آنتن ‌های UWB یا فراپهن باند

آشنایی با آنتن ‌های UWB

آنتن‌ های UWB یک فناوری رادیویی است که برای مخابرات بی سیم در سطوح پایین توان و در برد کوتاه استفاده می‌شود. در واقع این فناوری از بخش بزرگی از طیف رادیویی اما در سطوح توان کم استفاده می‌کند.

پایه و اساس آنتن های UWB یا فراپهن باند در دهه 80 توسط راس و با کار انجام شده در مرکز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تاکید بر استفاده از UWB به عنوان یک ابزار تحلیلی برای کشف خصوصیات شبکه‌های مایکروویو و خصوصیات ذاتی مواد بود. این تکنیک‌ها به طور منطقی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان‌های آنتن را انجام دهند. موفقیت‌های اولیه باعث تولید سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازه گیری کند.

تعریف آنتن ‌های UWB

اصطلاح فراپهن باند (UWB) به خصوصیات طیفی این فناوری اشاره دارد و بر اساس کاری است که منجر به انجام تحقیقی در وزارت دفاع آمریکا گشت. عبارات جایگزین برای این اصطلاح رادار ضربه‌ای،رادیوی ضربه‌ای، حامل بی نیاز، بدون حامل، دامنه زمان و مانند آن است. اصل اولیه این است که پالس کوچکی (در حوزه زمان)، که به آن ضربه هم گفته می‌شود، تولید، ارسال، دریافت، و پردازش می شود.

 

اصل حاکم بر هر سیگنال رادیویی رابطه میان زمان پالس و پهنای باند اشغال شده توسط آن است. بر اساس تبدیل فوریه، پالسی که مدت زمان T ثانیه (در حوزه زمان) طول بکشد، به اندازه 2/T هرتز در حوزه فرکانس فضا اشغال می کند. مثلاً، پالسی با زمان حدود نانوثانیه در حوزه زمان، حدود 2 گیگاهرتز پهنای باند در حوزه فرکانس اشغال می کند. یک مثاال از پردازش سیگنال در حوزه زمان، مدولاسیون موقعیت پالس (Pulse Position Modulation) است.

یک قطار پالس با فواصل زمانی مساوی را درنظر بگیرید. پردازش گیرنده نشان می‌دهد که پالس دریافتی در محل صحیح خود است یا دیرتر یا زودتر از موعد دریافت شده است. در PPM ، پالسی که با تاخیر دریافت شده، نماد صفر و پالسی که زودتر دریافت شده، نماد یک را دارد.

تاریخچه فناوری

می‌توان گفت که اولین سیستم بی سیم که توسط گاگلیرمو مارکونی در سال 1987 نمایش داده شد، خصوصیات رادیوی فراپهن باند را دارد. اولین فرستنده‌های جرقه‌ای مارکونی فضای زیادی از طیف را از فرکانسهای بسیار پایین تا فرکانس‌های بالا را اشغال می کردند. همچنین این سیستم‌ها به طور غیراتوماتیک از پردازش زمان استفاده می‌نمودند. چون کد مورس توسط اپراتورهای انسانی ارسال و دریافت می شد.

 

پایه و اساس سیستم‌های نوین

پایه و اساس سیستم‌های نوین فراپهن باند در دهه 80 توسط راس و با کار انجام شده در مرکز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تاکید بر استفاده از UWB به عنوان یک ابزار تحلیلی برای کشف خصوصیات شبکههای مایکروویو و خصوصیات ذاتی مواد بود. این تکنیک‌ها به طور منطقی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان‌های آنتن را انجام دهند. موفقیت‌های اولیه باعث تولید سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازه گیری کند.

این رویکرد استفاده از رادارهای کوتاه برد، نیاز به محفظه بدون انعکاس برای مطالعه اهداف رادار را برطرف کرد، زیرا انعکاس‌های ناخواسته از دیوارها و سقف ها را می‌توان با تکنیک های گیت زمانی حذف کرد. استفاده از UWB، و تکنیک‌های پردازش حوزه زمان آن، نیاز بزرگی را در اوایل دوره ظهور کامپیوتر برطرف کرد.

افزایش سرعت با استفاده از مدار های منطقی

مدارهای منطقی پرسرعت، در حد نانو ثانیه در اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70، دستیابی به سرعت های بالاتر را ممکن ساخت. ولی لازم بود که حجم زیادی از اطلاعات میان پردازنده اصلی کامپیوتر و تجهیزات ورودی و خروجی متعدد منتقل شود. این مشکل با تکنیک‌های پردازش حوزه زمان و ارسال چندین سیگنال روی خط ارتباطی حل شد.

تکنیک فوق توسط راس و همکارانش اختراع و به ثبت رسید. این اختراع عاملی کلیدی در مخابرات UWB گردید. از این مرحله تا ایجاد مخابرات بی سیم UWB راه زیادی نیست.

