KR101090836B1

KR101090836B1 - 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서

Info

Publication number: KR101090836B1
Application number: KR1020100040017A
Authority: KR
Inventors: 문준호; 장병준; 강병훈
Original assignee: (주)필텍
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2011-12-08
Also published as: KR20110120553A

Abstract

인체의 호흡 및 심박수 측정을 위해 2.4GHz에서 동작하는 모션센서 시스템의 소형화 및 성능개선 방안으로서 하나의 원형편파 안테나와 PLL회로를 갖는 시스템을 제공한다. 본 발명에 의한 모션센서는 90°하이브리드 회로를 이용하여 원형편파 특성과 송수신 격리특성을 갖는 마이크로스트립 안테나, 저잡음 증폭기, 전력증폭기, 위상고정루프를 갖는 전압제어발진기, 직교 복조기 및 아날로그 회로로 구성된다.
특히, 단일 원형편파 안테나를 소형화하기 위하여 원형 링(annular-ring) 형태의 마이크로스트립 안테나를 송수신회로와 적층함으로써, 40x40 ㎜2의 크기로 소형화할 수 있다. 또한, 누설 송신신호에 인한 수신부의 위상잡음의 영향을 최소화하기 위하여 PLL 회로를 채용함으로써, 개선된 신호대 잡음비 성능을 갖도록 한다. 설계된 모션센서시스템은 특별한 신호처리 없이 50cm 떨어진 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있음을 확인한다.

Description

하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서{Motion sensor using a Single Circular-Polarized Antenna}

본 발명은 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원형 링(annular-ring) 형태의 마이크로스트립 안테나를 송수신회로와 적층함으로써 소형화하고, PLL 회로를 채용함으로써 누설 송신신호로 인한 위상잡음의 영향을 최소화하고, 개선된 신호대 잡음비 성능을 가질 수 있는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서에 관한 것이다.

물체를 검출하여 그 물체의 움직임에 따라 다양한 동작을 행하는 다양한 센서들이 알려져 있다. 예를 들면, 초음파 센서 또는 자외선 센서는 실내 또는 현관 등에 초음파 또는 자외선을 방출하고 실내 또는 현관 등에 사람이 있을 때 그 반사되는 초음파 또는 자외선에 따라 실내의 등을 점등하거나 소등하거나 하는 자동 실내등 온,오프 장치에 사용되고 있다.

적외선 센서는 현관 등의 천정에 설치되어 사람이 현관에 들어서면 사람의 몸에서 발생하는 적외선을 검출하고 그 검출된 적외선 신호를 현관등 제어기에 출력하여 현관등 제어기가 인체 검출신호에 따라 현관 등을 켜거나 끄거나 하는 동작을 행하게 한다.

또한 다수의 움직임 센서들은 카메라에 찍히는 영상에서 물체를 검출하고 그 검출된 물체의 움직임에 따라 도어를 제어하거나 건널목에서 차단기를 자동으로 작동시키는 자동 동어시스템 또는 자동 건널목 차단시스템에 사용된다.

이러한 종래 기술에 의한 초음파 센서 및 광센서들은 직진성을 가지기 때문에 초음파 또는 광이 방출되는 방향에서 일정한 각도로 벗어나 있는 물체에 대해서는 감지하지 못하거나 물체에 반사되어 되돌아오는 신호가 심각하게 왜곡되어 물체의 감지가 불가능한 경우가 발생한다.

또한 종래 기술에 의한 초음파 센서 및 광센서들은 현관이나 실내와 같은 일정한 용적을 갖는 공간에 대해 물체의 존재 여부를 감지하는 것이어서 물체의 속도나 방향에 대해 감지할 수 없는 문제점이 있었다.

최근 전자파를 이용한 일종의 모션센서로서 전자파를 이용하여 1m 이상 떨어진 원거리에서 심박 및 호흡 신호를 측정할 수 있는 바이오 레이더 시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 바이오 레이더시스템은 처음에는 시스템의 부피가 크고 측정거리도 수 cm에 불과해 상용화하기 어려웠지만 최근 반도체, RF, 통신 기술 등의 발달로 저렴하면서도 긴 측정거리를 갖는 바이오 레이더 시스템이 개발되고 있다.

