KR20170090026A - 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교적 넓은 운용 주파수의 정합특성을 확보할 수 있는 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나에 관한 것으로, 인체에 삽입되도록 인체적합성 재질로 형성된 안테나 덮개; 상기 안테나 덮개와 유전체 기판의 사이에 배치되고, 미앤더구조의 마이크로스트립선로의 방사부; 상기 유전체 기판의 저면에 적층되어서, 유전율과 투자율을 상대적으로 크게 변화시켜 안테나의 전기적 길이를 감소시키는 페라이트층; 상기 페라이트층의 저면에 형성된 접지면; 상기 방사부의 급전을 위하여, 상기 접지면과 상기 방사부를 상호 접속시키는 동축케이블; 및 상기 접지면와 상기 방사부를 서로 단락시키는 단락핀을 포함한다.

Description

페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나{implantable antenna having dielectric substrate laminated with ferrite sheet}

본 발명은 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나에 관한 것으로서, 특히 무선 인체통신망(Wireless Body Area Network, 이하에서는 'WBAN'이라고도 함)에서 인체에 삽입된 무선전송장치에 접속된 상태로 피부 밑에 설치되어 인체 외부의 베이스스테이션 장치 또는 게이트웨이와 무선 통신하는 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 무선 인체통신망(WBAN)에 사용되는 인체 삽입형 안테나는 인체 내부의 제약된 공간에 삽입되므로 소형화(miniaturization) 및 박막화(low-profile)의 구조를 가지도록 제작되어야 한다.

이를 위하여 인체 삽입형 안테나는 극히 제약된 공간에서 안테나의 전기적 길이를 확보하기 위하여 높은 비유전율(relative permittivity)의 기판상에, 마이크로스트립 선로를 꼬불꼬불하게 꼰 형태의 미앤더(meandered) 또는 나선형(spiral)으로 배치하거나 유전체 상단의 방사부와 하단의 금속도체의 접지면을 단락핀으로 연결한 평면형 역 에프 안테나(PIFA, planar inverted-f antenna) 또는 패치를 적층(patch stacking)한 구조가 적용되고 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 높은 비유전율의 기판상의 제한된 크기의 안테나는 인체 삽입용 기기에 할당된 저주파의 운용 주파수에서의 정합특성을 확보하는데 적합하지 않은 문제점이 있다.

예컨대, 종래에 공지된 공개특허 제10-2013-0081821호에서는 유전체를 중심으로 양면과 측면으로 연결되어 PCB(printed circuit board)기판으로 인쇄된 접지면과, 접지면 상단에 단락핀 접지 형태로 구현된 역 에프형 방사부를 가진 구조를 기술하였다.

하지만 종래 기술에 따른 구조를 갖는 안테나는 인체 삽입형 안테나의 소형화 구현에 제한이 있으며, 또한 높은 비유전율의 기판의 사용은 좁은 주파수 대역폭의 특성을 가지므로 넓은 운용 주파수의 정합특성 확보에 어려움이 있다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 유전체 기판의 저면에 페라이트층을 적층하고, 유전체 기판의 상면에 방사부를 형성하되, 고용량 신호 전송에 유리한 저주파 대역에서 넓은 주파수에서의 정합 특성을 향상시킬 수 있고, 인체 내부에 삽입 가능하도록 극히 제한된 공간상에 전기적 길이를 만족시킬 수 있는 방사도체인 방사부를 효율적으로 실장할 수 있고, 넓은 운용 주파수의 정합특성을 확보할 수 있는 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나를 제공하는 데 있다.

상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나는, 인체에 삽입되도록 인체적합성 재질로 형성된 안테나 덮개; 상기 안테나 덮개와 유전체 기판의 사이에 배치되고, 미앤더구조의 마이크로스트립선로의 방사부; 상기 유전체 기판의 저면에 적층되어서, 유전율과 투자율을 상대적으로 크게 변화시켜 안테나의 전기적 길이를 감소시키는 페라이트층; 상기 페라이트층의 저면에 형성된 접지면; 상기 방사부의 급전을 위하여, 상기 접지면과 상기 방사부를 상호 접속시키는 동축케이블; 및 상기 접지면와 상기 방사부를 서로 단락시키는 단락핀을 포함한다.

