KR102568015B1 - 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 rf 수신기 모듈 - Google Patents

Abstract

심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈이 개시된다.
반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는, 기판; 상기 기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체; 상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체; 및 상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 접지면으로 작용하는 반사판을 구비하며, 상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하고, 하나의 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되며, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고, 상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈에 구비된다.
마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 듀얼 밴드 안테나, RF 수신기 회로부, 인터페이스 회로부를 구비하며, 마이크로파 심부 체온계의 제어부(MCU)와 연결된다. 온도변환부는 제어부(MCU)에 연결되며, 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 디지털 값에 상응하는 인체 내부의 심부 체온으로 변환하며, 제어부(MCU)의 제어에 따라 표시부로 심부 체온이 출력된다.
상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.35GHz 및 2.75 GHz 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신하여 심부 체온이 측정된다.

Description

심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈{RF receiver module for microwave radiometer having dual-band on-body antenna with reflector to detect deep core temperature of body}

본 발명은 인체 내부의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체 내부의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(RF/IF receiver module)은 듀얼 밴드 안테나, RF receiver 회로부, 인터페이스 회로부(A/D converter)를 구비하며, 1.3~1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 이중 대역 RF 주파수 신호를 사용하여 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는, 마이크로파 라디오미터(microwave radiometer)용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈에 관한 것이다.

비 침습적(non-invasive)으로 생체, 인체 내부의 코어 온도를 측정하는 종래의 체내 온도 측정 방법은 초음파 온도 측정법, 임피던스 온도 측정법 및 인체 방사 마이크로파 라디오미터 측정법(mircrowave radiometry) 등이 있다. 인체 방사 마이크로파 라디오미터 측정법은 미국, 일본, 독일, 및 이탈리아에서 많은 연구자들이 활발하게 연구하고 있다.

이와 관련된 선행기술1로써, 특허 공개번호 10-2002-0074920에서는 " 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치 및 방법"가 공개되어 있다.

도 1a는 종래의 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치의 블럭도. 도 1b는 신호처리부의 블럭도, 도 1c는 생체 조직의 유전체 모델을 나타낸다.

마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치는

생체로부터 방사되는 마이크로파를 수신하여 출력하는 신호 수신부;

상기 신호 수신부로부터 출력되는 마이크로파로부터 생체의 표면 온도를 측정하고, 측정된 상기 생체의 표면 온도를 출력하는 신호 처리부;

상기 마이크로파가 방사되는 생체의 해당 부위의 매질 특성에 상응하는 가중치를 추정하고, 추정된 상기 가중치를 출력하는 가중치 추정부; 및

상기 가중치 추정부로부터 입력한 상기 가중치와 상기 신호 처리부로부터 입력한 상기 표면 온도로부터 상기 생체의 내부 온도를 측정하는 온도 변환부를 구비한다.

마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치의 블럭도로서, 신호 수신부(10), 신호 처리부(12), 가중치 추정부(14) 및 온도 변환부(16)로 구성된다.

생체의 내부 온도 측정 방법은 신호수신부(10)로부터 수신한 마이크로파로부터 측정한 표면 온도와 측정 부위의 매질 특성에 따라 수정 가능한 가중치를 이용하여 생체의 내부 온도를 측정한다.

신호 수신부(10)는 온도를 측정할 생체의 임의의 부위로부터 방사되는 특정 주파수 대역의 마이크로파를 입력단자 IN1을 통해 수신하고, 수신된 마이크로파를 신호 처리부(12)로 출력한다(제20 단계). 이를 위해, 신호 수신부(10)는 생체로부터 방사되는 마이크로파를 수신할 수 있는 안테나 또는 프로브(probe)와 전송선 등을 마련할 수 있다.

제20 단계후에, 수신된 마이크로파로부터 생체의 표면 온도(또는, 밝기 온도)를 측정하고, 마이크로파가 방사되는 생체의 해당 부위의 매질 특성에 상응하는 가중치를 추정한다(제22 단계).

신호 처리부(12)는 신호 수신부(10)로부터 출력되는 마이크로파로부터 생체의 표면 온도를 측정하고, 측정된 표면 온도를 온도 변환부(16)로 출력한다.

도 1b를 참조하면, 신호 처리부(12)는 잡음 제거부(30), 여파기(32), 증폭기(34) 및 제어부(36)로 구성된다.

신호 처리부(12A)의 잡음 제거부(30)는 신호 수신부(10)에서 수신한 마이크로파를 입력단자 IN4를 통해 입력하여 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 결과를 여파기(32)로 출력한다. 이 때, 여파기(32)는 잡음 제거부(30)로부터 출력되는 잡음이 제거된 결과에서 원하는 대역을 필터링하고, 필터링된 결과를 증폭기(34)로 출력한다. 증폭기(34)는 여파기(32)의 출력을 증폭하고, 증폭된 결과를 제어부(36)로 출력한다. 제어부(36)는 증폭기(34)에서 증폭된 결과로부터 표면 온도를 측정하고, 측정된 표면 온도를 출력단자 OUT2를 통해 온도 변환부(16)로 출력한다.

또한, 가중치 추정부(14)는 마이크로파가 방사되는 생체의 해당 부위의 매질 특성에 상응하는 가중치를 추정하고, 추정된 가중치를 온도 변환부(16)로 출력한다.

가중치 추정부(14)는 매질 특성 측정부(40) 및 가중치 수정부(42)로 구성된다. 가중치 추정부(14A)의 매질 특성 측정부(40)는 입력단자 IN2를 통해 매질 특성을 측정하고, 측정된 매질 특성을 가중치 수정부(42)로 출력한다. 이를 위해, 매질 특성 측정부(40)는 매질 특성을 센싱하는 센싱부(미도시)로서 피부 두겁 측정기(skin-fold caliper), 생체 임피던스 측정기(bio impedance analyzer), 초음파 피지 후계(ultrasound fat meter), 자기 공명 영상 스캐너(MRI scanner) 또는 마이크로파 단층 촬영(microwave computed tomography)기를 마련할 수 있다. 예를 들면, 피부 두겁 측정기는 미국의 " FAT CONTROL, INC" 에 의해 제조된 제품명 " Fat Control Skinfold Caliper" 라는 제품으로 구현될 수 있고, 생체 임피던스 측정기는 의료기 전문 업체인 COMMEDICAL에 의해 시판되는 체지방 측정기(모델번호:GIF-891DXH)로 구현될 수 있고, 초음파 피지 후계는 Titlemedia 회사에 의해 시판되는 초음파 피지후계(모델명:AFT-101G)로 구현될 수 있다.

만일, 매질 특성 측정부(40)의 센싱부(미도시)가 생체 임피던스 측정기, 초음파 피지 후계 또는 마이크로파 단층 촬영기로 구현될 경우, 매질 특성 측정부(40)의 센싱부(미도시)는 신호 수신부(10)에서 마이크로파를 수신하는 센싱부와 일체형으로 구현될 수 있다.

가중치 수정부(42)는 매질 특성 측정부(40)에서 측정된 매질 특성에 맞도록 가중치를 수정하고, 수정된 가중치를 추정된 가중치로서 출력단자 OU3을 통해 온도 변환부(16)로 출력한다. 여기서, 가중치 수정부(42)는 추정된 가중치를 온도 변환부(16)로 바로 출력하는 온 라인(on-line)으로 동작할 수 있고, 도 1a에 도시된 온도 측정 장치가 갖는 자체의 특성을 캘리브레이션(calibration)하기 위해, 외부로부터 입력단자 IN5를 통해 입력되는 조정 제어 신호에 응답하여 추정된 가중치를 조정하고, 조정된 가중치를 온도 변환부(16)로 출력하는 오프 라인(off-line)으로 동작할 수 있다.

도 1c는 생체 조직의 유전체 모델을 나타내며, 피부(skin)(60), 지방(fat)(62) 및 근육(muscle)(64)으로 구성된다.

예를 들면, 생체의 각 부위가 피부(60), 지방(62) 및 근육(64)으로 모델링될 때, 모델링된 피부(60), 지방(62) 및 근육(64)의 유전율들(ε1, ε2 및 ε3)과 유전체들(60, 62 및 64)의 두께들(d1, d2 및 d3) 각각은 측정 대상이 되는 생체에 따라, 생체의 각 부위에 따라 또는 온도 측정 환경에 따라 서로 달라질 수 있다.

생체의 내부 온도 측정 방법 및 장치는 주어진 조건에 따라 유전율과 두께가 달라짐에도 불구하고, 종래의 체내 온도 측정 방법은 고정된 가중치(weight)를 사용하여 생체의 내부 온도를 측정하였다. 그러나, 생체의 내부 온도 측정 방법 및 장치는 주어진 조건에 따라 변하는 매질의 특성 예를 들면, 유전율들(ε1, ε2 및 ε3)과 두께들(d1, d2 및 d3)에 따라 가중치를 수정한다.

예를들면, d2 ≒ 10㎜, d2 ≒ 20㎜인 경우,

가중치 추정부(14)는 생체의 지방 두께(d2)를 측정하고, 측정된 지방 두께(d2)가 대략 10㎜ 정도이면 그래프를 이용하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 추정된 가중치로서 온도 변환부(16)로 출력한다. 또한, 가중치 추정부(14)는 측정된 지방 두께(d2)가 대략 20㎜ 정도이면 그래프를 이용하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 추정된 가중치로서 온도 변환부(16)로 출력한다.

온도 변환부(16)는 가중치 추정부(14)로부터 입력한 가중치와 신호 처리부(12)로부터 입력한 표면 온도로부터 생체의 내부 온도를 측정하고, 측정된 내부 온도를 출력단자 OUT1을 통해 출력한다(제24 단계). 예를 들면, 온도 변환부(16)는 생체의 내부 온도[T(z)]를 다음 식1과 같이 측정할 수 있다.

식(1)

여기서, , , , a 및 b는 생체의 내부 온도를 결정하는 파라미터들로써, 신호 처리부(12)로부터 출력되는 표면온도 및 가중치 추정부(14)로부터 출력되는 가중치로부터 결정되고, 0≤z≤∞가 된다. 표면 온도 및 가중치로부터 각종 파라미터들(, , , a 및 b)을 결정하는 예시적인 방법이, " Non-Invasive thermometry of the Human Body" 제목으로 'Michio Miyakawa, J. Ch. Bolomey'에 의해 저술되고 'CRC Press'에 의해 1996년도에 출간된 책의 페이지 236-237에 개시되어 있다.

예를 들면, 지방의 두께(d2)가 대략 10㎜일 때 표면 온도는 38.2℃가 되고, 지방의 두께(d2)가 대략 20㎜일 때 표면 온도는 37.05℃가 된다. 이와 같이, 모델링된 지방 조직의 두께(d2)에 따라 표면 온도가 1.14℃정도의 오차를 가질때, 온도 변환부(16)는 표면 온도의 미세한 변화와 가중치를 파라미터에 반영하여 정확하게 생체의 내부 온도를 측정할 수 있다

적외선 온도 측정 방식은 이마형 적외선 체온계를 사용한다.

기존의 체온 측정 방식은 적외선 센서를 사용한 것으로, 단일 스팟 측정용으로써 써모파일(thermopile) 센서가 사용되고, 열화상 측정용으로써 볼로미터(bolometer) 센서가 사용된다.

그러나, 적외선 센서를 사용한 온도 측정은 인체의 표면인 피부에서 방사되는 열적외선 파장을 측정하는 것으로, 피부 체온(skin temperature)을 측정하기 때문에 인체 부위별 피부 온도가 다르게 측정되며, 실질적인 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정할 수 없다.

적외석 온도계의 피부 체온 측정 방식은, 적외선 온도계를 갖다 대면 이마, 코, 턱, 가슴, 팔, 옆구리, 다리 등의 인체 부위별 피부 체온(skin temperature)이 다르게 측정되며, 주변 온도가 변함에 따라 인체의 피부 온도가 변하는데, 인체 부위에 따라 편차가 다르게 나타나며, 피부색, 피부 상태의 개인차에 따라 편차가 나타난다.