현재까지 바이오 레이더의 동작 주파수를 살펴보면, Ka-대역, 5.8GHz, 2.4GHz 등이 주로 사용된다. 이 중에서 2.4GHz 대역은 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역이면서도 저가의 상용부품 및 FR-4를 이용한 인쇄회로기판의 제작이 가능하다는 장점으로 인해 관심이 높은 주파수 대역이다.

하지만 2.4GHz 대역은 파장이 약 12cm 정도로 안테나의 크기가 크기 때문에 소형화에 한계가 있다. 게다가 바이오 레이더의 송수신 신호의 분리를 위하여 두 개의 안테나를 사용하게 되면 2.4GHz 대역에서 소형화는 더욱 더 힘들게 된다.

한국특허공보 10-624509호에 원형 편파를 이용한 두 개의 서로 다른 편파성분을 가지는 송신, 수신안테나를 사용함으로써 종래에 하나의 선형 안테나로 송신과 수신을 함께 수행하는 방식보다 분리도(isolation) 효과를 높인 종래의 기술의 대표적인 예가 개시된다.

도 1에 종래의 기술에 따른 심장박동 감지 시스템의 구성을 나타내는 블록도가 도시된다.

종래의 기술에 따른 심장박동 감지 시스템은 유전체 발진기(Dielectric Oscillator)(100), 전력 분배기(Power Divider)(200), 혼합기(Mixer)(300), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)(400), 송신안테나(500), 수신안테나(600) 및 베이스밴드부(700)를 포함한다.

상기 종래의 기술에 따른 심장박동 감지 시스템은 원형 편파 안테나를 사용하지만 두 개의 서로 다른 편파성분을 가지는 송신, 수신안테나를 사용하기 때문에 크기가 커진다는 문제점이 있다.

또한, 한국등록 실용신안공보 20-341979호에 안테나 송신부와 안테나 수신부가 하나의 모듈 내에 장착된 마이크로웨이브 모션센서 장치가 개시되어 있다.

