KR101593825B1

KR101593825B1 - 인체 통신용 중계 시스템 안테나

Info

Publication number: KR101593825B1
Application number: KR1020140124614A
Authority: KR
Inventors: 최재훈; 강도구; 권결; 김동탁; 박중기; 권재광; 탁진필
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-02-12

Abstract

인체 통신용 중계 시스템 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 급전부, 상기 급전부로부터 분기되는 제1 패치 및 상기 급전부로부터 분기되는 제2 패치를 포함하며 제1 기판상에 형성되는 제1 안테나부; 상기 제1 기판의 하부에 형성되는 중간 접지면; 및 상기 제1 기판의 하부에 결합되는 제2 기판의 하부에 형성되고, 적어도 하나의 방사셀 및 상기 방사셀을 둘러싸는 하부 접지면을 포함하는 제2 안테나부를 포함하되, 상기 제1 패치 및 제2 패치 중 하나와 상기 적어도 하나의 방사셀을 관통하는 비아홀이 형성된다. 개시된 안테나에 의하면, 이식형 기기의 안테나가 가지는 낮은 방사 효율을 극복할 수 있으며, 제2 대역에서 인체 내부 지향성을 가지고 제1 대역에서 인체 외부 지향성을 가질 수 있는 장점이 있다.

Description

인체 통신용 중계 시스템 안테나{Relay System Antenna for Human Body Communication}

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인체 통신용 중계기 시스템 안테나에 관한 것이다.

무선 통신 기술이 발달함에 따라 초소형, 저전력 통신이 가능하게 되었고, 이러한 기술은 인체 내의 송신기와 외부의 수신기를 통해 체내 정보를 무선으로 송수신하는 의료용 기기에 활용 가능하게 하였다.

이로 인해, 무선 인체 근접 네트워크와 함께 모니터링, 진단, 치료를 위한 의료용 이식 기기의 연구가 활발히 진행되고 있다.

의료용 이식형 기기는 MedRadio 대역의 25uW ERP 제한 규정으로 인하여 매우 낮은 출력 전력 레벨을 가져야 하고, 또한 유전율과 도전율이 높은 인체가 안테나를 감싸고 있기 때문에 안테나의 입력 임피던스와 공진 주파수를 변화시킬뿐만 아니라 방사 효율이 열하되어 신뢰 가능한 전송 거리가 매우 짧다는 문제가 있다.

이식형 기기의 송출 전력이 낮으면 손실이 많은 인체 매질의 특성 때문에 외부에서 이식형 기기의 신호를 수신할 수 있는 신뢰 거리가 줄어들게 되는 것이다.

따라서, 이식형 기기로부터의 신호를 외부 기기로 직접 전송하는 데에는 많은 문제점이 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 인체에 착용되는 착용형 중계 시스템이 필요하며 중계 동작을 효율적으로 수행하기 위한 안테나를 필요로 한다.

본 발명은 이식형 기기의 안테나가 가지는 낮은 방사 효율을 극복할 수 있는 인체 통신용 중계기 안테나를 제공한다.

또한, 본 발명은 제2 대역에서 인체 내부 지향성을 가지고 제1 대역에서 인체 외부 지향성을 가지는 인체 통신용 중계 시스템 안테나를 제안한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 안테나에 따르면, 급전부, 상기 급전부로부터 분기되는 제1 패치 및 상기 급전부로부터 분기되는 제2 패치를 포함하며 제1 기판상에 형성되는 제1 안테나부; 상기 제1 기판의 하부에 형성되는 중간 접지면; 및 상기 제1 기판의 하부에 결합되는 제2 기판의 하부에 형성되고, 적어도 하나의 방사셀 및 상기 방사셀을 둘러싸는 하부 접지면을 포함하는 제2 안테나부를 포함하되, 상기 제1 패치 및 제2 패치 중 하나와 상기 적어도 하나의 방사셀을 관통하는 비아홀이 형성되는 인체 통신용 중계 시스템 안테나가 제공된다.

상기 제1 패치 및 상기 제2 패치는 사각형상을 가지며 제1 패치에는 일부가 절단되는 노치가 형성된다.

상기 인체 통신용 중계 시스템 안테나는, 상기 적어도 하나의 방사셀 및 상기 하부 접지면을 연결하는 리액티브 소자를 더 포함한다.

