容 C 放電的時間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時間間隔。加入脈沖觸發(fā)后，基極電流由之前的負電流逐漸轉換為正向電流，使集電結的電流急劇增大，三極管也進入臨界狀態(tài)，電流的繼續(xù)增大使三極管擊穿，此時電容開始急速放電，從而產生負脈沖，同時集 射電壓 CEV 也隨之開始減小，根據雪崩三極管的工作狀態(tài)可逆性，三極管再次進入飽和工作狀態(tài)，再而截止狀態(tài)，等待觸發(fā)脈沖使三極管再次進入雪崩狀態(tài)。該電路在基極輸入端提供一個脈沖序列進行觸發(fā)，當脈沖觸發(fā)電路啟動時，電路集電極輸出端處于高阻狀態(tài)。 B E B i B x B E x EBEV V r r I r I? ? ? ? () 相應的臨界 擊穿基極電流變成為 ? ?OO T Ex EB OBx bi BV r II r r I?? ? () 根據 ()，由于 Bxr 的作用，導致 OBI 的減小，會降低晶體管的擊穿電壓maxCBV ；而 Exr 的作用導致 OBI 的增大，會相應提高晶體管的擊穿電壓 maxCBV 。 若有外接電阻 Bxr 與 Bir 串聯(lián)，外接電阻 Exr 與發(fā)射極串聯(lián)，則 ()式應表示為 ? ?39。 將 ()、 ()代入 ()得到 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 18 ? ? ? ?1 e x p e x p 1B i B BB B ECB S T Tr I IIVMV I V V? ????????????????? ???? () 圖 當晶體管二次擊穿時，應有 BECCB VIV? ??? () 此式與下式 0BEB VMI? ?? () 等效。39。39。由于基極電流 BI 的影響，發(fā)射極電流產生不均勻分布，這種不均勻分布，導致了基區(qū)電阻 Bir 的增大。由基極電流與發(fā)射極電流的關系 ? ?1BEI M I??? () 可以得到倍增因子 ? ? 1 1BCB EIMV I? ???????? () 式中 ? 是晶體管的共基極 電流放大系數(shù)。從圖 中可見，對于不同的基極 電流 BI ，臨界點 Q的位置不同，反向基極電流 BI 越小，其 Q 點越靠近 CEOBV 直線，但無論 BI 多大， Q 點也不能越過 CEOBV 直線，晶體管的雪崩區(qū)位于 CEOBV 與 CBOV 之間。隨著電壓 CEV 繼續(xù)增大，一旦 CEV 增大到某一特定值，使得晶體管的工作點移動到 Q點， CI 開始急劇增大。設 BI 0，且保持不變，隨著電壓 CEV 的增大，集電極電流 CI 開始緩慢增大，當 CEV 接近 CEOBV 時，集電極電流 CI 劇烈增 大，此時晶體管被擊穿。如果在集電極與發(fā)射極之間加上很高的電壓 CEV ，集電極電流 CI 會隨基極電流 BI 和集 射電壓 CEV 劇烈變化，所以，此區(qū)域稱為雪崩區(qū) ]36[ 如圖 。 CI 隨 BI 的變化成比例的區(qū)域為線性區(qū)， CI 不隨 BI 明顯不變化的區(qū)域為飽和區(qū)， 0BI ? 以下的區(qū)域為截止區(qū)。 雪崩三極管的擊穿機理 晶體三極管的輸出特性包含四個區(qū)域：飽和區(qū)、線性區(qū)、截止區(qū)和雪崩區(qū) ]35[ 。一般的晶體管都有一定的雪崩效應，只是顯著程度存在較大的差別，一般而言， NPN 管的雪崩效應比 PNP管的強很多，所以在后面的討論中所指的雪崩晶體管皆為 NPN管。其中常用的是階躍二極管和雪崩三極管，采用階躍二極管可以 產生產 ps極的窄脈沖，其產生的窄脈沖幅值太小，一般只有毫伏級，且產生的脈沖中有較多的低頻分量及脈沖拖尾現(xiàn)象，故結合本系統(tǒng)的要求，本文選擇采用雪崩三極管設計產生超寬帶脈沖。3 微功率超寬帶雷達發(fā)射電路的設計與分析 16 3 微功率超寬帶雷達發(fā)射電路的設計與分析 目前國內外對超寬帶雷達技 術的研究顯示，超寬帶脈沖產生的方法大致有兩種：一是采用數(shù)字電路的邏輯器件產生極窄脈沖 ]27[ ；二是采用高速元器件，利用儲能元件的充放電特性，結合脈沖整形電路產生系統(tǒng)所需脈沖。 