이 종래 기술에 의한 마이크로웨이브 모션센서 장치는 S-BAND 대역폭 2∼4GHz의 고주파를 발생시키는 센서모듈에 의해 물체의 변화되는 움직임을 파악하면, 상기 센서모듈 출력부를 통해 파악된 감지신호를 마이콤 제어부로 전달하고, 상기 마이콤 제어부는 상기 신호를 분석하고 제어하도록 하되, 상기 감지신호를 증폭시켜 제어한 후, 지정된 민감도와 응답시간에 따라 함께 연계된 외부장치를 최종적으로 동작시켜 기존 적외선 센서를 이용한 감지오류를 최소화 할 수 있도록 하지만, 이 종래기술도 송신안테나와 수신안테나가 분리되어 2개의 안테나가 필요하기 때문에 크기를 줄일 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 원형 편파(CP: Circular Polarization) 특성을 갖는 마이크로스트립 구조의 안테나를 하나만 사용하고 송수신부와 일체형으로 집적화하여 모션센서의 크기를 줄일 수 있는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 사람의 신체에 우원형 편파의 전파가 입사되면, 반사되는 신호는 좌원형 편파로 바뀌는 원리를 이용하여 송신 시에는 우원형 편파 신호를 송신하고, 수신 시에는 좌원형 편파 신호를 수신하기 위하여 하나의 안테나와 90°하이브리드(hybrid) 회로를 이용하여 송수신 신호를 분리함으로써 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 위상고정루프 (PLL: Phase Locked Loop) 회로를 추가하여 하나의 안테나를 사용함에 따라 발생하는 송수신 격리도의 저하에 따른 누설 송신신호의 위상잡음을 줄이고 신호대 잡음비 특성을 개선할 수 있는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 모션센서는 90°하이브리드 회로를 이용하여 원형편파 특성과 송수신 격리특성을 갖는 마이크로스트립 안테나와; 전압제어발진기에서 출력되는 송신신호를 90°위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 상기 마이크로스트립 안테나에 급전하고, 상기 마이크로스트립 안테나에서 수신되는 인체에 의해 반사된 수신신호인 좌원형편파(LHCP) 특성을 갖는 수신신호는 저잡음 증폭기로 출력하는 90°하이브리드 회로와; 상기 90°하이브리드 회로에서 출력되는 수신신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와; 전압제어발진기에서 출력되는 송신신호를 증폭하여 90°하이브리드 회로의 송신단자에 출력하는 전력증폭기와; 위상고정루프(PLL)를 갖는 전압제어발진기와; 상기 저잡음 증폭기에서 출력되는 잡음이 제거된 수신신호를 대역통과신호만을 출력하는 RF 대역통과 필터와; 상기 RF 대역통과 필터에서 출력되는 수신신호에 상기 전압제어발진기의 신호를 혼합하는 믹서부와; 상기 믹서부에서 출력되는 수신신호에서 베이스 밴드 신호를 복조하는 직교 복조기와; 상기 직교복조기에서 출력되는 신호를 처리하여 물체의 움직임을 추출하는 디지털 신호처리부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 상기 마이크로스트립 안테나는 FR-4 기판으로 제작되는 덮개층, 기판 및 바닥층의 3개층으로 구성되고, 상기 덮개층과 기판 사이에 도넛 형태이며 도체로 제작되는 마이크로스트립과; 상기 마이크로스트립 내부에 원형 스트립을 제거하여 형성된 2개의 프로브 구멍 내부에 위치하고 상기 프로브 구멍보다 작으며 도체로 형성되는 2개의 프로브와; 상기 기판과 바닥층 사이에 형성되고 상기 프로브가 통과하는 구멍을 구비하는 그라운드 패턴과; 상기 바닥층의 외부 바닥면에 부착되어 형성되고 상기 2개의 프로브와 90°하이브리드 회로를 연결하는 연결선으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 상기 마이크로 스트립 안테나와 그라운드 패턴 사이에 두께가 3.2㎜ 로서 두꺼운 기판을 사용하고 안테나 윗면에 덮개층을 추가함으로써 2.4 ㎓ ISM 대역 전체에서 동작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 상기 마이크로 스트립 안테나의 급전부 주위에 작은 동심 슬롯의 간격(G_out-G_in)을 조절하여 상기 프로브의 길이가 증가에 따른 인덕턴스를 상쇄할 수 있는 캐패시턴스를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 인체에 입사된 우원형 편파가 좌원형 편파로 반사되는 것을 이용하여 원형편파 특성을 갖는 마이크로스트립 구조의 안테나를 하나만을 송수신안테나로서 사용함으로써 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, PLL 회로를 추가하여 송수신 안테나 하나만을 사용하는 것에 의해 90°하이브리드 회로의 송수신 격리도 특성이 나빠지는 것을 개선할 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 원형편파를 이용한 실시간 심장박동 무선감지 시스템,
도 2는 본 발명에 의한 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서의 구성을 나타내는 블록도,
도 3(a)및 도 3(b)는 본 발명에 의한 마이크로스트립 안테나와 90°하이브리드 회로에 의해 편파 분리 기능과 듀플렉싱 기능을 보이는 설명도,
도 4는 본 발명에 의한 모션센서의 마이크로스트립 안테나의 구성을 나타내는 분해 사시도,
도 5(a)및 도 5(b)는 본 발명에 의한 모션센서의 마이크로스트립 안테나의 구조를 나타내는 평면도 및 단면도
도 6은 본 발명에 의한 마이크로스트립 안테나(10)의 입력 반사 계수와 송수신 분리도,
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명에 의한 마이크로스트립 안테나의 우원형 편파(RHCP)와 좌원형 편파(LHCP)로 동작시 방사 패턴 특성,
도 8(a)는 본 발명에 의한 모션센서의 PLL 회로에 전원을 인가하지 않고 PLL lock을 시키지 않은 상태에서 인체에 전극식 3-lead ECG 센서와 호흡 센서를 부착하여 동시에 측정한 결과,
도 8(b)는 본 발명에 의한 모션센서의 PLL 회로에 전원을 인가하여 PLL lock을 시킨 상태에서 인체에 전극식 3-lead ECG 센서와 호흡 센서를 부착하여 동시에 측정한 결과,
도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명에 의한 모션센서에 의해 측정한 결과를 주파수 영역으로 변환하여 전력 스펙트럼 밀도로 계산한 결과이다.

