CN112335125A - 用于监测人的生命体征的天线阵列系统 - Google Patents

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Abstract

本发明针对一种用于监测封闭环境中的人的生命体征的贴片天线阵列系统，所述贴片天线阵列系统包括三个贴片，其远场方向图通过串联馈电在E平面中成形并且通过并联馈电在H平面中成形，以获得心形方向图，从而补偿由于较大距离而产生的自由空间损耗。

Description

用于监测人的生命体征的天线阵列系统
技术领域
本发明总体上涉及一种雷达天线阵列系统，该雷达天线阵列系统适于监测封闭环境中的人(例如，在其家中或车辆内部等的人)的生命体征。
背景技术
由于养老院中的老年人的数量增加以及看护者的不连续观察，紧急情况的早期识别变得更加重要。为了确保这些人的正常日常生活，不能使用常规的生命体征监测仪。事实证明，微波技术是这种生命体征监测仪的有效替代方案。在过去的十年中，随着有源雷达MMIC变得更加便宜，基于微波的生命体征监测有许多活动。雷达是用于生命体征监测的首选技术，这是因为微波是不可见的并且可以穿透干燥的衣服和墙壁。许多活动都基于具有常规天线设计并且通过优化信号处理的标准雷达系统(经典CW或FMCW系统)，例如C.Will、K.Shi、F.Lurz、R.Weigel和A.Koelpin“Intelligent signal processing routine forinstantaneous heart rate detection using a Six-Port microwave interferometer(使用六端口微波干涉仪进行瞬时心率检测的智能信号处理例程)”，2015年国际智能信号处理和通信系统研讨会(ISPACS)，努沙杜瓦，2015年，第483-487页中所公开的。C.Will等人，“Local Pulse Wave Detection using Continuous Wave Radar Systems(使用连续波雷达系统的本地脉搏波检测)”，IEEE电磁、RF和微波医学与生物学杂志，第PP卷，第99期，第1-1页，给出了雷达活动的概述。
对于室内雷达应用，雷达系统适于安装在房间的天花板上。由于房间的几何形状大多是立方的，因此从雷达传感器到房间角落的距离比到传感器正下方的物体的距离长sqrt(2)倍或甚至sqrt(3)倍之间。
用于室内雷达应用的平面天线(例如，贴片天线)存在问题，因为其具有有限的打开角度，对于贴片天线实施例，大多数情况下，在-3dB时为+-30°(在+-45°时为+-6-7dB)。这意味着，存在于房间角落或在直接位于墙壁处的床中的人出现在雷达传感器处理中的功率要比存在于传感器正下方的人低得多。将基于以下示例更详细地描述这种情况：典型房间的高度为3m，宽度和长度为6m。角落位于与雷达传感器的法线成+-45°的角度下。由于TX和RX情况下的天线特性，功率下降是-15dB。由于自由空间衰减导致4-5dB的功率下降，因此总功率下降为20dB。当人们位于房间的角落时，它可能高达30dB。
因此，需要一种改进的雷达天线阵列系统，其能够实现至少本质上基于相同功率而与人存在于房间角落、雷达传感器的正下方、或在房间中四处移动无关的雷达传感器处理。换句话说，需要一种雷达天线阵列系统，其能够当人们在其家中任何地方以及在其家中自由移动时可靠地监测其生命体征。
发明内容
发明目的
因此，期望提供一种雷达天线阵列系统，其能够当人们在其家中任何地方以及在其家中自由移动时监测其生命体征。
该目的通过权利要求1的特征达成。本发明的有利发展由从属权利要求限定。
发明概述