상기 급전부로는 상기 제1 안테나부의 방사 주파수인 제1 대역의 신호와 상기 제2 안테나부의 방사 주파수인 제2 대역의 신호가 함께 제공된다.

본 발명의 안테나에 따르면, 이식형 기기의 안테나가 가지는 낮은 방사 효율을 극복할 수 있으며, 제2 대역에서 인체 내부 지향성을 가지고 제1 대역에서 인체 외부 지향성을 가질 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 제1 안테나부의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 중간 접지면의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 제2 안테나부의 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 단면도를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 반사 손실을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 안테나부에서 방사셀과 하부 접지면을 연결하는 리액티브 소자의 인덕턴스 변화에 따른 반사 손실을 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 제1 안테나부의 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 중간 접지면의 구조를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 제2 안테나부의 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 단면도를 도시한 도면이다. .

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나는 제1 안테나부(150), 중간 접지면(250) 및 제2 안테나부(350)를 포함한다.

제1 안테나부(150), 중간 접지면(250) 및 제2 안테나부(350)는 순차적인 적층 구조로 되어 있으며 제1 안테나부(150) 및 제2 안테나부(350)는 각각 별도의 기판상에 형성되며 중간 접지면(250)은 두 개의 안테나부 사이에 위치하게 된다.

도 1 내지 도 4에서, 제1 안테나부(150)는 인체 내부에 이식되는 이식형 장치에서 수신된 신호를 외부 장치에 전송하는 기능을 한다. 제1 안테나부(150)는 이식형 기기에서 수신된 신호에 대해 증폭을 수행한 신호를 외부 장치에 전송할 수도 있으며 별도의 증폭 과정 없이 수신된 신호를 외부 장치에 전송할 수도 있을 것이다.

제1 안테나부(150)는 외부 장치에 대한 지향성을 가져야 하기에 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나가 인체에 부착될 때 인체의 외부 방향을 향하도록 위치한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 안테나부(150)는 2.4GHz의 ISM 대역에서 동작하도록 설계될 수 있다.

제2 안테나부(350)는 인체 내부에 이식되는 이식형 장치에서 전송되는 신호를 수신하는 기능을 한다. 제2 안테나부(350)는 인체 내부 방향에 대한 지향성을 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 안테나부(350)는 403MHz의 MICS 대역에서 동작하도록 설계될 수 있다.

중간 접지면(250)은 제1 안테나부(150) 및 제2 안테나부(350) 사이에 위치하며 제1 안테나부(150) 및 제2 안테나부(350)에 접지 전압을 제공하는 기능을 한다. 제1 안테나부(150)가 제1 기판상에 형성되고, 제2 안테나부(350)가 제2 기판상에 형성될 경우 중간 접지면은 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된다.

중간 접지면(250)은 제1 기판의 하부 및 제2 기판의 상부 전 영역에 형성될 수 있으며 접지 전압을 제공하기 위해 단말기의 회로 기판의 접지와 전기적으로 연결되는 구조를 가질 수 있다.

중간 접지면(250)은 제1 안테나부(150)와 제2 안테나부(350)간 간섭을 억제하기 위한 아이솔레이터로 동작할 수도 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 안테나부(150)는 급전부(100), 제1 패치(110) 및 제2 패치(120)를 포함할 수 있다.

급전부(100)는 급전 신호를 제공받아 제1 패치(110) 및 제2 패치(120)에 급전 신호를 제공하는 기능을 한다. 제1 패치(110) 및 제2 패치(120)는 급전부(100)로부터 분기되는 구조를 가진다.

일례로, 급전부(100)는 동축 케이블의 내심과 전기적으로 결합되어 급전 신호를 제공받을 수 있다.

제1 패치(110) 및 제2 패치(120)는 각각 독립적으로 신호를 방사하는 기능을 하며 급전부(100)로부터 분기되는 구조를 가지기에 제1 패치(110)와 제2 패치(120)는 급전부(100)를 통해 연결된다.

제1 패치(110) 및 제2 패치(120)는 각각 독립적으로 신호를 방사하는 기능을 하며, ISM 대역(2.4 ~ 2.48GHz)의 신호를 효율적으로 방사하기 위해 각각 서로 다른 중심 주파수로 신호를 방사한다.