이하, 본 발명의 구성, 작용 및 효과를 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에 본 발명에 의한 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서의 구성을 나타내는 블록도가 도시된다.

본 발명에 의한 모션센서는 90°하이브리드 회로(20)를 이용하여 원형편파 특성과 송수신 격리특성을 갖는 마이크로스트립 안테나(10)와; 전압제어발진기(60)에서 출력되는 송신신호를 90°위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 상기 마이크로스트립 안테나(10)에 급전하고, 상기 마이크로스트립 안테나(10)에서 수신되는 인체에 의해 반사된 수신신호인 좌원형편파(LHCP) 특성을 갖는 수신신호는 저잡음 증폭기(30)로 출력하는 90°하이브리드 회로(20)와; 상기 90°하이브리드 회로(20)에서 출력되는 수신신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(30)와; 전압제어발진기(60)에서 출력되는 송신신호를 증폭하여 90°하이브리드 회로(20)의 송신단자에 출력하는 전력증폭기(40)와; 위상고정루프(PLL)를 갖는 전압제어발진기(60)와; 상기 저잡음 증폭기(30)에서 출력되는 잡음이 제거된 수신신호를 대역통과신호만을 출력하는 RF 대역통과 필터(50)와; 상기 RF 대역통과 필터(50)에서 출력되는 수신신호에 상기 전압제어발진기(60)의 신호를 혼합하는 믹서부(70)와; 상기 믹서부(70)에서 출력되는 수신신호에서 베이스 밴드 신호를 복조하는 직교 복조기(80)와; 상기 직교복조기(80)에서 출력되는 신호를 처리하여 물체의 움직임을 추출하는 디지털 신호처리부(90)로 구성된다.

전압제어발진기(60)의 출력은 전력증폭기(40)에서 전력증폭되어 출력되는 송신측 출력과 I/Q복조기(80)의 국부발진기 신호로 나뉘며, 송신(TX) 신호는 전력증폭기(40)에 의해 증폭되고 90°하이브리드 회로(20)를 거친 후 마이크로스트립 안테나(10)를 통해 방사되며 수신(RX) 신호는 역산란된 신호를 기저대역으로 주파수 변환하는데 사용된다.

90°하이브리드 회로(20)는 도 3(a)및 도 3(b)에 도시된 바와 같이 편파 분리 기능과 듀플렉싱 기능을 동시에 가진다. 먼저, 송신신호는 90°하이브리드 회로(20)의 송신입력단자(TX)에 입력되면, 90°위상차를 갖는 2개의 신호로 분리되고 이 두 신호가 마이크로스트립 안테나(10)로 급전됨으로써 시계방향으로 회전하는 우원형편파(RHCP) 특성을 갖는 신호가 발생된다.

이때 수신단자는 180°위상차가 발생하므로 신호가 출력되지 않는 격리 특성을 갖는다. 반대로 인체에 의해 반사된 수신신호인 좌원형편파(LHCP) 특성을 갖는 신호의 경우 90°하이브리드 회로(20)에 의해 수신단자(RX)에 인가되고, 송신단자(TX)로는 180°위상차로 인해 신호가 출력되지 않는다. 이러한 결과로서, 두 개의 다른 편파 특성을 갖는 송수신 안테나를 추가적인 전력 손실없이 하나의 안테나로 일체화시킬 수 있다.

도 4에 본 발명에 의한 모션센서의 마이크로스트립 안테나의 구성을 나타내는 분해 사시도가 도시된다.

본 발명에 의한 모션센서의 마이크로스트립 안테나(10)는 FR-4 기판으로 제작되는 덮개층(16), 기판(17) 및 바닥층(18)의 3개층으로 구성되고, 상기 덮개층(16a과 기판(17) 사이에 도넛 형태이며 도체로 제작되는 마이크로스트립(12)과; 상기 마이크로스트립(12) 내부에 원형 스트립을 제거하여 형성된 2개의 프로브 구멍(12a) 내부에 위치하고 상기 프로브 구멍(12a)보다 작으며 도체로 형성되는 2개의 프로브(11)와; 상기 기판(17)과 바닥층(18) 사이에 형성되고 상기 프로브(11)가 통과하는 구멍(13a)을 구비하는 그라운드 패턴(13)과; 상기 바닥층(18)의 외부 바닥면에 부착되어 형성되고 상기 2개의 프로브(11)와 90°하이브리드 회로(20)를 연결하는 연결선(15)으로 구성된다.