为了解决上述问题，本发明提供了一种雷达天线阵列系统，用于监测在诸如房间或车辆之类的封闭环境中存在的人的生命体征，所述系统包括三个贴片，其远场方向图通过串联馈电在E平面中成形并且通过并联馈电在H平面中成形，以获得心形方向图，从而补偿由于人们离所述系统的距离较大而造成的自由空间损失。所述雷达天线阵列系统包括以下至少之一：
-三乘一贴片阵列，其被配置为通过串联馈电或并联馈电在E平面中成形所述远场方向图，
-一乘三贴片阵列，其被配置为通过并联馈电或串联馈电在H平面中成形所述远场方向图，或者
-三乘三贴片阵列，其被配置为通过并联馈电和/或串联馈电在E平面和H平面中成形所述远场方向图，
其中，所述配置使得所得到的天线方向图包括两个或更多个最大值，以便增强向所述封闭环境的特定区域的辐射，所述特定区域例如是所述封闭环境的边缘区域或角落区域。应当注意，所得到的天线方向图也将具有一个或多个最小值，以便使辐射到其他区域的辐射最小，所述其他区域例如在房间中央在所述天线阵列系统的安装位置附近。
发明人已经成功地优化了雷达天线阵列的技术前提，使得随后的信号处理得益于具有2个TX通道和4个RX通道的特别改进的天线波束方向图，以照亮要针对其中存在的人而完美监测的房间。本发明的雷达天线阵列系统被设计用于安装在例如养老院的房间天花板的中央。本发明的雷达系统采用专用微带贴片天线阵列的形式，其远场方向图通过串联馈电在E平面中成形并且通过并联馈电在H平面中成形，以获得心形方向图，从而补偿房间某些方向上，例如房间的角落，的辐射功率。优选地，天线系统被实现为基于三个单独的贴片天线的串联馈线阵列的微带贴片天线。
在可能的实施例中，通过串联馈电来进行E平面成形，并且通过并联馈电来进行H平面成形。然而，可以通过串联馈电和/或并联馈电来进行E平面和/或H平面中的成形。因此，心形方向图在两个平面中，串联馈电在H形平面中成形心形方向图，并且并联馈电在E平面中成形心形方向图。由于两个馈电彼此正交，因此总体形状是两个形状的乘积。
更具体地，在本发明的优选实施例中，用于在H平面中成形远场方向图的并联馈电贴片被指定如下：
贴片i 幅度A<sub>i</sub> 相位[度] x位置[mm]
贴片1 1 0 -6.213
贴片2 2 175 0
贴片3 1 0 6.213
并且用于在E平面上成形远场方向图的串联馈电贴片被指定如下：
贴片i 幅度A<sub>i</sub> 相位[度] y位置[mm]
贴片1 1 0 12.426
贴片2 2 165 6.213
贴片3 1 0 0
更具体地，用于远场方向图的E平面和H平面成形的阵列优选地被组合成包含9个微带贴片天线的3x3阵列，所得到的远场方向图、这些贴片中的每个贴片之间的幅度和相移被指定如下：
a)根据位置的贴片幅度
X[mm] -6.213 0 6.213
Y[mm]
12.426 0.2 0.4 0.2
6.213 0.4 0.8 0.4
0 0.2 0.4 0.2
b)根据位置的贴片相位
X[mm] -6.213 0 6.213
Y[mm]
12.426 165° 340° 165°
6.213 0° 175° 0°
0 -165° 10° -165°
应当注意的是，3x3阵列可以是三个单串联馈电3x1天线的并联馈电阵列。它也可以由三个单并联馈电1x3天线的串联馈电阵列来实现。
有利地，贴片之间的间距为λ/2＝6.213mm，贴片的长度约为Lp＝3.167至3,4mm，其中贴片长度不同，在贴片之间出现可变的间距，其中，贴片2和贴片3之间存在2838mm的空间，并且贴片1和贴片2之间存在2.971mm的空间，所述空间用于所述贴片的相位调节。
在优选实施例中，贴片2和贴片3之间的空间被调节，以便减少馈电对贴片反射的干扰。
应当注意，本发明的雷达天线阵列系统不限于监测在其家中存在的人的生命体征，而是通常用于封闭环境中的监控任务，例如在各种车辆中，特别是在具有较大的货物空间或乘客舱的较大的汽车中。
附图说明
通过以下参考附图的非限制性实施例的详细描述，本发明的更多细节和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了养老院中的假定房间的示意图；