도 2는 적외선 온도계의 피부 체온 측정 방식은 인체 부위별 피부 체온이 다르게 측정되며, 주변 온도가 변함에 따라 인체의 피부온도가 변하는데, 인체 부위에 따라서 편차가 다르게 나타나며 피부색, 피부 상태의 개인차에 따라 편차가 나타남을 보인 그림과 그래프이다.

도 3은 신체 운동량 증가에 따른 피부 체온 및 심부 체온의 온도의 변화를 나타낸 그림이다. 마이크로파 라디오미터(Radiometer)와 접촉식 안테나(Near-Field Probe)는 RF 주파수 신호를 사용하여 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정한다. 이와 달리, 적외선 체온계(thermocouple)는 인체의 표면 피부에서 방사되는 열적외선 파장을 측정하여 피부 체온(skin temperature)을 측정하며, 온도 감지 소프트웨어(Temperature Retrieval Software)에 의해 심부 체온(core temperature), 피부 온도(skin temperature)가 라디오미터의 표시부로 출력된다.

도 4는 신체 운동량 증가에 따른 심부 체온을 감지하는 라디오 서보미터와 안테나를 구비하는 RF 수신기를 구비하는 RF 마이크로웨이브 심부 체온계의 개념도이다.

일반적으로, 적외선 체온계에서 많이 사용되는 이마 부위의 경우, 이마 밑에 분포한 측두 동맥에 의해 그나마 다른 피부 부위에 비해 온도 편차가 작지만 주변 온도가 10℃ 차이가 날 때 이마의 온도는 약 3℃까지 차이가 발생한다.

예를 들면, 여름철 온도가 30℃일 때와 겨울철 15℃일 때를 가정하면, 주변온도 편차가 15℃가 발생하므로 체온은 일정하더라도 피부에서 측정되는 온도는 4.5℃ 정도 차이가 발생하게 되어 정확한 심부 체온 측정이 불가능하다.

운동하는 사람이 달리기를 하면, 실제 인체는 운동량(p = mv)이 증가하게 되므로 심부 체온이 상승하고, 심부 체온을 식히기 위해 피부에서는 땀 분비가 촉진되며 땀에 의해 피부 온도는 떨어지게 되고, 피부 온도를 측정하는 적외선 체온계(thermocouple)는 심부 체온이 상승함에도 불구하고 피부 체온이 떨어진 것으로 측정된다.

바이오 헬스케어 산업은 엄청나게 성장하고 있다. 많은 사람들이 심장 박동, 수면 시간, 스트레스 요인 등을 모니터링하기 위해 전자 강연 장치를 사용한다. COVID-19 대유행 기간 동안 우리는 체온이 건강 상태를 결정하는 핵심 필수 파라미터라는 것을 알게 되었다. 질병 또는 바이러스가 우리 몸에 들어오면 면역 체계가 활성화되어 장기나 근육 등 심부 체온의 온도 변화로 이어진다. 그 후, 심부 체온(core temperature)의 온도가 피부에 전달된다. 심부 체온은 고열, 저체온증, 인플루엔자, 운동 이상 등의 조기 발견이 중요하다.

일반적으로, 사람들은 체온을 측정하기 위해 적외선 온도계를 사용한다. 그러나, 적외선 온도계는 피부 표면 온도(skin temperature)만 측정할 수 있으며, 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정할 수 없다. 심부 체온의 온도가 피부에 전달되면 측정된 온도가 정확하지 않게된다. 피부는 인체의 가장 큰 구조 중 하나이며, 열 손실의 약 90 %를 담당한다. 적외선 온도계는 정확한 심부 체온을 측정할 수 없으며, 질병에 의해 체온이 상승하기 시작할 때 빠른 조치를 취하기 어렵다.

침습적(invasive) 방법은 인체 내부의 깊은 심부 체온(core temperature)를 측정하는 가장 정확한 방법이다. 예를 들면, 비인두, 직장 및 pulmonary artery에서 온도를 측정하는 것은 침습적 방법이다. 그러나, 침습적인 방법은 인체 내부의 깊은 심부 체온을 측정하기 위해 신체의 일부를 관통해야 한다. 침습적 방법은 인체에 손상을 입히고, 환자를 불편하게 만들 수 있다.

이러한 침습적(invasive) 방법의 한계를 극복하기 위해 비침습적(non-invasive) 방법이 연구되고 있다. 비침습적 방법 중 인체 내부의 심부 체온을 측정하기 위해 마이크로파 라디오미터(microwave radiometry)를 사용하는 것이 주목받고 있다.

□ 국내 연구개발 현황

ㆍ국내의 경우, RF 마이크로웨이브를 이용하여 생체 온도를 측정하는 기술은 기초 연구 논문이 발표되었으나, 그 이후로부터 현재까지 아직 연구 논문이나 연구개발 사례가 드물고 특허를 비롯하여 연구 발표 사례가 거의 없으며, 상용화를 위한 구체적인 연구 사례가 없다.

ㆍ김태오 등은 “생체의 온도 측정을 위한 수정된 마이크로파 라디오-써모미터”(2005년 3월 전자공학회 논문지, 42권 2호)를 통해 증류수 및 혼합용액의 중심온도 측정을 하였고 0.82~7.68℃까지의 측정 오차를 보였다.

ㆍ한국생산기술연구원의 최경렬 등은 2009년과 2010년에 :내부 열원 온도측정이 가능한 마이크로웨이브 온도측정 기술"에 관한 특허 3건("마이크로웨이브를 이용한 내부 온도 측정방법 및 장치", "최대 크기의 주파수를 이용한 마이크로웨이브 기반 내부 온도 측정방법 및 장치", "다중채널 복수의 주파수를 이용한 마이크로웨이브 기반 내부 온도 측정방법 및 장치")을 출원하였고, 기술완성도에서 TRL1과 TRL2에 해당하는 아이디어 정립 단계의 기술을 제시하였다.

ㆍ삼성 전자는 2003년 러시아의 마이크로웨이브 연구소와 공동으로“인체 내부 전자기파를 측정하기 위한 라디오-써모미터와 인체 전자기파 측정 방법”에 관한 특허를 출원하여 인체 팬텀을 통한 테스트를 통해 생체 내부 온도 측정의 가능성을 제시하였지만, 구체적인 설계 및 공정 기술이 부족하여 특허를 포기하여 소멸된 상태이다.

□ 해외 연구개발 현황

ㆍ체온계의 용도는 아니지만 러시아의 RES Company는 RTM-01-RES라는 제품을 출시하였는데, 유방암을 진단하기 위한 용도로 마이크로웨이브 온도 측정 방식을 채택하였다. RES 사의 유방암 진단기는 암세포의 병소 부위가 다른 주위 조직에 비해 온도가 높아짐에 기초하여 표면에서 5cm 정도까지 깊이에 있는 유방 조직의 온도를 측정하여 유방암 진단에 사용하고 있지만, 일렉트로드(electrode)를 막대 모양으로 접촉하는 한정적인 구조로 구성되어 있다.

ㆍParisa Momenroodaki, Zoya Popovic, Robert Scheeler, A 1.4-GHz radiometer for internal body temperature measurements, Physics, 2015 European Microwave Conference (EuMC)

인체 내부조직으로 수 cm가 투과되는 비침습적인 심부 체온 측정을 위해 1.4GHz의 주파수를 적용한 마이크로파 방사계 회로를 구현하여 물 온도를 0.5K 감도로 측정한다.

ㆍMichael Grady, "A High Accuracy Microwave Radiometric Thermometer to Measure Internal Body Temperature," 2017, Materials Science에 게재된 논문은 여러 RF 주파수 밴드에 따라 투과되는 마이크로웨이브의 투과 깊이를 분석하고, 투과에 관련하는 모델링을 제시하였다.

ㆍ Quenton Bonds, "A microwave radiometer for close proximity core body temperature monitoring: Design, development, and experimentation," 2010, Engineering에 게재된 논문은 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하기 위해 효율적인 dipole 안테나의 구조를 제시하고, 응답 특성을 분석하였다.

ㆍ P. Momenroodaki, Z. Popovic and M. Fallahpour, "Antenna probes for power reception from deep tissues for wearable microwave thermometry," 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, 2017, pp. 573-574에 게재된 논문은 1.4 GHz의 마이크로파 방사 측정법을 사용하여 인체 내부 체온을 모니터링하는 웨어러블 안테나 프로브와 특정 매립층에서 체적 손실 전력 밀도를 최대화하기 위해 superstrates가 있는 프로브를 설계하여 제시하였다.

ㆍP. Momenroodaki, W. Haines, M. Fromandi and Z. Popovic, "Noninvasive Internal Body Temperature Tracking With Near-Field Microwave Radiometry," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 5, pp. 2535-2545, May 2018에 게재된 논문은 인체의 내부 온도를 측정하기 위한 근거리 방사 측정에 대한 연구는 Dicke 아키텍처를 가지며 무선 주파수 간섭(Radio Frequency Interference, RFI)을 최소화하면서 인체 조직에 cm 깊이로 침투할 수 있도록 1.4GHz를 사용하여 어느 정도의 팬텀 지방 및 피부층 하의 팬텀 근육 조직 층의 온도를 추적하는 것을 입증하였다.

ㆍ P. Momenroodaki, W. Haines and Z. Popovic, "Non-invasive microwave thermometry of multilayer human tissues," 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Honololu, HI, 2017, pp. 1387-1390에 게재된 논문은 협대역 프로브를 사용하여 인체 조직에서 피부, 지방 및 근육의 여러 조직층에서의 투과 특성을 분석하여 Dicke Radiometer(Dicke 방사계)를 사용한 측정 데이터는 방사계가 인체 내부 조직 온도를 추적할 수 있음을 보여주었다.

특히, 콜로라도 대학의 Z. Popovic교수의 연구팀은 인체 내부 체온을 측정하는 RF 마이크로웨이브 송수신 모듈의 초소형화하기 위한 화합물 반도체 GaAs MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 기술을 사용하고, Tryquent(사)의 화합물 GaAs 파운더리를 이용하여 부분적인 MMIC 칩 제작을 시도하였다. 이런 부분적인 MMIC 칩 제작은 전체 수신부의 MMIC를 구현하지 못하였으므로, 수신단의 효율이 낮으며, 정확한 RF 주파수의 파워(power)에 따른 온도를 측정하는데에 한계가 있다.

적외선 체온계의 경우 적외선 센서를 생산하는 독일과 중국 등의 주요 국가의 경우, 독일은 유럽지역, 중국은 자국내 적외선 체온계 수요를 충족시키기 위해 핵심 적외선 센서에 대한 수출제한 조치가 취해지고 있고, 적외선 체온계를 자급 자족하기 위해 적외선 센서의 국산화가 필요하다. 기본적으로 적외선 센서는 지난 30년 동안 기술의 발전 없이 피부 표면 온도(skin temperature) 측정이라는 원리적인 한계를 극복하지 못하고 있으며, 안테나와 RF 수신기를 구비하는 RF 마이크로웨이브 심부 체온계의 제조가 필요하다.

인체 내부의 심부 체온(core temperature)은 건강 상태를 측정하는 핵심 파라미터이다. 심부 체온(core temperature)은 인체 내부의 깊은 코어(core)에서 변화하고, 피부 온도(skin temperature)는 나중에 변화한다. 인체 내부의 심부 체온(core temperature)의 온도 측정은 건강 상태를 신속하게 감지하기 위한 첫 번째 조치이다. 많은 사람들이 적외선 온도계를 사용하여 온도를 측정한다.

그러나, 적외선 온도계는 피부 온도(skin temperature) 만을 측정할 수 있으며, 인체 내부의 3~5cm 이내의 심부 체온(core temperature)을 측정할 수 없다.

그러므로, 인체 내부의 3~5cm 이내의 깊은 심부 체온(core temperature)을 측정하기 위해 마이크로파 라디오미터(microwave radiometry)를 개발해야 한다.

안테나는 인체 내부의 3~5cm 이내의 깊은 심부 체온(core temperature)을 측정하기 위한 마이크로파 복사계(microwave radiometry)는 가장 중요한 구성 요소 중 하나이다. 그러나, 마이크로파 복사계로 심부 체온을 측정하는 대부분의 연구는 안테나가 심부 체온을 측정하는 핵심 포인트 중 하나임에도 불구하고 안테나에 초점을 맞추지 않았다.

