KR20150080939A - 인체 부착형 인체 통신용 중계기 안테나 - Google Patents

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Abstract

인체 부착형 인체 통신용 중계기 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 접지와 전자기적으로 결합되는 접지면; 상기 접지면과 소정 거리 이격되며 제1 방향으로 연장되는 모노폴 방사체; 제1 측면이 상기 모노폴 방사체와 소정 거리 이격되고 상기 제1 측면이 상기 제1 방향으로 연장되며, 제2 측면이 상기 접지면과 소정 거리 이격되고 상기 인접하는 접지면의 연장 방향인 제2 방향으로 상기 제2 측면이 연장되는 평판형 패치; 및 상기 평편형 패치 및 상기 접지면 사이의 갭을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 유도성 소자를 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 인체 통신에 사용되는 착용형 중계 장치에 사용되어 이식형 기기의 낮은 전력 레벨 신호를 외부의 분석 장비에 전송 할 수 있는 장점이 있다.

Description

인체 부착형 인체 통신용 중계기 안테나{Relay Antenna Attached to Human Body for Human Body Communication}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인체 부착형 인체 통신용 중계기 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 한다. 외부로 송출되는 전자파의 전력 레벨이 높을 경우 환자의 몸에 해로운 영향을 미칠 수 있기 때문에 의료용 이식형 기기의 출력 레벨은 매우 낮게 설정되는 것이다.
또한 유전율과 도전율이 높은 인체가 안테나를 감싸고 있기 때문에 이러한 환경은 안테나의 입력 임피던스와 공진 주파수를 변화시킬뿐만 아니라 방사 효율이 열하되어 신뢰 가능한 전송 거리가 매우 짧다는 문제가 있다.
이와 같은 이유로 인해 의료용 이식형 기기로부터 직접 신호를 수신하여 의료용 이식형 기기의 신호를 분석하려면 분석 장비가 인체에 매우 가까이 위치할 필요가 있는데, 분석 장비의 위치를 인체에 항상 가깝게 위치시키는 것은 현실적으로 어려운 문제이다.
따라서, 의료용 이식형 기기로부터의 신호를 분석 장비로 직접 전송하는 데에는 많은 문제점이 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 인체에 착용되는 착용형 중계 장치가 필요하다.
착용형 중계 장치는 의료용 이식형 기기로부터 신호를 수신하여 외부의 분석 장비에 전송하며, 착용형 중계 장치에 사용되는 안테나는 다중 대역 특성을 가지며 소형으로 제작될 필요가 있다.
본 발명은 인체 통신에 사용되는 착용형 중계 장치에 사용되어 이식형 기기의 낮은 전력 레벨 신호를 외부의 분석 장비에 전송 가능한 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 제1 대역의 이식형 기기의 신호를 제2 대역의 외부 분석 장비로 중계 가능한 착용형 중계 장치에 사용되는 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 소형으로 제작 가능한 착용형 중계 장치에 사용되는 안테나를 제안한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 접지와 전자기적으로 결합되는 접지면; 상기 접지면과 소정 거리 이격되며 제1 방향으로 연장되는 모노폴 방사체; 제1 측면이 상기 모노폴 방사체와 소정 거리 이격되고 상기 제1 측면이 상기 제1 방향으로 연장되며, 제2 측면이 상기 접지면과 소정 거리 이격되고 상기 인접하는 접지면의 연장 방향인 제2 방향으로 상기 제2 측면이 연장되는 평판형 패치; 및 상기 평편형 패치 및 상기 접지면 사이의 갭을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 유도성 소자를 포함하는 인체 통신용 중계기 안테나가 제공된다.
상기 모노폴 방사체는 제1 대역의 신호를 방사하고 상기 평판형 패치는 제2 대역의 신호를 방사하며 상기 모노폴 방사체의 종단부에 급전점이 형성된다.
상기 모노폴 방사체는 라인 형태를 가지며, 상기 평판형 패치는 사각형 구조를 가진다.
상기 모노폴 방사체와 상기 평판형 패치의 제1 측면은 커플링 급전이 가능한 거리로 이격되며, 상기 모노폴 방사체로부터 상기 평판형 패치로의 커플링 급전이 이루어진다.
상기 접지면과 상기 평판형 패치의 제2 측면은 전자기적 커플링이 가능한 거리로 이격되며, 이격 거리에 따라 상기 평판형 패치의 방사 주파수가 조절된다. \
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 상기 기판상에 형성되며 접지와 전자기적으로 결합되는 접지면; 상기 기판상에 형성되고 상기 접지와 소정 거리 이격되며 제1 방향으로 연장되는 모노폴 방사체; 제1 측면이 상기 모노폴 방사체와 인접하고 제2 측면이 상기 접지면과 인접하는 사각 형태의 평판형 패치; 및 상기 평판형 패치 및 상기 접지면을 연결하는 적어도 하나의 유도성 소자를 포함하되, 상기 모노폴 방사체의 종단부에 급전점이 형성되고, 상기 모노폴 방사체는 제1 대역의 신호를 방사하고, 상기 평판형 패치는 제2 대역의 신호를 상기 모노폴 방사체로부터 커플링 급전에 의해 급전받아 방사하는 인체 통신용 중계기 안테나가 제공된다.