پیشرفت‌های دیگر در دهه 70 باعث پیدایش اصول لازم برای توصیف و تولید کامل رشته الکترومغناطیس حوزه زمان شد. در دهه های 80 و 90، الکترومغناطیس حوزه زمان به مخابرات بی سیم و به خصوص مخابرات راه نزدیک و محیط های چند مسیره و متراکم اعمال می شد. شاتز این کاربری را با جزییات بیان کرده و مزایا و معایب آن را شناخته است. او نشان داد که می‌توان تعداد زیادی از این سیستم‌ها را در یک مکان به کار انداخت و سیگنال‌های پهن باند به مراتب بیشتر از سیگنال‌های باریک باند نسبت به آثار مخرب چندمسیری مصونیت دارند.

 

یکی از کاربردهای بالقوه آنتن‌ UWB

یکی از کاربردهای بالقوه مخابرات UWB ارایه خدمات به کاربرهای متعدد در محیط های چند مسیره است، ولی چالش سیستم، همزیستی آن در طیف رادیویی شلوغ فعلی است. مزایای این سیستم ممکن است بر معایاب آن نچربد، و شاید دیگر روش‌های بی سیم در محیط های چند مسیره و متراکم به خوبی روش فوق کار کنند.

دیگر کاربرد مهم روش فوق در حسگرها است، مثلا رادارهای تفکیک بالا و کوتاه برد. این کاربرد نیاز بسیار کمتری به پردازش سیگنال دارد و مدارهای الکترونیکی بسیار ساده‌تری نیز دارد ولی به اندازه دیگر سیستم‌های پیچیده مخابراتی جلب توجه نکرده است.

یکی از اولین کاربردهای آن، رادارهای نفوذ در زمین بود. در سال 1974 ، موری، یک رادار به نام خود ثبت کرد که به دلیل استفاده از باند بسیار پهنی از فرکانس ها، می توانست حدود یک تا چند متر در زمین نفوذ کند. این امتیاز بعدها باعث یک موفقیت تجاری شد.

مسائل قانونی

کمیسیون فدرال مخابرات ( FCC) پس از دریافت 3 درخواست از سازندگان UWB ، دستور تحقیق داد تا استفاده‌های احتمالی از این تکنیک مشخص شود. همچنین FCC بعد از هماهنگی بر محدودیت‌های فنی که NTIA برای تایید تقاضاها لازم داشت، با تولید محدود 3 مدل از تجهیزات UWB توان پایین موافقت کرد. اطلاعات جمع آوری شده توسط NOI باعث شد که FCC در ماه مه 2000، آگهی برای قانون پیشنهادی ارایه کند.

بیشتر نگرانی‌های قانونی حول این مساله است که سیستم های UWB تا چه حد ممکن است با سیستم‌های رادیویی فعلی تداخل داشته باشند. دو موسسه FCC و NTIA مشترکا طیف رادیویی ایالات متحده آمریکا را مدیریت می کنند. بخش 15 جلد 47 آیین قوانین فدرال حاوی قوانین FCC برای اجازه دادن به عملکرد بدون پروانه برای تجهیزات توان پایین است که معمولا در باند تجهیزات دیگر فعالیت می کنند.

بخش 15 قانون فعلی 3

بخش 15 قانون فعلی 3 سطح مختلف برای تشعشع کننده‌ها تعریف می‌کند: تشعشع کننده‌های تصادفی (که عمداً سیگنال‌های فرکانس رادیویی نمی‌تابند و تنظیم شده نیستند مانند یک مته برقی)، تشعشع کننده های غیرعمدی (که سیگنال های فرکانس رادیویی تولید می کنند ولی نمی‌خواهند آن‌ها را پخش کنند مانند یک کامپیوتر)، و تشعشع کننده های عمدی (که آگاهانه سیگنال‌های فرکانس رادیویی توان پایین می تابند مانند دربازکن گاراژ).

موسسه NPRM پیشنهاد می‌کند که ادوات UWB در بخش جدیدی از قانون 15 تعریف شوند و برای ادوات جدید UWB محدودیت‌های مشابه تشعشع کننده‌های عمدی فعلی وضع شود. مسایل قانونی فعلی شامل تعیین حدودی است که باید به تشعشعات UWB اعمال شود و تکنیک های لازم برای اندازه گیری این تشعشعات.

موسسه NPRM محدودیت‌ها و تکنیک‌های اندازه‌گیری مشابه موارد فعلی در قانون 15 برای تشعشع کنندههای عمدی پیشنهاد می‌کند. البته حد مجاز اندازه پیک یا حد احتمالی پیک در یک پهنای باند 50 مگاهرتزی به آن افزوده شد.