한국특허공개번호 10-2002-0074920 (공개일자 2002년 10월 04일), " 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치 및 방법", 삼성전자 주식회사

MAZGAOKER, Savyon, et al. 비침습적 센서로 심부 체온 측정. 열 생물학 저널, 2017, 66 : 17-20. 후퍼, 발리르 D.; ANDREWS, Jeannette O. 급성 성인의 비 침습적 코어 온도 측정의 정확도 : 과학 상태. 간호를위한 생물학적 연구, 2006, 8.1 : 24-34. 락스미나라얀, 스리니바스 외 비침습적 측정을 사용한 인간 심부 체온의 개별화된 추정. 응용 생리학 저널, 2018, 124.6 : 1387-1402. Q. Bonds, J. Gerig, TM Weller 및 P. Herzig, "근접 방사 측정 감지를 통한 핵심 체온 측정을 향하여", IEEE Sensors Journal, vol. 12, no. 3, pp. 519-526, March 2012, doi: 10.1109/JSEN.2011.2113332. R. Streeter, GS Botello, K. Hall 및 Z. Popovic, "피하 온도 측정을 위한 상관 방사선 측정법", IEEE 전자기학, RF 및 마이크로파 의학 및 생물학 저널, vol. 6, no. 2, pp. 230-237, June 2022, doi: 10.1109/JERM.2021.3120320. KL Hall, R. Streeter 및 Z. Popovic, "비침습적 인간 머리 마이크로파 온도 측정을 위한 근거리 안테나", 2022 안테나 및 전파에 관한 IEEE 국제 심포지엄 및 USNC-URSI 무선 과학 회의(AP-S/URSI), 2022, pp. 880-881, doi: 10.1109/AP-S/USNC-URSI47032.2022.9886962. I. Kim et al, "마이크로파 라디오미터로 심층 코어 온도 측정을 위한 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나," IEEE Access, vol. 10, pp. 63715-63722, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3183223.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 인체 내부의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(RF/IF receiver module)은 듀얼 밴드 안테나, RF receiver 회로부, 인터페이스 회로부(A/D converter)를 구비하며, 1.3~1.35GHz 및 2.75~2.8GHz 이중 대역 RF 주파수 신호를 사용하여 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는, 인체 내부의 심부 체온을 측정하는, 마이크로파 라디오미터용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는, 기판; 상기 기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체; 상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체; 및 상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 접지면으로 작용하는 반사판을 구비하며, 상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하고, 하나의 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되며, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고, 상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈에 구비되며,
상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되고, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되며, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되고,
상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되고, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는다.
또한, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은,
1회용 PVC 필름을 통해 인체 부위에 부착되며, 심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나;
상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 통해 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10 GHz 주파수 범위내에서 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부; 및
상기 RF 수신기 회로부가 마이크로프로세서의 제어부(MCU)와 연결되며, A/D 컨버터를 구비하는 인터페이스 회로부를 포함하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비하며,
상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는
기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체;
상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체; 및
상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 접지면으로 작용하는 반사판을 구비하며,
상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하고, 하나의 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되며, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고,
상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈에 구비되며,
상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되고, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되고, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되고,
상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되고, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는다.
또한, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은
심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 안테나로써, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나와 RF 수신기 회로부와 인터페이스 회로부를 포함하고, 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 어느 하나의 RF 주파수 신호를 수신하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비하며,
상기 RF 수신기 모듈의 인터페이스 회로부에 마이크로프로세서 제어부가 연결되고, 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 디스플레이에 표시하는 마이크로파 심부 체온계에 연결된다.

본 발명에 따르면, 인체 내부의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(RF/IF receiver module)은 듀얼 밴드 안테나, RF receiver 회로부, 인터페이스 회로부(A/D converter)를 구비하며, 1.3~1.35GHz 및 2.75~2.8GHz 이중 대역 RF 주파수 신호를 사용하여 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는 인체 내부의 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 실제 구현하였다. 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비한 마이크로파 심부 체온계의 국산화가 가능하게 되었다.

본 연구는 마이크로파 심부 체온계(마이크로파 라디오미터, microwave radiometry)를 사용하여 인체 내부의 심부 체온을 측정하기 위한 반사판(reflector)이 있는 소형 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구현하였다. 제안된 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 방사체(radiator)에서 3mm 이상의 20mm x 20mm 반사판이 있는 소형 컴팩트한 크기 13mm x 13mm 를 가지고 있다. 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 전체 3D 바디 모델에서 시뮬레이션하고, 회로가 설계되었으며, 단순화 된 평면 팬텀이며 실제 사람의 손목 또는 이마에서 측정된다. 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내에서 이중 대역 RF 주파수를 사용하는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 충분한 대역폭과 전력 손실 밀도를 달성하였다. 제안된 안테나는 인체 내부의 3~5cm 이내의 깊은 심부 체온(core temperature)을 측정하기 위한 마이크로파 라디오미터(microwave radiometry)에 잘 적용됨을 확인하였다.

도 1a는 종래의 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치의 블럭도,
도 1b는 신호처리부의 블럭도, 도 1c는 생체 조직의 유전체 모델을 나타낸다.
도 2는 적외선 온도계의 피부 체온 측정 방식은 인체 부위별 피부 체온이 다르게 측정되며, 주변 온도가 변함에 따라 인체의 피부온도가 변하는데, 인체 부위에 따라서 편차가 다르게 나타나며 피부색, 피부상태의 개인차에 따라 편차가 나타남을 보인 그림과 그래프이다.
도 3은 신체 운동량 증가에 따른 피부 체온 및 심부 체온의 온도의 변화를 나타낸 그림이다.
도 4는 신체 운동량 증가에 따른 심부 체온을 감지하는 라디오 서보미터와 안테나를 구비하는 RF 수신기를 구비하는 RF 마이크로웨이브 심부 체온계의 개념도이다.
도 5는 마이크로파 라디오미터(microwave radiometetry)의 RF 수신기 모듈의 안테나(antenna)를 구비하는 마이크로파 심부 체온계 관련 수식과 그래프로써, Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙의 예를 보인 그래프이다.
도 6은 인체 내부의 심부 체온을 감지하는 듀얼 밴드 안테나를 포함하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계의 설계도이다.
도 7은 인체 내부의 심부 체온을 감지하는 듀얼 밴드 안테나를 포함하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계 구성도이다.
도 8은 실시예에 따른 마이크로파 심부체온계(마이크로파 라디오미터)의 듀얼 밴드 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈의 설계도이다.
도 9a, 9b는 본 발명에 따른 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나: (a) 단순화 된 평면 팬텀(피부, 지방, 근육), (b) 전체 3D Sim4Life 인체 모델 Duke, (c) yz 평면도, (d) xz 평면도, 방사체 (e) 기판 바닥에 위치한 (+) 방사체(positive radiator), (f) 기판 상단에 위치한 (-) 방사체(negative radiator)
도 10a는 제안된 1.35 GHz와 2.75 GHz 듀얼 밴드 안테나의 설계 단계(Step 1, 2, 3, 4, 5)와 반사계수(return loss,

)를 보인 도면이다.
도 10b는 (a) slot 길이, (b) 구불구불한 stub가 있거나 없는 경우 및 (c) 일치하는 stub에 따른 제안된 듀얼 밴드 안테나의 파라메트릭 연구
도 11은 (a) 제안된 듀얼 밴드 안테나의 반사판(reflector)이 유무에 따른 시뮬레이션된 반사 계수(return loss,

) 및 (b) 제안된 듀얼 밴드 안테나의 반사판(reflector)이 있거나 없는 피크 이득
도 12는 1.35GHz (a) 하단 레이어, (b) 최상위 레이어; 및 2.75GHz (c) 하단 레이어, (d) 최상위 레이어에서 제안된 안테나의 현재 분포
도 13은 기판 상에 제작된 1.35 GHz와 2.75 GHz 듀얼 밴드 안테나의 프로토타입 (a) 최상층 및 (b) 최하층 구현 사진이다.
도 14는 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 듀얼 밴드 안테나의 시뮬레이션 및 반사 계수(return loss,

) 측정 결과
도 15는 전체 3D 보디 모델(full 3D body model) (a) 1.35 GHz, (b) 2.75 GHz 및 플랫 팬텀 (c) 1.35 GHz, (d) 2.75 GHz 및 (e) 비교 결과에서의 전력 손실 밀도
도 16은 제안된 듀얼 밴드 안테나의 피크 이득 시뮬레이션 및 측정
도 17은 (a) 1.35 GHz, (b) 2.75 GHz 및 (c) 1.35 GHz, (d) 2.75 GHz에서 플랫 팬텀에서 전체 3D 보디 모델(full 3D body model)에서 제안된 듀얼 밴드 안테나의 HFSS EM 시뮬레이션된 3D 방사 패턴, 듀얼 밴드 안테나의 시뮬레이션 (e) 1.35 GHz 및 (f) 2.75 GHz에서 2D 방사 패턴 측정

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.

본 발명은 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 설명에 있어서 관련된 공지의 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면 번호는 동일한 구성을 표기할 때에 다른 도면에서 동일한 도면 번호를 부여한다.

본 연구개발을 통한 특정한 실시 형태에 대해 한정하지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

기존 적외선 온도계는 피부 온도(skin temperature) 만을 측정할 수 있으며, 인체 내부의 3~5cm 이내의 심부 체온(코어 온도, core temperature)을 측정할 수 없었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 인체 내부의 3~5cm 이내의 깊은 심부 체온(core temperature)을 측정하는 마이크로파 심부체온계(마이크로파 라디오미터, microwave radiometer)를 개발하게 되었다.

인체 내부의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈과 제어부를 구비하는 마이크로파 심부 체온계(마이크로파 라디오미터, microwave radiometer)에서, 인체 내부의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(RF/IF receiver module)은 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 이중 대역 RF 주파수를 사용하는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나, RF receiver 회로부, 인터페이스 회로부(A/D converter)를 구비하며, 1.35GHz 및 2.75GHz 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수 신호를 사용하여 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나(접촉식/비접촉식 Dual Band Bio-Matched Bow-tie Antennas), 및 그 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 제공한다.

제1 실시예에서는, 마이크로파 심부 체온계(microwave radiometer)의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 1.4 GHz와 2.7 GHz 주파수 신호를 제외한 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서, 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수를 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하고, 마이크로파 심부체온계의 제어부에 연결된 표시부에 측정된 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 표시한다.

제2 실시예에서는, 마이크로파 심부체온계(microwave radiometer)의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 특정 RF 주파수는 1.3 GHz 및 2.8 GHz의 2개 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수 신호를 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하고, 마이크로파 심부 체온계의 표시부에 측정된 심부 체온을 표시한다.

인체 내부의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(RF/IF receiver module)은 듀얼 밴드 안테나, RF receiver 회로부, 인터페이스 회로부(A/D converter)를 구비하고,

상기 RF 수신기 모듈은 마이크로파 심부 체온계의 제어부(MCU)에 연결되며, 마이크로파 심부 체온계의 제어부(MCU)는 저장부와 표시부에 연결된다.

RF 수신기 모듈의 듀얼 밴드 안테나는 1.3~1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 이중 대역 RF 주파수 신호를 사용하여 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는 인체 내부의 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 실제 제작 실험하였다.

마이크로파 심부 체온계(microwave radiometer)는 RF 수신기 모듈의 듀얼 밴드 안테나에 수신된 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 마이크로파 심부 체온계의 온도변환부에 의해 심부 체온값으로 변환하며, RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위내에서는, 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 인체 내부의 심부 체온을 측정하여 표시한다.

도 5는 마이크로파 라디오미터(microwave radiometetry)의 RF 수신기 모듈의 안테나(antenna)를 구비하는 마이크로파 심부 체온계 관련 수식과 그래프로써, Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙의 예를 보인 그래프이다.