본 발명의 안테나에 따르면, 인체 통신에 사용되는 착용형 중계 장치에 사용되어 이식형 기기의 낮은 전력 레벨 신호를 외부의 분석 장비에 전송 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 착용형 중계 장치의 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 평판형 패치와 접지면 사이의 갭 부분에 대한 등가 회로 구조를 도시한 도면.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 반사 손실을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 3-D 방사 패턴을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 MICS 대역 0차 공진 전계 벡터를 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 착용형 중계 장치의 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 통신용 착용형 중계 장치의 안테나는 기판(100), 기판 상에 형성되는 접지면(110), 모노폴 방사체(120) 및 평판형 패치(130)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 본 발명의 중계 장치 안테나의 구성 요소들이 결합되는 몸체부로 기능하며 유전체 재질로 이루어진다. 기판의 유전율은 요구되는 방사 특성에 의해 정해질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유전율 4.4를 가지는 FR4 기판이 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 안테나의 기판은 MICS 대역 및 ISM 대역에서 각각 동작하도록 23mm X 50mm X 1mm의 사이즈를 가질 수 있다.
모노폴 방사체(120)는 기판(100)상에 결합되며 라인 형태를 가지고 있다. 모노폴 방사체(120)는 접지면(110)에 동일한 평면에 형성되고 일 방향으로 연장되면서 접지면(110)과는 소정 거리 이격된다.
모노폴 방사체(120)의 일 단에는 급전점이 형성되어 급전 신호가 제공되며, 모노폴 방사체(120)는 직접 급전을 통해 신호를 제공받는다. 예를 들어, 동축 케이블을 이용하여 모노폴 방사체에 급전을 수행할 수 있으며, 동축 케이블의 내심은 급전점에 결합되고 외심은 접지면(110)에 결합될 수 있다.
모노폴 방사체(120)는 사용 주파수에 상응하는 파장의 1/4에 해당되는 길이를 가질 수 있다. 본 발명의 안테나는 ISM 대역 및 MICS 대역에서 동작할 수 있으며, 모노폴 방사체(120)는 ISM 대역의 신호를 송수신하기 위해 사용될 수 있다.
ISM 대역의 신호는 인체 착용형 중계 장치에서 외부의 분석 장비와의 통신에 사용될 수 있으며, 모노폴 방사체(120)는 의료용 이식형 기기로부터 수신된 신호를 외부의 분석 장비에 전송하는 기능을 한다.
모노폴 방사체(120)의 형태는 다양하게 설정될 수 있을 것이나, 추후 설명할 MICS 대역의 신호를 제공하기 위해 일자의 라인 형태를 가지는 것이 가장 바람직하다.
평판형 패치(130)는 모노폴 방사체(120) 및 접지면(110)과 커플링 가능하게 소정 거리 이격되어 기판(100)상에 구비된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 평판형 패치(130)는 직사각형 형태를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
평판형 패치(130)는 일 측면이 모노폴 방사체(120)의 길이방향과 평행하게 놓여지며 모노폴 방사체(120)를 통해 커플링 방식에 의해 신호를 급전받는다.
모노폴 방사체(120)와 평판형 패치(130)의 이격 거리는 사용 주파수에 따라 결정될 수 있으며 모노폴 방사체(120)는 방사체로서의 역할뿐만 아니라 급전부재로서의 역할을 함께 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 평판형 패치(130)는 MICS 대역의 송수신에 사용되며, 평판형 패치(130)는 인체에 삽입된 의료용 이식형 기기로부터 신호를 수신한다.
MICS 대역은 중심 주파수가 403.5MHz인 대역이고, ISM 대역은 중심 주파수가 2.44GHz인 대역으로서 MICS 대역은 ISM 대역에 비해 저주파 대역이며 따라서 MICS 대역은 ISM 대역에 비해 매우 큰 사이즈의 방사체를 요구하게 된다. 따라서, 동일한 기판 평면에 MICS 대역 방사체가 구비되려면 보다 소형의 사이즈로 구현될 수 있는 공진 방식이 요구되며, 본 발명에서는 0차 공진을 이용하도록 평판형 패치(130)를 모노폴 방사체(120) 및 접지면(110)과 소정 거리 이격시켜 배치시킨다.