ممنوعیت تشعشع کننده‌های عمدی

یکی از سوالات مهم و مربوط این است که آیا باید این حدود برای باندهای فرکانسی خاصی که توسط دولت فدرال برای امور اضطراری مانند GPS استفاده می شود، محدودتر شود؟ این فرکانس‌ها در بخش 15 بیان شدهاند و تشعشع کننده‌های عمدی از تشعشع در این باندها منع شده اند. از آنجا که سیستم های UWB معمولاً در باندهای فرکانس تحت مدیریت NTIA و FCC تشعشع می‌کنند، هر دو موسسه باید بار روی قوانین جدیاد کار کنند.

کاربرد آنتن های UWB

بیشتر رادارهای جنگ افزاری در پهنای باند فرکانسی کوچکی عمل می‌کنند و از سیگنال های هارمونیکی و سینوسی به عنوان موج حامل برای انتقال اطلاعات استفاده می کنند. که دلیل ساده ای دارد: موج سینوسی یک هست که ساده‌ترین است و بنابراین به طور گسترده در سیستم های eigenoscillation of LC-contour الکتریکی نوسانی مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی رزونانسی یک چنین سیستمی، انتخاب فرکانس تعداد زیادی از کانال های اطلاعاتی را که در محیط های معمولی مانند فضا و خطوط ارتباطی نوری و هادی کار میکنند را فراهم می سازد.

انتخاب فرکانس

بنابراین انتخاب فرکانس، امروزه یک روش مهم جداسازی این کانال هاست. بسیاری از رادارهای در حال استفاده سیستم‌های باند کوچک با باند فرکانسی بسیار کمتر از فرکانس حامل هستند. تئوری و تکنیک رادارهای کنونی بر مبنای این ویژگی خاص است. باند فرکانسی ظرفیت اطلاعاتی سیستم‌های رادار را تعیین می کند. حجم اطلاعات فرستاده شده در هر واحد زمانی ارتباط مستقیم،باند فرکانسی دارد.

بالابردن ظرفیت اطلاعاتی سیستم‌های UWB

برای بالابردن ظرفیت اطلاعاتی سیستم‌های رادار، اضافه کردن پهنای باند آن لازم است. تنها هدف تناوبی کردن فقط افزایش در زمان انتقال اطلاعات است.در ارتباط با اطلاع رسانی سریع جامعه و افزایش پیوسته جریان اطلاعات،این موضوع برای ارتباطات رادیویی (پهنای باند ماورایی) رارقم می‌زند.  واقعیت این مسأله توسعه سریع تکنولوژی سیگنال‌های Ultra Wide رقم می‌زند.

موضوع این است که رادارهای جنگ افزاری با باند فرکتنسی کمتر از 18 % فرکتنس حامل تنها آشکارسازی هدف و اندازه‌گیری مختصات، با دقت نسبتا پایین را فراهم می‌کند. اما نمی‌توانند تصویری از هدف بدهند.

موارد استفاده از مود ها

این رادارها شبیه یک انسان با چشمان ضعیف هستند،که جسمس را می‌بینند اما نمی‌تواند آن را تشخیص دهد. بنابراین در تکنیک‌های امروزی، تلاش بسیاری به کار گرفته میشود که اطلاعات دریافتی از جسم دیده شده افزایش یابد. در هواپیما های جنگی(نظامی)، مود تشخیص دوست یا دشمن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در هواپیماهی غیر نظامی، از کانال راداری نوع دومی استفاده می‌شود که در مود پرسش و پاسخ عمل می‌کند. برای افزایش ظرفیت اطلاعات در رادار، مود تشخیص هدف گه‌گاهی استفاده می‌شود.

استفاده از این مود، تصویری از شکل هدف نمیدهد اما این امکان را فراهم می‌کند که اطلاعات اضافی از هدف، با استفاده از بعضی ویژگی‌های هدف بگیریم. که می توان بعد از پردازش های به خصوصی گرفت. (اما این امکان را فراهم می کند که با استفاده از بعضی ویژگی های هدف، بعد از پردازش های خاصی،اطلاعات اضافی بگیریم).

 

افزایش ضروری در باند فرکانسی UWB

رسیدن به این مود، نیازمند افزایش ضروری در باند فرکانسی رادار دارد و در نتیجه اهداف جدید روش ها و تکنولوژی های رادار حاصل می شود. افزایش پهنای باند فرکانسی و رفتن به سمت سیگنال های UWB به دریافت اطلاعات بیشتر از هدف و به دست آوردن تصویر هدف رادار کمک می کند.

افزایش ظرفیت اطلاعات در رادارها، با استفاده از سیگنال های UWB، در نتیجه کاهش رنج حجم پالس است. برای مثال با کم کردن پالس تشعشعی در مدت زمان تا  1ns ،ارتفاع حجم پالس های رادار را کم می‌کنیم از300 متر تا 30 سانتی‌متر. بنابراین می‌توانیم بگوییم این دستگاهی را که استفاده می‌کنیم تا فضا را مشاهده کنیم بیش‌تر و بیش‌تر حساس و مهم می‌شود. در نتیجه کاهش حجم پالس،رادار UWB چند ویژگی جدید پیدا می کند.