图2示出了具有反射S11的单端口微带贴片天线；
图3示出了H平面和E平面模拟标准贴片天线；
图4示出了图3的天线的串联和并联馈电阵列的特征方向图；
图5示出了本发明的天线阵列系统的H平面标准贴片，远场阵列；
图6示出了本发明的天线阵列系统的E平面标准贴片，远场阵列；
图7示出了本发明的天线阵列系统的总天线3D远场，模拟远场阵列；
图8示出了本发明的天线阵列系统的第二贴片和第三贴片；
图9示出了下部贴片相对于后续贴片的偏移参考平面；
图10示出了本发明的具有馈电线的天线阵列系统的第二贴片和第三贴片；
图11示出了针对本发明的天线阵列系统的中间贴片(i＝2)的S21的模拟；
图12示出了针对本发明的天线阵列系统的第三贴片(i＝3)的S21的模拟；
图13示出了针对本发明的完整的天线阵列系统的在E平面中的远场的模拟；
图14示出了针对本发明的S11完整的天线阵列系统的模拟；
图15示出了针对本发明的完整的天线阵列系统的在E平面中的远场的模拟；以及
图16示出了针对本发明的3D远场完整的线阵列天线阵列系统的模拟。
具体实施方式
在图1中，示出了养老院中的假定房间的示意图。假定养老院的平均房间大小为高3米，长6米，并且宽4米。为了监测一个方向上的整个地板面积，假定底边为6米并且高度为3米的三角形。在另一个方向上，假定辐射方向图的底边为4米的三角形。由于传感器将安装在天花板中间，因此三角形是对称的。因此，一个天线的打开角度为±45°，而另一根天线的打开角度为±33.7°。传感器到正下方地板(定义为
Figure BDA0002828786970000051
和θ＝0°的方向)的距离为3m，传感器到地板墙间角落(
Figure BDA0002828786970000052
和θ＝±45°)的距离为4.25m，并且传感器到到另一个地板墙间角落(
Figure BDA0002828786970000053
和θ＝±33.7°)的距离为3.6m。
雷达方程分析
Figure BDA0002828786970000054
示出了对于具有恒定雷达目标横截面σ的目标，当位于45°角落而不是位于传感器正下方时，各向同性辐射
Figure BDA0002828786970000055
时雷达的接收功率要低1/4倍。对于角度为33.7°角落的情况，辐射大约低1/2。通常，贴片天线将其最大功率辐射到宽边方向(
Figure BDA0002828786970000056
和θ＝0°)，因此，传感器下方目标的接收功率比角落处的目标要高得多。
由于在θ＝±33.7°处距离较远而导致的自由空间损耗为4dB，在θ＝±33.7°时，发射天线的标准贴片天线的功率降低约为3-4dB。因此，与宽边方向相比，该天线在
Figure BDA0002828786970000061
θ＝±33.7°时需要具有高8dB的增益。
Figure BDA0002828786970000062
第二天线需要在
Figure BDA0002828786970000063
θ＝±45°时实现高10dB的增益：
Figure BDA0002828786970000064
利用CST MI-CROWAVE STUDIO(S.Müller、R.Thull、M.Huber和A.R.Diewald，“Analysis on microstrip transmission line surface coatings(分析微带传输线表面涂层)”，2016年拉夫堡天线与传播会议(LAPC)，拉夫堡，2016年，第1-4页)，在24GHz至24.25GHz频域的K波段中对所提出的天线和网络的建模进行了模拟。针对ROGERS数据表中给出的3.66的介电常数和可以从数据表中的测量图获得的3.72的介电常数进行天线设计。
标准贴片天线
