TWI495398B - 整合微波偵測功能之照明裝置 - Google Patents

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Description

整合微波偵測功能之照明裝置
本發明為一種照明裝置，尤指一種整合微波偵測功能以偵測偵測目標移動距離及速度之照明裝置。
基於現代化智慧型居家與綠色節能的需求，大部分的照明裝置均考慮將省電與節能的架構納入控制燈具電源開關或燈具照明強度。常用的低功率微型化感測器，分為紅外線感測器與微波感測器兩種。紅外線感測器是一種可以偵測物體移動的電子裝置，其利用人體發射出來的紅外線的變化，來感應物體的移動。微波感測器則是通過量測移動物體的都卜勒訊號，來計算物體的移動速度。
但受限於感測器體積的大小與波束方向的考量，感應器通常外掛於燈具之外，以配合單晶片與切換選擇開關進行燈具開關與亮度控制。當人類進入到外接於燈具之外的紅外線偵測器的感應範圍時，會觸發紅外線偵測器送出訊號以使控制器啟動光源的照明功能。
然而欲將省電與節能的感測器與控制器納入燈具系統時，需考慮室內布線的問題與外接控制器。若是用於一般住家、學校與辦公大樓，燈具系統更換維修非一般民眾所能執行，且整個燈具系統的耗電量可能大於單一燈具的耗能。
此外，紅外線偵測器與高頻段(24GHz)的微波偵測器，雖然整體體積較小，但其波束寬度(Beam-width)較窄不易設計成全向性(Omnidirectional)的偵測。因此有些紅外線感測器以二次光學的設計將偵測角度擴大。如果降低微波偵測器的發射訊號頻率，雖然可以增加天線場形之波束寬度，但是也會增加微波偵測器的體積。若不改變發射訊號頻率而 改變天線設計，有可能將偵測角度變大，但其天線場形會產生旁瓣(Side-lobe)，產生偵測的死角，因此要將偵測器與燈具系統整合在單一模組具有技術上的困難。
因此，本發明的目的是提供一種照明裝置，包含一光源、一微波偵測器及一電源模組。該微波偵測器包含一主動式天線模組、一調變模組及一鑑別控制模組。該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。該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。該鑑別控制模組電性連接該調變模組，用來於該目標位於該距離閘之內時，依據該第一調頻連續波訊號以及該第二調頻連續波訊號解調產生之差頻訊號，計算該微波偵測器與該目標之間的距離，用來依據該差頻訊號解調後之都卜勒訊號之頻率計算該目標之移動速度，並用來依據該目標之移動速度以及該距離決定是否產生一觸發訊號。該電源模組電性連接於該微波偵測器以及該光源之間，用來依據該觸發訊號決定是否提供電源以驅動該光源發出光線。
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及一第二解調器。該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一第一解調器，該第一解調器用來依據一距離閘解調出該差頻訊號，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。該第二解調器電性連接該第一解調器輸出，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。
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，該鑑別控制模組包含一距離計算單元，電性連接於該射頻電晶體之第一埠，用來依據一第一關係式計算該微波偵測器與該目標之間的距離，該第一關係式為R=fb ×c×T)/(2×B)，R為該微波偵測器與該目標之間的距離，fb 為差頻訊號，B為掃頻頻寬，c為光速，T為掃頻週期。
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，該主動式天線模組射出該第一調頻連續波訊號之方向與該目標移動方向呈一夾角，該速度計算單元用來依據該夾角、光速、該第一調頻連續波訊號之載波之中心頻率計算該目標移動方向的速度。
依據本發明的實施例，該鑑別控制模組包含一速度計算單元，用來依據一第二關係式計算該目標移動方向的速度，該第二關係式為v=(fb - -fb + )×c/(2×fc ×cosθ)，v為該目標移動方向的速度，fb - 為該下掃差頻，fb + 為該上掃差頻，c為光速，fc 為該載波中心頻率。
依據本發明的實施例，該調變訊號產生器係一數位訊號處理器的數位轉類比介面，合成產生該調變訊號。
依據本發明的實施例，該調變訊號產生器為具有一運算放大器的加法器，其包含複數個輸入端以及一輸出端，每一輸入端與該運算放大器之輸入正端之間耦接不同電阻，當其中一個輸入端接地時，其餘輸入端接浮接，用來輸出具有不同振幅的該調變訊號。
依據本發明的實施例，該照明裝置另包含一燈體，其中該微波偵測器、該光源以及該電源模組皆收容於該燈體之中
