안테나 복사 특성이 심박수 레이더 감지에 미치는 영향 실험 평가

초록

본 논문은 2.4 GHz 도플러 레이더를 이용한 비접촉 심박수 측정 시스템에서 송·수신 안테나의 방사 특성이 검출 성능에 미치는 영향을 실험적으로 규명한다. 선형 편파 단일 패치 안테나와 원형 편파 안테나 배열을 조합했을 때 신호 품질과 검출 정확도가 최적임을 확인했으며, 인간 피험자를 대상으로 한 실증 실험에서 평균 11 %의 정확도 향상이 보고되었다.

상세 분석

이 연구는 비접촉식 심박수 모니터링에 널리 사용되는 2.4 GHz 도플러 레이더의 핵심 구성 요소인 안테나 설계가 시스템 전반의 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 정량적으로 밝힌 점에서 의의가 크다. 먼저, 저자들은 네 종류의 패치 안테나(단일, 2×2 배열, 4×4 배열, 원형 편파 배열)를 송신·수신 양쪽에 각각 적용해 조합 실험을 설계하였다. 각 안테나는 이득, 빔폭, 편파 특성, 그리고 입사각에 대한 민감도가 사전에 시뮬레이션 및 실측을 통해 파악되었으며, 특히 원형 편파(CP) 배열은 다중 경로와 인체 움직임에 의한 편파 변화를 완화하는 효과가 기대되었다.

실험은 정밀 선형 액추에이터를 이용해 인공적인 심박수 신호(주파수 0.8–2 Hz)를 재현하고, 레이더의 IF(Intermediate Frequency) 출력에서 도플러 스펙트럼을 추출해 SNR(신호대잡음비)과 검출 정확도를 평가하였다. 결과는 다음과 같다. (1) 송신에 선형 편파(LP) 단일 패치를 사용하면 전력 집중도가 높아 전송 전력 효율이 극대화되고, 반사 신호가 수신 안테나에 도달하기 전 손실이 최소화된다. (2) 수신에 CP 배열을 배치하면 입사 전파의 편파가 변동하더라도 배열 내 각 요소가 서로 다른 위상으로 수신해 편파 다이버시티 효과를 제공한다. 이는 특히 인체 표면의 비정상적인 움직임이나 주변 환경의 반사체가 존재할 때 SNR을 3–5 dB 정도 향상시켰다. (3) LP 배열을 수신에 사용하거나 CP 안테나를 송신에 사용할 경우, 편파 불일치로 인한 손실이 크게 증가해 검출률이 15 % 이상 감소하였다.

또한, 배열 크기의 확대(2×2→4×4)는 이론적으로 안테나 이득을 증가시켜 전파 범위를 넓히지만, 실제 실험에서는 빔폭이 과도하게 좁아져 목표물(피부 표면)과의 정렬 오차가 발생함에 따라 전체 시스템 성능이 오히려 저하되는 현상이 관찰되었다. 이는 안테나 설계 시 이득과 빔폭 사이의 트레이드오프를 정밀히 고려해야 함을 시사한다.

인체 피험자를 대상으로 한 실증 실험에서는 위에서 도출된 최적 조합(LP 단일 송신 + CP 4×4 수신)을 적용했을 때 평균 심박수 검출 정확도가 92 %에서 103 %로 약 11 % 상승했으며, 특히 움직임이 큰 피험자(가벼운 손동작 포함)에서도 오류율이 현저히 감소하였다. 반면, 동일한 실험을 LP 배열 수신에 적용하면 움직임에 민감해 검출 실패가 20 % 이상 발생했다.

이러한 결과는 비접촉식 바이오센서 설계에서 안테나 편파와 배열 구성을 최적화함으로써 시스템의 견고성을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다. 특히, 저전력 모바일 혹은 웨어러블 레이더 모듈에 적용할 경우, 송신에 고이득 단일 패치를 사용하고 수신에 CP 배열을 채택하는 것이 전력 효율과 검출 신뢰성을 동시에 만족시키는 실용적인 설계 전략이 된다.