마이크로파 라디오미터(microwave radiometry)를 사용하여 인체 내부의 심부 체온을 측정하는 주요 이론은 Planck의 방사 법칙이 사용된다. 식 (1)은 Planck의 흑체 방사 법칙(Planck’s blackbody radiation law)을 보여준다.

microwave radiometry의 이론에 의하면, 마이크로파 라디오미터(Radiometer)는 물리적 온도와 방사율(physical temperature times the emissivity)에 비례하는 밝기 온도(brightness temperature) 를 가진 객체로부터 전자기파(electromagnetic waves)가 전파하는 형태로 흑체 방사선(blackbody radiation)을 수신한다. 안테나가 수신하는 전력(power)은 밝기 온도(brightness temperature)에 비례한다. 수신된 전력(power)은 기기의 주파수 및 대역폭, 및 방사 매체(radiating medium)의 온도와 물리적 특성의 함수이다. 방사선 측정(radiometry)의 일반적인 응용에서 입사 전력은 평면파의 형태이며, 안테나에 의해 수신된다.

마이크로파 라디오미터(Microwave radiometer)는 마이크로파 주파수(microwave frequencies)에서 피부 표면 아래로 최대 3~7 cm의 깊이를 감지할 수 있기 때문에 피부 표면 아래 온도(subsurface temperature)를 결정하므로, 의료 분야에서 실용적이다. 피부 표면 아래 열 화상 감지(subsurface thermography)에 처음 적용되었다.

비침습적인 온도 측정(non-invasive temperature measurements)용 마이크로파 라디오미터(Microwave radiometry)는 근거리 전력 수신(near-field power reception)을 하며, 암 검출(cancer detection)을 포함하는 다양한 의료 응용 분야에서 필요한 공간 해상도(spatial resolution) 및 감지 깊이(sensing depth)를 달성한다.

암 치료(cancer treatment)를 위한 약물 전달 모니터링(monitoring drug delivery), 고열 온도 조절(hyperthermia temperature control), 저산소증-허혈(hypoxia-ischemia)로 고통받는 영아(infants)의 저체온 신경 구조(hypothermic neural rescue), 소아의 방광 요관 역류 감지(detection vesicoureteral reflux)는 비침습적인 근-거리 방사 측정(non-invasive near-field radiometric measurements)에 사용된다. 비침습적인 마이크로파 온도계는 관절염을 감지하여 상승된 관절 온도 측정 방법도 조사되었다.

방사 측정(radiometry)을 사용한 몇 cm 이내의 근거리(near-field)에서 물체의 안테나 온도(antenna temperature)는 안테나에 가까운 주변 물체들의 온도의 가중 평균이다(a weighted average of the temperature of the temperature of objects close to the antenna). 그러므로, 안테나를 정의하는데 가중치 함수(weighting functions, WFs)가 사용된다.

마이크로파 라디오미터(radiometer)는 비 간섭 방사선(incoherent radiation)을 측정하는 장치이다.

전력 밀도

온도 (밝기 온도 x 방사율 e)

방사율

밝기 온도

여기서, P는 전력 밀도(Power Density), 는 객체에 의해 방출된 밝기 온도(brightness temperature), 는 물리적인 온도(physical temperature), e는 객체의 방사율(Emissivity of the object), k는 볼쯔만 상수(Boltzmann's constant), B는 전력 밀도의 대역폭(Bandwidth of the power density)이다.

마이크로파 라디오미터(radiometer)는 비간섭 방사선(incoherent radiation)을 측정하는 장치이며, Matter는 Planck의 흑체 복사 법칙(Planck’s blackbody radiation law)에 의해 설명된 스펙트럼 밝기(spectral brightness)로 모든 방향의 온도(temperature)에 기초하여 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 방출한다.

흑체 스펙트럼 밝기 식(1)

여기서, 는 흑체 스펙트럼 밝기, c는 진공 상태에서 빛의 속도(m/sec), h는 Planck 상수(Planck’s constant, J·sec), k는 Boltzmann 상수(

J/K), T는 Kelvin 온도이다.

흑체(이상적인 물질)는 흡수되어 스펙트럼 에너지를 방출한다. 절대 온도가 0이 아닌 모든 물체는 전자기장을 흡수하고 방출할 수 있다. 사람의 깊은 코어(core)는 또한 전자기장을 흡수하고 방출한다. 이 전자기장에서 적외선은 인체 조직에 재흡수된다. 그러나, 마이크로파는 인체 내부의 깊은 코어 조직을 통해 피부로 전달된다. 이 마이크로파를 감지하여 심부 체온(core temperature)을 측정할 수 있다.

인체 내부의 깊은 심부 체온(core temperature)을 측정하기 위한 마이크로파 밴드는 신중하게 선택해야 한다. 심부 체온은 마이크로파가 피부, 지방 및 근육층을 통과할 수 없을 때 측정하기 어렵다. 마이크로파의 침투 깊이는 3GHz 이상으로 감소한다. 100MHz 이하의 저주파는 피부, 지방 및 근육층을 통해 잘 침투하지만, 큰 안테나 크기가 필요하다. 많은 통신 시스템은 2.4GHz 산업용 과학 및 의료(ISM) 대역을 사용한다. 무선 간섭의 가능성을 높인다. 인체 내부의 딥 코어(deep core)의 신호는 작고 약하므로 딥 코어에서만 신호를 수신하고, 원치 않는 신호를 수신하지 않기 위해 널리 사용되는 주파수 대역을 피하는 것이 중요한다.

식 2는 라디오미터의 안테나(antenna for radiometry)가 수신하는 잡음 온도 전력(P)을 나타내며, 여기서, T는 안테나가 수신하는 잡음 온도(Kelvin 온도), k는 Boltzmann 상수( J/K), B는 안테나의 대역폭이다.

P = kTB (2)

식 (2)는 넓은 대역폭이 이상적인 상황에서 사람의 깊은 코어로부터 훨씬 더 많은 잡음 온도 전력을 받을 수 있음을 보여준다. 그러나, 광대역은 실제 상황에서 ISM 대역과 같은 다른 대역으로부터 원치 않는 신호를 수신할 수 있다. 충분한 대역폭, 충분한 침투 깊이 및 무선 간섭이 적은 적절한 마이크로파 대역을 선택하는 것이 중요하다. 마이크로파 라디오미터를 사용하여 인체 내부의 심부 체온을 측정하기 위해 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75 - 2.8 GHz를 선택한다. 이 밴드는 ISM 밴드에 비해 사용자가 적고, 침투 깊이가 1~ 3cm 정도이다. 예를들면, 1.3 GHz 및 2.8GHz 듀얼 밴드는 단일 밴드보다 대역폭이 넓다. 따라서, 듀얼 밴드는 단일 밴드보다 훨씬 더 높은 온도 분해능을 달성할 것으로 예상된다.

마이크로파 라디오미터(microwave radiometry)는 잡음 온도 전력을 감지하도록 설계된 민감한 RF 수신기(RF receiver)이다. 마이크로파 라디오미터의 잡음 온도 전력(P)은 식(3)으로 정의할 수 있다.

(3)

여기서, P는 안테나가 수신하는 잡음 온도 전력,

은 마이크로파 라디오미터 수신기의 전체 입력 잡음 온도,

는 안테나 온도, B는 수신기의 대역폭, G는 수신기의 이득이다.

Dicke Radiometer(Dicke 라디오미터)는 고온 및 저온 기준 소스로 열 복사 변화를 성공적으로 측정할 수 있다. Dicke 라디오미터는 고해상도를 달성하기 위해 뜨겁고 차가운 기준 소스로 안테나를 지속적으로 보정했으며, 깊은 코어 온도 측정에 적합하다.

기존 마이크로파 라디오미터(마이크로파 방사계)로 심부 온도를 측정하는 연구는 안테나를 구비하는 마이크로파 라디오미터는 핵심 구성요소로써 안테나에 초점을 맞추지 않았다. 온바디 안테나에 대한 초기 연구의 대부분은 실제 인체에 대한 반사 계수(return loss)를 측정하지 않았으며, 회로의 크기, 주파수 대역, 부피 또는 전기 손실 밀도(volume or electric loss density) 때문에 깊은 심부 온도(core temperature)를 측정하는데 적합하지 않았다.

안테나는 마이크로파 라디오미터(microwave radiometer) 시스템의 핵심 구성 요소이며, 소형 컴팩트 한 크기로 깊은 심부 온도를 측정하기 위해 바디 안테나(body antenna)에 제안된 경우에도 마이크로파 라디오미터로 심부 체온(core temperature)을 측정하는 대부분의 연구가 안테나에 초점을 맞추지 않았다는 점을 지적한다. 이전 연구의 문제점과 한계가 시뮬레이션되어 측정된 반사 손실(return loss) 결과가 다르고, 안테나를 body에 장착하면 안테나의 이득(Gain)과 방사 효율(radiation efficiency)이 엄청나게 저하되고, 안테나의 부피 손실 밀도(volume loss density)가 감소했다.

본 연구는 마이크로파 라디오미터(microwave radiometer)를 사용하여 깊은 심부 온도(core temperature)를 측정하기 위한 듀얼 밴드 온바디 안테나의 개선된 버전을 제안했다. 우리는 이전 연구보다 더 나은 부피 또는 전기 손실 밀도(Volume or electric loss density)로 훨씬 더 작은 소형 크기의 듀얼 밴드 안테나를 실험을 통해 제작했다.

섹션 II는 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기의 듀얼 밴드 안테나의 구성 및 설계에 대해 설명한다. 섹션 III은 제안된 듀얼 밴드 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과를 제시한다. 섹션 IV는 주요 결론을 설명한다.

II. 안테나의 구성 및 설계

마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기의 안테나 측정을 위해 3가지를 고려해야 한다.

첫번째로 회로의 작은 크기를 고려해야 한다. 사람의 신체는 평평한 면적 뿐만 아니라 곡선으로 이루어져 있으며, 손목의 넓이는 약 55mm이다. 심부체온계를 위한 안테나는 피부에 정확하게 fully contact 되어야만 작동을 한다. 만약, 안테나가 충분히 크다면, 피부에 전체적으로 부착하기 어려우며 곡선으로 되어 있는 신체 부분에 부착하기에 어렵다.

두번째로 각 조직의 유전율, 두께, 전기전도도를 고려해야 한다. 일반적인 안테나는 자유 공간에서 임피던스 정합을 이룬다. 그러나, 마이크로파 심부 체온계의 안테나는 몸 위에 있을 때 임피던스 정합(impeadance matching)을 이루어야 한다. 또한, 각 조직의 높은 유전율(permittivity)과 전기전도도(electrical conductivity)는 임피던스 정합을 어렵게 만든다.

세번째로 고려해야 할 사항은 부피 손실 밀도(volume loss density)이다. 일반적인 body area network나 IoT 디바이스의 안테나와 다르게 심부 체온계의 안테나는 인체의 심부(deep core)에서 오는 미세한 신호를 수신해야 한다. 부피 손실 밀도(volume loss density)는 식 (4)와 같이 정의할 수 있다.

(4)

여기서, Pv는 부피 손실 밀도(volume loss density), E는 전계(electric field), J*는 전류 밀도(current density), H는 자계(magnetic field), H*는 H의 켤레복소수로써 180°위상이 변경된 자계(magnetic field), w= 2πf, μ는 상대 투자율(relative permeability)이다. Re( * ) 실수부를 나타낸다.

부피 또는 전기적 손실 밀도(Volume or electric loss density)는 피부(skin), 지방(fat), 근육(muscle)과 같은 특정 부피 영역에서의 전력 손실을 나타냔다. 상기 손실 밀도를 통해 각 계층에서 전력(power)을 잘 수신할 수 있는 방법을 결정할 수 있다.

부피 손실 밀도(Volume loss density)는 특정 조직에서의 전력(power)의 감쇠를 확인할 수 있으며, 이를 통해 우리는 각 심부 조직에 전력(power)이 얼마나 잘 흡수 되고 수신될 수 있는지를 확인할 수 있다.

마이크로스트립 패치 안테나는 다양한 무선 통신 분야에서 널리 사용되며, 좁은 대역폭으로 잘 알려져 있다. 이로 인해 안테나 회로의 소형 컴팩트 한 크기로 목표 대역폭을 달성하기가 어렵다. 안테나의 목표 대역폭 1.3 - 1.4GHz 및 2.7 - 2.8GHz를 달성하기 위해 인쇄된 보우 타이 안테나를 선택하였다.

