KR20130076130A - 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나 - Google Patents

전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나는 유전체 기판 및 패치를 구비한다. 유전체 기판은 분할 링 공진기(SRR; Split Ring Resonator) 쌍이 배열된다. 패치는 상기 유전체 기판 일측면에 구비되고, 상기 안테나 패턴이 형성된다. 이 때 상기 분할 링 공진기 쌍은 각각 상기 패치를 중심으로 일축대칭의 위치에 배열된다.
본 발명에 따른 안테나는 ISM 대역에서 음의 유전율과 투자율을 갖는 SRR(split ring resonator)를 구비함으로써 전체 방사 패턴은 유지하면서도 전/후방비를 개선하여 SAR 특성을 최소화 하였으며, 그 결과로서 인체에 의한 성능상의 영향을 최소화하였다.

Description

전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나{Patch antenna for imporving SAR and frond/back ratio}
본 발명은 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인체에 의한 전자파 흡수율을 저감시킬 수 있는 인체 통신용 패치 안테나에 관한 것이다.
지능형 센서, 마이크로전자공학 및 집적회로, SoC 설계와 저전력 무선통신의 급속한 발달로 소형 지능형 센서노드의 개발이 촉진되고 있다. 이러한 센서 노드는 인체센서 네트워크의 개발에 초석이 되어 향후 이 분야의 급속한 발전을 기대하게 한다.
초 저전력 RF 기술의 발전에 따라 침투식 및 비침투식 장치들을 통하여 원격 단말과 데이터 전송을 가능하게 하였다. 또한 이러한 장치들을 통하여 환자를 장기간 모니터링하여 의료 전문가로부터 실시간으로 피드백을 받는 의료용 서비스가 가능하여 졌으며, 입을 수 있는 컴퓨터와 같은 인체기반 통신시스템이 현실화되고 있다.
본 발명과 관련된 선행기술로서 대한민국 특허 출원 제10-2009-0037324호, "SAR 및 HAC 특성 개선을 위한 휴대용 단말기 안테나"(이하 '선행기술 1'이라 함)를 예로 들 수 있다. 선행기술 1은 주파수 대역이 512, 661, 810 MHz인 휴대용 단말기용 안테나의 SAR 및 HAC의 저감시키는 기술에 관한 것으로서, 커플링 브랜치의 빔 패턴 틸트 기능으로 SAR과 HAC특성을 향상 시킨다.
그러나 선행기술 1의 경우 빔 패턴 틸트로 인하여 전체 빔 패턴의 지향성이 영향을 받을 수 있으며, 안테나에 의한 인체 영향 등이 고려되어 있지 않기 때문에 인체 통신용으로 전환되기 어렵다. 또한, 입체 구조 및 다층 구조로서 제작이 용이하지 않다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 과제는 안테나의 성능과 전자파 흡수율을 저감이 가능하도록 ISM 대역에서 음의 유전율과 투자율을 갖는 수단을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나는 유전체 기판 및 패치를 구비한다.
유전체 기판은 분할 링 공진기(SRR; Split Ring Resonator) 쌍이 배열된다.
패치는 상기 유전체 기판 일측면에 구비되고, 안테나 패턴이 형성된다. 이 때 상기 분할 링 공진기 쌍은 각각 상기 패치를 중심으로 일축대칭의 위치에 배열된다.
또한 상기 분할 링 공진기는 개방 루프형 분할 링 공진기일 수 있다. 나아가 상기 분할 링 공진기는 상기 패치 방향으로 개방될 수 있다.
또한 상기 분할 링 공진기 쌍의 길이 방향이 H 필드 방향을 따라 배치될 수 있다.
또한 상기 분할 링 공진기 쌍은 둘 이상 구비되는 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 안테나는 단일층 구조로 형성됨으로써 제작이 용이한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 안테나는 ISM 대역에서 음의 유전율과 투자율을 갖는 분할 링 공진기(SRR; Split Ring Resonator)를 구비함으로써 전체 방사 패턴은 유지하면서도 전/후방비를 개선하여 SAR 특성을 최소화 하였으며, 그 결과로서 인체에 의한 성능상의 영향을 최소화하였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 안테나의 개략적인 모습을 나타내는 평면도이다.
