KR20200049482A - 무선 통신 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 통신 장치 및 방법이 제공된다. 무선 통신 장치는 코일 조립체에 위상 고정 회로가 연결된 구조를 통해, 외부 객체와 코일 간의 접촉에도 불구하고 통신 주파수를 유지할 수 있다. 또한, 무선 통신 장치는 발진기의 커패시턴스 변화를 통해 외부 환경에 의한 신호를 센싱하거나, 코일 조립체를 통해 외부 객체로 전력을 공급할 수 있다. 무선 통신 장치는 발진기의 커패시턴스 변화를 통해 외부 객체와의 접촉 여부를 검출할 수도 있다.

Description

무선 통신 장치 및 방법{WIRELESS COMMUNICATION DEVICE AND METHOD}
이하, 무선 통신 기술이 제공된다.
근거리 무선통신 및 블루투스 등의 통신 기술 및 무선 전력 전송 기술이 발달하면서, 전자 장치 예컨대, 이동통신 단말기는 서로 다른 다양한 주파수 대역에서 동작하도록 구성되는 안테나 장치가 요구된다.
전자 장치에 다중 안테나 모듈이 실장될 경우, 다양한 주파수 대역의 무선 신호 및 무선 전력을 송수신 할 수 있으며, 송수신 시 데이터 전송 속도 및 무선 전력 전송 속도 등을 빠르게 할 수 있으나, 안테나 모듈의 실장 공간의 제약으로 인해 실장되는 안테나 모듈의 크기는 제한된다.
일 실시예에 따르면 무선 통신 장치는, 외부로 노출된 코일 조립체(coil assembly), 가변 커패시터(variable capacitor), 및 부성 저항기(negative resistor)를 포함하는 발진기(oscillator); 및 상기 코일 조립체 및 상기 부성 저항기와 연결되고, 상기 발진기에 의해 생성되는 발진 신호(oscillation signal)에 기초하여 상기 발진기의 발진 주파수를 락킹시키는 제어 신호(control signal)를 생성하여 상기 생성된 제어 신호를 상기 가변 커패시터로 제공하는 위상 고정 회로(phase locking circuit)를 포함할 수 있다.
상기 코일 조립체는, 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 코일은 링 코일일 수 있다.
상기 적어도 하나의 코일은, 하나 이상의 루프 형태로 구현될 수 있고, 상기 루프 형태의 지름은 2 cm 이하일 수 있다.
상기 발진기는, 상기 코일 조립체에 포함된 코일 및 상기 가변 커패시터에 기초하여 결정된 상기 발진 주파수로 발진할 수 있다.
상기 위상 고정 회로는, 상기 무선 통신 장치의 임피던스의 변화에 응답하여 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정함으로써, 상기 발진 주파수의 변화량을 보상할 수 있다.
상기 위상 고정 회로는, 상기 코일 조립체의 커패시턴스 변화에 의해 상기 발진 주파수가 변경되는 경우에 응답하여, 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 변경된 발진 주파수를 대상 주파수로 복원할 수 있다.
무선 통신 장치는 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 검출하고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스가 임계 커패시턴스 미만인 경우에 응답하여 상기 코일 조립체의 적어도 일부가 외부 객체에 접촉한 것으로 결정하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 코일 조립체의 적어도 일부가 상기 외부 객체에 접촉한 이후, 가변 커패시턴스의 커패시턴스 변화에 기초하여 생체 신호를 지시하는 생체 데이터를 생성할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 코일 조립체에 인가되는 전압을 검출하고, 상기 검출된 전압에 기초하여 생체 데이터를 생성할 수 있다.
상기 코일 조립체는, 복수의 코일들을 포함하고, 상기 복수의 코일들의 개수에 기초하여 정의되는 복수의 대역들 중 대상 대역(target bandwidth)으로 통신하려고 하는 경우, 상기 복수의 코일들의 각각에 상기 대상 대역에 대해 지정된 전력을 공급하는 위상 조절기(phase controller)를 더 포함할 수 있다.
상기 위상 조절기는, 상기 복수의 대역들 중 상기 대상 대역으로 통신하려고 하는 경우, 상기 대상 대역에 대해 상기 복수의 코일들에 흐르는 전류의 크기와 위상을 조절할 수 있다.
상기 복수의 코일들은, 제1 코일 및 제2 코일을 포함하고, 상기 위상 조절기는, 상기 장치가 제1 대역으로 통신을 수행하는 경우에 응답하여 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 제1 위상의 전류를 가지는 전력을 공급하고, 상기 장치가 상기 제1 대역보다 높은 제2 대역으로 통신을 수행하는 경우에 응답하여 상기 제1 코일에 상기 제1 위상의 전류를 가지는 전력을, 상기 제2 코일에 상기 제1 위상이 반전된 제2 위상의 전류를 가지는 전력을 공급할 수 있다.
상기 위상 조절기는, 상기 복수의 대역들 중 인체 채널(body channel)이 선택된 경우에 응답하여, 상기 인체 채널에 대해 각 코일에 지정된 크기 및 위상의 전류를 해당 코일에 공급할 수 있다.
상기 위상 조절기는, 상기 복수의 대역들 중 무선 채널(wireless channel)이 선택된 경우에 응답하여, 무선 채널에 대해 각 코일에 지정된 크기 및 위상의 전류를 해당 코일에 공급할 수 있다.
무선 통신 장치는 외부 객체와의 접촉 검출 여부에 따라 상기 복수의 대역들 중 상기 대상 대역을 선택하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 위상 조절기는, 상기 코일 조립체가 상기 외부 객체에 접촉한 경우에 응답하여, 인체 채널(body channel)에 대해 각 코일에 지정된 전력을 해당 코일에 공급할 수 있다.
상기 위상 조절기는, 상기 코일 조립체 및 상기 외부 객체 간의 접촉이 검출되지 않은 경우에 응답하여, 무선 채널(wireless channel)에 대해 각 코일에 지정된 전력을 해당 코일에 공급할 수 있다.
무선 통신 장치는 상기 코일 조립체에 포함된 적어도 두 코일들이 외부 객체에 접촉한 경우에 응답하여, 상기 적어도 두 코일들로 전력을 공급하는 자극기(stimulator)를 더 포함할 수 있다.
무선 통신 장치는 상기 코일 조립체를 통해 수신된 외부 신호를 처리하는 수신기; 및 상기 코일 조립체를 통해 외부로 전송할 데이터 신호를 생성하는 송신기를 더 포함할 수 있다.
무선 통신 장치는 데이터를 주파수 변조한 변조 신호에 기초하여, 상기 변조 신호가 지시하는 주파수에 대응하는 커패시턴스로 상기 발진기의 가변 커패시터를 조정함으로써, 상기 코일 조립체를 통해 외부로 송신되는 데이터 신호를 생성하는 송신기를 더 포함할 수 있다.