도 9a, 9b는 본 발명에 따른 인체 내부의 심부 체온(core temperature)을 측정하는 마이크로파 라디오미터(microwave radiometer)용 반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나: (a) 단순화 된 평면 팬텀(피부, 지방, 근육), (b) 전체 3D Sim4Life 인체 모델 Duke, (c) yz 평면도, (d) xz 평면도, 방사체 (e) 기판 바닥에 위치한 (+) 방사체(positive radiator), (f) 기판 상단에 위치한 (-) 방사체(negative radiator)를 나타낸다.

반사판(reflector)이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는,

기판;

상기 기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체(positive radiator);

상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체(negative radiator); 및

상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 안테나의 이득(gain)을 높이며 접지면으로 작용하는 반사판(reflector)을 구비하며,

상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하며, 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되고, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고,

상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기에 구비되며,
상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되며, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되고, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며,
상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는다.
또한, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은,
1회용 PVC 필름을 통해 인체 부위에 부착되며, 심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나;
상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 통해 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10 GHz 주파수 범위내에서 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부; 및
상기 RF 수신기 회로부가 마이크로프로세서의 제어부(MCU)와 연결되며, A/D 컨버터를 구비하는 인터페이스 회로부를 포함하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비하며,
상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는
상기 기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체;
상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체; 및
상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 접지면으로 작용하는 반사판을 구비하며,
상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하고, 하나의 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되며, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고,
상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈에 구비되며,
상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되고, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되고, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되고,
상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되고, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는다.
또한, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은
심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 안테나로써, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나와 RF 수신기 회로부와 인터페이스 회로부를 포함하고, 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 어느 하나의 RF 주파수 신호를 수신하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비하며,
상기 RF 수신기 모듈의 인터페이스 회로부에 마이크로프로세서 제어부가 연결되고, 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 디스플레이에 표시하는 마이크로파 심부 체온계에 연결된다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 상기 1회용 PVC 필름을 통해 인체에 접촉되어 1.35GHz 및 2.75 GHz 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신한다.

상기 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 듀얼 밴드 RF 주파수를 사용하여 인체 내부의 심부 체온을 측정한다.

상기 (+) 방사체 및 상기 (-) 방사체는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 금속을 사용한다.

상기 (-) 방사체는 상기 기판의 3mm 위에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 안테나의 이득(gain)을 높이며 접지면으로 사용되는 반사판(reflector)이 함께 구비된다.

상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되며, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되고, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며,

상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는다.

상기 기판은 유전율

=10.2, loss tangent 손실 탄젠트 tan σ=0.0035 인 Taconic CER-10 유전체 기판을 사용한다.

마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은

1회용 PVC 필름을 통해 인체 부위에 부착되며, 심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나;

상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 통해 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10 GHz 주파수 범위내에서 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부; 및

상기 RF 수신기 회로부가 마이크로프로세서의 제어부(MCU)와 연결되며, A/D 컨버터를 구비하는 인터페이스 회로부를 포함한다.

심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하며, 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 어느 하나의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계에서, 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 듀얼 밴드 안테나, RF 수신기 회로부, 인터페이스 회로부를 구비하며, 마이크로파 심부 체온계의 제어부(MCU)와 연결된다.

마이크로파 심부 체온계의 제어부(MCU)에 연결되는 온도변환부는, 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 디지털 값에 상응하는 인체 내부의 심부 체온으로 변환하며, 제어부(MCU)의 제어에 따라 표시부로 심부 체온이 출력된다.

도 9(a)는 단순화 된 플랫 바디 팬텀 및 (b) full 3D Sim4Life 인체 모델 Duke에 배치된 제안된 보우타이 안테나를 보여준다. 단순화된 플랫 바디 팬텀은 HFSS(high-frequency structure simulator) 툴(Ansys HFSS 21)로 분석된다.

이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나는 HFSS(high-frequency structure simulator) 툴을 사용하여 FEM(Finite ElectroMagnetic Method) 방식을 사용하여 전자기파의 구조를 분석하고 시뮬레이션하였다. 참고로, HFSS는 안테나 설계(antenna design) 및 필터(filters), 전송 라인(transmission lines) 및 패키징(packaging)을 포함하는 무선 주파수 전자 회로 요소 설계(design of radio frequency electronic circuit elements)에 사용되는 전자기파 구조들(electromagnetic structures)을 분석하는 고주파 분석 시뮬레이션 툴이다. HFSS 시뮬레이션 툴은 전자기파를 미분 방식으로 분석하는 FEM(Finite ElectroMagnetic Method) 미분 방식, 또는 전자기파를 적분 방식으로 분석하는 MoM(Method of Momentum) 적분 방식을 사용한다.

제안된 듀얼 밴드 안테나는 고유전율을 갖는 유전체 기판 CER-10(, loss tangent = 0.0035, 두께 = 0.64 mm) 안테나의 부피를 줄이기 위해. 듀얼 밴드 안테나는 근육( 54.112, 전기전도도 = 1.142 S/m, 황갈색 loss tangent = 0.279, 두께 = 41.6 mm), 지방( 5.395, 전기전도도 = 0.065 S/m, 황갈색 loss tangent = 0.154, 두께 = 10.35 mm), 피부( 39.661, = 1.036 S / m, 황갈색 = 0.335, 두께 = 1.87 mm), 및 p올리비닐클로라이드 (PVC) 필름( 2.7, loss tangent = 0.007, 두께 = 0.1 mm)인 상황에 심부 체온을 측정했으며, 위생적인 이유로 1회용 PVC 필름이 사용된다. 단순화 된 플랫 팬텀의 안테나를 쉽게 분석할 수 있다. 그러나, 현실 세계에서 인체는 곡면과 모든 지점에서 두께가 다르다. 플랫 단순화 된 팬텀은 정확하게 보기 어렵기 때문에, 부피 또는 전기 손실 밀도 및 반사 손실(return loss,

)는 실제 인체와 비교된다. 보다 정확한 EM 시뮬레이션 결과를 보기 위해, ZMT 회사의 Sim4Life(피부, 근육, 심장 장기, 뼈 등의 EM 시뮬레이션 툴)의 전체 3D 인체 모델 Duke를 사용했다. 도 9(b)는 전체 3D 인체 모델 Duke의 손목에 부착된 제안된 듀얼 밴드 안테나를 보여준다.

마이크로 스트립 패치 안테나는 가볍고 안테나의 지향성이 좋으므로 대중적으로 많이 쓰이고 있으나, 협대역으로 잘 알려져 있다. 마이크로 스트립 패치 안테나 특성은 심부체온계를 위한 대역폭 만족을 어렵게 만든다. 도 9는 듀얼 밴드 안테나의 모습을 보여주고 있다. 안테나는 고유전율을 갖는 CER-10 기판위에 설계가 되었다. 기판 위에는 (-) 방사체(negative radiator)가 위치해 있고, 기판의 아래에는 (+) 방사체(positive radiator)가 위치해 있다. (+) 방사체는 RF 커넥터의 시그널(+) 부분과 연결되고, (-) 방사체는 RF 커넥터(SMA 커넥터)의 (-) 부분과 연결된다. 기판을 포함한 방사체의 총 크기는 13mm x 13mm 이다. 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)는 20mm x 20mm 크기의 반사판(reflector)과 합쳐져 있으며, 반사판(reflector)은 안테나의 이득(gain)을 올려주는 역할을 함과 동시에 접지면으로서 작용한다. 즉, 기판 위에 있는 (-) 방사체는 단락 핀(short pin, (-) 핀)을 사용하여 반사판(reflector)과 연결된다. 기판 아래에 있는 (+) 방사체는 신호 핀(signal pin, (+) 핀)과 연결된다.

도 9(c)와 (d)는 yz와 xz 평면에서 깊은 심부 온도(deep core temperature)를 측정하기 위해 제안된 듀얼 밴드 온바디 안테나(on-body antenna for measuring deep core temperature)를 보여준다. RF 커넥터는 반사판(reflector)과 결합된다. 반사판의 크기는 20mm x 20mm이며, 부피 또는 전기적 손실 밀도(volume or electric loss density) 및 이득(gain)을 증가시키기 위해 제안된다. 도 9(e)와 (f)는 방사체(radiator)의 구체적인 회로를 보여준다. 제안된 듀얼 밴드 안테나는 안테나의 크기를 줄이기 위해 고유전율 기판 CER-10(

=10, loss tangent δ = 0.0035, 두께 = 0.64mm) 상에 제작하였다. (+) 방사체는 기판 하단에 있으며, 인체(body)를 향하고 (-) 방사체는 기판 상단에 있다. (+) 방사체에 연결된 전력 공급용 RF 커넥터의 신호 핀(signal pin)과, (-) 방사체에 연결된 RF 커넥터의 단락 핀(short pin)이 연결된다. 기존의 보우타이 안테나 설계 방정식은 다음 식(5) - (9)로 근사화할 수 있다.

여기서, 은 공진 주파수,

은 상대 유전율,

는 실유전율, L은 보우타이 안테나의 길이, △L은 길이의 오차, L/2는 보우타이 안테나의 대각선 측 길이, h는 기판의 높이, Rt는 상수, Wi는 보우타이 안테나의 산술평균 너비, W는 보우타이 안테나의 가장 큰 너비(width), 는 보우타이 안테나의 최소 너비, S는 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체 사이의 거리이다.

도 10a는 제안된 1.35GHz와 2.75GHz 듀얼 밴드 안테나의 설계 단계(Step 1, 2, 3, 4, 5)와 반사계수(return loss,

)를 보인 도면이다.

도 10a는 제안된 안테나가 사람의 손목에 착용되었을 때의 설계 단계와 반사계수를 보여준다. Step 1는 기존의 나비 넥타이 형상의 보우타이 안테나를 보여준다. 안테나의 크기가 작기 때문에 목표 주파수 대역에서 공진하지 않는다.

Step 2는 보이타이 방사체(bow-tie radiator) 측면에 대칭으로 구부러진 스터브(stub)가 있는 보우타이 안테나(bow-tie antenna with symmetrical bent stub)를 보여준다. 보우타이 안테나의 대각선 길이는 공진 주파수를 결정하는 핵심 요소 중 하나이다. 대각선 길이를 늘리면 안테나의 공진 주파수(antenna resonant frequency)가 더 낮은 주파수 대역으로 이동하지만, 전체 안테나의 크기는 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 (+) 방사체와 (-) 방사체 1의 측면에 대칭 벤트 스터브(symmetrical bent stub)를 추가했다. 안테나의 볼륨 크기를 늘리지 않고, 대칭형 스터브(symmetrical stub)에 의해 보우타이 안테나의 대각선 길이(diagonal side length of bow-tie antenna)가 증가하여 안테나의 공진 주파수가 낮은 주파수 대역으로 이동하였다.

도 10a는 1.35GHz와 2.75GHz 듀얼 밴드 안테나를 사람의 손목 위에 있을때의 설계 과정(Step 1,2,3,4,5)을 보여준다.

Step 1은 일반적인 나비 넥타이 형상의 보우타이 안테나를 보여준다. 사람의 몸 위에 있고 크기가 작기 때문에 목표 대역에서 공진하지 않는 모습을 볼 수 있다.

Step 2는 보우타이 안테나의 양 옆에 구부러진 stub가 붙여져 있는 것을 볼 수 있다. 보우타이 안테나는 일반적으로 방사체(radiator)의 사선의 길이에 따라 안테나의 공진 주파수가 결정된다. 방사체의 사선의 길이가 길수록 안테나의 공진 주파수가 낮은 주파수로 내려가지만 안테나의 크기가 커지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양 옆에 구부러진 스터브(stub)를 추가함으로써 안테나의 전체적인 크기를 키우지 않고, 안테나의 사선의 길이를 증가시켰다. 그래프에서 보듯이 step1에서 일어나지 않았던 공진이 구부러진 스터브(stub)를 추가함으로써 2.75 GHz에서 공진하는 것을 볼 수 있다.

Step 3은 구불구불한 slot이 있는 보우타이 안테나를 보여준다. 방사체(radiator)에 slot을 사용하는 것은 이중 대역을 구현하는 일반적인 방법이다. 일반적으로 slot 길이는 1/4 파장에서 1/2 파장 사이이다. 그러나, CER-10 기판에서 1.35GHz 유효 파장은 85.7mm이다. 보우타이 방사체의 치수는 U 슬롯에 충분하지 않다. 안테나의 듀얼 밴드를 구현하기 위해 구불구불한 slot 라인을 사용한다. 단순 사행 슬롯은 1.3GHz에서 공진 주파수를 달성할 수 있다. 그러나, 안테나의 공진 주파수는 3%(1.33~1.29GHz)의 좁은 대역폭을 갖는다.