ویژگی‌های کاهش حجم پالس

• دقت بالاتر اندازه گیری رنج و وضوح رنج: این به بهتر شدن وضوح و دقت رنج منجر می‌شود. در همه مختصات،چنانکه دقت هدف در یک مختصات به دقت آن در مختصات دیگر نیاز ندارد
• کاهش در زاویه بی روح (dead zone) رادار
• شناسایی نوع وطبقه هدف و نیز تصویر هدف رادار، در حالی‌که سیگنال های دریافتی شامل اطلاعات گرفته شده از هدف و از عناصر مجزا از هدف است.
• مصونیت بالاتر رادار در برابر همه تداخل‌های کم اثر،مانند باران، مه، کلاتر، اورسل، نوارهای متالیزه شده و… .دلیل آن این است که سطح مقطع رادار تداخل در پالس‌های کوچک در برابر سطح مقطع هدف قابل مقایسه می‌شود.
• مصونیت رادار در برابر نویز ها و تشعشعات الکترومغناطیسی خارجی.
• افزایش قابلیت آشکارسازی هدف و ردگیری مطمئن هدف که از افزایش سطح مقطع هدف نتیجه می‌شود.
•  افزایش قابلیت آشکارسازی هدف و رد گیری قابل اعتماد هدف در نتیجه حذف ساختار لوب الگوی نوع دوم هدف به عنوان سیگنال‌های پراکنده شده با عناصر مجزای هدف که مزاحم نشده اند.
•  ردگیری قابل اعتماد هدف با افزایش کوچکی در زاویه، که نتیجه حذف تداخل‌های منفی در الگوهای آنتن بود. هم‌چنان که یک سیگنال پراکنده شده توسط هدف و یک سیگنال re scattered با سطح زمین.
• امکان تغییر پارامترهای تابش (پهنا و شکل نمونه) با تغییر دادن پارامترهای سیگنال تابش شده وجود دارد که از میان آن‌ها الگوی آنتن فرا باریک بدست می‌آید.
  

  افزایش حفاظت عملکرد رادار

• افزایش حفاظت عملکرد رادار پردازش مشاهدات رادار با استفاده از سیگنال های UWB،در اصل از همان پردازش با استفاده از سیگنال‌های باند کوچک متفاوت است.این در نمونه‌ها زمانی اتفاق می‌افتد که مدت زمان فضایی سیگنال از یک دهانه آنتن یا اندازه هدف کوچک‌تر است. تفاوت‌ها بین رادارهای UWB و باند باریک و ویژگی های خاص آن‌ها در همه‌ی مراحل عملکرد رادارها نشان داده می‌شود، برای مثال، در فرم سیگنال UWB ،تابش،پراکندگی توسط هدف، دریافت و پردازش.

جدول 1. تفاوت‌ها بین رادارهای UWB و باند باریک و ویژگی‌های خاص آن‌ها

 

• وابستگی پارامترهای آنتن از شکل سیگنال و برعکس،وابستگی شکل فضایی سیگنال از مختصات زاویه ای. 

این وابستگی در حقیقت باعث می‌شود زمینه‌ی پارامترهای آنتن (عرض و موقعیت بیم اصلی، جهت و بهره آنتن) متغیر با زمان و غیر ساکن شوند. شکل الگوی آنتن گیرنده بستگی به جهت مربوط به آنتن فرستنده دارد. این حقیقت، استفاده از روش‌های مرسوم برای تعیین پارامترهای آنتن را ممکن می سازد. در همین زمان، امکان مدیریت پارامترهای آنتن توسط پارامترهای مختلف سیگنال ایجاد می‌شود.

•  تغییر زمان RCS هدف
• تغییرات معرفی شده در فرم معادله منطقی رنج رادار برای تعیین پارامتر های رادار UWB. همچنان که بعضی از پارامترهای معادله رنج رادار به زمان و شکل سیگنال بستگی دارد،سپس رنج رادار با این پارامترها مرتبط می‌شود. بنابراین ما نمی‌توانیم از معادله های مرسوم رادار برای مشخص کردن پارامترهای رادار UWB استفاده کنیم. ویژگی‌های خاص رادار UWB و شباهت نداشتن آن‌ها به رادارهای باند باریک، در زمان محاسبه و طراحی رادارهای UWB ایجاد مشکل می‌کنند. درنتیجه آن‌ها اغلب اجازه استفاده از تئوری‌های موجود و روش‌های شناخته شده زمانی که ما نیاز به فرموله کردن المان‌های رادار راداریم، نمی‌دهند.