상기 무선 통신 장치는, 상기 위상 고정 회로를 수용(accommodate)하고, 외부로 돌출된 상기 코일 조립체를 지지하는 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 무선 통신 장치는, 상기 코일 조립체에 포함된 복수의 코일들 및 상기 부성 저항기 간의 연결을 스위칭함으로써 상기 복수의 코일들의 각각에 제공되는 전력의 위상을 제어할 수 있다.
무선 통신 장치는 상기 코일 조립체를 통해 외부로부터 신호가 수신된 경우에 응답하여 상기 수신된 신호의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선(envelope)으로부터 데이터 신호를 복원하는 수신기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 통신 방법은, 발진기의 코일 조립체 및 부성 저항기와 연결된 위상 고정 회로가 상기 발진기에 의해 생성되는 발진 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 위상 고정 회로가 상기 생성된 제어 신호를 상기 발진기의 가변 커패시터로 제공함으로써 상기 발진기의 발진 주파수를 락킹시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 개괄적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 통신 환경을 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 통신 장치가 인체와 접촉한 경우 동작을 설명하는 도면이다.
도 5 내지 도 9는 일 실시예에 따른 위상 조절기의 구동을 설명하는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 무선 통신 장치가 객체로 전력을 공급하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 11는 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 단일 소자 구현을 설명하는 도면이다.
도 12은 일 실시예에 따른 무선 통신 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 개괄적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 1a에 도시된 무선 통신 장치(100)는 코일 조립체(110) 및 위상 고정 회로(120)를 포함할 수 있다.
코일 조립체(110)는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있다. 코일 조립체(110)는 무선 통신 장치(100)의 외부(예를 들어, 외부 환경)로 노출되도록 배치될 수 있다. 코일 조립체(110)는 인덕턴스를 가질 수 있다. 코일 조립체(110)에 포함되는 코일은 루프 형태, 예를 들어, 링 형태로 구현될 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 코일 조립체(110)는 가변 커패시터와 연결될 수 있고, 코일 조립체(110)에 포함된 코일의 인덕턴스 및 가변 커패시터의 커패시턴스로부터 해당 코일 조립체(110)의 공진 주파수가 결정될 수 있다. 코일 조립체(110)는 공진 주파수를 이용하여 통신하는 안테나로서 동작할 수 있다.
위상 고정 회로(120)는 발진기의 발진 주파수를 대상 주파수로 락킹하는 회로를 나타낼 수 있다. 위상 고정 회로(120)는 위상 고정 루프(PLL, phase locked loop)라고 나타낼 수도 있다. 일 실시예에 따른 위상 고정 회로(120)는 코일 조립체(110)와 연결되고, 코일 조립체(110)로부터 신호를 수신하며, 피드백된 신호에 기초하여 발진기의 발진 주파수를 락킹시킬 수 있다. 위상 고정 회로(120)는 예를 들어, 해당 발진기의 발진 주파수에 따라 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정할 수 있다. 예를 들어, 위상 고정 회로(120)는 기존의 전하 펌프(Charge-Pump) 방식의 아날로그 PLL(Analog PLL), 또는 디지털 TDC(Digital TDC), 루프 필터(Loop filter), 및 DSM(delta sigma modulator)를 포함하는 디지털(Digital) 방식으로 구현될 수 있다. 주파수/위상 검출기는 예를 들어, TDC(time-to-digital converter) 방식으로 구현될 수 있고, TDC는 펄스(pulse) 간의 시간 차이(time difference)를 측정하여, 해당 시간 차이를 지시하는 디지털 값을 출력할 수 있다. 펄스 간의 시간 차이는 예를 들어, 발진 주파수의 역수에 대응할 수 있다. 루프 필터는 위상 검출기의 출력으로부터 노이즈 및 고주파 성분을 제거함으로써 평균 전압 성부(예를 들어, 직류 성분)을 통과시키는 필터일 수 있다. DSM은 일종의 디지털 아날로그 변환기(DAC, digital to analog converter)로서, 신호의 값을 대략적으로(approximately) 예측하여 오차를 산출하고, 누적된 오차를 이용하여 오차를 보정할 수 있다. 다만, 위상 고정 회로(120)의 구성을 이로 한정하는 것은 아니고, 다양한 구조의 위상 고정 회로(120)가 사용될 수도 있다.
또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 무선 통신 장치(100)는 코일 조립체(110) 및 위상 고정 회로(120) 사이에 증폭기(115)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 통신 장치(100)는, 외부로 노출된 코일 조립체(110)가 커패시턴스를 가지는 다른 객체(예를 들어, 생체(living body))와 접촉하여 전체 커패시턴스가 변화하더라도, 코일 조립체(110)에 직접 연결된 위상 고정 회로(120)를 통해 발진기의 가변 커패시턴스를 즉각 조정함으로써 통신 주파수를 유지할 수 있다. 따라서, 무선 통신 장치(100)는 외부 물체와의 접촉 유무와 무관하게 안정적인 무선 통신(radio communication)을 수립할 수 있다. 아래에서는 코일 조립체가 연결된 하나의 입출력 포트에서 센싱, 무선 통신, 및 인체 통신이 구현되는 무선 통신 장치(100)를 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 통신 환경을 설명하는 도면이다.
MICS 채널(medical implant communication system channel)은 의료 목적으로 사용되는 통신 채널을 나타낼 수 있다. MICS 채널의 대역은 예를 들어, 400 MHz 정도일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니고 400 MHz보다 더 높을 수도 있다. MICS 채널을 사용하는 생체에 내장된 무선 통신 장치(210)가 외부 장치(290)와 통신할 수 있는 통신 거리 또는 커버리지(coverage)는 대략 1m 정도일 수 있다.
인체 채널(Body channel)은 체내에 삽입된 기기가 사용하는 통신 채널을 나타낼 수 있다. 인체 채널의 대역은 예를 들어, 100MHz 이하 의 주파수 정도일 수 있으나, 인체 채널의 주파수 대역을 이로 한정하는 것은 아니다. 인체 채널을 사용하는 제1 무선 통신 장치(221)는 같은 인체 채널을 사용하는 제2 무선 통신 장치(222)와 통신을 수립할 수 있다. 제2 무선 통신 장치(222)는 상술한 MICS 채널을 이용하여 외부 장치(290)와도 통신을 수립할 수도 있다. 인체 외부에서 MICS 채널을 통한 통신은 10m 이상에서도 수립될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 통신 장치(210)에 의한 신호의 세기(231)는 체내에서 급격하게 감쇄될 수 있다. 무선 통신 장치(210)가 체내에 깊숙히 삽입될수록 통신 거리가 상대적으로 더 감소할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 통신 가능한 최소 수신 가능 레벨까지의 거리는 1m로 나타날 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
제1 무선 통신 장치(221) 및 제2 무선 통신 장치(222) 간의 통신은 인체 채널에 대응하는 주파수를 가지는 신호를 통해 수립되므로, 해당 신호의 세기(232)는 체내에서도 덜 감쇄될 수 있다. 인체의 표면(205)에 배치된 제2 무선 통신 장치(222)에 의한 신호의 세기(232)는 제2 무선 통신 장치(220)로부터 10m 정도까지 수신 가능 레벨보다 클 수 있다.
