Diseño y simulación de un Radar Biométrico para la detección de señales vitales

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se aborda el diseño y simulación de un dispositivo radar de onda continua a la frecuencia de operación de 2.45 GHz que detecta la frecuencia respiratoria y cardiaca de un ser humano de forma remota. La detección de señales vitales es posible gracias a una ligera variación o desplazamiento del pecho del individuo que se produce con la respiración y latido cardiaco. La variación de frecuencia debida al efecto Doppler, entre la señal transmitida y la reflejada por el blanco, es tan pequeña que la información de las constantes vitales va contenida en la fase de la señal recibida y es detectada por el mezclador en la etapa de recepción. El radar biométrico ha sido diseñado con componentes compactos y simulado para un caso real. La selección de los componentes se ha basado principalmente en la sencillez y comodidad que nos darían este tipo de componentes para miniaturizar el sistema, cabiendo la posibilidad de hacerlo portátil. Así mismo, se ha realizado un diseño aproximado de un prototipo de array de antena microstrip con la herramienta Antenna ToolBox de Matlab, cuyo diseño final requiere de una mayor profundidad en la simulación. Todos los diseños han sido elaborados en esquemáticos con el software de simulación ADS, los cuales han servido de plantilla para la evaluación de este tipo de radar, y realizando cambios mínimos, pueden servir para estos sistemas a otras frecuencias y con otros componentes. Para una simulación más realista, se han incorporado los parámetros y ficheros facilitados por los fabricantes, sacados de la página de MiniCircuits, algunos de los cuales podrán verse en el Anexo B. Los experimentos y diseños fueron realizados en la banda libre de frecuencias de 2.45 GHz. Verificado el correcto funcionamiento de cada bloque (transmisor, receptor y blanco) mediante simulaciones, se aunaron todos ellos en un solo esquemático para realizar las correspondientes pruebas y simulaciones en su totalidad. De esta forma se comprobaron varios aspectos como la detección de las señales vitales o la ubicación de los puntos máximos y nulos de recepción para situar nuestro radar a la distancia correcta del individuo o paciente. Por último, se realizó el diseño de la placa de circuito impreso con la herramienta Layout que tiene incorporada el software ADS, la cual nos permitió implementar las distintas conexiones entre componentes en tecnología microstrip. El resultado de la PCB del radar biométrico fue una placa compacta, con unas dimensiones de 50x80 mm. lista para su fabricación y caracterización experimental.

ABSTRACT: This work deals with the design and analysis of a continuous-wave radar operating at the frequency of 2.45 GHz. The system is able to detect, in a remote way, the breathing and heart rates of a human being. The detection of vital signs is possible thanks to a slight variation or displacement of the individual's chest that occurs with breathing and heartbeat. The frequency shift due to the Doppler effect, between the transmitted signal and that reflected by the target, is so small that the information of the vital signs is contained in the phase of the received signal and is detected by the mixer in the reception stage. The biometric radar has been designed with compact components and simulated for a real case. The selection of components has been based mainly on the simplicity and comfort that this type of component would give us to miniaturize the system, allowing the possibility of making it portable. Likewise, an approximate design of a microstrip antenna array prototype has been made using Matlab's Antenna ToolBox, the final design of which requires an in-depth simulation. All the designs have been implemented through schematics using ADS simulation software, which have served as a template for the evaluation of this type of radar, and by making minimal changes, they can be used for these systems at other operation frequencies and considering different components. For a more realistic simulation, the parameters and files provided by the manufacturers have been incorporated, taken from the MiniCircuits website, some of which can be seen in Annex B. The analysis and designs were carried out in the free frequency band of 2.45 GHz. Once verified the proper performance of each block (transmitter, receiver and target) through simulations, all of them were combined in a single schematic in order to carry out the corresponding tests and simulations in their entirety. In this way, several aspects were probed, such as the detection of vital signs or the location of the maximum and null reception points to place our radar at the correct distance from the individual or patient. Finally, the design of the printed circuit board was carried out with the Layout tool that incorporates ADS, which allowed us to implement the different connections between components in microstrip technology. The result of the biometric radar PCB was a compact board, with dimensions of 50x80 mm. ready for its manufacture and experimental characterization.