روش های استفاده شده در رادارهای UWB

بنابراین روش های استفاده شده در رادارهای UWB در تحقیق و طراحی و محاسبه به صورت قابل توجهی با متدهای مرسوم استفاده شده در سیستم های باند باریک تفاوت دارند.در این نقطه نظر، اجزای سیگنال های آنتن ‌های UWB  به ایجاد شاخه مستقل علمی و مهندسی با روش های منحصر به فرد آنالیز نظری و راه حل‌های غیر مرسوم مهندسی منجر می شود. علاقه به رادارهای UWB در دهه 80 رشد زیادی گرفت. گمان می‌شد اولین استفاده از این حوزه برای این رادارها شناسایی اهداف نهان باشد. در حل این مشکل، از جمله‌ی این رادارها انتظار مزیت بزرگتری در مقایسه با رادارهای باند باریک مرسوم می‌رود. اما قابل ذکر است که این مشکل هنوز راه حل واضحی ندارد.

با وجود این، استفاده از حوزه رادار UWB هنوز هم حقیقی است. کاربرد حوزه دوم آنتن‌ های UWB ، شناسایی و مشاهده اشیا در فواصل کوتاه است (در حدود ده‌ها متر). این‌ها رادارهایی هستند که می‌توانند هدف را در محیط های متراکم (زمین و یخ) شناسایی کنند و رادارها می‌توانند هدف را در هوا شناسایی کنند. رادارهایی از این دست به شدت مورد نیاز است. بنابراین،امروزه ما تعداد زیادی از رادارهای نظامی و صنعتی از این نوع داریم که مشکلات زیادی را حل کرده‌اند.

عملکرد رادارها UWB در فواصلکم

عملکرد رادارها در فواصلکم، ساخت ساده و حجم سخت افزار کم دارند. این موارد کمک می‌کنند برخی از رادارها در مدت کوتاهی گسترش داده شوند و به روز شوند. آن‌ها پاسخ‌های سریع برای نیاز های بازار آماده می‌کنند. کاربرد حوزه سوم رادارهای UWB در شکل دادن تصویر هدف رادار با استفاده از افزایش زیاد کیفیت و کمیت اطلاعات دریافتی است. رادارهایی از این نوع در آینده ای نزدیک کاربردهای گسترده ای خواهند داشت.

 

رادارهای دهانه ترکیبی

درحال حاضر فقط رادارهای دهانه ترکیبی (synthetic-aperture) بر اساس سیستم عامل‌های موجود در هوا، ازسیگنال‌های UWB برای گرفتن تصویر هدف رادار استفاده می‌کنند. این رادارها برای نقشهبرداری زمین و جستجوی اشیاء پنهان شده توسط پوشش گیاهی یا روش‌های دیگر استفاده می‌شوند. کاربرد حوزه چهارم رادارهای UWB، در کنترل مناطق، فرودگاه‌ها، جنگل‌ها و بقیه مناطق تعیین شده است. این رادارها یک متوسط مکانی بین رادارهای رنج کوتاه و بلند نگه می‌دارند. این رادارها فقط وضوح بالاهدف را مهیا نمی‌کنند بلکه عملیات ایمنی بالا در حالت پسیو و میر پسیو دارند.

جدول 1: تفاوت ها بین رادارهای UWB و باند باریک و ویژگی های خاص آن ها

حوزه مخابرات دوربرد یک کاربرد حقیقی از آنتن ‌های UWB

امروزه حوزه مخابرات دوربرد یک کاربرد حقیقی از آنتن‌ های UWB است. این رادارها به سازمان دادن عملکر برخی از کانال‌های مستقل مخابراتی در باند فرکانسی مشابه کمک می‌کنند. برای انجام این کار،در هرکانال مخابراتی، یک سیگنال باند باریک، اطلاعات میکس شده با سیگنال شبه تصادفی UWB که در فضا منتشر شده را حمل می‌کند. با استفاده از مجموعه N مستقل (متعامد) از سیگنال شبه تصادفی UWB ،ما می‌توانیم N را مانند کانال‌های عمل کننده در باند فرکانسی سیگنال UWB، بدون تداخل متقابل بدست آوریم.

در مکان گیرنده، یک سیگنال اطلاعات انتخاب شده از یک سیگنال شبه تصادفی و انتقالی به مصرف کننده را حمل می‌کند. سیگنال‌های UWB به غلبه بر معایب سیستم‌های مخابراتی ناشی از انتشار جداگانه و امواج الکترومغناطیسی کمک می‌کنند. در سال گذشته، رشد میزان علاقه به سمت تکنولوژی UWB بوده است. هم به صورت کلی و هم به طور خاص به آنتن ‌های UWB. تعداد زیادی از مراکز تحقیقاتی علمی در ایالات متحده آمریکا، روسه، ژاپن و کشورهای دیگر بر روی تئوری آنتن‌ های UWB و توسعه مخابرات UWB و سیستم‌های رادار به سختی در حال کار هستند.