도 2a는 도 1의 패치 안테나의 V1-V2선을 잘라 본 종단면도이다.
도 2b는 패치 안테나를 인체 팬텀에 부착하는 모습을 나타내는 정면도이다.
도 3a은 단위 분할 링 공진기 구조의 음의 유전율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 단위 분할 링 공진기 구조의 음의 투자율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 자유공간과 인체 표면에서 분할 링 공진기의 유무에 따른 S11 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 분할 링 공진기의 구조가 포함되지 않은 안테나와 포함된 안테나의 자유공간에서의 xz와 yz평면 방사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 분할 링 공진기의 구조가 포함되지 않은 안테나와 포함된 안테나의 인체 팬텀에서의 xz와 yz평면 방사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 7b는 각각 분할 링 공진기의 구조가 포함되지 않은 안테나와 포함된 안테나의 인체 팬텀에서의 전자파 흡수율 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 패치 안테나의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 패치 안테나의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 10는 제2 및 제3 실시예에 따른 S11특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 제2 및 제3 실시예에 따른 패치 안테나의 인체 팬텀에서 xz와 yz평면상의 방사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 12은 제2 및 제3 실시예에 따른 패치 안테나의 인체 팬턴에서 전자파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1 및 도 2a를 참조하여 일 실시예에 따른 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나를 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 안테나의 개략적인 모습을 나타내는 평면도이고, 도 2a는 도 1의 패치 안테나의 V1-V2선을 잘라 본 종단면도이다.
제1 실시예에 따른 패치 안테나(10)는 ISM 대역에서 동작한다. 패치 안테나(10)는 유전체 기판(130) 및 패치(120)를 구비한다.
본 실시예의 유전체 기판(130)은 4.4의 유전율(εr)과 54 mm × 45 mm의 넓이로 형성되며 높이는 1.6mm 이다. 유전체 기판(13)은 소정의 유전율을 가지며, RF 신호의 매질에 해당한다.
패치(120)는 안테나 패턴을 형성하는 구성으로서 27.8 mm × 27.8 mm의 넓이로 형성되며 유전체 기판 일측면에 구비된다. 또한 패치(120)는 50옴의 임피던스를 갖는 동축케이블을 통하여 급전점(140)으로 급전된다. 패치(120)의 급전점(140)은 패치(120)의 중심부(P1)에서 x 방향으로 일정 거리(L1)만큼 떨어져 있다. 본 실시예에서의 L1은 6.2 mm로 한다.
본 실시예에서의 분할 링 공진기(110; SRR, Split Ring Resonator)는 ISM 대역(2.45 GHz)에서 음의 유전율을 갖는 메타 물질로 형성된다. 분할 링 공진기는 개방 루프형 분할 링 공진기일 수 있다. 즉, 분할 링 공진기(110)는 유전체 기판(130) 상에 끊어진 링(ring) 형태로 인쇄된 동판으로 구성된다. 분할 링 공진기(110)는 1mm의 폭으로 인쇄되며, 링의 끊어진 부분간의 갭(G)은 1 mm이다. 각 분할 링 공진기(110)는 갭(G)이 패치(120)를 향하도록 배열된다. 이러한 분할 링 공진기(110)는 전기장 결합에 의해 전자기파 흡수체와 같은 역할을 한다. 분할 링 공진기(110)는 링의 길이에 의해 인덕턴스 값을 가지며, 끊어진 갭을 통해 커패시턴스 값을 갖는다.
한편, 분할 링 공진기(110)는 두 쌍, 즉 총 4개가 배열된다. 각 분할 링 공진기(110)는 각각 패치(120)를 중심으로 일축(Ax)대칭의 위치에 배열된다. 즉, 패치(120)의 중심을 지나는 하나의 축을 중심으로 대칭이 되는 위치에 분할 링 공진기(110)가 쌍을 이루도록 배열된다. 또한 각각의 분할 링 공진기(110)는 길이방향이 H 필드의 방향(x 방향)과 일치하도록 인쇄된다. 패치(120)의 중심(P1)에서 각 분할 링 공진기의 중심 간의 거리는 20 mm 이다.