본 발명에 의한 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나는, 유전체 기판을 중심으로 아래에 페라이트층이 적층되고 위에 방사부가 형성되며, 유전체 기판보다 상대적으로 넓은 안테나 덮개로 상기 방사부 및 유전체 기판을 보호함으로써, 인체 삽입이 용이하게 소형화 및 박막화 되어 있고, 인체 내부에 극히 제한적인 공간 내에서도 삽입되고, 외부 베이스스테이션 장치 또는 게이트웨이와 무선통신을 하기 위하여 소형화된 넓은 주파수에서 정합특성을 가지는 인체 삽입형 안테나 제품을 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나는 접지면과 유전체 기판의 사이에 페라이트층이 형성되어 있고, 미앤더구조의 마이크로스트립선로의 방사부와 접지면이 단락핀을 통하여 전기적으로 연결된 역 에프형 안테나로서 안테나의 소형화 및 넓은 주파수 대역에서 정합특성을 개선하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나를 이용한 네트워크 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 안테나의 평면도.
도 4는 도 2에 도시된 안테나의 주파수 특성을 보여주고 있는 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 제 1 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나를 이용한 네트워크 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 안테나인 본체(100)는 무선 인체통신망(WBAN)에서, 외부 안테나(21)를 갖는 외부의 게이트웨이 또는 베이스스테이션 장치(20)와 인체(1)의 내부에 기 설치되어 있는 무선전송장치(10)가 무선 통신할 수 있도록 하도록, 전기적 신호를 전자기파로 변환시키는 역할을 담당한다.

본체(100)가 적용되는 네트워크는 인체통신망을 기준으로 설명되나, 안테나의 소형화 및 넓은 주파수 대역에서 정합특성을 개선할 필요가 있는 사용처라면, 상기 네트워크는 인체통신망으로만 한정되지 않고 다양한 사용처에서도 사용될 수 있다.

무선전송장치(10)는 인체 내부에 설치되고, 본체(100)는 피부(2)의 아래에 삽입될 수 있다.

본체(100)는 인체(1) 또는 피부(2)에 이식될 수 있을 정도의 소형 사이즈로 형성되어 있다.

도 2는 도 1에 도시된 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 안테나의 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 본체(100)는 안테나 덮개(110)(superstrate), 방사부(120), 유전체 기판(130), 페라이트층(140)(ferrite layer), 접지면(150), 동축케이블(160), 단락핀(170)을 포함한다.

안테나 덮개(110)는 레이돔 역할을 담당한다. 안테나 덮개(110)는 인체적합성(bio-compatibility)재질로 형성되어 있다. 예컨대, 안테나 덮개(110)는 혈액적합성 고분자 군(blood-compatible polymeric materials group) 군 및 조직적합성 고분자 군(cell and tissue-compatible polymeric materials group)에서 선택된 어느 하나의 재질로 평판 형상으로 형성될 수 있다.

방사부(120)는 안테나 덮개(110)의 저면에 배치되고, 더욱 상세하게, 안테나 덮개(110)와 유전체 기판(130)의 사이에 배치된다.

방사부(120)는 미앤더구조의 마이크로스트립선로로 형성되며, 유전체 기판(130)의 상면에 형성되며, 이때 유전체 기판(130)의 상면과 동일한 레벨을 같거나 스트립 두께만큼 돌출되게 형성될 수 있다.

유전체 기판(130)은 상기 방사부(120)의 설치 또는 지지 기반이 될 수 있다.

유전체 기판(130)은 폴리카보네이트, 아크릴, 세라믹, PWB(Printed Writing Board), 테프론 재질로 형성될 수 있다.

페라이트층(140)은 유전체 기판(120)의 저면에서 전기적 길이를 줄이는 역할을 한다.

이를 위해서, 페라이트층(140)은 유전체 기판(120)에 비하여 대등하거나 동일한 평면적을 가지고 있고, 유전체 기판(120)의 두께보다 상대적으로 얇은 두께를 갖는다.

페라이트층(140)은 유전체 기판(120)과 접지면(150)의 사이에 배치되며, 접착 또는 이중사출을 통해서, 유전체 기판(120) 또는 접지면(150)에 합체될 수 있다.

접지면(150)은 페라이트층(140)의 저면에 밀착되게 융착 또는 고정된다.

접지면(150)은 금속도체 재질로 도포되어 표면 또는 외표면층을 형성하는 것으로서, 상기 페라이트층(140)의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다.

동축케이블(160)은 무선전송장치로부터 연장되어 급전 역할을 담당한다.

예컨대, 동축케이블(160)은 무선전송장치로부터 연장되어 급전 역할을 담당한다. 동축케이블(160)의 코어 라인은 접지면(150)과 페라이트층(140) 및 유전체 기판(130)을 지나 방사부(120)에 접속된다.

단락핀(170)은 동축케이블(160)의 위치로부터 이격된 위치를 기준으로 방사부(120)와 접지면(150)을 서로 연결하여 단락시키는 역할을 담당한다.

단락핀(170)은 도면에서처럼 1개로 구성되거나, 설계에 따라 다수개로 구성될 수도 있다.

안테나 덮개(110)의 아래에서 적층된 방사부(120), 유전체 기판(130), 페라이트층(140), 접지면(150)으로 이루어진 적층체의 저면 및 외측면과, 동축케이블(160)의 표면은 상기 언급한 혈액적합성 고분자 군 및 조직적합성 고분자 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 코팅되어 있고, 이에 따라, 생체거부 반응을 없애거나, 인체 내의 부작용 문제를 해소할 수 있다.