همایش‌ها و کنفرانس‌ها

علاقه زیاد به تکنولوژی و رادارهای UWB توسط رشد تعداد کارهای ایجادشده در این زمینه تأیید می‌شود. تقریبا همه آخرین همایش‌ها و کنفرانس‌ها در زمینه ی رادار( Radar, PIERS, EUSAR) یک بخش خاص یا گروه در زمینه رادارهای UWB دارند. همایش‌های بین المللی خاص انجام شده عبارت اند از: کنفرانس توان پالسی (IPPC) ،الکترومغناطیس باند فراگسترده (UWBEM)، همایش قدرت مدولاتور (PMS) ،همایش رادارهای نفوذکننده در زمین (GPR)، وخیلی‌های دیگر.

هر دوسال یک کنفرانس بین المللی کاملا به فن‌آوری های UWB(کنفرانس الکترومغناطیس باند فراگسترده پالس کوتاه) اختصاص داده می‌شود. این علاقه زیاد به تکنولوژی UWB یک اتفاق تصادفی نیست. توسعه فناوری UWB به فهمیدن پتانسیل‌های رادارهای UWB و سود رساندن به کسانی که به طور گسترده آن را در مناطق مختلف استفاده می‌کنند، کمک می‌کند. امروزه منابع بزرگ علمی بر روی زمینه تکنولوژی UWB در بسیاری از کشورهای پیشرفته جهان متمرکز شده است. در حقیقت، ماممکن است بگوییم که مسابقات پنهان در تکنولوژی UWB شروع شده است. کشوری برنده خواهد شد که قابلیت‌های اطلاعات خودرا اساسا افزایش دهد.

کاربرهای پزشکی تکنیک رادار UWB

به وسیله استفاده از یک آنتن بدون تشدید (برای اجتناب از طنین)، MIR به عنوان یک مانیتور قلبی عروقی – برای کشف انقباض قلبی، حرکت دیوار شریانی و یک مانتیتور تنفسی برای کشف حرکات تنفسی عمل می‌کند. به علاوه، سیستم MIR به عنوان سنسورهای الکترومغناطیسی (EM-sensor) برای تشخیص فعالیت های تارهای صوتی و پارامترهای صحبت کردن آزمایش شده اند. استفاده از رادارهای UWB در ارزیابی حرکت قلبی یک مکمل فوق العاده‌ی ثبات ضربان قلب به وسیله برق (Electrocardiogram) (ECG) به عنوان یک جفت علت و معلول است.

رابطه بین رادار UWB ردیابی قلب و  MDها

موضوعی که بیش‌تر برای فیزیکدان‌ها مورد علاقه است. رابطه بین رادار UWB ردیابی قلب و چیزهایی است که MDها در حال حاضر به خوبی می‌دانند: ثبت ضربان قلب با اکو (echo diagram) مود M است که از فراصوت استفاده می‌کنند.

کلینیک‌های کودکان برای گوش، (ICU) مراقبت سلامتی خانگی، اتاق‌های اورژانس، بخش‌های مراقبت شدید عملیات‌های نجات (برای پیداکردن ضربان قلبی زیر SIDS)، به زنگ بودن برای سندروم مرگ ناگهانی کودک آوار یا خاک یا برف یا اجرای قانون فقط بعضی از حوزه‌های بالقوه کاربردها هستند.

ردیابی ضربان شریانی نیز به دست آمده، این حوزه سزاوار توجه بیش‌تری است. همان‌طور که حرکت دیواره شریانی به فشار ضربان داخلی مرتبط است، یک نظارت فشار ضربانی شریانی باید به دست آورده شود. توسط نظارت ضربان فشار بر دو بخش مختلف یک سرخرگ، یک اندازه‌گیری سرعت فشار پالس (سرعت فاز) می‌تواند به دست بیاید. سرعت فشار پالس بسیار بالاتر از سرعت خون کلی در رگ است.

تشعشعات آنتن ‌های UWB ایمن هستند و بنابراین سیستم بسیار مناسب است برای یک ابزار قرار گرفته به طور قانونی برای مانیتور کردن آخرین دوره بارداری یا برای کمک در ارزیابی پیشرفت زایمان است. رادار UWB زایمانی، به یک کنترل میکروپروسسور مخصوص range gating و یک پردازش سیگنال کاملا دقیق برای استخراج اطلاعات مختلف از سیگنال اکو نیاز خواهد داشت.

مانیتورهای جنینی

آنتن ‌های UWB می‌توانند با مانیتورهای جنینی استفاده شونده در حال حاضر که از فراصوت (برای کشف جریان خون جفت)، و سنسورهای فشار (برای کشف تقابل بطنی) استفاده می‌کنند جایگزین شوند. سیگنال های رادار UWB شامل اطلاعاتی درباره ضربان قلب مادر، ضربان تنفس مادر، ضربان قلب جنین و ضربان تنفس جنین و تقابلات شکمی است. علاوه بر آن، عملیات از راه دور، بدون تماس و بدون هجوم، بطور مرسوم به سلامت مادر و کودک منجر می‌شود.