도 5(a) 및 도 5(b)에 본 발명에 의한 모션센서의 마이크로스트립 안테나의 구조를 나타내는 평면도 및 단면도가 도시된다.

본 발명에 의한 모션센서의 마이크로스트립 안테나(10)를 구성하는 마이크로스트립(12)은 도체로 제작되고, 내경 a=7.1㎜, 외경 b=13㎜이고, 기판(17)의 윗면에 부착되고 상기 덮개층(16)에 의해 덮여진다. 여기서 덮개층(16)은 1㎜의 두께이고, 기판(17)은 3.2㎜의 두께이다.

상기 마이크로스트립(12) 내부에 중심으로부터 거리 c=10.65 ㎜ 떨어진 부분에 서로 직각이고 지름 G_out=1㎜ 크기의 원형 스트립을 제거하여 2개의 프로브 슬롯(12a)이 형성되고, 상기 프로브 구멍(12a) 내부에 도체로 되고 지름 G_in= 0.7 ㎜ 인 2개의 프로브(11)가 각각 위치한다.

상기 2개의 프로브(11)는 상기 기판(17)과 바닥층(18) 및 그라운드 패턴(13)에 형성된 구멍(17a, 18a, 13a)들을 통해 90°하이브리드 회로(20)의 송,수신단자(Tx, Rx)에 연결된다.

본 발명에 의한 마이크로 스트립 안테나(10)는 기본 모드인 TM₁₁ 모드에서 동작할 때 어떤 다른 형태의 패치 안테나보다 소형이지만 공진기의 Q값이 높기 때문에 협대역 특성을 갖는다.

따라서, 마이크로 스트립 안테나(10)와 그라운드 패턴(13) 사이에 두께가 3.2㎜로서 두꺼운 기판(17)을 사용하고 안테나 윗면에 덮개층(16)을 추가함으로써 2.4㎓ ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역 전체에서 동작할 수 있도록 한다.

이 경우 두꺼운 기판(17)을 사용함에 따라 프로브(11)의 길이가 증가하여 인덕턴스가 발생하기 때문에, 이를 보상하기 위하여 마이크로 스트립 안테나(10)의 급전부 주위에 작은 동심 슬롯(12a)의 간격(G_out-G_in)을 조절하여 캐패시턴스를 발생시킨다.

이렇게 함으로서 인덕턴스 값을 상쇄시킬 수 있다. 또한 입력 임피던스의 실수값을 조절하기 위하여 프로브(11)의 위치 c를 조절하여 50 Ω 임피던스 정합이 되도록 한다.

본 발명에 의한 마이크로스트립 안테나(10)의 입력 반사 계수와 송수신 분리도는 네트워크 분석기를 이용하여 정하고, 그 결과를 도 6에 나타낸다. 먼저 안테나 자체의 입력 반사 특성을 측정하기 위하여 90°하이브리드 회로(20) 없이 안테나 프로브(11) 중 하나에 입력 포트를 연결하였으며, 측정 결과는 도 6 내부에 위치한 작은 그림과 같다.

작은 그림에서 보는 바와 같이 안테나는 이론치와 설계치가 유사한 특성을 가지며, 두꺼운 기판(17)과 덮개층(16)으로 인해 -10 dB 대역폭이 약 70 MHz 정도로 ISM 대역 전체에서 동작함을 확인할 수 있다.

다음에 송신과 수신의 경우, 우원형 편파(RHCP)와 좌원형 편파(LHCP)로 동작함을 확인하기 위하여 90°하이브리드 회로(20)를 포함한 입력 반사 특성과 격리 특성을 측정한다.