相較於習知技術，本發明照明裝置使用的微波偵測器是將射頻模組之震盪器、混波器與天線整合為一體，所以微波偵測器得以簡化並縮小體積，以利於與光源、電源模組一同整合在燈體之中。也因此微波偵測器與光源都可以直接使用一般交流電源無需其他外接之控制電路與線路，如此省去居家的布線與燈具控制電路。此外，傳統紅外線偵測器及24GHz微波偵測器在偵測微波與光波頻段的輻射體時，當頻率愈高時，其輻射場型的3dB波束寬度(Beam width)愈窄，若以陣列設計或調整天線形狀來達成全向性場型時，會在某些角度產生側旁波(Side-lobe)而發生量測死 角。相較於傳統紅外線偵測器及24GHz微波偵測器，本發明照明裝置使用微波偵測器100的輻射場型幾乎為全相性，而沒有量測死角。所以本發明照明裝置通過使用微波偵測器，可用於短距離但是涵蓋角度大時的移動目標偵測。本發明之微波偵測器之第一解調器利用二極體配合低通濾波器取代混波器，進行第一階段的降頻解調以取出用來計算距離之資訊，再利用第二解調器進行第二階段的降頻解調以取出用來計算速度之資訊。由於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，本發明利用改變調變訊號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。
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：
10‧‧‧照明裝置
11‧‧‧燈體
12‧‧‧光源
20‧‧‧電源模組
22‧‧‧交流電源
24‧‧‧啟動單元
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
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
1311‧‧‧運算放大器
L11‧‧‧第一電感
L12‧‧‧第二電感
L13‧‧‧第三電感
100‧‧‧微波偵測器
120‧‧‧第一低通濾波器
130‧‧‧調變模組
140b‧‧‧第二解調器
160‧‧‧鑑別控制模組
131‧‧‧調變訊號產生器
132‧‧‧位準放大控制單元
141‧‧‧包跡檢測器
142‧‧‧第二低通濾波器
161‧‧‧距離計算單元
162‧‧‧速度計算單元
163‧‧‧鑑別電路
164‧‧‧位準控制單元
A、H、D、E‧‧‧貫孔
RA 、RB 、RD 、R1 、Rn ‧‧‧電阻
X1 、X2 、Xn ‧‧‧輸入端
第1圖繪示本發明實施例的照明裝置。
第2圖為本發明之照明裝置的功能方塊圖。
第3圖為本發明之微波偵測器和電源模組的功能方塊圖。
第4圖是第3圖之主動式天線模組之等效電路圖。
第5圖為本發明之主動式天線模組之結構的橫向剖面圖。
第6圖為第5圖之主動式天線模組之正面以及反面結構的對照圖。
第7圖為第5圖之主動式天線模組之結構的正視圖。
第8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9圖係第3圖所示第二解調器的電路圖。
第10圖係掃頻頻寬與距離的關係圖。
第11圖係第3圖調變訊號產生器之一實施例之電路圖。
第12圖繪示本發明之照明裝置應用於室內空間。
第13圖繪示本發明照明裝置掛在3公尺高的天花板，設定距離閘為5公尺下的輻射場型。
請參閱第1圖以及第2圖，第1圖繪示本發明實施例的照明裝置10，第2圖為本發明之照明裝置10之功能方塊圖。照明裝置10包含一燈體11、一光源12、一微波偵測器100以及一電源模組20。光源12可以為發光二極體。微波偵測器100整合傳統的主動式天線和射頻模組，用來於目標位於偵測範圍(亦即距離閘)之內時，計算微波偵測器100與該目標之間的距離以及計算該目標之移動速度，並用來依據該目標之移動速度以及該距離決定是否產生一觸發訊號。電源模組20電性連接於微波偵測器100以及光源12之間，用來將交流電源(例如商用交流電源)22轉換成直流電源。電源模組20包含一啟動單元24，用來於接收該觸發訊號時導通，以提供轉換後的直流電源予光源12，使得光源12發出光線。光源12、微波偵測器100以及電源模組20皆收容於燈體11之中。微波偵測器100以可插拔的方式設置於燈體11之中。
請參考第3圖，第3圖為第2圖之微波偵測器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以及一鑑別控制模組160。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。鑑別控制模組160電性連接調變模組130，用來於該目標位於該距離閘之外時，忽略對該目標的計算，並用來於該目標位於該距離閘之內時，依據該差頻訊號計算微波偵測器100與該目標之間的距離，以及依據該都卜勒訊號之頻率計算該目標之移動速度，並依據所計算出的速度與距離決定是否產生觸發訊號。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4圖，第4圖是第3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4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5圖和第6圖，第5圖為本發明之主動式天線模組之結構的橫向剖面圖，第6圖為第5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係為一降頻埠，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4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4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7圖，第7圖為第5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7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7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4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4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4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8圖，第8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9圖，第9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+ |。