평판형 패치(130)와 접지면(110) 사이에는 유도성 소자(150)가 결합되며, 유도성 소자(150)의 인덕턴스는 평판형 패치(130)를 통해 방사되는 방사 주파수에 의해 결정될 수 있다.
도 1에는 하나의 유도성 소자가 평판형 패치(130)와 접지면(110) 사이에 결합되나 유도성 소자의 개수가 원하는 인덕턴스를 확보하기 위해 필요에 따라 변경될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
평판형 패치(130)와 접지면(110) 사이에 형성되는 갭(S)은 일종의 용량성 소자로 기능하게 되며, 평판형 패치(130)와 접지면(110)이 인접하는 길이 및 갭의 길이에 따라 용량성 소자의 캐패시턴스가 결정된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 평판형 패치와 접지면 사이의 갭 부분에 대한 등가 회로 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 평판형 패치(130)와 접지면(110) 사이의 갭에 연결되는 유도성 소자(150)의 인덕턴스는 도 2에 도시된 회로의 병렬 인덕턴스(LL)로 모델링이 가능하고, 평판형 패치(130)와 접지면(110) 사이의 갭은 병렬 캐패시턴스(CR )로 모델링이 가능하다.
평판형 패치(130)에 의해 방사되는 0차 공진 주파수는 도 2의 등가 회로에 의해 모델링되는 병렬 캐패시턴스(CR) 병렬 인덕턴스(LL)에 의해 결정되며, 다음의 수학식 1과 같이 공진 주파수가 결정될 수 있다.
Figure pat00001
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 MICS 대역을 위한 별도의 급전점을 구비하지 않으며, ISM 대역의 신호 및 MICS 대역의 신호는 동일한 급전점(F)으로 급전되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 모노폴 방사체의 일단으로 ISM 대역 및 MICS 대역의 신호가 급전된다.
ISM 대역의 신호가 급전점(F)으로 급전될 경우, ISM 대역의 신호는 모노폴 방사체를 통해 방사된다. ISM 대역의 신호가 평판형 패치(130)로 커플링이 이루어지기는 하나 평판형 패치(130)는 MICS 대역에 적합하도록 병렬 캐패시턴스 및 병렬 인덕턴스가 정해지기에 모노폴 방사체(120)로부터 평판형 패치(130)로 커플링되는 신호는 평판형 패치의 동작에 영향을 미치지 않는다.
한편, MICS 대역의 신호가 급전점(F)을 통해 급전되거나 MICS 대역의 신호가 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 수신될 경우 모노폴 방사체(120)는 MICS 대역 신호의 방사에 적합한 길이를 가지고 있지 않기 때문에 모노폴 방사체에서 MICS 대역에 대한 방사 및 수신이 이루어지지 않는다.
MICS 대역의 신호가 급전되는 경우 모노폴 방사체(120)로부터 평판형 패치(130)로의 커플링 급전이 이루어지며, 평판형 패치(130)는 MICS 대역의 신호를 외부에 방사한다. 또한, MICS 대역의 신호가 외부로부터 수신되는 경우 평판형 패치(130)는 MICS 대역의 신호를 수신하고 커플링을 통해 급전점(F)으로 수신된 신호가 제공되며, 제공된 신호는 급전점(F)과 연결된 신호 처리 모듈(미도시)에 전달된다.
ISM 대역의 신호와 MICS 대역의 신호가 동일한 급전점을 통해 급전되기에 사이즈의 소형화를 도모하기 위해, 평판형 패치의 제1 측면은 모노폴 방사체와 커플링 가능한 거리를 유지하면서 모노폴 방사체와 동일한 방향으로 연장되고, 평판형 패치의 제2 측면은 접지면과 커플링 가능한 거리를 유지하면서 인접하는 접지면과 동일한 방향으로 연장된다.
예를 들어, 사각형 구조를 가지는 평판형 패치는 제1 측면이 모노폴 방사체와 인접하면서 동일한 방향으로 연장되어 커플링 급전을 받으며, 제2 측면이 접지면과 인접하면서 동일한 방향으로 연장되어 0차 공진이 이루어질 수 있도록 한다.
이와 같은 구조에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 사각형의 기판에 소형화된 구조로 MICS 대역 및 ISM 대역의 신호를 방사할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 ISM 대역 및 MICS 대역의 신호를 방사할 수 있도록 기판(100)의 사이즈는 23mm X 50mm로 설정될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 동작을 설명하면 다음과 같다.
인체 내부에 이식된 의료용 이식형 기기는 생체 감지 신호를 생성하여 MICS 대역의 주파수로 생체 감지 신호를 전송한다. 여기서, 의료용 이식형 기기는 심박수 측정 장비, 혈압 측정 장비, 혈당 측정 장비 등 다양한 형태의 이식형 기기를 모두 포함할 수 있을 것이다.