체내에 삽입되거나, 체외에 장착 또는 탈착되는 경우에도 안정적으로 통신을 유지할 수 있도록, 무선 통신 장치(210), 제1 무선 통신 장치(221) 및 제2 무선 통신 장치(222)는 하기 도 3 내지 도 11에서 설명되는 구조로 구현될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
무선 통신 장치(300)는 발진기(309), 위상 고정 회로(320), 제어기(340), 송신기(370), 및 수신기(380)를 포함할 수 있다. 발진기(309)는 코일 조립체(310), 부성 저항기(330), 및 가변 커패시터(360)를 포함할 수 있다. 도 3에서 가변 커패시터(360)의 커패시턴스는 CT로 나타낼 수 있다.
코일 조립체(310)는 도 2에서 상술한 바와 같이 무선 통신 장치(300)의 하우징 외부로 노출될 수 있다. 코일 조립체(310)는 하우징에 의해 지지될 수 있다. 하우징은 위상 고정 회로를 수용(accommodate)하고, 외부로 돌출된 코일 조립체(310)를 지지할 수 있다. 코일 조립체(310)는 위상 고정 회로(320), 부성 저항기(330), 및 가변 커패시터(360)와 연결될 수 있다.
위상 고정 회로(320)는 도 2에서 상술한 바와 같이 코일 조립체(310) 및 부성 저항기(330)와 연결될 수 있다. 위상 고정 회로(320)는 코일 조립체(310)의 코일의 양단에 연결될 수 있다. 예를 들어, 위상 고정 회로(320)는 코일 조립체(310)의 일단에 직접 연결되고, 가변 커패시터(360)를 통해 코일 조립체(310)의 타단에 연결될 수 있다. 위상 고정 회로(320)로 발진기(309)의 발진 신호가 전달될 수 있고, 발진 신호의 발진 주파수는 외부로부터 수신된 신호, 및 코일에 접촉된 객체로부터 센싱된 신호 등에 따라 달라질 수 있다. 위상 고정 회로(320)는 발진기(309)에 의해 생성되는 발진 신호(oscillation signal)에 기초하여 발진기(309)의 발진 주파수를 락킹시키는 제어 신호(control signal)를 생성할 수 있다.
위상 고정 회로(320)는 생성된 제어 신호를 가변 커패시터(360)로 제공함으로써, 발진 주파수를 대상 주파수(target frequency)로 락킹시킬 수 있다. 위상 고정 회로(320)는 무선 통신 장치(300)의 임피던스의 변화에 응답하여 가변 커패시터(360)의 커패시턴스를 조정함으로써, 발진 주파수의 변화량을 보상할 수 있다. 예를 들어, 위상 고정 회로(320)는 제어기(340)로부터 제공되는 기준 주파수(fref)에 기초하여 대상 주파수를 결정할 수 있고, 발진 주파수를 대상 주파수로 락킹시킬 수 있다. 위상 고정 회로(320)는 코일 조립체의 커패시턴스 변화에 의해 발진 주파수가 변경되는 경우에 응답하여, 가변 커패시터를 조정함으로써 변경된 발진 주파수를 대상 주파수로 복원할 수 있다.
발진기(309)는, 코일 조립체(310)에 포함된 코일 및 가변 커패시터(360)에 기초하여 결정된 발진 주파수로 발진할 수 있다. 예를 들어, 부성 저항기(negative resistor)(330)는 코일 조립체(310) 및 가변 커패시터(360)에 연결될 수 있다. 발진기(309)는 부성 저항기(330), 코일 조립체(310) 및 가변 커패시터(360)에 기초하여 발진 신호를 생성할 수 있다. 발진기(309)의 발진 주파수는, 코일 조립체(310)의 인덕턴스 및 코일 조립체(310)에 연결된 커패시터의 커패시턴스에 기초하여 결정될 수 있다. 코일 조립체(310)가 단일 코일(single coil)로 구성되는 경우, 발진기(309)는 인덕턴스를 가지는 코일, 커패시턴스를 가지는 가변 커패시터(360) 및 부성 저항을 가지는 부성 저항기로서 연산 증폭기로 구성되는 간단한 발진 구조로 구현될 수 있다.
제어기(340)는 위상 고정 회로(320), 위상 조절기(350), 송신기(370), 및 수신기(380)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(340)는 마이크로컨트롤러 유닛(341)(MCU, microcontroller unit) 및 디지털 베이스밴드 유닛(342)(DBB unit, digital baseband unit)을 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러 유닛(341)은 위상 고정 회로(320)로 기준 주파수(fref)를 제공할 수 있다. 마이크로컨트롤러 유닛(341)은 기준 주파수(fref)의 KFCW의 배수로 대상 주파수를 결정할 수 있다. KFCW는 통신 주파수를 설정하기 위한 계수(coefficient)로서, 실수일 수 있다. 디지털 베이스밴드 유닛(342)은 베이스밴드(baseband)의 신호를 처리할 수 있다. 예를 들어, 디지털 베이스밴드 유닛(342)은 송신기(370)로 베이스밴드에 대응하는 신호를 전달하거나, 수신기(380)로부터 베이스밴드에 대응하는 신호를 수신할 수 있다.
가변 커패시터(360)는 발진기(309)에서 부성 저항기(330)와 연결된 커패시터로서, 위상 고정 회로(320)로부터 전달되는 제어 신호(control signal)에 따라 커패시턴스(CT)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 가변 커패시터(360)는 n개의 비트에 대응하는 커패시터들을 포함하는 커패시터 뱅크일 수 있고, 제어 신호는 n개의 비트로 된 디지털 코드일 수 있다. 디지털 코드는 가변 커패시터(360)의 커패시턴스를 디지털 값으로 환산한 값일 수 있다. 커패시터 뱅크의 구성은 하기 도 4에서 설명한다. 다만, 가변 커패시터(360)의 구성으로 이로 한정하는 것은 아니고, 위상 고정 회로(320)에 의해 생성되는 제어 신호에 의해 커패시턴스가 제어되는 다양한 커패시터로 구현될 수 있다.
송신기(370)는 코일 조립체(310)를 통해 외부로 전송할 데이터 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 송신기(370)는 제어기(340)로부터 데이터를 전달받을 수 있다. 송신기(370)는 해당 데이터를 주파수 변조할 수 있다. 송신기(370)는 데이터를 주파수 변조한 변조 신호에 기초하여, 변조 신호가 지시하는 주파수에 대응하는 커패시턴스로 발진기(309)의 가변 커패시터(360)를 조정함으로써, 코일 조립체(310)를 통해 외부로 송신되는 데이터 신호를 생성할 수 있다. 송신기(370)는 예를 들어, OOK(on off keying) 기법, FSK(frequency shift keying) 기법, 또는 ASK (amplitude shift keying) 기법 등을 사용하여 데이터 신호를 생성할 수 있다.
