S21フェーズベースの生命信号モニタリングのための12GHz高ゲイン4×4パッチアンテナ配列の設計と実験的検証

科学分野:

• エレクトロマグネティクス 電子磁気学
• バイオメディカルエンジニアリング
• マイクロウェーブエンジニアリング

背景:

• マイクロ波レーダーを使用した非接触生命体徴候モニタリングは,服を通して不注意な検出を提供します.
• レーダーベースの生命徴候モニタリングの感度は,アンテナシステムの性能,特に前向き伝送係数S21に大きく依存しています.
• 既存のアンテナの設計では,心臓の鼓動のような微妙な生理学的信号の信頼性の高い検出のために十分な増強とビーム方向性を提供できない可能性があります.

研究 の 目的:

• 強化されたフェーズベースの生命徴候モニタリングのための高得益12GHzマイクロストリップパッチアンテナ配列の設計,最適化,製造,検証.
• アンテナの増幅とビーム幅が呼吸と心拍の検出能力に与える影響を調査する.
• 高感度非接触生命体信号モニタリングシステムのための実践的な設計ガイドラインを提供すること.

主な方法:

• 4x4マイクロストリップのパッチアンテナ配列の設計と漸進的な最適化には,コアキシアルフィーディング,スロットベースのインペダンスの制御,ステップされた伝送線のマッチング,およびマイテッドの曲線などの技術を使用します.
• 電子磁気シミュレーションと性能評価,加強,反射係数,総効率を含む.
• 無音室での実験的検証と,連続波ベクトルネットワークアナライザー (VNA) ベースのレーダーシステムへの統合.
• 同様の条件下で異なるアンテナタイプ (バイコニカル,シングルパッチ,MIMO) の比較測定.

主要な成果:

• 設計されたアンテナ配列は12GHzでシミュレートされた増益17.8dBi,測定された増益17.06dBiを達成し,反射係数は-26dB,総効率は74%近くであった.
• 呼吸の検出は,適度な増強のアンテナで可能でしたが,信頼性の高い心拍の検出は,高増強の,狭いビームの提案された配列を必要としました.
• 提案された配列は,高度な信号処理なしに,1-1.5Hz帯域でのパルス検出が著しく改善され,段階感度が向上したことを強調しました.

結論:

• アンテナの設計は,生命線モニタリングのためのS21ベースの生物医学レーダーシステムの性能において重要な役割を果たします.
• 高得度,狭いビームのアンテナは,相感度を高め,環境の混乱を軽減することによって,信頼性の高い非接触心拍検出を達成するために不可欠です.
• 開発された12GHzアンテナ配列は,高感度非接触生命体信号モニタリングのための実用的なソリューションを提供し,将来のシステムのための貴重な設計洞察を提供します.