鑑別控制模組160包含一距離計算單元161、一速度計算單元162、一鑑別電路163以及一位準控制單元164。距離計算單元161用來依據差頻訊號f b 計算微波偵測器100和目標之間的距離。位準控制單元164則是用來調整第一調頻連續波訊號的掃頻頻寬B。鑑別電路163用來依據第二調頻連續波訊號的強度和目標的移動速度決定是否發送一觸發訊號予電源模組20的啟動單元24。當目標反射回來的第二調頻連續波訊號的強度低於一預設強度時，則鑑別電路163會忽略該目標的計算結果。當目標反射回來的第二調頻連續波訊號的強度高於該預設強度時，鑑別電路163則會依據該目標的移動速度來產生觸發訊號。
距離計算單元161因為掃頻頻寬B(亦即第一調頻連續波訊號之頻寬)與掃頻週期T已知，且兩者成正比，所以從主動式天線模組110發射之第一調頻連續波訊號到接收到被目標反射的第二調頻連續波訊號的來回時間(round trip time)△t可以下方程式(1)所表示：△t=fb ×T/B， (1)
其中，fb 為差頻訊號之頻率，B為掃頻頻寬，T為掃頻週期。
由於調頻連續波訊號為電磁波，在來回時間△t內共走了兩倍的距離R，因此2R=c×△t(c為光速)，再將調頻連續波訊號的來回時間△t代入，最後得到距離R用以下方程式(2)表示：R=(fb ×c×T)/(2×B)。 (2)
速度計算單元162用來依據該都卜勒訊號計算目標之移動速度v。因為都卜勒訊號之頻率fd =fb - -fb + =(2×fc ×v×cosθ)/c，其中fc 為該載波中心頻率，所以目標之移動速度v=(fb - -fb + )×c/(2×fc ×cosθ)。
請參閱第10圖，第10圖係掃頻頻寬與距離的關係圖。第10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3圖、第8圖和第10圖，調變模組130包含調變訊號產生器131以及位準放大控制單元132。調變訊號產生器131用來產生一調變訊號，較佳地，該調變訊號是三角波。位準放大控制單元132用來依據位準控制單元164產生的位準調整訊號控制該調變訊號的位準。第一調頻連續波訊號之射頻頻寬△f會直接受到調變訊號產生器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，則調變訊號產生器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，因此鑑別控制模組160的鑑別電路163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控制調變訊號產生器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。
調變訊號產生器131可用數位訊號處理器的數位轉類比介面，合成產生三角波的訊號，其由數位訊號處理器自行控制振幅的大小。調變訊號產生器131也可以是類比電路的三角波產生器，如第11圖所示。調變訊號產生器131為具有運算放大器1311的加法器設計，其包含複數個輸入端X1 、X2 、……、Xn 以及一輸出端Y。每一輸入端X1 、X2 、……、Xn 與運算放大器1311之輸入正端之間耦接不同電阻R1 、R2 、……、Rn 。通過將其中一個輸入端X1、X2、……、Xn接地，其餘輸入端浮接的方式，輸出端Y會輸出不同振幅的三角波調變訊號。
請參閱第2圖、第3圖和第12圖，第12圖繪示本發明之照明裝置10應用於室內空間。照明裝置10可以視室內空間的大小調整微波偵測器100的距離閘，也就是改變調變訊號產生器131產生的調變訊號振幅。當目標(例如人類)進入距離閘的範圍時，鑑別電路163依據目標的速度 與距離決定是否產生觸發訊號。當啟動單元24接收該觸發訊號時會導通，使得電源模組20提供轉換後的直流電源予光源12，以控制光源12的運作，例如發出光線。
請參閱第13圖，第13圖繪示本發明照明裝置10掛在3公尺高的天花板，設定距離閘為5公尺下的輻射場型。第13圖繪示的輻射場型是以光源12正下方為中心，並以主動式天線模組110上的射頻電晶體102位置為0度為基準。當目標由不同方向進入時，記錄光源12被開啟時目標距離中心的距離。舉例來說，當目標由右側進入時，照明裝置10在目標距離中心大約3.8公尺時會發光。由第13圖可以得知，微波偵測器100的輻射場型幾乎為全相性。
本發明照明裝置使用的微波偵測器是將射頻模組之震盪器、混波器與天線整合為一體，所以微波偵測器得以簡化並縮小體積，以利於與光源、電源模組一同整合在燈體之中。也因此微波偵測器與光源都可以直接使用一般交流電源無需其他外接之控制電路與線路，如此省去居家的布線與燈具控制電路。