수신기(380)는 코일 조립체(310)를 통해 수신된 외부 신호를 처리할 수 있다. 외부 신호는 예를 들어, OOK 기법, FSK 기법 또는 ASK 기법 등으로 변조된 신호일 수 있다. 일 실시예에 따른 수신기(380)는 초재생 수신 기법(super regenerative reception)을 통해 외부 신호를 데이터로 복원할 수 있다. 예를 들어, 수신기(380)는 코일 조립체(310)를 통해 외부로부터 신호가 수신된 경우에 응답하여 수신된 신호의 포락선을 검출하고, 검출된 포락선(envelope)으로부터 데이터 신호를 복원할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 통신 장치(300)는 상술한 블록들을 통해, 코일 조립체(310)를 이용하여 MICS 채널 통신 및 인체 통신을 수행할 수 있고, 인체에 삽입되거나 인체 외부에 장착 또는 탈착되어도 안정적인 통신을 수행할 수 있다. 인체 내에 삽입된 무선 통신 장치(300)는 인체 상(on body)에 장착되거나 인체 외부에 배치된 외부 기기와 통신을 수립할 수 있다. 인체 상에 장착되거나 인체 외부에 배치된 무선 통신 장치(300)는 인체 내에 삽입되거나 인체 상에 장착된 외부 기기와 통신을 수립할 수 있다. 또한, 무선 통신 장치(300)는 외부 환경을 센싱함으로써, 외부에 노출된 코일 조립체(310)를 이용하여 단독으로 생체 신호를 센싱하거나 통신 수행이 가능하다.
참고로, 코일 조립체(310)는 상술한 바와 같이 단일 코일로 구성될 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 코일 조립체(310)는 2개 이상의 코일들을 포함할 수도 있다. 코일 조립체(310)가 2개 이상의 코일들을 포함하는 경우, 무선 통신 장치(300)는 위상 조절기(350)를 더 포함할 수 있다. 위상 조절기(350)의 동작은 하기 도 5 내지 도 9에서 상세히 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 통신 장치가 인체와 접촉한 경우 동작을 설명하는 도면이다.
무선 통신 장치(400)는 코일에 접촉되는 외부 커패시터(예를 들어, 기생 커패시터)의 변화를 주파수로 변환할 수 있고, 주파수의 변화를 디지털 코드로 변환할 수 있다. 따라서, 센싱과 통신이 하나의 무선 송수신기 블록으로 구현될 수 있다. 무선 통신 장치(400)는 외부환경 변화요인인, 온도, 습도, 및 접촉 등의 환경 변화에 의한 커패시턴스 혹은 임피던스 변화를 센싱함으로써 외부 환경을 검출할 수 있다. 아래에서 무선 통신 장치(400)는 가변 커패시터(460)의 커패시터 변화를 검출함으로써, 외부 객체(401)와의 접촉 여부를 검출하고, 더 나아가 생체 신호(402)를 센싱할 수 있다. 외부 객체(401)는 생체(living body)일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
우선, 일 실시예에 따른 무선 통신 장치(400)는 외부 생체(401)와 접촉하더라도, 발진기의 발진 주파수를 대상 주파수로 유지할 수 있다. 발진기는 도 3과 유사하게, 코일 조립체(410), 가변 커패시터(460), 및 부성 저항기(430)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 위상 고정 회로(420)는, 발진기에서 발진 주파수의 변화에 응답하여 가변 커패시터(460)의 커패시턴스(이하, 전체 커패시턴스 CT)를 조정함으로써, 발진 주파수를 고정 할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 통신 장치(400)의 제어기(440)는 가변 커패시터(460)의 커패시턴스를 검출하고, 가변 커패시터(460)의 커패시턴스가 임계 커패시턴스 미만인 경우에 응답하여 코일 조립체(410) 중 적어도 일부가 외부 객체(401)에 접촉한 것으로 결정할 수 있다. 외부 객체(401)와 코일 조립체(410) 간의 접촉이 형성되는 경우, 발진기를 포함하는 회로의 커패시턴스가 크게 변하고, 무선 통신 장치(400)는 가변 커패시터(460)의 커패시턴스를 크게 변화시킴으로써 접촉에 의한 커패시턴스 변화를 보상할 수 있다. 따라서 무선 통신 장치(400)는 가변 커패시터(460)의 커패시턴스 변화량을 통해 외부 객체(401)와의 접촉 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어, 무선 통신 장치(400)에서 코일 조립체(410) 및 외부 객체(401)(예를 들어, 생체) 간에 접촉이 발생하는 경우, 코일 조립체(410)는 외부 객체(401)가 가지는 커패시터(이하, 생체 커패시터(body capacitor))와 전기적으로 연결될 수 있다. 생체 커패시터의 커패시턴스는 생체 커패시턴스 CB라고 나타낼 수 있다. 도 4에서 생체 커패시터가 무선 통신 장치(400)의 회로에 추가될 수 있고, 위상 고정 회로(420)는 생체 커패시터의 추가에 의한 커패시턴스 변화를 보상함으로써 발진 주파수를 대상 주파수로 유지할 수 있다. 이로 인해 발진기의 커패시턴스가 변화한다. 위상 고정 회로(420)는 생체 커패시터에 의한 커패시턴스 변화를 보상하기 위해 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT를 조정할 수 있다. 따라서, 발진기의 커패시턴스가 생체 커패시턴스 CB만큼 증가하면, 위상 고정 회로(420)는 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT를 생체 커패시턴스 CB만큼 감소시킴으로써 발진기의 커패시턴스를 유지할 수 있다. (예를 들어,
Figure pat00001
) 발진 주파수가 대상 주파수에 고정되어 있으므로, 무선 통신 장치(400)는 내부의 커패시터 뱅크의 커패시턴스 값을 외부의 커패시턴스 값의 변화에 응답하여 변화시킬 수 있다. 여기서, 대상 주파수는 무선 채널 대역에 속할 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니고 인체 채널 대역에 속할 수도 있다. 코일 조립체(410)는 무선 채널 대역 및 인체 채널 대역 등과 같은 여러 채널 대역 중 한 채널 대역을 위해 설계된 단일 코일을 포함할 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 코일 조립체(410)는 여러 채널 대역을 지원할 수 있도록 복수의 코일들을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 무선 채널 대역은 MICS 채널, 900MHz, 또는 BLE(Bluetooth low energy) 등일 수 있다. 무선 통신 장치(400)가 무선 채널 대역에서 동작하는 경우, 무선 통신 장치(400)는 생체에 삽입된 기기와 통신을 수립하거나, 외부 통신 단말기(예를 들어, 모바일 폰 등)와도 통신을 수립할 수 있다. 인체 채널 대역은 대략 100MHz 정도일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 무선 통신 장치(400)는 생체 내장 기기 및 인체 부착 기기에 대해서는 인체 채널 대역을 통해 통신을 수립할 수 있고, 인체 외부의 단말기에 대해서는 무선 채널 대역을 통해 통신을 수립할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 통신 장치(400)는 코일 조립체(410)가 생체(401)에 접촉한 이후, 커패시턴스 변화를 검출함으로써 생체 신호(402)를 센싱할 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 무선 통신 장치(400)는 버랙터 커패시터를 더 포함할 수 있다. 버랙터 커패시터의 커패시턴스는 버랙터 커패시턴스 CV라고 나타낼 수 있다. 코일 조립체(410)가 단일 코일로 구성되는 경우, 버랙터 커패시터는 코일 조립체(410)에서 해당 코일의 양단에 연결되고 해당 코일의 전압 변화에 감응하여 버랙터 커패시턴스 Cv를 변화시킬 수 있다. 코일에 걸리는 전압은 버랙터 커패시터의 양단에 걸리는 전압에 대응할 수 있고, 센싱 전압 VS로 나타낼 수 있다. 다만, 코일 조립체(410)를 단일 코일로 한정하는 것은 아니고, 코일 조립체(410)는 복수의 코일들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 코일 조립체가 2개의 코일들을 포함하는 경우, 버랙터 커패시터는 2개 코일들의 각각의 양단(예를 들어, 4개 노드)에 연결될 수 있다.
