人類生命跡象通常透過監控系統進行測量,這些系統歷來依賴於與患者身體的有線連接,通過心電圖和氧飽和度感測器的組合來報告心率和呼吸率。這些感測器很難與新生兒、嚴重燒傷的患者、患有癲癇症的患者或精神科病房的患者保持經常性接觸。對於常移動的患者,當患者在其住家移動時,監測生命跡象可能會是一項挑戰。
毫米波 (mmWave) 雷達感測器可偵測到非常細微的移動,即使是偵測患者胸部也沒問題。由於胸部移動會同時受到呼吸 (基本頻率) 和心率移動 (額外諧波) 的影響,胸部移動的精細量測是以非接觸式方式測量生命跡象。
此功能的主要促成因素是感測器有能力透過頻率調變連續波 (FMCW) 感測,和多輸入多輸出 (MIMO) 天線雷達系統的組合,偵測患者胸部的位置和速度。
感測器也能偵測病床的移動,並通知照護者注意患者可能發生褥瘡,或是一次監控多位患者,例如年老夫婦。此外,mmWave 感測器可偵測人員跌倒,並即時通知照護者。
FMCW 系統中可確保準確且可重複量測的其中一項參數,是頻擾斜率線性度。將完整類比鏈整合在單體微波積體電路中,如此不僅可減少設計對設計的變化,也有助於提升整體量測線性度,因為其可在不同年齡與溫度下進行有效監控與校準。
查看 圖 1 中的德州儀器 (TI) IWR6843 方塊圖,可發現發送器接收器部分唯一的外部元件是標準 40-MHz 晶體。除了這個外部 40-MHz 晶體外,IWR6843 也提供與下列完整的發送器接收器整合:
IWR6843 也包括適用於發送器和接收器的完整射頻 (RF) 鏈,包括:
MMIC 系統單晶片整合完整 RF 鏈,可提供功能安全性所需的診斷能力水平。
IWR6843 上整合的全數位訊號鏈處理技術,其中提供:
除了晶粒級整合外,IWR6843 的變體 IWR6843AOP 搭配封裝上天線,可進一步整合並縮小印刷電路板 (PCB) 面積,適合空間受限的應用或 RF 訊號的 PCB 佈線具有挑戰性時。
FMCW 提供最簡單的調變機制,以在測量距離時做到長距離和高準確度。FMCW 也提供徑向尺寸 (雷達和目標之間的直線) 速度量測的平均值,例如高速 (如車輛高速) 或是低速 (如胸部在呼吸時的升降情形)。追蹤這類微小的移動通常稱為都卜勒或微都卜勒偵測。
頻擾描述 FMCW 中使用的調變;瞬時頻率 f(t) 會隨時間線性變化,因此這是線性頻率頻擾。發送的頻擾與接收到的頻擾之間的頻率差異,與飛時測距 (到達目標並返回的時間) 直接成正比,因此是到目標的距離。
方程式 1 將發送波形振幅表達為:
其中 K 是傳輸頻率按時間單位增加的斜率 (對於 IWR6843,此值可以是 0 到 250 MHz/µs 之間的任何值),T 是訊號傳輸 (傳輸功率) 的振幅,f0 是在頻擾開始時傳輸的最低頻率 (57 GHz 或 60 GHz 視所選 VCO 而定)。
方程式 2 將接收的波形振幅表達為:
其中 (這是飛時測距的兩倍),d 是到目標的距離,v 是光線在介質中的速度。