송수신 각각의 입력 반사계수는 동작 주파수에서는 안테나 자체의 특성을 보이며, 동작 주파수 이외에서는 90°하이브리드 회로(20)의 특성에 의해 광대역 특성을 보임을 확인할 수 있고, 90°하이브리드 회로(20)의 격리 특성은 2.4 GHz 동작 주파수에서 -22 dB임을 확인할 수 있으며, 안테나 특성에 의해 격리도의 대역폭 또한 결정됨을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 마이크로스트립 안테나의 우원형 편파(RHCP)와 좌원형 편파(LHCP)로 동작시 방사 패턴 특성을 나타낸다.

방사 패턴 측정은 차폐된 안테나 측정실에서 측정하였으며, 우원형 편파(RHCP) 측정 시는 송신 포트에 계측기를 연결하고, 수신 포트는 50Ω으로 종단하였으며 좌원형 편파(LHCP) 측정 시는 수신 포트에 계측기를 연결하고 송신 포트는 50 Ω으로 종단한다.

송신 모드에서 우원형 편파(RHCP)신호와 좌원형 편파(LHCP) 신호에 대한방사 패턴 값이 도 7(a)에 나타나 있으며, 수신 모드의 경우는 도 7(b)에 나타나 있다. 도 7(a)에 도시된 바와 같이 송신모드에서는 우원형 편파(RHCP: 실선으로 표시)의 방사 특성이 좌원형편파(LHCP: 점선)의 방사 특성보다 훨씬 좋은 것을 알 수 있다. 대략 0도 정도의 각도에서는 그 차이가 거의 20dB 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

안테나 송신 시는 도 7(a)에 도시된 바와 같이 우원형 편파(RHCP) 신호가 수신되며, 수신 시는 도 7(b)에 도시된 바와 같이 좌원형 편파(LHCP) 신호가 수신됨을 확인할 수 있다.

우원형 편파(RHCP)와 좌원형 편파(LHCP) 각각의 3 dB 빔 폭은 각각 140°와 132°로 측정되었으며, 각각의 편파 격리도는 최대이득 방향으로 -10 dB 이상임을 확인할 수 있다.

먼저 위상고정루프(PLL)를 갖는 전압제어발진기(60)의 LO신호는 Maxim사의 MAX2750 VCO IC로 제작된 VCO(61)로부터 발생되고, 위상 잡음을 개선하기 위한 위상고정 루프 PLL(62)은 Analog Device사의 Fractional-N 주파수 합성기인 ADF4153을 사용하였다.

VCO(61)의 출력 주파수는 ISM대역의 중심 주파수인 2.43 GHz이며 이 신호를 전력분배기를 이용하여 마이크로스트립 안테나(10)의 송수신 단자와 I/Q 복조기의 LO 단자에 각각 입력된다. 마이크로스트립 안테나(10)의 송수신 단자로 입력되기 전에 일본 NEC사의 RF 트랜지스터(2SC5508)를 이용하여 제작된 전력 증폭기(40)를 통과하여 10 dBm 정도까지 신호 레벨을 증폭시켰다.

증폭된 신호는 Anaren사의 90°hybrid인 Xinger 1P603에 의해 제작된 90°하이브리드 회로(20)를 통과하여 마이크로스트립 안테나(10)로 입력된다.

수신기의 경우, 마이크로스트립 안테나(10)와 90°하이브리드 회로(20)를 통과한 신호는 RF 트랜지스터(2SC5508)를 이용하여 자체 제작된 저잡음 증폭기(30)를 통과한 후 Skyworks사의 SKY73009에 의하여 제작된 I/Q 복조기(80)를 거쳐 I 신호와 Q 신호가 추출된다. 추출된 신호는 별도로 구성된 보드에 위치한 OP AMP로 구성된 대역 통과 필터와 기저 대역 증폭기를 통과한 후 신호처리부(90)로 입력되게 된다.

I 신호와 Q 신호는 목표물체로부터 반사되어 수신되는 수신신호에 믹서부(70)에서 VCO(61)의 발진신호와 혼합하여 직교복조기(80)에서 복조하여 추출되는데 I 신호와 Q 신호의 위상은 직교 복조기에 의해서 서로 90도의 위상 차이를 유지하면서 출력되게 된다. 이 때 목표물이 근접하는 방향으로 움직이게 되면 Q 신호의 위상이 I 신호의 위상보다 90도 가 늦어지고, 반대로 목표물이 멀어지는 방향으로 움직이게 되면 Q 신호의 위상이 I 신호의 위상보다 90도 빨라지게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 모션센서는 직교 복조기에 의해 I 신호와 Q 신호를 제공하므로 목표물체의 움직이는 방향을 계산할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.