참고로, 버랙터 커패시턴스 CV의 크기 변화는 생체 신호(402)의 전압 변화에 대응할 수 있다. 코일 조립체(410)의 통신 주파수는, 코일 조립체(410)의 인덕턴스 및 코일 조립체(410)에 연결된 커패시턴스에 기초하여 결정될 수 있다. 코일 조립체(410)의 통신 주파수를 회로 성분으로 표현하면 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
상술한 수학식 1에서 fRF는 통신 주파수, L은 코일 조립체(410)의 인덕턴스, CT는 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스, CV는 버랙터 커패시턴스, CB는 생체 커패시턴스를 나타낼 수 있다. 무선 통신 장치(400)는 통신 주파수 fRF를 유지하기 위해, 버랙터 커패시턴스 CV 및 생체 커패시턴스 CB의 변화량을 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT를 조정함으로써 보상할 수 있다. 코일 조립체(410)가 생체(401)에 접촉된 후에는 생체 커패시턴스 CB는 일정하므로, 생체 신호(402)의 전압 변화에 따라 버랙터 커패시턴스 CV만 변하게 된다. 따라서, 생체 접촉 이후, 위상 고정 회로(420)는 버랙터 커패시턴스 CV의 변화를 보상하기 위해서만 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT를 조정하므로, 제어기(440)는 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT의 변화를 검출함으로써 생체 데이터를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따르면 제어기(440)는, 코일 조립체(410) 중 적어도 일부가 외부 객체(401)에 접촉한 이후, 가변 커패시턴스의 커패시턴스 변화에 기초하여 생체 신호(402)를 지시하는 생체 데이터를 생성할 수 있다. 제어기(440)의 마이크로컨트롤러 유닛(441)이 가변 커패시터(460)의 커패시턴스 변화를 검출할 수 있다. 마이크로컨트롤러 유닛(441)은 위상 고정 회로(420)로부터 출력되는 제어 신호(404)로부터 커패시턴스 변화를 검출할 수 있다. 제어 신호(404) 및 가변 커패시터(460)의 커패시턴스 변화의 관계는 다음과 같이 설명한다.
일 실시예에 따른 가변 커패시터(460)는 커패시터 뱅크를 포함할 수 있고, 커패시터 뱅크는 제어 신호(404)에 따라 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT를 조정할 수 있다. 예를 들어, 커패시터 뱅크가 n개의 커패시터들을 포함하는 경우, LSB(Least Significant Bit)로부터 i번째 비트 위치에 대응하는 커패시터의 커패시턴스는 2i-1C0일 수 있다.
여기서, 제어 신호(404)는 n비트의 디지털 코드 CT[0,n-1]일 수 있다. 디지털 코드의 각 비트 위치(bit position)에 할당된 비트 값(bit value)는 해당 비트에 대응하는 커패시터를 활성화할 지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 디지털 코드에서 i번째 비트 위치의 비트 값이 0인 경우, 커패시터 뱅크는 i번째 커패시터를 비활성화할 수 있다. 디지털 코드에서 i번째 비트 위치의 비트 값이 1인 경우, 커패시터 뱅크는 i번째 커패시터를 활성화할 수 있다. 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT는 활성화된 커패시터들의 커패시턴스 합으로 결정될 수 있다. 예를 들어, n=3, 디지털 코드가 "101"인 경우, 커패시터 뱅크의 커패시턴스는 C0 (1 22 + 0 + 1 20) = 5 C0일 수 있다. C0는 단위 커패시턴스(unit capacitance)를 나타낼 수 있다. 따라서, 제어 신호(404)의 디지털 코드는 커패시터 뱅크의 전체 커패시턴스 CT의 크기를 지시할 수 있다.
위상 고정 회로(420)는 제어기(440)로부터 제공되는 기준 주파수 fREF 및 주파수 제어 워드(FCW, frequency control word) 상수(constant) KFCW에 기초하여 대상 주파수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 대상 주파수를 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
상술한 수학식 2에서 fRF는 대상 주파수이자, 락킹된 이후의 통신 주파수를 나타낼 수 있다. fREF는 기준 주파수를 나타낼 수 있고, KFCW는 주파수 제어 워드로서, 통신 채널(예를 들어, 인체 채널 또는 무선 채널 등)을 설정하는 변수를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 400.5MHz RF 주파수를 위해 fREF는 1MHz일 수 있고, 무선 채널 대역에서 KFCW는 400.5 정도일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. KFCW는 FSK 무선신호 전달을 위해 가변되는 입력 값이다. 제어기(440)의 마이크로컨트롤러 유닛(441)이 위상 고정 회로(420)로부터 출력된 제어 신호(404)에 기초하여 생체 신호(402)를 식별할 수 있다. 마이크로컨트롤러 유닛(441)은 디지털 코드를 외부 임피던스의 변화량으로 연산하여 디지털 베이스밴드 유닛(442)으로 전달할 수 있다. 디지털 베이스밴드 유닛(442)이 생체 신호(402)에 의한 커패시턴스 변화를 보상하는 변화 주파수 제어 워드를 FSK(frequency shift keying) 변조기(470)로 전달할 수 있다. FSK 변조기(470)는 예를 들어, 단일 포인트 FSK 변조기(single point FSK modulator)일 수 있다.
무선 통신 장치(400)는 상술한 바와 같이 인체 커패시턴스 CB를 보상하기 위한 전체 커패시턴스 CT의 변화로부터 인체 접촉 여부를 결정할 수 있고, 버랙터 커패시턴스 CV를 보상하기 위한 전체 커패시턴스 CT의 변화로부터 생체 신호(402)를 센싱할 수 있다. 생체 신호(402)의 전압 변화는 커패시턴스를 조정하기 위한 제어 신호(404)에 대응할 수 있으므로, 무선 통신 장치(400)는 제어 신호(404)의 디지털 코드로부터 생체 데이터를 생성할 수 있다. 생체 데이터는 생체 신호(402)를 지시하는 데이터를 나타낼 수 있다. 따라서 무선 통신 장치(400)는 가변 커패시턴스의 커패시턴스 변화를 검출함으로써 생체 접촉 여부 및 생체 신호(402)를 둘 다 센싱할 수 있다.