도 2b 내지 도 74를 참조하여 제1 실시예에 따른 패치 안테나에 대한 실험을 설명한다. 도 2b는 패치 안테나를 인체 팬텀에 부착하는 모습을 나타내는 정면도이다. 도 3a은 단위 분할 링 공진기 구조의 음의 유전율 특성을 나타내고, 도 3b는 단위 분할 링 공진기 구조의 음의 투자율 특성을 나타내는 그래프이다. 또한 도 4는 자유공간과 인체 표면에서 분할 링 공진기의 유무에 따른 S11 특성을 나타내는 그래프이다.
먼저 실험을 위하여 도 2b에 도시된 바와 같이 제1 실시예에 따른 패치 안테나(10)를 인체 팬텀(200)의 중앙에 위치하도록 D1 방향으로 부착하였다. 인체 팬텀(200)은 80mm x 70 mm의 넓이와 50 mm의 높이를 갖도록 형성되었다. 인체 팬텀(200)은 인체 등가 액체팬텀으로 채워져 있으며 안테나는 중앙에 위치하여 실험이 진행되었다. 결과적으로 도 3에 도시된 바와 같이 제1 실시예에 따른 패치 안테나는 2.45 GHz에서 음의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 도 4를 살펴보면 안테나는 광대역 특성을 가지며 ISM (Industrial Scientific Medical, 2.4 GHz ~ 2.485 GHz) 대역에서 동작하도록 설계된 것을 확인 할 수 있다.
도 5a 내지 도 7b를 참조하여 제1 실시예에 따른 패치 안테나와 분할 링 공진기 구성을 구비하지 않은 패치 안테나와의 비교 결과를 설명한다. 도 5a 및 도 5b는 각각 분할 링 공진기의 구조가 포함되지 않은 안테나와 포함된 안테나의 자유공간에서의 xz와 yz평면 방사패턴을 나타내는 그래프이고, 도 6a 및 도 6b는 각각 분할 링 공진기의 구조가 포함되지 않은 안테나와 포함된 안테나의 인체 팬텀에서의 xz와 yz평면 방사패턴을 나타내는 그래프이다. 또한 도 7a 및 7b는 각각 분할 링 공진기의 구조가 포함되지 않은 안테나와 포함된 안테나의 인체 팬텀에서의 전자파 흡수율 분포를 나타내는 그래프이다.
먼저 도 5a 및 도 5b를 살펴보면 자유공간에서 분할 링 공진기 구조가 없는 안테나의 최대 이득은 4.5 dBi이며 전후방 비는 14.5 dB이다. 자유공간에서 분할 링 공진기 구조가 있는 안테나의 최대 이득은 4 dBi이며, 전후방 비는 20.5 dB이다. 도 6a 및 도 6b를 살펴보면 인체 팬텀에서는 인체의 영향으로 인하여 분할 링 공진기 구조가 없는 경우 최대 이득은 2 dBi 이며, 전후방비는 12 dB이다. 같은 조건에서 분할 링 공진기 구조가 있는 경우 최대 이득은 3.5 dBi이며, 전후방비는 22.5 dB이다. 또한 도 7a 및 도 7b를 살펴보면 제1 실시예에 따른 패치 안테나를 통하여 전자파 흡수율이 0.081 W/kg에서 0.058 W/kg으로 저감되는 것을 알 수 있다. 전자파 흡수율 측정을 위해서 250 mW의 입력 전력을 사용 하였으며, 1g 조직(tissue)기준 법을 사용하였다.
위와 같이 제1 실시예에 따른 패치 안테나는 분할 링 공진기 구성을 구비하지 않은 경우에 비하여 ISM 대역에서 전/후방 비가 개선됨을 확인할 수 있었다.