احتمالا از نقطه نظر فنی، جالب‌ترین ویژگی این وسیله، در قسمت بسیار پایین و تولید راحت آن قرارگرفته حتی اگر این سیستم بطور اساسی در منطقه مایکروویو کار کند، این می‌تواند از اجزای الکترونیکی در دسترس ساخته شود و نه تنظیمات معمول یا حفره خاص یا استریپ لاین مورد نیاز است.

یک برد، ورژن آماتوری، در جایی نزدیک 800 مگاهرتز کار می‌کند، در دانشگاه رم در یک همکاری بین دپارتمان مرکز مهندسی پزشکی و مهندسی الکترونیک. تنها اجزای بحرانی که آن‌ها برای بسیاری کاربردها سودمند باشند، باید بدون تشدید باشد.

تشخیص صحبت کردن

تشخیص صحبت کردن و نظارت ساختارهای زندگی کردن که با آواگری درگیرشده، این اواخر توسط برخی محققان به آزمایشگاه ملی لورانس لیورمور (جایی که میکروفون راداری توسعه یافت)، در دانشگاه دیویس کالیفرنیا  و دانشگاه لوا، کار روی اینکه چگونه انسان سخن گفتن را تولید می‌کند در حال پیشرفت است. علاوه بر آن اطلاعاتی برای تشخیص صحبت، جمعآوری شده است. تایید سخنگو و ترکیب سخن!تولیدات مصرف کننده مبنی بر رادارهای UWB میتواند با ارزانی چند دلار ایالات متحده در آینده ای نزدیک به دست بیاید.

برای کاربردهای پزشکی زیستی (بیومدیکال)، یک جفت پالس قدرت پیک وات که کافی و شامل دوره زمان بسیار کم، قدرت منتشر شده بسیار ناچیز در حدود ده‌ها میکرو وات است. این سطح قدرت بسیار ضعیف است و برای انسان امن در نظر گرفته می‌شود. بعنوان یک نتیجه هیچ آسیبی به بیمار حتی در نظارت عملیاتی مزمن نمی‌رسد. مطالعات زیادی در حاضر منتشر شده است. با توجه به تاثیرات قرار گرفتن در معرض تشعشعات رادارهای UWB . علاوه بر آن وسایل کارکننده با باتری، انتظار می‌رود که یک زمان زمان کارکردن بزرگ بین جایگزینی باتری داشته باشد.

یک رادار UWB اپتیک

اگر آنتن فرستنده گیرنده توسط یک دیود لیزری و جفت فوتو دیود جایگزین شود چه می‌شود؟ یک نتیجه رادار UWB فوری: به جای تشعشع یک پالس الکترومغناطیسی کوتاه یک قطار موج، قطار موج کوتاه نور (در همان انرژی بسیار سریع کشف شده است. نتایج PIN الکترومغناطیسی (تشعشع شده است و اکوها توسط یک فوتو دیود کاربردهای بیومدیکال جالب هستند.

این بخوبی شناخته شده است که جمجمه و مغز در یک انرژی شفاف به کل مغز استفاده می‌شوند برای وارسی کردن متابولیسم مغز و گردش IR طیف‌های فرستنده ،(IR) مادون قرمز مطالعات یکسان می‌تواند همراه با UWB خون، بخصوص در نوزادان استفاده از سیستم‌های مبتنی بر رادارهای قطاع مغز در محیط طبیعی و بدون هجوم با نتایج بهتر IR یک تکنیک زمان حل شدن، قادرسازی تصویر کردن انجام شود. از علایق عادی می‌تواند تشعشعات اشباع اکسیژن هموگلبین در بخش‌های منتخب مغز باشد. رادار تطبیق شده، بعبارت دیگر به خوبی شناخته شده، روش نظارت اشباع اکسیژن می‌تواند استفاده شود.

رادار UWB برای اندازه گیری پارامترهای اساسی علائم حیاتی بیماران

رادار UWB توضیح داده شده در این مقاله برای اندازه گیری از راه دور علائم حیاتی بیماران مانند تنفس، ضربان قلب و حرکت قفسه سینه و نیز مشکلات قلبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از کاربردهای دیگر این رادار استفاده از آن برای پیدا کردن افراد زیر خرابه‌ها و یا بین انبوه پوشش گیاهی و یا برف انبوه همچنین برای مشخص کردن مجرمین پنهان شده در محل‌های مختلف. در اینجا ما به مورد اندازه گیری علائم حیاتی میپردازیم.

روش اندازه گیری و مزایای سیستم آنتن‌ های UWB

روش اندازه‌گیری از راه دور تنفس و ضربان قلب با استفاده از فرکانس بر اساس اندازه گیری شتاب حرکات قفسه سینه و ضربان قیل می‌باشد. اندازه گیری بر اساس روش راداری می‌باشد و از امواج الکترومغناطیسی، برگشت جزئی آن‌ها و میزان نفوذ امواج برای پردازش و محاسبات استفاده می‌شود. سیگنال‌های UWB با طول موج‌های ما بین ( 0.2 تا 1) نانو ثانیه برای انتقال انرژی انتخاب شده اند.