또한, 제어기(440)는, 코일 조립체에 인가되는 전압을 검출하고, 검출된 전압에 기초하여 생체 데이터를 생성할 수도 있다. 따라서, 무선 통신 장치(400)는 커패시턴스 변화를 통해 간접적으로 생체 신호를 센싱할 수도 있으나, 코일 조립체에 인가되는 전압으로부터 직접 생체 신호를 센싱할 수도 있다.
참고로 도 4에서는 버랙터 커패시터에 의한 생체 신호 센싱만을 주로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 버랙터 커패시터는 다른 종류의 가변 커패시터로 대체될 수 있고, 더 나아가, 온도 및 습도 등과 같은 다른 외부 환경 요인에 감응하는 커패시턴스 변화를 통해 무선 통신 장치(400)는 외부 환경 변화도 검출할 수 있다. 아울러, 무선 통신 장치(400)는 자극기(stimulator)(490)를 더 포함할 수 있는데, 이는 하기 도 10에서 상세히 설명한다. 후술하겠으나, 자극기(490)의 양단은 각각 서로 다른 코일에 연결될 수 있다.
아래 도 5 내지 도 9는 추가 코일을 통해 여러 통신 대역을 지원할 수 있는 코일 조립체 및 해당 코일 조립체를 동작시키기 위한 위상 조절기의 구동을 설명한다.
도 5 내지 도 9는 일 실시예에 따른 위상 조절기의 구동을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면 위상 조절기(650, 850)는 부성 저항기(530, 630, 730, 830)의 위상을 조정할 수 있다. 예를 들어, 위상 조절기(650, 850)는 코일 조립체(510, 610, 710, 810)에 포함되는 코일들의 개수에 기초하여 정의되는 복수의 대역들 중 한 대상 대역으로 통신하려고 하는 경우, 복수의 코일들의 각각에 대상 대역에 대해 지정된 전력을 공급할 수 있다. 위상 조절기(650, 850)는 개별 전력들을 코일 조립체(510, 610, 710, 810)에 공급할 수 있고, 개별 전력들의 각각의 전류의 위상은 대역에 기초하여 지정된다. 위상 조절기(650, 850)는 해당 대역에 대해 각 코일에 지정된 위상의 전류를 가지는 전력을 해당 코일에 공급할 수 있다. 예를 들어, 위상 조절기(650, 850)는, 복수의 대역들 중 대상 대역으로 통신하려고 하는 경우, 대상 대역에 대해 복수의 코일들에 흐르는 전류의 크기와 위상을 조절할 수 있다. 위상 조절기(650, 850)는, 복수의 대역들 중 인체 채널(body channel)이 선택된 경우에 응답하여, 인체 채널에 대해 각 코일에 지정된 크기 및 위상의 전류를 해당 코일에 공급할 수 있다. 위상 조절기(650, 850)는, 복수의 대역들 중 무선 채널(wireless channel)이 선택된 경우에 응답하여, 무선 채널에 대해 각 코일에 지정된 크기 및 위상의 전류를 해당 코일에 공급할 수 있다.
예를 들어, 복수의 코일들이 2개인 경우, 위상 조절기(650, 850)는 각 코일에 연결된 부성 저항기(530, 630, 730, 830)에 같은 위상의 전류를 공급하거나, 역위상(inverted phase)의 전류를 공급할 수 있다. 위상 조절기(650, 850)에 의해 위상이 조정된 전류를 통해 발진기의 발진 주파수가 달라질 수 있다. 참고로, 상술한 도 3에서는 같은 위상 및 역위상의 설명의 편의를 위하여 부성 저항기 (330)를 2개의 심볼로 도시하였으나, 하기 도 6 및 도 8에서 설명하는 바와 같이 부성 저항기(530, 630, 730, 830)는 단일 연산증폭기(operational amplifier)를 포함할 수도 있다. 다만, 부성 저항기(530, 630, 730, 830)의 구성을 이로 한정하는 것은 아니고, 코일 조립체(510, 610, 710, 810)에 포함된 코일들의 개수 및 사용하고자 하는 대역들의 개수 등에 따라 변경될 수 있다.
도 5 및 도 6는 일 실시예에 따른 역상(inverted phase) 상태의 구동을 설명한다.
도 5는 무선 통신 장치에서 코일 조립체(510) 및 부성 저항기(530)를 간략하게 도시한 도면이다. 코일 조립체(510)에서 제1 코일(L1)에 연결된 제1 부성 저항기(OSC1)에는 위상 조절기가 제1 전압(v1) 및 제1 전류(i1)를 가지는 전력을 공급할 수 있다. 코일 조립체(510)에서 제2 코일(L2)에 연결된 제2 부성 저항기(OSC2)에는 위상 조절기가 제2 전압(v2) 및 제2 전류(i2)를 가지는 전력을 공급할 수 있다. 도 5에서 제1 전압(v1) 및 제2 전압(v2)은 서로 역상의 관계, 예를 들어, v1 = - v2인 관계를 나타낼 수 있다.
도 6은 도 5에서 설명한 역상 상태의 구동을 위한 위상 조절기(650) 및 부성 저항기(630)를 설명하는 도면으로서 설명의 편의를 위해 코일 조립체(610) 및 부성 저항기(630)를 단순화된 구조로 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이 연결된 코일 조립체(610) 및 부성 저항기(630)는 도 6에 도시된 변압기 및 연산 증폭기로 모델링될 수 있다. 코일 조립체(610)는 변압기로 모델링될 수 있고, 제1 부성 저항기 (OSC1) 및 제2 부성 저항기 (OSC2)는 연산 증폭기로 모델링될 수 있다.
위상 조절기(650)는 제1 부성 저항기(OSC1) 및 제2 부성 저항기 (OSC2)를 구현하는 부성 저항기(630) 및 코일 조립체(610) 간의 전기적 경로(electrical path)를 스위칭할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 역상 상태의 구동을 위해, 위상 조절기(650)는 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 걸리는 전압 및 전류가 서로 역상이 되도록, 부성 저항기(630) 및 코일 조립체(610) 간의 전기적 경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 부성 저항기(OSC1) 및 제2 부성 저항기(OSC2)는 반전 증폭기(inverted amplifier)로 모델링될 수 있고, 위상 조절기(650)는 반전 증폭기의 음의 출력(negative output)을 제1 코일(L1)에서 권선의 시작 단자(start terminal)에 연결하고, 반전 증폭기의 양의 출력을 권선의 끝 단자(end terminal)에 연결할 수 있다. 도 6에서 시작 단자는 도트 위상이 표시된 단자를 나타낼 수 있고, 끝 단자는 반대편 단자를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 코일 양단의 노드와 회로의 입출력 노드와 연결되어, 전체 회로가 포지티브 피드백(Positive Feedback) 루프를 형성할 수 있다. 이 포지티브 피드백 루프내의 전체 위상천이가 360도를 이루도록, 전체 회로가 구성될 수 있다. 위 경우에는 코일 양단의 위상차가 180도 반전되고, 포지티브 피드백 루프의 전체 위상 천이는 360도를 나타낼 수 있다. 이러한 포지티브 피드백 루프를 통해 발진이 일어날 수 있다.