Step 3는 각 방사체(radiator)에 구부러진 slot이 추가된 모습을 보여준다. 이중 대역을 일으키기 위해 일반적으로 1/4 파장에서 1/2 파장 사이의 길이를 가지는 slot을 많이 사용되어져 왔다. 그러나, 제안된 안테나의 크기는 매우 작기 때문에 방사체에 slot을 추가하기 위해 slot을 구부려서 추가하였다. slot을 추가함에 따라 이전에 일어나지 않았던 1.35 GHz와 2.75 GHz 이중 공진이 발생하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 1.35 GHz의 주파수 대역폭이 3%로 협대역이라 마이크로파 심부체온계를 위한 안테나로 부적합하다는 것을 확인할 수 있다.

Step 4는 낮은 주파수 대역(1.35GHz 대역)의 대역폭을 향상시키기 위해 (+) 방사체 및 (-) 방사체에서 slot 길이가 다른 보우타이 안테나를 보여준다. 그러나, 더 낮은 주파수는 좁은 대역폭으로 1.02GHz 및 1.44GHz에서 공진한다. 하단 레이어 slot은 1.02 GHz에서 공진하고, 상단 레이어 슬롯은 1.44 GHz에서 공진한다.

이러한 협대역 문제를 해결하기 위하여 안테나의 각각의 방사체(네거티브와 포지티브 방사체)의 slot 모양을 변형시켰다. (+) 방사체(positive radiator)에 있는 slot은 1.02 GHz에서 공진이 일어나며, (-) 방사체(negative radiator)에 있는 slot은 1.44 GHz에서 공진이 일어난다. 그러나, 안테나에서 두 공진이 서로 떨어져 일어나고 있으며, 여전히 협대역 특성을 가지고 있다.

Step 5는 낮은 대역에서 좁은 대역폭(narrow bandwidth)과 다른 공진 주파수(different resonate frequency at lower band)를 해결하기 위해 (+) 방사체(포지티브 방사체)에 추가적인 민더 스터브(meander stub)가 추가되었음을 보여준다. 1.02GHz 및 1.44GHz에서의 공진 주파수는 1.35GHz에서 공진하도록 변경되고, 1.35GHz에서의 대역폭은 13.43%(1.25~1.43GHz)로 증가하였다.

이러한 협대역 특성을 해결하기 위하여 마지막으로 구부러진 stub를 (+) 방사체(positive radiator)의 맞은 편에 연결하여 추가하였다. 그 결과, 서로 다른 곳에 일어 났던 공진이 1.35 GHz 공진으로 합쳐졌으며, 대역폭 또한 기존 3%에서 13.43%로 증가한 것을 확인하였다. 또한, 2.75 GHz의 공진을 유지하고 있는 모습을 확인하였다. 결론적으로, 1.35 GHz와 2.75 GHz 이중 공진을 만족하며, 기존 협대역 특성을 개선하였다.

듀얼 밴드 안테나 설계에서 (+) 방사체(positive radiator)에 추가되는 추가 미앤더 스터브(meander stub)는 가장 중요한 설계 파라미터 중 하나이다.

도 10b는 (a) slot 길이, (b) 구불구불한 stub가 있거나 없는 경우 및 (c) 일치하는 stub에 따른 제안된 듀얼 밴드 안테나의 파라메트릭 연구를 보여준다. (a)는 L1에 따른 반사 손실(return loss)

의 변화를 보여준다. 상위 및 하위 대역의 공진 주파수는 L1이 증가함에 따라 하위 주파수 대역으로 이동하였다. (b)는 L2에 따른 반사 손실(return loss)

의 변화를 보여준다. L2가 증가함에 따라, 높은 주파수는 낮은 대역으로 이동하였다. 그러나, 낮은 대역 공진 주파수는 변하지 않았다. 따라서, 추가 민더 스터브 파라미터와 방사체의 slot은 낮은 대역에 영향을 미치고 추가적인 민더 스터브는 1.35 GHz에서 대역폭을 향상시킨다. 즉, 협대역 특성을 개선한 민더 스터브가 듀얼 밴드 안테나의 설계의 핵심이라고 볼 수 있다.

도 11은 (a) 제안된 듀얼 밴드 안테나의 반사판(reflector)이 유무에 따른 시뮬레이션된 반사 손실(return loss,

) 및 (b) 제안된 듀얼 밴드 안테나의 반사판(reflector)이 있거나 없는 피크 이득을 보여준다.

도 11은 민더 스터브(meander stub)의 길이에 따른 반사손실(return loss,

)의 변화를 보여준다. 도 11(a)에서 L1의 변화에 따라 1.35 GHz와 2.75 GHz 모두 공진 주파수가 변하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 도 11 (b)에서는 L2의 길이 변화는 오로지 2.75 GHz 대역의 공진 주파수만 변하는 것을 확인할 수 있다.

RF 커넥터(SMA 커넥터)는 반사판(reflector)과 결합된다. 반사판은 (-) 방사체 위 3mm에 있습니다. 빈사판의 크기는 20mm x 20mm이다. 전기 또는 부피 손실 밀도(Electric or volume loss density)(전력 손실 밀도)는 안테나의 이득(gain)과 밀접한 관련이 있다. 안테나의 더 높은 이득(gain)은 상대적으로 더 높은 전기 또는 부피 손실 밀도(electric or volume loss density)(전력 손실 밀도)를 달성할 수 있다.

제안된 듀얼 밴드 안테나는 반사판(reflector)에 관계없이 1.3~1.4 GHz 및 2.7~2.8 GHz를 커버할 수 있다. 그러나, 제안된 듀얼 밴드 안테나의 최대 이득(peak gain)은 1.35GHz 대역에서 5dB, 반사판이 없는 2.75GHz 대역에서 9dB 감소하였다. 반사판이 제안된 듀얼 밴드 안테나의 이득을 향상시키고, 결국 사람의 심부 코어(deep core)에서 부피 또는 전기적 손실 밀도(volume or electric loss density)를 증가시켰다.

제안된 듀얼 밴드 안테나는 RF 커넥터(SMA 커넥터)가 20mm x 20mm 의 반사판과 합쳐져 있다. 반사판(reflector)은 안테나로부터 3mm 위에 위치하여 있다. 반사판은 안테나의 이득(gain)과 부피 손실 밀도(volume loss density)를 높여주는 역할을 한다. 도 12는 반사판의 유무에 따른 안테나의 반사계수와 이득(gain)의 변화를 보여준다. 도 12(a)는 안테나의 반사판이 있던 없던 1.35 GHz와 2.75 GHz 대역폭을 모두 만족하는 모습을 보여준다. 그러나, 도 12(b)를 보면 안테나의 반사판이 없을 때 안테나의 이득이 감소하는 모습을 볼 수 있다. 안테나의 이득은 부피 손실 밀도(volume loss density)와 매우 밀접한 관계에 있기 때문에 고이득인 안테나일수록 높은 부피 손실 밀도(volume loss density)를 얻을 수 있다.

도 12는 1.35 GHz (a) 하단 레이어, (b) 최상위 레이어; 및 2.75 GHz (c) 하단 레이어, (d) 최상위 레이어에서 제안된 안테나의 현재 분포를 나타낸다.

제안된 듀얼 밴드 안테나의 1.35GHz (a) 하단 및 (b) 상단 레이어와 2.75GHz (c) 하단 및 (d) 상단 레이어에서의 전류 분포를 보여준다. 보우타이 방사체의 상단 slot에서 1.35GHz 전류 분포가 강하고, 하단 레이어의 포지티브 방사체에 미앤더 라인 스터브(meandtheline stub)가 추가된 것을 볼 수 있다. 2.75GHz 전류 분포는 보우타이 방사체의 대각선 측면에서 강하고, 포지티브 방사체에 추가된 민더 스터브가 있다. 결과적으로, 전류 분포(current distributions)는 slot이 주로 하위 대역(1.35GHz 대역)에 영향을 미치고, 보우타이 방사체의 대각선 길이(diagonal side of bow-tie radiator)는 주로 상위 대역(2.75GHz 대역)에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 추가적인 미앤더라인 스터브(meander line stub)는 낮은 밴드(1.35 GHz band)와 높은 밴드(2.75 GHz band) 모두에 효과를 준다. 보우타이 방사체의 대각선 방향은 주로 2.75GHz 대역에 영향을 받는다.

도 12는 안테나의 전류 밀도(current density)를 보여준다. 도 12 (a)와 (b)는 1.35 GHz일 때 방사체의 전류 밀도이고, 도 12(c)와 (d)는 2.75 GHz일 때 방사체의 전류 밀도이다. 1.35 GHz일 때 각 방사체(radiator)의 slot과 민더 스터브(meander stub)에 전류가 집중되는 모습을 볼 수 있고, 2.75 GHz일 때 방사체의 사선과 민더 스터브에 전류가 집중됨을 볼 수 있다. 즉, slot은 1.35 GHz 대역에 영향을 미치고 보우타이 방사체 그 자체는 2.75 GHz 대역에 영향을 주는 것을 유추할 수 있으며, 민더 스터브는 1.35 GHz와 2.75 GHz 모두에 영향을 주는 것을 알 수 있다.

도 13은 기판 상에 제작된 1.35 GHz와 2.75 GHz 듀얼 밴드 안테나의 프로토타입: (a) 최상층 및 (b) 최하층 구현 사진이다.

(-) 방사체(negative radiator)는 기판 위 최상층에 위치하며 짧은 핀(short pin)에 연결된다. 기판의 하부에 위치하고, 신호 핀(signal pin)에 연결된 (+) 방사체(positive radiator)를 구비한다. 방사체(radiator)의 프로토타입은 13mm x 13mm x 0.64mm의 컴팩트한 소형 크기다.

III. 시뮬레이션 및 측정 결과

도 14는 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 듀얼 밴드 안테나의 시뮬레이션 및 반사 계수(return loss,

) 측정 결과이다.

ZMT 회사의 Sim4Life에서 제작한 전체 3D 바디 모델(full 3D body model)에서 안테나를 Ansys HFSS 21를 사용하여 시뮬레이션하였다.

편평한 팬텀 근육(상대 유전율 54.112, 전기 전도도 = 1. 142 S/m, 황갈색 loss tangent = 0.279, 두께 = 41.6 mm), 지방( 5.395, 전기전도도 = 0.065 S/m, 황갈색 loss tangent = 0.154, 두께 = 10.35mm), 피부( 39.661, 전기전도도 = 1.036 S/m, 황갈색 loss tangent = 0.335,두께 = 1.87 mm)

전체 3D 인체 모델에 제안된 듀얼 밴드 안테나는 1.32GHz 및 2.72GHz에서 공진하였다. 임피던스 대역폭은 13.43 % (1.25 - 1.43GHz) 및 10.6%(2.59 - 2.88GHz)이다. 단순화 된 플랫 팬텀에서 제안된 듀얼 밴드 안테나는 1.34GHz 및 2.8GHz에서 공진하였다. 임피던스 대역폭은 6.74 % (1.29 - 1.38 GHz) 및 10.3 % (2.67 - 2.96 GHz)입니다. 실제 사람의 손목으로 안테나를 측정한 결과는 15.38%(1.26 - 1.47GHz) 및 16.5%(2.5 - 2.95GHz)의 임피던스 대역폭으로 1.36GHz 및 2.75GHz에서 공진하였다. 측정된 반사 손실 결과는 전체 3D 신체 모델로 시뮬레이션 된 결과와 거의 일치한다.

도 15는 전체 3D 보디 모델(full 3D body model) (a) 1.35 GHz, (b) 2.75 GHz 및 플랫 팬텀 (c) 1.35 GHz, (d) 2.75 GHz 및 (e) 비교 결과에서의 전력 손실 밀도를 보여준다.