此外，傳統紅外線偵測器及24GHz微波偵測器在偵測微波與光波頻段的輻射體時，當頻率愈高時，其輻射場型的3dB波束寬度(Beam width)愈窄，若以陣列設計或調整天線形狀來達成全向性場型時，會在某些角度產生側旁波(Side-lobe)而發生量測死角。相較於傳統紅外線偵測器及24GHz微波偵測器，本發明照明裝置使用微波偵測器100的輻射場型幾乎為全相性，而沒有量測死角。所以本發明照明裝置通過使用微波偵測器，可用於短距離但是涵蓋角度大時的移動目標偵測。
本發明之微波偵測器之第一解調器利用二極體配合低通濾波器取代混波器，進行第一階段的降頻解調以取出用來計算距離之資訊，再利用第二解調器進行第二階段的降頻解調以取出用來計算速度之資訊。由於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，本發明利用改變調變訊號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。
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。
10‧‧‧照明裝置
12‧‧‧光源
20‧‧‧電源模組
22‧‧‧交流電源
24‧‧‧啟動單元
100‧‧‧微波偵測器

Claims (14)

  1. 一種照明裝置，包含：一光源，用來產生光線；一微波偵測器，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；以及一鑑別控制模組，電性連接該調變模組，用來於該目標位於該距離閘之內時，依據該第一調頻連續波訊號以及該第二調頻連續波訊號解調產生之差頻訊號，計算該微波偵測器與該目標之間的距離，用來依據該差頻訊號解調後之都卜勒訊號之頻率計算該目標之移動速度，並用來依據該目標之移動速度以及該距離決定是否產生一觸發訊號；以及一電源模組，電性連接於該微波偵測器以及該光源之間，用來依據該觸訊號決定是否提供電源以驅動該光源發出光線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，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項所述之照明裝置，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一第一解調器，該第一解調器用來依據一距離閘解調出該差頻訊號，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；以及一第二解調器，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。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之照明裝置，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項所述之照明裝置，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項所述之照明裝置，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項所述之照明裝置，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項所述之照明裝置，其中該鑑別控制模組包含一距離計算單元，電性連接於該射頻電晶體之第一埠，用來依據一第一關係式計算該微波偵測器與該目標之間的距離，該第一關係式為R=fb ×c×T)/(2×B)，R為該微波偵測器與該目標之間的距離，fb 為差頻訊號，B為掃頻頻寬，c為光速，T為掃頻週期。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之照明裝置，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。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中該主動式天線模組射出該第一調頻連續波訊號之方向與該目標移動方向呈一夾角，該鑑別控制模組用來依據該夾角、光速、該第一調頻連續波訊號之載波之中心頻率計算該目標移動方向的速度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之照明裝置，其中該鑑別控制模組包含一速度計算單元，用來依據一第二關係式計算該目標移動方向的速度，該第二關係式為v=(fb - -fb + )×c/(2×fc ×cosθ)，v為該目標移動方向的速度，fb - 為該下掃差頻，fb + 為該上掃差頻，c為光速，fc 為該載波中心頻率。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中該調變模組包含一數位訊號處理器的數位轉類比介面，合成產生該調變訊號。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中該調變模組包含具有一運算放大器的加法器，其包含複數個輸入端以及一輸出端，每一輸入端與該運算放大器之輸入正端之間耦接不同電阻，當其中一個輸入端接地時，其餘輸入端接浮接，用來輸出具有不同振幅的該調變訊號。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其另包含一燈體，其中該微波偵測器、該光源以及該電源模組皆收容於該燈體之中。
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