송수신부 설계 시 모든 송수신부의 전원은 향후 양산 등을 고려하여 3 V 단일전원으로 동작할 수 있도록 전원부를 구성할 수 있고, 90°하이브리드 회로(20)를 제외한 송신부와 수신부는 주파수 간섭을 피하기 위하여 금속 하우징(housing)으로 분리한다.

본 발명에 의한 모션센서의 성능을 분석하기 위하여 인체의 정면에 모션센서 시스템을 설치하고, 본 발명에 의한 모션센서의 안테나 표면으로부터 가슴까지 50 cm 떨어진 성인 남성의 호흡 및 심박수를 측정하였다.

본 발명에 의한 모션센서 시스템의 정확도를 판별하기 위해 인체에 전극식 3-lead ECG 센서와 호흡 센서를 부착하여 동시에 측정하였다. 먼저 PLL 회로(62)에 연결되는 전원부를 끊어 PLL lock을 시키지 않은 상태에서 50cm 떨어진 사람의 측정 결과가 도 8(a)에 도시된다.

측정 시 아무런 신호 처리 과정을 거치지않고, 아날로그 필터만 거친 신호 파형을 표시한다. I 신호가 Q 신호보다 호흡 신호의 크기가 분명하게 보이는 것은 위상 다이버시티에 의해 I가 최적점에 위치함을 의미한다.

이 결과로부터 예측할 수 있듯이 PLL 회로(62) 없이 VCO(61) 단독인 경우에도 호흡 및 심박 수를 신호 처리 과정을 거치면 어느 정도까지는 정확히 예측할 수 있음을 확인할 수 있다.

다음으로 PLL 회로(62)에 전원을 인가하여 위상 잡음을 대폭 감소시킨 경우의 측정 결과는 도 8(b)에 도시된다. 도시된 바와 같이 PLL 회로(62)를 추가한 경우 수신 신호의 수신대 잡음비가 대폭 개선되어, 특별한 신호 처리없이도 호흡 및 심박 신호를 정확히 추정할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상의 실험 결과를 주파수 영역에서 확인하기 위하여 측정된 시간 파형을 MATLAB을 이용하여 주파수 영역으로 변환하여 전력 스펙트럼 밀도(PSD:Power Spectrum Density)을 계산한 결과가 도 9(a)및 도 9(b)에 도시된다.

도시된 바와 같이 ECG 신호는 1 Hz 근방의 심박 신호가, 호흡 벨트 신호는 0.25 Hz 근방에서 호흡신호의 성분이 출력되며, PLL 회로(62)가 없는 I 신호와 Q 신호의 경우는 호흡 신호는 잡음 신호보다 수 dB이상 크게 보이나, 심박 신호는 잡음 신호와 유사한 레벨로 눈으로 확인하기 어려움을 알 수 있다.

하지만 PLL 회로(62)가 있는 경우 위상 잡음이 대폭 감소하여, 호흡 신호뿐만 아니라 심박 신호가 1∼2dB이상 잡음 신호보다 커짐을 알 수 있다. 이상의 내용으로부터 PLL 회로(62)가 있는 경우는 PLL 회로(62)가 없는 경우보다 주파수 영역에서 잡음 성분이 대폭 감소하여 신호대 잡음비가 개선됨을 확인할 수 있다. 이는 신호 처리부에서 큰 이득으로 작용하게 된다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 마이크로 스트립 안테나 20: 90°하이브리드 회로
30: 저잡음 증폭기 40: 전력증폭기
50: RF 대역통과 필터 60: 전압제어발진기
70: 믹서부 80: 직교 복조기
90: 신호처리부