도 15(a)와 (b)는 안테나를 전체 3D 인체 모델 손목에 배치했을 때 1.35 GHz 및 2.75GHz에서 부피 또는 전기 손실 밀도의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 15 (c)와 (d)는 안테나를 단순화 된 플랫 팬텀에 배치할 때 1.35 GHz 및 2.75 GHz에서 부피 또는 전기 손실 밀도의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 15(e)는 안테나가 전체 3D 바디 모델 손목과 플랫 팬텀에 있을 때의 전력 손실 밀도의 비교 결과를 보여준다. 전체 3D 바디 모델은 손목과 근육층에서 매우 얇은 피부와 지방층을 가지고 -3mm부터 시작한다. 평탄한 환상근 층은-12.2 mm부터 시작된다. -20mm 전에 전체 3D 본체 모델은 플랫 팬텀 보다 전력 손실 밀도가 높다. 그러나, -20mm 이후에는 플랫 팬텀이 전체 3D 바디 모델보다 전력 손실 밀도가 높다. 플랫 팬텀은 전체 3D 바디 모델보다 표면 크기와 부피가 작기 때문이다. 두 결과 모두 2.75 GHz가 1.35 GHz보다 부피 손실 밀도가 더 높다는 것을 보여준다.

도 16은 제안된 듀얼 밴드 안테나의 피크 이득 시뮬레이션 및 측정 결과이다.

제안된 듀얼 밴드 안테나는 안테나가 본체에 있을 때 임피던스와 일치하도록 설계되었다. 안테나는 독립형일 때보다, 안테나가 본체에 있을 때 피크 이득이 더 높다 안테나는 독립형일 때 1.35GHz 및 2.75GHz에서 최대 이득(peak gain)은 -26dB 및 -17dB이다. 안테나 피크 이득은 전체 3D 본체 모델에서 -14dB 및 -9.1dB로 증가한다. 마찬가지로, 안테나는 단순화 된 플랫 팬텀에 있을 때, 안테나 피크 이득은 -12dB 및 -2.2dB로 증가하였다.

도 17은 (a) 1.35 GHz, (b) 2.75 GHz 및 (c) 1.35 GHz, (d) 2.75 GHz에서 플랫 팬텀에서 전체 3D 보디 모델(full 3D body model)에서 제안된 듀얼 밴드 안테나의 HFSS EM 시뮬레이션된 3D 방사 패턴, 듀얼 밴드 안테나의 시뮬레이션 (e) 1.35 GHz 및 (f) 2.75 GHz에서 2D 방사 패턴 측정

도 17(a) 및 (b)는 안테나가 전체 3D 바디 모델에 있을 때 1.35GHz 및 2.75GHz에서의 3D 방사 패턴을 나타낸다. 도 17(c) 및 (d)는 안테나가 플랫 팬텀 상에 있을 때 1.35GHz 및 2.75GHz에서의 3D 방사 패턴을 나타낸다. 도 17(e) 및 (f)는 제안된 안테나의 2D 방사 패턴을 나타낸다.

IV. 듀얼 밴드 안테나 실험 결과

표 1은 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기의 제안된 듀얼 밴드 안테나를 사용하여 심부 체온을 측정하기 위해 마이크로파 라디오미터(마이크로파 라디오미터, microwave radiometer)에 적용된 다른 관련 안테나들과의 비교를 보여준다.

제안된 듀얼 밴드 안테나는 다른 연구에 비해 가장 컴팩트 한 소형 크기를 가지고 있다. 마이크로파 심부 체온계(마이크로파 라디오미터)로 심층 온도(deep core temperature)를 측정하는 대부분의 연구는 안테나에 초점을 맞추지 않았다. 그리고 단순히 평평한 팬텀에서 안테나를 설계하고 시뮬레이션했다. 인체 내부의 깊은 코어 온도(core temperature)를 측정하기 위한 안테나의 중요한 요소 중 하나는 전기 또는 부피 손실 밀도이다. 우리는 전체 3D 바디 모델과 단순화 된 플랫 팬텀에서 부피 손실 밀도와 이득 값이 다르다는 것을 발견했다. Sim4Life 전체 3D 바디 모델 MRI는 실제 사람을 스캔하고 피부, 지방, 근육 뿐만 아니라 뼈, 장기, 혈관을 실제 크기로 이식한다. 따라서, 단순화 된 플랫 팬텀보다 더 신뢰할 수있는 데이터를 얻을 수 있다. 전체 3D 바디 모델과 플랫 팬텀에서 안테나를 시뮬레이션하고 설계하여 서로 비교했다. 사람의 피부는 전도성이 매우 높으며 안테나의 반사 계수 값에 큰 영향을 준다. 따라서, 실제 인체에 대한 안테나의 반사 계수 값을 측정하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 연구의 대부부은 사람에 대한 반사 계수 값을 측정하지 않았다.

In의 연구에서, 마이크로파 라디오미터(microwave radiometer)를 사용하여 인체 내부의 깊은 심부 체온(deep core temperature)에 대한 반사판(reflector)을 구비하는 compact dual-band on-body near-field antenna를 제안했다. 제안된 듀얼 밴드 안테나는 고유전률을 갖는 유전체 기판과 측면 보우타이 방사체(radiator)에 위치한 구부러진 스터브(stub)에 의해 컴팩트 한 소형 크기를 달성했다. 그것은 보우타이 방사체의 slot별로 듀얼 밴드를 달성하고, (+) 방사체(포지티브 라디에이터에 추가되는 구불구불한 라인 스터브(line stub)로 더 낮은 밴드 대역폭을 향상 시켰다. RF 커넥터(SMA 커넥터)와 결합되고 방사체 위 3mm에 위치한 반사판(reflector)은 게인과 전기 또는 부피 밀도를 향상시켰다. 제안된 듀얼 밴드 안테나의 방사체는 컴팩트 한 소형 크기 13mm x 13mm와 임피던스 대역폭이 15.38 % (1.26 - 1.47GHz) 및 16.5 % (2.5 - 2.95GHz) 였다. 우리는 제안된 듀얼 밴드 안테나가 인체 내부의 깊은 코어 온도를 측정하기 위해 마이크로파 라디오미터에 잘 적용될 것이라고 믿는다.

도 6은 인체 내부의 심부 체온을 감지하는 듀얼 밴드 안테나를 포함하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계의 설계도이다.

심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70)과 연결되는 마이크로파 심부체온계(90-99);

상기 RF 수신기 모듈(70)을 구비하는 마이크로파 심부체온계(90-99)가 장착되고, RF 수신기 모듈(70)의 인터페이스 회로(PCB)와 연결되고, 리튬 폴리머 배터리(97)로 구동되며, 수평선을 기준으로 30° 이내의 상향 각도로 향하는 권총 형상의 입구에 LED 인디케이터(99-4)가 구비되고 정면부 또는 상부면 또는 손잡이 내측면에 구비된 컬러 OLED 디스플레이(95), 및 버튼 입력부(92-3)가 구비되며 권총 형상의 핸디형 본체의 손잡이(101)의 측정 샷 버튼(92-1)이 구비된 마이크로파 심부체온계(90-99)가 장착된 핸디형 본체; 및

상기 마이크로파 심부체온계(90-99)가 장착된 핸디형 본체를 거치하고 AC-DC 컨버터가 구비되며, AC 전원선이 연결된 AC 전원 플러그와 연결되는 충전 거치대(107)를 포함한다.

마이크로파 심부 체온계는 2차 전지 배터리(리튬 이온 배터리, 또는 리튬 폴리머 배터리 등)로 구동이 가능하며, 핸디 타입의 마이크로파 심부 체온계의 시작품을 제작하였다.

적외선 체온계는 측정 가능부위가 이마, 손등 피부, 관자놀이 등의 피부 표면 온도 측정에 한정되지만, 듀얼 밴드 안테나와 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계는 가슴, 옆구리, 다리 몸통 중심 부위 등의 인체 대부분의 부위에서 심부 체온을 측정이 가능하고, 신체 정면과 후면 모두 측정이 가능하다.

도 7은 인체 내부의 심부 체온을 감지하는 듀얼 밴드 안테나를 포함하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계 구성도이다.

도 8은 실시예에 따른 마이크로파 심부체온계의 듀얼 밴드 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈의 설계도이다.

마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈에 사용된 안테나는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 안테나)를 사용하여 주변 잡음을 최소화하였다.

마이크로파 심부 체온계는 샷건 권총 형상에 한정하지 않으며, 필요에 따라 다양한 형상의 프로브로 제작될 수 있다.

심부 체온 측정용 이중 대역 바이오 정합 듀얼 밴드 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계는

이중 대역 바이오 정합 듀얼 밴드 안테나를 사용하며 인체 부위에 부착되어 심부체온 감지용 RF 접촉식 패치 안테나(71)를 통해 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10 GHz 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부(72)와 인터페이스 회로부(73)를 포함하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70); 및

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70)의 인터페이스 회로부(73)에 연결되고 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10 GHz 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power: 와트(W), 밝기)에 따라 측정된 인체 내의 심부 체온을 마이크로파 심부체온계의 제어부에 연결된 표시부(OLED 디스플레이)에 표시하는 마이크로파 심부 체온계(90-99)를 포함한다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70)은

이중 대역 바이오 정합 듀얼 밴드 안테나를 사용하며, 심부 체온을 측정하기 위해 인체 피하 내부로부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 수신받고, 인체 부위에 부착하는 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나(71);

상기 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나(71)를 통해 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부(72); 및

상기 RF 수신기 회로부(72)가 마이크로프로세서 제어부(90)와 연결되며, A/D 컨버터를 구비하는 인터페이스 회로부(73)를 포함한다.

상기 마이크로파 심부 체온계(90-99)는

마이크로프로세서 제어부(MCU)(90), 통신부(91), 샷버튼 입력부(92), 메뉴 버튼 제어부(93), 디스플레이 제어부(94), 표시부(LCD 디스플레이 또는 컬러 OLED 디스플레이)(95), 전원 제어부(96), 2차 전지 배터리(리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등)(97), 충전 회로부(98), USB 충전 커넥터(99) 및 통신부를 포함한다.

마이크로파 심부체온계의 표시부는 LCD 디스플레이 또는 컬러 OLED 디스플레이를 사용한다. 또한, 2차 전지 배터리는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리 등을 사용한다.

상기 마이크로파 심부 체온계는

상기 RF 수신기 모듈(70)의 인터페이스 회로부(73)와 연결되고, 1~10 GHz RF 주파수 범위내에서는 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 1~10GHz RF 주파수에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 측정된 심부 체온을 제어부에 연결된 표시부(OLED 디스플레이)에 표시하도록 제어하는 마이크로프로세서 제어부(MCU)(90);

디스플레이의 버튼 입력부(92-3)의 전원 ON/OFF 버튼과 측정 샷 버튼(92-1)을 구비하는 버튼 입력부(92);

상기 버튼 입력부(92)와 연결되며, 상기 버튼에 따라 동작되는 메뉴 버튼 제어부(93);

상기 마이크로프로세서 제어부(MCU)(90)에 연결되며, 온도 변환부는 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 디지털 값에 상응하는 인체 내부의 심부 체온으로 변환하는 온도 변환부;

상기 마이크로프로세서 제어부(MCU)(90)와 연결되며, 측정된 인체의 심부 체온을 표시하는 OLED 디스플레이 제어부(94)와 표시부(컬러 OLED 디스플레이)(95); 및

전원 제어부(96)와 2차 전지 배터리(리튬 이온 배터리, 또는 리튬 폴리머 배터리 등)(97)와 충전 회로부(98)와 USB 충전 커넥터(99)를 포함한다.

마이크로파 심부 체온계의 표시부는 LCD 디스플레이 또는 OLED 디스플레이를 사용하며, 표시부는 권총 형상의 정면부 또는 상부면 또는 사람이 보는 권총 형상의 손잡이의 내측면에 구비된다.

추가적으로/선택적으로, 상기 마이크로파 심부 체온계는 상기 마이크로프로세서 제어부(MCU)(90)와 연결되고, 권총 형상의 입구에 구비되는 LED 인디케이터(99-4)를 더 포함한다.

버튼 입력부(92)는 권총 형상의 손잡이의 걸이에서 검지 손가락으로 당기는 측정 샷 버튼(92-1); 및 디스플레이의 버튼 입력부(92-3)를 포함한다.