무선 통신 장치는 각 코일에 연결된 부성 저항기(630)를 역상 상태로 구동함으로써 제1 대역보다 높은 제2 대역의 발진 주파수를 생성할 수 있다. 따라서 위상 조절기(650)는, 장치가 제1 대역보다 높은 제2 대역으로 통신을 수행하는 경우에 응답하여 제1 코일에 제1 위상의 전류를 가지는 전력을, 제2 코일에 제1 위상이 반전된 제2 위상의 전류를 가지는 전력을 공급할 수 있다. 도 6에서 제1 대역은 인체 채널(Body channel)을 나타낼 수 있고, 제2 대역은 MICS 채널을 나타낼 수 있다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 동상(identical phase) 상태의 구동을 설명하는 도면이다.
도 7은 무선 통신 장치에서 코일 조립체(710) 및 부성 저항기(730)를 간략하게 도시한 도면으로서, 도 5와 달리, 제1 전압(v1) 및 제2 전압(v2)은 서로 동상의 관계, 예를 들어, v1 = v2인 관계를 나타낼 수 있다.
도 8은 도 7에서 설명한 동상 상태의 구동을 위한 위상 조절기(850) 및 부성 저항기(830)를 설명하는 도면으로서 설명의 편의를 위해 코일 조립체(810) 및 부성 저항기(830)를 단순화된 구조로 도시한 것이다. 코일 조립체(810) 및 부성 저항기(830)는 도 8에 도시된 변압기 및 연산 증폭기로 모델링될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 동상 상태의 구동을 위해, 위상 조절기(850)는 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 걸리는 전압 및 전류가 서로 동상이 되도록, 부성 저항기(830) 및 코일 조립체(810) 간의 전기적 경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 부성 저항기(OSC1) 및 제2 부성 저항기(OSC2)를 구현하는 부성 저항기(830)는 반전 증폭기(inverted amplifier)로 모델링될 수 있고, 위상 조절기(850)는 반전 증폭기의 음의 출력(negative output)을 제1 코일(L1)에서 권선의 끝 단자에 연결하고, 반전 증폭기의 양의 출력을 권선의 시작 단자에 연결할 수 있다. 예를 들어, 코일 양단의 노드와 회로의 입출력 노드와 연결되어, 전체 회로가 포지티브 피드백(Positive Feedback) 루프를 형성할 수 있다. 이 포지티브 피드백 루프의 전체 위상천이가 360도를 이루도록 전체 회로가 구성될 수 있다. 위 경우에는 코일 양단의 위상차가 없어서, 예를 들어, 위상차가 0도이고, 포지티브 피드백 루프의 전체 위상 천이는 360도를 나타낼 수 있다. 이러한 포지티브 피드백 루프를 통해 발진이 일어날 수 있다.
무선 통신 장치는 각 코일에 연결된 부성 저항기(830)를 동상 상태로 구동함으로써 제2 대역보다 낮은 제1 대역(예를 들어, 인체 채널 대역)의 발진 주파수를 생성할 수 있다. 따라서 위상 조절기(850)는, 장치가 제1 대역으로 통신을 수행하는 경우에 응답하여 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 제1 위상의 전류를 가지는 전력을 공급할 수 있다. 도 8에서 제1 대역은 인체 채널(Body channel)을 나타낼 수 있고, 제2 대역은 MICS 채널을 나타낼 수 있다.
도 5 내지 도 8에서 설명한 위상 조절기(650, 850)는 부성 저항기(530, 630, 730, 830) 및 코일 조립체(510, 610, 710, 810) 간의 전기적 경로를 스위칭하는 스위칭 소자일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 위상 조절기(650, 850)는 제1 부성 저항기(OSC1) 및 제2 부성 저항기(OSC2)에 공급되는 전력의 위상을 제어하는 다양한 회로로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 통신 장치는, 코일 조립체(510, 610, 710, 810)에 포함되는 코일들 및 부성 저항기(530, 630, 730, 830) 간의 연결을 스위칭함으로써 코일들의 각각에 제공되는 전력의 위상을 제어할 수 있다. 도 5 내지 도 8에서 상술한 바와 같이 복수의 코일들이 2개인 경우, 각 코일에 연결된 발진기로 공급되는 전류의 위상을 조정함으로써, 무선 통신 장치는 발진기의 발진 주파수를 저대역(low bandwidth) 또는 고대역(high bandwidth)으로 전환할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 코일 조립체가 2개의 코일들을 포함하는 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9에 도시된 코일 조립체가 2개의 코일들을 포함하는 구조(900)에서 코일 조립체의 전체 인덕턴스는 전류의 방향에 따라 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00004
상술한 수학식 3에서, L1과 L2가 같다고 가정할 경우(예를 들어, L=L1=L2), LC = (1+k)L로 나타낼 수 있고, LD = (1-k)L로 나타낼 수 있다. 상술한 수학식 3에서 LC는 동상 상태에서의 인덕턴스, LD는 역상 상태에서의 인덕턴스, k는 상호 결합 계수를 나타낼 수 있다. 위상 조절기가 각 코일에 동일한 방향의 전류를 흐르게 하면 코일 조립체의 전체 인덕턴스는 LC를 나타낼 수 있다. 반대로, 위상 조절기가 각 코일에 반대 방향의 전류를 흐르게 하면 코일 조립체의 전체 인덕턴스는 LD를 나타낼 수 있다.
참고로, 2개의 코일에 연결된 신호의 위상조절은 N개 코일의 신호 위상을 조절하는 것으로 확대 될 수 있다. 여기서, N은 2이상의 정수를 나타낼 수 있다. 코일들의 개수가 증가할수록, 각 코일에 흐르는 전류의 방향에 따른 조합의 개수도 증가한다. 따라서, 코일들의 개수에 따라, 발진기가 발진할 수 있는 대역의 개수가 증가할 수 있다.
참고로, 상술한 도 4에서는 무선 통신 장치가 생체에 접촉하기 전의 발진 주파수를 유지하는 동작을 설명하였는데, 무선 통신 장치는 생체 접촉 여부에 따라, 도 5 내지 도 9에서 상술한 동작을 통해 통신 주파수의 대역을 전환할 수도 있다. 일 실시예에 따르면 무선 통신 장치의 제어기는 외부 객체와의 접촉 검출 여부에 따라 복수의 대역들 중 대상 대역을 선택할 수 있다. 제어기는 선택된 대상 대역에 따라 위상 조절기를 제어하여 코일 조립체로 공급되는 전력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신 장치의 위상 조절기는 코일 조립체 중 적어도 일부가 외부 객체에 접촉한 경우에 응답하여, 인체 채널(body channel)에 대해 각 코일에 지정된 전력을 해당 코일에 공급할 수 있다. 무선 통신 장치는, 상술한 바와 유사하게, 가변 커패시턴스의 커패시턴스 변화를 통해 생체 접촉 여부를 결정할 수 있다. 또한, 위상 조절기는 코일 조립체 및 외부 객체 간의 접촉이 검출되지 않은 경우에 응답하여, 무선 채널(wireless channel)에 대해 각 코일에 지정된 전력을 해당 코일에 공급할 수 있다. 위상 조절기는 코일 조립체에 개별 전력들을 공급할 수 있고, 개별 전력들의 각각의 전류의 위상은 무선 채널에 기초하여 지정된다. 따라서, 무선 통신 장치는, 생체 접촉 여부에 따라, 선택적으로 통신 주파수의 대역을 전환할 수 있다.