ISM 대역에서 적절한 외부 지향성을 가지기 위해 본 발명에서는 두 개의 패치(110, 120)가 급전부로부터 분기되는 구조를 가지며, 각 패치의 동일 기판 내에서의 독립적 방사를 통해 안정적인 신호의 전달이 가능해진다.

적절한 방사를 위해 제1 패치(110)에는 노치(130)가 추가적으로 형성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 안테나부(350)는 다수의 방사 셀(310, 312, 314), 하부접지면(330) 및 다수의 리액티브 소자(320, 322, 324)를 포함한다.

다수의 방사 셀(310, 312, 314)은 급전 신호를 제공받아 0차 공진 방식에 의해 신호를 방사하는 기능을 한다. 방사 셀 중 제1 방사셀(310)은 제1 안테나부(150)의 제1 패치(110)와 비아홀(400)을 통해 전기적으로 연결되어 급전 신호를 제공받는다. 비아홀(400) 형성을 위해 중간 접지면(250)에는 슬롯이 형성된다.

도 3에 도시된 제2 안테나부(350)는 0차 공진으로 동작하는 메타 머티어리얼 구조의 안테나이다.

제1 안테나부(150)의 급전부는 2.4 ~ 2.48GHz의 ISM 대역 신호와 402 ~ 405MHz의 MICS 대역 신호를 함께 제공하며, 402 ~ 405MHz의 MICS 대역 신호는 비아홀(400)을 통해 제2 안테나부(350)에 제공된다.

제2 안테나부(350)에는 방사셀(310, 312, 314)과는 이격되어 방사셀(310, 312, 314)을 둘러싸는 형태의 하부 접지면(330)이 형성된다. 하부 접지면(330)은 접지 전압을 제공하며, 각 방사셀들(310, 312, 314)은 리액티브 소자(320, 322, 324)를 통해 하부 접지면(330)과 연결될 수 있다.

리액티브 소자(320, 322, 324)는 유도성 소자 및 용량성 소자를 모두 포함할 수 있으며, 방사셀(310, 312, 314)과 하부 접지면(330) 사이의 간격 및 리액티브 소자는 각각 C 및 L로 모델링될 수 있으며, C 및 L에 의해 제2 안테나부(350)의 공진 주파수가 결정될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나의 반사 손실을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 중계 시스템 안테나는 402 ~ 405MHz의 MICS 대역 및 2.4 ~ 2.48GHz의 ISM 대역에서 적절한 방사가 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 두 개의 방사 패치를 사용하는 구조에 의해 ISM 대역에서 안정적인 방사 효율을 가지며 넓은 대역폭을 가지는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 안테나부에서 방사셀과 하부 접지면을 연결하는 리액티브 소자의 인덕턴스 변화에 따른 반사 손실을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 리액티브 소자의 인덕턴스 변화에 따라 MICS 대역의 방사 주파수가 변화된다는 점을 확인할 수 있다. 이와 같이 인덕턴스를 변화시키는 것에 의해 공진 주파수 변화가 가능하여 저주파 대역에서 용이한 설계가 가능한 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

급전부, 상기 급전부로부터 분기되는 제1 패치 및 상기 급전부로부터 분기되는 제2 패치를 포함하며 제1 기판상에 형성되는 제1 안테나부;
상기 제1 기판의 하부에 형성되는 중간 접지면; 및
상기 제1 기판의 하부에 결합되는 제2 기판의 하부에 형성되고, 적어도 하나의 방사셀 및 상기 방사셀을 둘러싸는 하부 접지면을 포함하는 제2 안테나부를 포함하되,
상기 제1 패치 및 제2 패치 중 하나와 상기 적어도 하나의 방사셀을 관통하는 비아홀이 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 형성되고, 상기 중간 접지면에는 슬롯이 형성되며, 상기 비아홀 및 상기 슬롯을 통해 상기 제1 패치 및 제2 패치 중 하나와 상기 적어도 하나의 방사셀이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계 시스템 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 패치 및 상기 제2 패치는 사각형상을 가지며 상기 제1 패치에는 일부가 절단되는 노치가 형성되는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계 시스템 안테나.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사셀 및 상기 하부 접지면을 연결하는 리액티브 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계 시스템 안테나.
제1항에 있어서,
상기 급전부로는 상기 제1 안테나부의 방사 주파수인 제1 대역의 신호와 상기 제2 안테나부의 방사 주파수인 제2 대역의 신호가 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계 시스템 안테나.