A 2.4 GHz Bio-Radar System with Small Size and Improved Noise Performance Using Single Circular-Polarized Antenna and PLL

In this paper, we design a 2.4 GHz bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals with small size and improved noise performance using single circular-polarized antenna and phase-locked loop. The demonstrated bio-radar system consists of single circular-polarized antenna with $90^{\circ}$ hybrid, low-noise amplifier, power amplifier, voltage-controlled oscillator with phase-locked loop circuits, quadrature demodulator and analog circuits. To realize compact size, the printed annular ring stacked microstrip antenna is integrated on the transceiver circuits, so its dimension is just $40\times40mm^2$. Also, to improve signal-to-noise-ratio performance by phase noise due to transmitter leakage signal, the phase-locked loop circuit is used. The measured results show that the heart rate and respiration accuracy was found to be very high for the distance of 50 cm without the additional digital signal processing.

하나의 원형 편파 안테나와 PLL을 이용하여 소형이면서도 개선된 잡음 성능을 갖는 2.4 GHz 바이오 레이더 시스템

본 논문에서는 인체의 호흡 및 심박수 측정을 위해 2.4 GHz에서 동작하는 바이오 레이더 시스템의 소형화 및 성능 개선 방안으로서 하나의 원형 편파 안테나와 PLL 회로를 갖는 시스템을 설계하고 그 측정 결과를 제시 하였다. 제작된 바이오 레이더는 $90^{\circ}$ 하이브리드를 이용하여 원형 편파 특성과 송수신 격리 특성을 갖는 마이크 로스트립 안테나, 저잡음 증폭기, 전력 증폭기, 위상 고정 루프를 갖는 전압 제어 발진기, 직교 복조기 및 아날로그 회로로 구성된다. 특히, 단일 원형 편파 안테나를 소형화하기 위하여 annular-ring 형태의 마이크로스트립 안 테나를 송수신 회로와 적층함으로써, $40\times40mm^2$의 크기로 소형화할 수 있었다. 또한, 누설 송신 신호에 인한 수신부의 위상 잡음의 영향을 최소화하기 위하여 PLL 회로를 채용함으로써, 개선된 신호대 잡음비 성능을 갖도록 하였다. 설계된 바이오 레이더 시스템은 특별한 신호 처리 없이 50 cm 떨어진 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있음을 확인하였다.