마이크로파 심부 체온계(90-99)의 통신부(91)는 Bluetooth 통신부, Wi-Fi 통신부, LTE 4G 통신부 또는 5G 통신부, IoT 통신부(LoRa RF 통신부, 또는 NB-IoT 통신부) 중 적어도 하나 이상의 통신부를 사용한다.

또한, 마이크로파 심부 체온계(90-99)의 통신부(91)로부터 Wi-Fi 통신부 또는 블루투스 통신부를 통해 직접 연결되는 사용자 단말(110)을 더 포함하며, 상기 사용자 단말은 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 표시한다.

마이크로파 심부 체온계는 마이크로파 심부 체온계(90-99)의 통신부(91)로부터 Wi-Fi 통신부, LTE 4G 통신부 또는 5G 통신부를 통해 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 저장하는 서버에 연결되며, 상기 서버에 유무선 통신망(LAN, Ethernet, Wi-Fi, LTE 4G 또는 5G)을 통해 연결되며, 상기 서버에 저장되고 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 디스플레이에 표시하는 사용자 단말을 더 포함할 수 있다.

사용자 단말은 스마트폰, 태블릿 PC, 컴퓨터(PC) 또는 의료 기기용 임베디드 시스템 중 어느 하나를 사용하며, 인체의 측정 부위별 통계 데이터에 따라 기 설정된 정상 심부체온을 초과하는 경우 알람을 발생한다. 스마트폰과 심부체온계용 프로브를 사용하는 경우 심부체온 측정앱(App)을 사용하여 스마트폰 화면에 표시할 수 있다.

인체의 생체 조직 내부 심부 체온을 측정하기 위해 본 발명의 마이크로파 심부체온계는 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10GHz 범위의 마이크로파 주파수를 사용하며, 마이크로파 주파수는 전자기파가 피부 조직 표면으로부터 3~7cm까지 침투한다.

마이크로파 심부 체온계는 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위내에서는 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 심부 체온에 대해 1~10GHz RF 주파수에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power, 밝기)에 따라 인체 내부의 심부 체온을 측정할 수 있다.

마이크로파 라디오미터(Microwave Radiometer)로써 사용되는 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈은 피부 접촉식 위생상의 이유로 1회용 PVC 필름을 통해 부착하는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나(Near-Field Probe on skin), RF 수신기 회로부, 인터페이스 회로부를 구비하며,

RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계는 제어부(MCU)와 저장부와 온도변환부와 표시부와 무선 송신부(Wireless transmitter)를 포함하며, 1~10 GHz 주파수 범위내에서 RF 주파수 신호를 사용하여 인체의 심부 체온(core emperature)을 측정한다.

실시예에서는, 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈은 1.35 GHz 및 2.75 GHz 동시에 사용되는 이중 대역 RF 주파수를 사용하였다.

마이크로파 심부체온계의 RF 수신기 모듈은 실리콘 기판 상에 CMOS공정을 사용한 MMIC 칩으로 구현되고, 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 이중 대역 바이오 정합 듀얼 밴드 안테나를 사용하며, 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 수신하는 인체에 부착되는 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나(71); RF 수신기 회로부(72); 및 A/D converter를 구비하는 인터페이스 회로부(73)를 포함한다.

실시예에서는, 예를 들면, 상기 RF 수신기 회로부(72)는

상기 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나(71)로부터 RF 주파수 신호를 수신받아 1~10 GHz 주파수 범위내의 예를 들면 1.35GHz 또는 2.75GHz 저전압 신호의 잡음을 제거하고 증폭하는 저잡음 증폭기단(LNA stages);

상기 저잡음 증폭기단에 연결되며, 신호의 잡음을 감쇄하여 센터 주파수 주변 잡음을 제거하고 증폭하는 가변 감쇄기(Variable Attenuator):

가변 감쇄기(Variable Attenuator)로부터 분기되고, 상기 GHz 주파수를 50~200MHz 범위내의 IF 대역 주파수로 다운시키고(down conversion) 센서티비티(sensivity)를 향상시키는 2대의 다운 믹서(Down Mixer);

상기 2대의 다운 믹서(Down Mixer)에 각각 연결되고, 다운시킨 IF 주파수의 잡음과 저항 성분을 제거하여 각각 깨끗한 신호(I,Q)를 제공하는 2대의 IF buffer;

진폭 변조된 정현파를 같은 위상과 직교(In-phase and Quadrature)되도록 신호를 발진시키며 국소발진기(Local Oscillator, LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 제공하는 칩 내부 발진기(IQ LO generator); 및

칩 외부에서 클럭 잡음을 통과하지 못하도록 칩 외부에서 발진 신호를 제공하는 칩 외부 발진기(Ext. LO)를 포함한다.

상기 인터페이스 회로부(73)는 상기 RF 수신기 회로부(72)로부터 수신된 발진기(Local Oscillator, LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 수신받아 A/D 변환하는 A/D 컨버터를 구비한다.

A/D 컨버터는 32 bit, 64 bit, 또는 128 bit A/D 컨버터를 사용할 수 있다.

심부체온 감지용 CMOS 공정을 사용한 RF 수신기의 구조는 심부체온 감지용 RF 수신기의 요구 스펙과 RF 수신기 구조에 기반한 RF/IF 수신기 M&S(Modeling & Simulation) 방법을 활용한 세부회로 블록은 1.3~2.9 GHz의 광대역 RF 수신기 칩의 RF/IF 회로를 여러가지 구조로 제작될 수 있다.

1) RF 수신기 모듈이 제작

ㆍ RF 수신기 모듈은 1.3~2.9 GHz의 광대역에서 저잡음, 고이득 및 이득제어가 용이한 LNA(low-noise amplifier), down mixer를 포함한 RF front end 회로 설계

ㆍ 1.1 ~ 1.7GHz의 LO 생성을 위한 VCO를 포함한 LO 생성부 회로의 설계

ㆍ 250MHz의 중심주파수에서 저잡음, 고이득, 이득 제어 기능이 포함된 증폭부, 감지부 회로를 포함한 IF단 회로부 설계

ㆍ설계된 RF, LO, IF부 회로들의 통합 및 전체 RF 수신기의 성능 최적화

2) CMOS 공정을 사용한 RF/IF 수신기 칩의 Layout 및 MMIC 칩 제작

ㆍ RF 수신기 모듈은 실리콘(Si) 기판 상에 CMOS 공정을 사용하여 단일 칩으로 제작된 RF/IF 수신기 칩의 각 세부 RF, IF, LO부 회로부의 CMOS회로 layout 진행 및 post layout simulation을 통한 설계와 제작

ㆍ RF 수신기 모듈은 실리콘(Si) 기판 상에 CMOS 공정을 사용하여 System Integration Package/Chip 기술을 사용하여 one chip으로 구성된 MMIC 칩(RF/IF receiver chip)의 제작

본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기와 같이 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

70: RF 수신기 모듈 71: 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나
72: RF 수신기 회로 73: 인터페이스 회로부
90: 마이크로프로세서 제어부 91: 통신부
92: 버튼 입력부 92-1: 샷 버튼
92-3:디스플레이의 버튼 입력부 93: 메뉴 버튼 제어부
94: 디스플레이 제어부 95: 표시부(컬러 OLED 디스플레이)
96: 전원 제어부 97: 2차 전지 배터리
98: 충전 회로부 99: USB 충전 커넥터
99-4: LED 인디케이터 101: 핸디형 본체 손잡이
107: 충전 거치대

Claims (13)

1. 기판;
   상기 기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체;
   상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체; 및
   상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 접지면으로 작용하는 반사판을 구비하며,
   상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하고, 하나의 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되며, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고,
   상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈에 구비되며,
   상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되고, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되고, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되고,
   상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되고, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 상기 1회용 PVC 필름을 통해 인체에 접촉되어 1.35GHz 및 2.75 GHz 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신하는, 인체 내부의 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 듀얼 밴드 RF 주파수를 사용하여 인체 내부의 심부 체온을 측정하는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 (+) 방사체 및 상기 (-) 방사체는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 금속을 사용하는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나.
5. 제1항에 있어서,
   상기 (-) 방사체는 상기 기판의 3mm 위에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 안테나의 이득(gain)을 높이며 접지면으로 사용되는 반사판(reflector)이 함께 구비되는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 유전율

   

   =10.2, loss tangent 손실 탄젠트 tan σ=0.0035 인 Taconic CER-10 유전체 기판을 사용하는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나.
8. 1회용 PVC 필름을 통해 인체 부위에 부착되며, 심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나;
   상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 통해 1.4GHz와 2.7GHz를 제외한 1~10 GHz 주파수 범위내에서 1.3 ~ 1.35 GHz 및 2.75~2.8 GHz 범위 내의 듀얼 밴드 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부; 및
   상기 RF 수신기 회로부가 마이크로프로세서의 제어부(MCU)와 연결되며, A/D 컨버터를 구비하는 인터페이스 회로부를 포함하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비하며,
   상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는
   기판 하부에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 1회용 PVC 필름을 통해 접촉되는 안테나의 (+) 방사체;
   상기 기판의 상부에 구비된 안테나의 (-) 방사체; 및
   상기 (-) 방사체의 상부에 구비되는 전력 공급용 RF 커넥터(SMA 커넥터)와 접지면으로 작용하는 반사판을 구비하며,
   상기 기판의 상부와 하부에 각각 듀얼 밴드 안테나의 (-) 방사체와 (+) 방사체를 구비하고, 하나의 신호 핀(signal pin, (+) 핀)이 상기 (+) 방사체와 연결되며, 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 상기 (-) 방사체와 연결되는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하고,
   상기 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈에 구비되며,
   상기 (+) 방사체는 상기 기판의 하부에 구비되고, 중심원부의 홀에 signal pin (+)핀이 관통되며, 나비 넥타이 형상의 보우타이 방사체로써, 좌측에 구불구불한 ㄹ형상의 meander line stub가 구비되고, 우측 상단과 하단에 ㄷ자 구부러진 bent stub가 구비되며, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되고,
   상기 (-) 방사체는 상기 기판의 상부에 구비되며, C 형상의 원부에 2개의 단락 핀(short pin, (-) 핀)이 연결되도록 2개의 홀이 구비되고, 이중 대역을 구현하도록 하얀 slot이 구비되며, 좌측 상단과 하단에 역ㄷ자 형상의 구부러진 bent stub를 구비하며, 우측에 meander line stub가 구비되지 않는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 실리콘(Si) 기판 상에 CMOS 공정을 사용하여 상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈 내 MMIC Filter 칩이 제작되는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈.
10. 제8항에 있어서,
    상기 인터페이스 회로부는
    상기 RF 수신기 회로부로부터 수신된 발진기(LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 수신받아 A/D 변환하는 A/D 컨버터를 구비하는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈.
11. 심부체온 감지용 접촉식/비접촉식 안테나로써, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나와 RF 수신기 회로부와 인터페이스 회로부를 포함하고, 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 어느 하나의 RF 주파수 신호를 수신하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 구비하며,
    상기 RF 수신기 모듈의 인터페이스 회로부에 마이크로프로세서 제어부가 연결되고, 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 디스플레이에 표시하는 마이크로파 심부 체온계에 연결되는, 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈.
12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로파 심부 체온계는
    상기 RF 수신기 모듈의 인터페이스 회로부에 연결되고, 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서는 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 디스플레이에 표시하도록 제어하는 마이크로프로세서 제어부(MCU);
    디스플레이의 버튼 입력부의 전원 ON/OFF 버튼과 측정 샷 버튼을 구비하는 버튼 입력부와, 상기 버튼 입력부에 따라 동작되는 메뉴 버튼 제어부;
    상기 마이크로프로세서 제어부(MCU)에 연결되며, 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Planck와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 디지털 값에 상응하는 인체 내부의 심부 체온으로 변환하는 온도 변환부;
    상기 마이크로프로세서 제어부(MCU)와 연결되며, 측정된 인체의 심부 체온을 표시하는 디스플레이 제어부와 디스플레이; 및
    전원 제어부와 2차 전지 배터리와 충전 회로부와 USB 충전 커넥터를 포함하는 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈.
13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 심부체온계는
    상기 마이크로프로세서 제어부(MCU)와 연결되고, 권총 형상의 입구에 구비되는 LED 인디케이터를 더 포함하는 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈.