一种射频生物雷达系统的研究

发布时间：2017-10-17 08:03

  本文关键词：一种射频生物雷达系统的研究

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【摘要】：基于连续波多普勒雷达体制的生命体征探测技术具穿透性强、系统结构简单等优点,可以突破传统的接触式检测带来的种种限制,在家庭监护、医疗诊断、灾难搜救等领域具有广泛的应用前景。本文对一种射频生物雷达系统进行了研究,具体工作如下：1.提出了一种新颖的生物雷达系统方案。设计了一款频率为5.75GHz的连续波多普勒雷达,用来探测静止人体的呼吸和心跳信号。采用模拟相关器代替正交解调接收机,产生正交基带信号,减小系统功耗。在ADS中搭建出整个系统,模拟真实测量环境进行功能仿真,验证了相关接收方案的可行性。2.对系统中的关键部件模拟相关器进行了研究。分别设计了宽带和小型化的和差网络,并对小型化的和差网络进行了实物制作。宽带和差网络由宽带耦合线耦合器、二级Wilkinson功分器和宽带跨接器构成,仿真结果表明在4GHz-7GHz频段内,宽带和差网络的隔离度和回波损耗均小于-25dB,四个输出口的幅度不平衡度小于±0.8dB,相位不平衡度小于±0.5°。小型化和差网络由紧凑型分支线耦合器和单级Wilkinson功分器构成,实测结果表明在5.5GHz-6GHz频段内,小型化和差网络的隔离度和回波损耗均小于-10dB,四个输出口幅度不平衡度小于±0.7dB,相位不平衡度小于±2.7°,尺寸比传统和差网络减小了23%。制作出四个功率检波器,与和差网络一起搭建出模拟相关器。3.在前端加入射频泄露对消模块,改善发射通道和接收通道间的隔离。分别设计了宽带和小型化的平衡泄露对消器,并对其中的小型化对消器进行了实物制作。宽带对消器的仿真结果表明其对消带宽为4GHz-7GHz,最佳点的隔离度达到-38dB。小型化对消器的实测结果表明其对消带宽为5.5GHz-6GHz,最佳点的隔离度达到-43dB,尺寸比传统对消器减小了39%。4.制作生物雷达的其他部件,搭建整个系统,在距静止人体目标0.5m、1.0m、1.5m处进行了呼吸和心跳的探测实验,并对接收到的信号进行反正切解调运算,分离出呼吸和心跳信号。实验结果与实际呼吸和心跳速率一致,本文设计的生物雷达系统的探测距离达到1.5m,满足实际使用需求。
【关键词】：生物雷达 宽带 小型化 模拟相关器 平衡对消 反正切解调
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN959
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 绪论7-15
• 1.1 研究背景及意义7-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 生物雷达的研究现状10-11
• 1.2.2 模拟相关器的研究现状11-12
• 1.2.3 射频泄露对消的研究现状12-13
• 1.3 本文主要工作13-15
• 2 生物雷达的总体方案和系统仿真15-30
• 2.1 连续波多普勒雷达简介15
• 2.2 直接下变频结构探测微动信号的原理15-17
• 2.3 正交解调结构探测原理17-19
• 2.4 模拟相关接收机的理论基础19-24
• 2.4.1 模拟相关接收机的优势20
• 2.4.2 模拟相关器的原理20-22
• 2.4.3 模拟相关器的信号解调过程22-24
• 2.5 射频生物雷达系统的总体方案24-29
• 2.5.1 系统实现结构24-26
• 2.5.2 系统参数估算与芯片选型26-27
• 2.5.3 ADS系统仿真27-29
• 2.6 本章小结29-30
• 3 模拟相关器设计30-45
• 3.1 宽带和差网络设计30-36
• 3.1.1 宽带耦合线耦合器30-32
• 3.1.2 宽带Wilkinson功分器32-34
• 3.1.3 宽带跨接器34
• 3.1.4 宽带和差网络34-36
• 3.2 小型化和差网络的设计与实现36-43
• 3.2.1 紧凑型分支线耦合器36-39
• 3.2.2 Wilkinson功分器39-40
• 3.2.3 小型化和差网络40-43
• 3.3 功率检波器43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 平衡泄露对消器设计45-54
• 4.1 泄露对消技术的理论基础45-48
• 4.1.1 常用的收发隔离方法45
• 4.1.2 无源平衡结构对消原理45-48
• 4.2 宽带平衡泄露对消器设计48-51
• 4.2.1 宽带三支线耦合器48-50
• 4.2.2 宽带平衡泄露对消器50-51
• 4.3 小型化平衡泄露对消器的设计与实现51-53
• 4.3.1 边馈式平衡泄露对消器51-52
• 4.3.2 背馈式平衡泄露对消器52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 5 生物雷达系统的其他部件设计54-63
• 5.1 贴片阵列天线设计54-57
• 5.2 低相噪PLL设计57-60
• 5.3 放大器设计60-62
• 5.3.1 功率放大器60-61
• 5.3.2 低噪声放大器61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 6 生物雷达系统的探测实验63-76
• 6.1 移相器模拟测相实验63-65
• 6.2 实测人体呼吸心跳65-72
• 6.2.1 系统搭建65-66
• 6.2.2 系统实测与分析66-72
• 6.3 基带信号处理72-75
• 6.3.1 相位解算72-74
• 6.3.2 频率解算74-75
• 6.4 本章小结75-76
• 7 全文总结及展望76-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-83
• 附录83

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本文编号：1047679