این انتخاب سیگنال برای ما این امکانات را فراهم می‌آورد: 1. برای افزایش دقت برای اندازه گیری پارامترهای مربوط به قلب و حرکات قفسه سینه. 2. برای کاهش حداقل فاصله قابل اندازه گیری برای انجام محاسبات. 3 برای کاهش چگالی طیفی و قدرت سیگنال انتشار یافته، سطح انتشار الکترومغناطیسی و استفاده به عنوان وسیله پزشکی. 4. برای کاهش حجم دستگاه‌ها. 5. برای افزایش حفاظت دستگاه ها در مقابل تداخل‌های محیطی و بالا بردن قابلیت‌های اندازه گیری.

نمای بلوک رادار UWB

یک نمای ساده از رادار در شکل آمده است.

نوسان‌ساز با کنترلر فرکانس‌های تکرار پالس‌ها، رشته پالس‌های مستطیلی با فرکانس تکرار 0.05 تا 30 مگاهرتز تولید می‌کند. این پالس‌ها وارد شکل‌دهنده پالس و خط تأخیر می‌شوند. سپس از خروجی شکلدهنده وارد آنتن می‌شود و در فضا انتشار می‌یابد. پالس‌های انتشار یافته از آنتن به وسیله سطح متحرک قفسه سینه و قلب شخص مورد آزمایش که در جای خود تحرک دارد انعکاس می‌یابد در این حالت سیگنال‌های برگشتی که با توجه به سرعت تپش قلب و یا حرکت قفسه سینه مدوله شده است توسط آنتن گیرنده دریافت می‌شود که یک نمونه آن در شکل زیر نشان داده شده است.

واضح است که در این مورد رادار تحت نویز شدید قرار دارد که شامل عوامل خارجی و سیگنال‌های برگشتی از اجسام و دیوارها می‌باشد که دارای دامنه زیاد می باشند.

از بین بردن تداخل از بازه های زمانی

برای از بین بردن تداخل از بازه های زمانی تعریف شده در خودپردازنده رادار استفاده می‌کنیم،بدین صورت که در هنگام ورود سیگنال برگشتی ورودی را بازکرده و در زمان‌های دیگر بسته نگه می‌دارد. این وظیفه توسط قسمت تفکیک کننده زمانی انجام می‌شود که فواصل زمانی ما بین 200 تا 300 پیکو ثانیه می‌باشد که شامل کلیدهای سریع می‌باشد. کلید مستقیما آنتن را به تقویت کننده UWB وصل می‌کند زمان‌های قطع و وصل کلید با توجه به ورودی همراه با تأخیر زمانی کنترل می‌شودکه خود این شامل یک نرم افزار کنترلی است.

درحقیقت دروازه ورودی سیستم شامل نرم افزار کنترلر خط تأخیر و شکل‌دهنده پالس است که توسط یک میکروکنترلر انجام می‌شود که همچنین فاصله بیمار تا رادار را نیز تعیین می‌کند. ثابت زمانی انتگرال در تقویت کننده انتگرالی باتوجه به عرض باند سیگنال مورد نظر انتخاب می‌شود. درمورد اندازه گیری میزان تپش قلب و دیگر تحرکات در قفسه سینه فرکانس این نوسانات معمولا بین 400 تا 500 هرتز است و به عبارت دیگر 10 تا 30 هزار پالس.

کاهش توان تشعشعی

این مقادیر اجازه کاهش توان تشعشعی و افزایش ضریب سیگنال به نویز را به ما می‌دهد. سیگنال‌ها بعد از تقویت‌کننده وارد مبدل آنالوگ به دیجیتال می‌شود. در این قسمت سیگنال‌ها به صورت داده های دیجیتال در آموده و به قسمت بعدی هدایت می‌شوند. در قسمت میکروکنترلر الگوریتم‌هایی روی داده‌ها اعمال می‌شود و نتایج آماده نمایش می‌گردد.

برنامه‌های اعمالی روی داده‌ها در قسمت کامپیوتر الگوریتم تبدیل سریع فوریه و فیلتر کردن اطلاعات است. همچنین تمیز دادن اجسام متحرک از اجسام ثابت نیز مربوط به این قسمت می‌شود. خود سخت افزار رادار طوری طراحی شده است که از تداخل فرکانسی و مدولاسیونی خارجی و حتی تداخل قسمت‌های خود رادار در کار یکدیگر اجتناب شود.

اجرای عملی

نمونه اولیه رادار باتوجه به نکات توضیح داده شده ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفت. اطلاعات مربوط به سیستم در جدول 2 زیر آمده است.

جدول 2: اطلاعات مربوط به سیستم

نمای واقعی رادار در شکل زیر آمده است.