Claims

90°하이브리드 회로(20)를 이용하여 원형편파 특성과 송수신 격리특성을 갖는 마이크로스트립 안테나(10)와;
전압제어발진기(60)에서 출력되는 송신신호를 90°위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 상기 마이크로스트립 안테나(10)에 급전하고, 상기 마이크로스트립 안테나(10)에서 수신되는 인체에 의해 반사된 수신신호인 좌원형편파(LHCP) 특성을 갖는 수신신호는 저잡음 증폭기(30)로 출력하는 90°하이브리드 회로(20)와;
상기 90°하이브리드 회로(20)에서 출력되는 수신신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(30)와;
전압제어발진기(60)에서 출력되는 송신신호를 증폭하여 90°하이브리드 회로(20)의 송신단자에 출력하는 전력증폭기(40)와;
위상고정루프(PLL)를 갖는 전압제어발진기(60)와;
상기 저잡음 증폭기(30)에서 출력되는 잡음이 제거된 수신신호를 대역통과신호만을 출력하는 RF 대역통과 필터(50)와;
상기 RF 대역통과 필터(50)에서 출력되는 수신신호에 상기 전압제어발진기(60)의 신호를 혼합하는 믹서부(70)와;
상기 믹서부(70)에서 출력되는 수신신호에서 베이스 밴드 신호를 복조하는 직교 복조기(80)와;
상기 직교복조기(80)에서 출력되는 신호를 처리하여 물체의 움직임을 추출하는 디지털 신호처리부(90)로 구성되고,
여기서 상기 마이크로스트립안테나(10)는 FR-4 기판으로 제작되는 덮개층(16), 기판(17) 및 바닥층(18)의 3개층으로 구성되고,
상기 덮개층(16)에 의해 덮여지고, 도체로 제작되고, 내경 a=7.1㎜, 외경 b=13㎜이고, 기판(17)의 윗면에 부착되는 마이크로스트립(12)과,
상기 마이크로스트립(12) 내부에 원형 스트립을 제거하여 형성된 2개의 프로브 구멍(12a) 내부에 위치하고 상기 프로브 구멍(12a)보다 작으며 도체로 형성되는 2개의 프로브(11)와,
상기 기판(17)과 바닥층(18) 사이에 형성되고 상기 프로브(11)가 통과하는 구멍(13a)을 구비하는 그라운드 패턴(13)과,
상기 바닥층(18)의 외부 바닥면에 부착되어 형성되고 상기 2개의 프로브(11)와 90°하이브리드 회로(20)를 연결하는 연결선(15)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서.
제1항에 있어서, 상기 마이크로스트립 안테나(10)는 FR-4 기판으로 제작되는 덮개층(16), 기판(17) 및 바닥층(18)의 3개층으로 구성되고, 상기 덮개층(16)과 기판(17) 사이에 도넛 형태이며 도체로 제작되는 마이크로스트립(12)과; 상기 마이크로스트립(12) 내부에 원형 스트립을 제거하여 형성된 2개의 프로브 구멍(12a) 내부에 위치하고 상기 프로브 구멍(12a)보다 작으며 도체로 형성되는 2개의 프로브(11)와; 상기 기판(17)과 바닥층(18) 사이에 형성되고 상기 프로브(11)가 통과하는 구멍(13a)을 구비하는 그라운드 패턴(13)과; 상기 바닥층(18)의 외부 바닥면에 부착되어 형성되고 상기 2개의 프로브(11)와 90°하이브리드 회로(20)를 연결하는 연결선(15)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서.
제2항에 있어서, 상기 마이크로 스트립 안테나(10)와 그라운드 패턴(13) 사이에 두께가 3.2㎜로서 두꺼운 기판(17)을 사용하고 안테나 윗면에 덮개층(16)을 추가함으로써 2.4㎓ ISM 대역 전체에서 동작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서.
제2항에 있어서, 상기 마이크로 스트립 안테나(10)의 급전부 주위에 작은 동심 슬롯(12a)의 간격(G_out-G_in)을 조절하여 상기 프로브(11)의 길이가 증가에 따른 인덕턴스를 상쇄할 수 있는 캐패시턴스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서.
제2항에 있어서, 상기 프로브(11)의 위치 c를 조절하여 50 Ω 임피던스 정합이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 하나의 원형 편파 안테나를 이용한 모션센서.