이식형 기기는 내장된 안테나를 이용하여 생체 감지 신호를 전송하며, 이식형 기기는 사이즈에 상당한 제약이 있으므로 매우 약한 신호 세기로 생체 감지 신호를 전송할 수 밖에 없다.
인체에 착용된 착용형 중계 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 내장하고 있으며 이식형 기기로부터 전송되는 신호를 수신한다. 이식형 기기로부터 전송되는 MICS 대역의 신호는 평판형 패치(130)를 통해 수신된다. 평판형 패치(130)를 통해 수신된 신호는 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 이루어진다. 여기서, 신호 처리는 신호의 증폭, 노이즈 제거, 신호의 변조 등을 포함할 수 있다.
구체적으로, 신호 처리 모듈은 수신된 신호로부터 복조를 통해 원 신호를 복원하며, 다양한 노이즈 제거 방식을 이용하여 원 신호로부터 노이즈를 제거한다. 원 신호가 복원되면, 신호의 증폭 및 변조를 수행하며, ISM 대역의 신호로 변조가 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 모노폴 방사체(110)는 신호 처리 모듈에 의해 변조된 ISM 대역의 신호를 외부에 방사하며, 외부에 위치하는 분석 장비는 전송된 ISM 대역의 신호를 수신하여 분석한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 반사 손실을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 10dB 반사 손실 대역폭은 397 ~ 410MHz, 2.30GHz ~ 2.60GHz이어서 ISM 대역 및 MICS 대역을 만족하는 대역폭을 가진다는 점을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 3-D 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, MICS 대역에서 체내 지향(-z축 방향)의 최대 이득은 -31dBi이고, ISM 대역에서 외부 지향(+z 축 방향)의 최대 이득은 약 5dBi이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 MICS 대역 0차 공진 전계 벡터를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 0차 공진의 전계 벡터 방향이 모노폴 방사체의 급전 구조와 평판형 패치에서 같은 방향을 가지는 것을 확인할 수 있다. 서로 이격되어 있는 모노폴 방사체(110) 및 평판형 패치(130)에서 같은 위상을 가진다는 점을 확인할 수 있다. 동 시간에 같은 위상을 갖는 전졔 벡터를 가지고 MICS 대역에서 동작하므로 0차 공진을 가진다는 점을 확인할 수 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 (6)

  1. 접지와 전자기적으로 결합되는 접지면;
    상기 접지면과 소정 거리 이격되며 제1 방향으로 연장되는 모노폴 방사체;
    제1 측면이 상기 모노폴 방사체와 소정 거리 이격되고 상기 제1 측면이 상기 제1 방향으로 연장되며, 제2 측면이 상기 접지면과 소정 거리 이격되고 상기 인접하는 접지면의 연장 방향인 제2 방향으로 상기 제2 측면이 연장되는 평판형 패치; 및
    상기 평편형 패치 및 상기 접지면 사이의 갭을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 유도성 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계기 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모노폴 방사체는 제1 대역의 신호를 방사하고 상기 평판형 패치는 제2 대역의 신호를 방사하며 상기 모노폴 방사체의 종단부에 급전점이 형성되는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계기 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모노폴 방사체는 라인 형태를 가지며, 상기 평판형 패치는 사각형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계기 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모노폴 방사체와 상기 평판형 패치의 제1 측면은 커플링 급전이 가능한 거리로 이격되며, 상기 모노폴 방사체로부터 상기 평판형 패치로의 커플링 급전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계기 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 평판형 패치의 제2 측면은 전자기적 커플링이 가능한 거리로 이격되며, 이격 거리에 따라 상기 평판형 패치의 방사 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계기 안테나.
  6. 기판;
    상기 기판상에 형성되며 접지와 전자기적으로 결합되는 접지면;
    상기 기판상에 형성되고 상기 접지와 소정 거리 이격되며 제1 방향으로 연장되는 모노폴 방사체;
    제1 측면이 상기 모노폴 방사체와 인접하고 제2 측면이 상기 접지면과 인접하는 사각 형태의 평판형 패치; 및
    상기 평판형 패치 및 상기 접지면을 연결하는 적어도 하나의 유도성 소자를 포함하되,
    상기 모노폴 방사체의 종단부에 급전점이 형성되고, 상기 모노폴 방사체는 제1 대역의 신호를 방사하고, 상기 평판형 패치는 제2 대역의 신호를 상기 모노폴 방사체로부터 커플링 급전에 의해 급전받아 방사하는 것을 특징으로 하는 인체 통신용 중계기 안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110025047A (ko) * 2009-09-01 2011-03-09 중앙대학교 산학협력단 향상된 대역폭 및 높은 효율을 가지며 구현이 간단한 소형 0차 공진 안테나
KR20130085400A (ko) * 2011-09-09 2013-07-29 한양대학교 산학협력단 루프 구조를 이용한 다중 대역 내장형 안테나

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