유전체 기판(130)의 아래에는 페라이트층(140)이 적층 또는 삽입되어 있으므로, 전기적 길이(예: ~

)가 줄어든다. 여기서,

은 유전율,

는 매질인 인체 또는 피부의 투자율을 의미한다.

즉, 유전체 기판(130)의 아래에 페라이트층(140)이 적층되어서, 유전율과 투자율을 상대적으로 크게 변화시킴으로써, 그 결과 전기적 길이(예: ~

)가 줄어든다.

또한, 페라이트층(140)의 하부에는 접지면(150)이 존재한다. 이때 방사부(120)와 접지면(150)은 금속으로 도포된 단락핀(170)을 통하여 전기적으로 연결된 역 에프형 구조를 가지기 때문에, 저주파 대역에서의 전기적 길이를 확보할 수 있다.

방사부(120)에 대한 급전은 동축케이블(160)을 통해서 이루어진다. 즉, RF신호의 유입은 동축케이블(160)을 통해 이루어진다.

또한, 페라이트층(140)을 삽입 또는 적층된 유전체 기판(130)의 임피던스는

에 의하여 증가되어 넓은 주파수 대역에서 정합특성의 개선효과를 발휘한다.

안테나의 운용 주파수는 방사부(120)의 미앤더구조의 마이크로스트립선로의 라인 길이를 조절하여 조정할 수 있다.

또한, 운용 주파수에서의 정합특성은 동축케이블(160)의 코어 라인이 방사부(120)에 접촉된 급전 위치(C)를 조정함으로써 개선할 수 있다.

방사부(120)는 미앤더구조의 마이크로스트립선로의 라인 시작점(121)으로부터 유전체 기판(130)의 길이 방향을 따라 제 1 절곡부(122)까지 연장되고, 제 1 절곡부(122)에서 반대 길이 방향으로 제 2 절곡부(123)까지 연장되고, 제 2 절곡부(123)에서 상기 길이 방향을 따라 제 3 절곡부(124)까지 연장된 후, 제 3 절곡부(124)에서 상기 반대 길이 방향으로 라인 끝점(125)까지 연장된다.

이때, 제 3 절곡부(124)와 라인 끝점(125) 사이의 종단 길이(L2)는 제 1 절곡부(122)와 라인 시작점(121) 사이의 길이(L1)에 비하여 작게 형성될 수 있다.

또한, 급전 위치(C)는 제 1 절곡부(122)와 제 2 절곡부(123) 사이의 마이크로스트립선로에 위치되고, 앞서 언급한 바와 같이 페라이트층(140)이 본체(100)에 구비될 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같은 안테나의 주파수 특성이 발휘될 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 안테나의 주파수 특성을 보여주고 있는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에서 제시하는 안테나의 본체는 인체에 삽입되어 동작하므로, 인체내 매질을 고려한 주파수에 따른 안테나의 반사손실 특성은 도 4를 통해 알 수 있다.

인체내 매질은 안테나의 인체내 삽입위치의 가변성을 보장하기 위해서 통상적으로 사용하는 MICS(medical implant communication service)의 402 ~ 405 MHz 대역에서 2/3 인체 근육의 전기적 특성(

=42.807,

=0.6463 S/m)을 적용하였다. 여기서,

은 상대유전율 또는 비유전율이고,

는 전도도이다.

본 실시예에서 제시하는 안테나의 본체(w/o ferrite)의 소형화 및 넓은 주파수에서의 정합특성의 효과를 강조하기 위해서 페라이트 층이 없는 비교예(w/ ferrite)경우와 함께 비교하였다.

비교예는 중심 주파수 400 ~ 410 MHz를 가지고 있다.

이에 비교하여, 본 발명은 비교예의 중심 주파수보다 넓은 525 ~ 530 MHz에서 중심 주파수가 형성되듯이, 비교예에 비하여 안정적이고 비교적 넓은 운용 주파수의 정합특성을 확보한 것임을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명에 대하여 실시예로서 설명되었을 뿐, 그 과정에서 언급한 세부 내용은 한정적인 것이 아닐 수 있다. 즉, 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 본체 110 : 안테나 덮개
120 : 방사부 130 : 유전체 기판
140 : 페라이트층 150 : 접지면
160 : 동축케이블 170 : 단락핀

Claims (1)

1. 인체에 삽입되도록 인체적합성 재질로 형성된 안테나 덮개;
   상기 안테나 덮개와 유전체 기판의 사이에 배치되고, 미앤더구조의 마이크로스트립선로의 방사부;
   상기 유전체 기판의 저면에 적층되어서, 유전율과 투자율을 상대적으로 크게 변화시켜 안테나의 전기적 길이를 감소시키는 페라이트층;
   상기 페라이트층의 저면에 형성된 접지면;
   상기 방사부의 급전을 위하여, 상기 접지면과 상기 방사부를 상호 접속시키는 동축케이블; 및
   상기 접지면와 상기 방사부를 서로 단락시키는 단락핀을 포함하는 것
   인 페라이트 적층 유전체 기판을 구비한 인체 삽입형 안테나.

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