为了在两个方向上获得辐射方向图，需要确定每个贴片天线的辐射功率和相移。在使用标准微带贴片天线和CST MICROWAVE工具远场阵列时，可以模拟所需的辐射方向图。这是通过以λ/2的空间偏移三倍地干扰标准贴片的远场来发生的。对于所有三个贴片，可以分别调节辐射功率和相移。
图2中示出了标准贴片和回波损耗。
整个频域中的回波损耗值永远不会超过-10dB。远场分为E平面和H平面，这是从角度的视角得出的。因此，H平面描述了整个馈电的正视图(
Figure BDA0002828786970000065
θ＝±π°)，并且E平面描述了侧视图(
Figure BDA0002828786970000066
θ＝±π°)。两者均示于图3。
H平面示出了对称辐射。基于该辐射，获得了由方程(3)产生的期望的远场方向图。E平面是不对称的，这是基于单侧贴片馈电的，尽管可以通过使用辐射功率和相移来部分补偿主瓣角。
在以后构建的线阵列中，此贴片将用作贴片Y1，参见图4。因此，需要创建第二贴片和第三贴片。而且，该贴片将在并联馈电阵列的所有三个贴片中用作传输贴片。串联馈电阵列和并联馈电阵列二者的特征模式如下所示。
H平面成形
由于标准贴片H平面的对称辐射，心形辐射方向图根据方程3而产生。在使用具有调节三个贴片的幅度和相移的远场工具时，图5的远场方向图示出了增益差为12dB的有希望的结果。
表3.1中示出了并联馈电贴片的规格。
表3.1：H平面规格
贴片i 幅度A<sub>i</sub> 相位[度] x位置[mm]
贴片1 1 0 -6.213
贴片2 2 175 0
贴片3 1 0 6.213
E平面成形
在E平面中，这些规格可以被传送。这里需要实现8dB的增益差。稍作调节后，辐射方向图在图6中得到，图6在(
Figure BDA0002828786970000071
θ＝33.7°)方向上示出10dB的增益差，并且在(
Figure BDA0002828786970000072
θ＝-33.7°)方向上示出9dB的差。
由于方程3中的斜视，根据方程2的这些增益差异高出高达3dB。然而，这仍然是一个足够好的结果，因为实现了在某些方向上更高增益的要点。表3.2示出了串联馈电贴片阵列的结果参数。
表3.2：E平面规格
贴片i 幅度A<sub>i</sub> 相位[度] y位置[mm]
贴片1 1 0 12.426
贴片2 2 165 6.213
贴片3 1 0 0
完整阵列
如果将用于E平面和H平面的这些阵列组合，则将得到3x3阵列，其包含9个微带贴片天线。为了示出所得到的远场模式，需要确定这些贴片中的每个贴片之间的幅度和相移。表3.3和3.4示出了这些内容。
表3.3：根据位置的贴片幅度
X[mm] -6.213 0 6.213
Y[mm]
12.426 0.2 0.4 0.2
6.213 0.4 0.8 0.4
0 0.2 0.4 0.2
表3.4：根据位置的贴片相位
X[mm] -6.213 0 6.213
Y[mm]
12.426 165° 340° 165°
6.213 0° 175° 0°
0 -165° 10° -165°
如图7所示，插入到远场阵列中的这些值将导致3D方向图的角落中的辐射较高。
串联馈电线阵列，H平面
为了获得根据方程式2的辐射方向图，使用了三个微带贴片天线的串联馈电贴片阵列。每个单个贴片均被设计为在馈电端口(端口1)处具有Γ≈0的低反射率。接下来，调节辐射功率和到端口2的发射功率之间的平衡。功率吸收为100％的最后一个贴片(i＝1)已经结束。中间贴片(i＝2)的幅度是最后一个贴片的幅度的两倍，最后一个贴片产生的功率高四倍。因此，第二贴片需要接受自身辐射的功率以及被发送到最后一个天线的功率。下表4.1示出了适于给定幅度的传输系数。贴片之间的相移将稍后通过常规延迟线进行调节。
表4.1：每个单个贴片的S21
天线 辐射功率 S21[db] S21[lin.]