以上是探地雷達天線的重要功能，據此可以定義天線的有關參數(shù)作為天線設計和評價依據。 d 探地雷達的天線應具有較強的抗干擾能力，以滿足探地雷達系統(tǒng)在城市等 環(huán)境的應用。 b 天線具有良好的方向性。這也構成了探地雷達系統(tǒng)非常關鍵的部分。 探地雷達主要探測對象是有耗，非均勻介質的分布規(guī) 律。 圖 微功率超寬帶雷達天線的簡介 超寬帶天線是任何超寬帶雷達或通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，它的功能是輻射或者接收超寬帶無線電波。對于理想天線，輻射脈沖正比于驅動 電流的倒數(shù)。實際上，最普遍采用的脈沖波形的高斯函數(shù)的二階導函數(shù)，具體表達式為： 22222 2( ) 1 4tts t e ???? ????????? （ ） 式（ ）所表示的高斯函數(shù)二階導函數(shù)形式的脈沖經常被作為接收端的脈沖，即通過了發(fā)射和接收天線后的脈沖波形。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供參考。 一般 情況下，普遍采用的是高斯函數(shù)的一階導函數(shù)波形（其直流分量為零），其表達式為 2221 342()ts t te ???? ??? （ ） 其中， 224? ??? 是脈沖形成因子， 2? 為方差。 常用的超寬帶脈沖信號可分為單極性和雙極性兩種形式。相對帶寬定義公式如 所示 ]25[ 。 圖 西安工業(yè)大學畢 業(yè)設計（論文） 13 寬的瞬時帶寬是由于傅里葉變換的時間尺度性質產生： ? ? 1 fx at Xaa??? ???? （ ） 公式（ ）左邊的符號說明一個信號 ??xt，它在時域由一個因子 a 進行了尺度變化；公式右邊表明該信號所對應的頻譜 ? ?Xf，由同一個因子 a 的倒數(shù)進行了尺度變換。因為頻率和時間呈倒數(shù)關系，短時 UWB 脈沖將其能量在很寬的頻率范圍上分布 —— 從接近于直流到幾個吉赫茲（ GHz） —— 具有非常低的功率譜。 UWB 系統(tǒng)的平均發(fā)射功率在微瓦數(shù)量級，然而單個 UWB 脈沖的峰值或瞬時功率相對很大，但是因為它們僅在極短的時間（ ns 或 ps 級）內發(fā)射，所以平均功率變得非常小。 UWB 系統(tǒng)不使用載波，而是采 用占空比很低的短持續(xù)期（ ns 或 ps 級）脈沖來發(fā)射和接收信息。這是因為，在有耗媒質，目標一次反射的波比二次反射的波要大得多，因此 ? ?0H?的假設是合理的。此時，發(fā)射信號是最好的。 圖 UWB信號傳輸模型 信號的傳輸模型為 ? ? ? ? ? ?00 iY HS? ? ?? （ ） 時域表達式為 ? ? ? ? ? ?0012 jtiy t H S e d?? ? ??????? ? （ ） H0(W) Y0(W) Si(W) 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 12 若將圖 看成線性濾波網絡，設輸入噪聲為高斯白噪聲，其功率譜密度為0 2n ，在任意時刻 0t ，濾波器輸出信號 ??0yt的瞬時功率與噪聲平均功率之比為 ? ?? ?? ? ? ?? ?22 0002 2000012122jtiH S e dytnnt Hd??? ? ?????????????? ??? （ ） 由 Schwartz 不等式，當 ? ?0H? 與 ? ? jtiSe??互為共軛時， ? 取得最大值。 超寬帶生命探測雷達的發(fā)射信號形式 UWB 生命探測雷達系統(tǒng)是通過發(fā)射 UWB 脈沖信號來進行通信的， UWB 脈沖信號的合理選擇是整個系統(tǒng)的關鍵。 由于超寬帶生命探測雷達的作用距離比較近，因此其 發(fā)射脈沖的重復頻率也就不必太低，這樣有利于提高發(fā)射脈沖的平均功率，而且還能增加雷達的作用距離。 綜上所述，在 UWB 生命探測雷達中，在相同的空間坐標系中，所能檢測到的目標空間尺寸越小，則雷達的空間分辨率越高，而這種分辨率的高低與雷達的工作頻率和信號帶寬有關。 (2) 方位向分辨率 方位向分辨率主要取決于中心頻率，計算公式為 西安工業(yè)大學畢