도 8 내지 도 12를 참조하여 제2 실시예 및 제3 실시예에 따른 패치 안테나를 설명하고, 두 실시예에 따른 패치 안테나의 성능을 비교하여 설명한다. 도 8은 제2 실시예에 따른 패치 안테나의 모습을 나타내는 평면도이고, 도 9는 제3 실시예에 따른 패치 안테나의 모습을 나타내는 평면도이다. 또한 도 10는 제2 및 제3 실시예에 따른 S11--특성을 나타내는 그래프이다. 또한 도 11은 제2 및 제3 실시예에 따른 패치 안테나의 인체 팬텀에서 xz와 yz평면상의 방사패턴을 나타내는 그래프이고, 도 12은 제2 및 제3 실시예에 따른 패치 안테나의 인체 팬턴에서 전자파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
제2 실시예의 패치 안테나(10a)는 도 8에 도시된 바와 같이 분할 링 공진기(110)가 한 쌍, 즉 총 2개 구비된다. 한 쌍의 분할 링 공진기(110)는 패치(120)의 중점을 기준으로 점 대칭의 위치에 구비된다. 다만 각 분할 링 공진기(110)는 길이방향이 앞서 설명한 바와 같이 H 필드의 방향인 x방향과 일치하도록 인쇄된다. 한편, 반대의 경우도 가능하다. 즉, 각각 중앙의 축(Ax)을 중심으로 각각 반대편의 위치에 분할 링 공진기(110')를 구비하는 것도 가능하다.
제3 실시예의 패치 안테나(10b)는 도 9에 도시된 바와 같이 분할 링 공진기(110)가 한 쌍, 즉 총 2개 구비된다. 다만, 제2 실시예의 패치 안테나(10a)와는 달리 분할 링 공진기 쌍이 각각 중앙의 축(Ax)을 중심으로 일축대칭의 자리에 위치하고 있다. 이 때 각 분할 링 공진기(110)의 중앙을 지나는 가상의 선이 패치(120)의 중점(P1)을 지나도록 인쇄된다.
도 10에 도시된 제2 실시예 및 제3 실시예의 특성을 살펴보면, 각 실시예의 안테나는 ISM 대역에서 동작하도록 설계된 것을 확인 할 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하여 인체 팬텀상에서의 방사패턴을 살펴보면, 제2 실시예의 경우에는 최대 이득은 3.5 dBi이며, 전후방비는 22.5 dB이고, 제3 실시예의 경우에는 최대 이득은 3.6 dBi이며, 전후방비는 22.6 dB이다. 제2 실시예 및 제3 실시예의 경우 모두 제1 실시예에 비하여 약화된 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하여 인체 팬텀에서의 전자파 흡수율 분포를 살펴보면 제2 실시예의 전자파흡수율은 0.060W/kg이고, 제3 실시예의 전자파흡수율은 0.059W/kg이다. 전자파흡수율 면에서도 제2 실시예 및 제3 실시예의 경우 모두 제1 실시예에 비하여 약화된 성능을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, H 필드를 따라 배열된 분할 링 공진기의 개수가 증가할수록 전/후방비가 개선됨을 알 수 있다. 한편, 전자파 흡수율 측정을 위해서 250 mW의 입력 전력을 사용 하였으며, 1g 조직(tissue)기준 법을 사용하였다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나로 구현될 수 있다.
10, 10a, 10b: 패치 안테나 110: 분할 링 공진기(SRR)
120: 패치 130: 유전체 기판
135: 비아홀 140: 급전점
150: 접지면 200: 인체 팬텀

Claims (5)

  1. 분할 링 공진기(SRR; Split Ring Resonator) 쌍이 배열되는 유전체 기판; 및
    상기 유전체 기판 일측면에 구비되고, 안테나 패턴이 형성되는 패치;를 구비하고,
    상기 분할 링 공진기 쌍은 각각 상기 패치를 중심으로 대칭되는 위치에 배열되는 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기 쌍은 일축 각각 대칭 또는 점 대칭인 위치에 배열되는 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기는 상기 패치 방향으로 개방되는 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기 쌍의 길이 방향이 H 필드 방향을 따라 배치되는 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기 쌍은 둘 이상 구비되는 배치되는 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나.
KR1020110144580A 2011-12-28 2011-12-28 전자파 흡수율 특성 및 전/후방비가 개선된 인체 통신용 패치 안테나 KR101308277B1 (ko)

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