贴片1 0.166 无 无
贴片2 0.666 -7.99 0.447
贴片3 0.166 -0.79 0.912
贴片设计，传输调节
对输入端口处的凹口长度l1的调节对输入反射影响最大。贴片宽度lp以及输出端口处的凹口宽度l2和凹口宽度w2也影响传输系数S21。因此，反射和传输大部分可以被独立地控制。首先创建单个贴片，如图8所示。
馈电设计，相位调节
贴片之间的间距是λ/2，等于6.213mm。贴片的长度约为Lp＝3.167，最长为3.4mm。由于贴片长度不同，贴片之间会出现可变的间距。贴片2到贴片3之间有2.838mm的空间，而贴片1到贴片2之间有2.971mm的空间。此空间用于若干贴片的相位调节。对应于表3.2中的规格的相位差是从下部贴片的参考平面(即凹口末端的贴片边缘)到后续贴片的可比较参考平面来定义的，如图9所示。馈电微带线被设计得尽可能短，以便减少损耗。
图10中示出了所得到的馈电线的设计。与图8相比，第三贴片的凹口被进一步调节。这是由于馈电会干扰贴片反射而发生的。
如图11所示，两个贴片的传输与表4.1的规格相差不到3％。这是一个很好的结果，因为在远场阵列工具中未考虑信号线的传输损耗。
如图12所示，在第三贴片中，实现了S21＝0.89的传输，并且在中间贴片中，实现了S21＝0.46的传输，其接近4.1的规格。
模拟线阵列
在图13中，示出了完整的一维天线线阵(LA)，其通过图2和图10相连接得到。
天线的总长度为l＝15,694mm，并且最大宽度为w＝6,339mm。在图14中，通过模拟示出了天线反射系数。在24GHz ISM频段中获得的反射小于-15dB，而在中心频率24.125GHz处达到的最小反射为-24.85dB。
与图15所示的θ＝33.7°相比，E平面中的远场产生令人满意的方向图，其在θ＝0°时增益差大于8dB。由于单个贴片之间的微带馈电以及来自右侧的天线馈电，辐射方向图会被斜视。因此，无法实现线阵列的对称远场。
图16中示出了总的3D天线远场方向图。

Claims (6)

1.一种用于监测封闭环境中的人的生命体征的雷达天线阵列系统，所述系统包括以下至少之一：
-三乘一贴片阵列，其被配置为通过串联馈电或并联馈电在E平面中成形所述远场方向图，
-一乘三贴片阵列，其被配置为通过并联馈电或串联馈电在H平面中成形所述远场方向图，或者
-三乘三贴片阵列，其被配置为通过并联馈电和/或串联馈电在E平面和H平面中成形所述远场方向图，
所述配置使得所得到的天线方向图包括两个或更多个最大值，以便增强向所述封闭环境的特定区域的辐射，所述特定区域例如是所述封闭环境的边缘区域或角落区域。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，用于在H平面中成形所述远场方向图的并联馈电贴片被指定如下：
贴片i 幅度A<sub>i</sub> 相位[度] x位置[mm] 贴片1 1 0 -6.213 贴片2 2 175 0 贴片3 1 0 6.213
和/或其中，用于在E平面上成形所述远场方向图的串联馈电贴片被指定如下：
贴片i 幅度A<sub>i</sub> 相位[度] y位置[mm] 贴片1 1 0 12.426 贴片2 2 165 6.213 贴片3 1 0 0
3.根据权利要求2所述的系统，其中，用于所述远场方向图的E平面和H平面成形的阵列被组合成包含9个微带贴片天线的3x3阵列，所得到的远场方向图、这些贴片中的每个贴片之间的幅度和相移被指定如下：
a)根据位置的贴片幅度
X[mm] -6.213 0 6.213 Y[mm] 12.426 0.2 0.4 0.2 6.213 0.4 0.8 0.4 0 0.2 0.4 0.2
b)根据位置的贴片相位
X[mm] -6.213 0 6.213 Y[mm] 12.426 165° 340° 165° 6.213 0° 175° 0° 0 -165° 10° -165°
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中，适于给定幅度的三个贴片的串联馈电贴片阵列的传输系数被指定如下(每个单个贴片的S21)：
天线 辐射功率 S21[db] S21[lin.] 贴片1 0.166 无 无 贴片2 0.666 -7.99 0.447 贴片3 0.166 -0.79 0.912
其中，通过延迟线来调节所述贴片之间的相移。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述贴片之间的间距为λ/2＝6.213mm，所述贴片的长度约为Lp＝3.167至3,4mm，其中贴片长度不同，在所述贴片之间出现可变的间距，其中，贴片2和贴片3之间存在2.838mm的空间，并且贴片1和贴片2之间存在2.971mm的空间，所述空间用于所述贴片的相位调节。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，贴片2和贴片3之间的空间被调节，以便减少馈电对贴片反射的干扰。
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