더 나아가, 무선 통신 장치는 생체 접촉 여부에 따라 선택적으로 통신 주파수의 대역을 전환한 후, 생체 신호를 센싱할 수도 있다. 따라서, 무선 통신 장치는 가변 커패시턴스의 커패시턴스 변화로부터 검출된 생체 접촉 여부에 따라, 신호 감쇠가 최소화되는 통신 대역에서 통신을 수행하면서 생체 신호도 센싱할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 무선 통신 장치가 객체로 전력을 공급하는 동작을 설명하는 도면이다.
무선 통신 장치(1000)는 상술한 바와 같이 자극기(1090)를 더 포함할 수도 있다.
자극기(1090)는 코일 조립체에서 적어도 두 코일들이 외부 객체에 접촉한 경우에 응답하여, 적어도 두 코일들로 전력을 공급할 수 있다. 코일 조립체에서 한 코일(1011)은 기준 전극(reference electrode), 다른 코일(1012)은 작동 전극(working electrode)으로서 동작할 수 있다. 따라서, 무선 통신 장치(1000)는 자극기(1090)를 통해 외부 객체(예를 들어, 생체)로 전기적 자극(electrical stimulating)을 인가할 수도 있다. 자극기(1090)는 복수의 코일들이 2개인 경우, 각각 서로 다른 코일에 연결될 수 있다. 예를 들어, 자극기(1090)의 일단은 복수의 코일들 중 한 코일(1011)에 연결될 수 있고, 다른 일단은 다른 코일(1012)에 연결될 수 있다.
도 11는 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 단일 소자 구현을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 무선 통신 장치(1100)는 적어도 하나의 코일 및 칩을 포함하는 단일 소자로 구현될 수 있으므로, 무선 통신 장치(1100)의 크기가 소형화될 수 있다. 적어도 하나의 코일은 링 코일일 수 있다. 적어도 하나의 코일은, 하나 이상의 루프 형태로 구현될 수 있고, 루프 형태의 지름은 2 cm 이하일 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이 복수의 코일들 중 가장 큰 코일의 직경은 a x a (예를 들어, a= 7mm)으로 구현될 수 있다. 따라서, 무선 통신 장치(1100)는, 초소형 구조를 통해, 코일 외의 전극과 같은 추가 소자 없이도, 여러 대역의 통신 주파수를 선택하거나, 생체 접촉을 감지하거나, 생체 신호를 센싱하거나, 전기 자극을 적용할 수 있다. 센싱, 무선 통신, 및 인체 통신을 하나의 포트로 모두 수행할 수 있으므로, 무선 통신 장치(1100)의 면적이 최소화될 수 있다. 또한, 무선 통신 및 인체 통신이 단일 구조로 구현되므로, 무선 통신 장치(1100)는 인체 내부 기기로서 동작하면서도, 외부 단말기를 연결하는 스테이션(Station) 기기로서도 동작할 수 있다.
도 12은 일 실시예에 따른 무선 통신 방법을 설명하는 흐름도이다.
우선, 단계(1210)에서 무선 통신 장치의 위상 고정 회로가 발진기에 의해 생성되는 발진 신호에 기초하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 위상 고정 회로는 발진기의 코일 조립체 및 부성 저항기와 연결될 수 있다.
그리고 단계(1220)에서 위상 고정 회로는 생성된 제어 신호를 발진기의 가변 커패시터로 제공함으로써 발진기의 발진 주파수를 락킹시킬 수 있다. 위상 고정 회로는 도 1 내지 도 11에서 설명한 바와 같이, 가변 커패시터를 조정함으로써 발진 주파수를 대상 주파수로 락킹할 수 있다.
일 실시예에 따른 코일 조립체가 외부 환경에 노출되도록, 무선 통신 장치는 외부에 코일 조립체가 배치된 인터페이스를 가지는 멀티모드 무선 센서로 구현될 수 있다. 무선 통신 장치는 RF 집적 회로(RF Integrated Circuit), 무선 센서 시스템(Wireless Sensor System), 사물 인터넷(IoT, Internet of thing), 생체 의학 통신(Bio Medical Communication), 연장 가능한 장치(Stretchable Device), MICS(Medical Implant communications system), 임피던스 센싱(Impedance Sensing) 등에 적용될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.　　
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 무선 통신 장치
110: 코일
120: 위상 고정 회로

Claims (25)

  1. 무선 통신 장치에 있어서,
    외부로 노출된 코일 조립체(coil assembly), 가변 커패시터(variable capacitor), 및 부성 저항기(negative resistor)를 포함하는 발진기(oscillator); 및
    상기 코일 조립체 및 상기 부성 저항기와 연결되고, 상기 발진기에 의해 생성되는 발진 신호(oscillation signal)에 기초하여 상기 발진기의 발진 주파수를 락킹시키는 제어 신호(control signal)를 생성하여 상기 생성된 제어 신호를 상기 가변 커패시터로 제공하는 위상 고정 회로(phase locking circuit)
    를 포함하는 무선 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일 조립체는,
    적어도 하나의 코일을 포함하는,
    무선 통신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 코일은 링 코일인,
    무선 통신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 코일은,
    하나 이상의 루프 형태로 구현될 수 있고, 상기 루프 형태의 지름은 2 cm 이하인,
    무선 통신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발진기는,
    상기 코일 조립체에 포함된 코일 및 상기 가변 커패시터에 기초하여 결정된 상기 발진 주파수로 발진하는,
    통신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 위상 고정 회로는,
    상기 무선 통신 장치의 임피던스의 변화에 응답하여 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정함으로써, 상기 발진 주파수의 변화량을 보상하는,
    무선 통신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위상 고정 회로는,
    상기 코일 조립체의 커패시턴스 변화에 의해 상기 발진 주파수가 변경되는 경우에 응답하여, 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 변경된 발진 주파수를 대상 주파수로 복원하는,
    무선 통신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 검출하고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스가 임계 커패시턴스 미만인 경우에 응답하여 상기 코일 조립체의 적어도 일부가 외부 객체에 접촉한 것으로 결정하는 제어기
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 코일 조립체의 적어도 일부가 상기 외부 객체에 접촉한 이후, 가변 커패시턴스의 커패시턴스 변화에 기초하여 생체 신호를 지시하는 생체 데이터를 생성하는,
    무선 통신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 코일 조립체에 인가되는 전압을 검출하고, 상기 검출된 전압에 기초하여 생체 데이터를 생성하는,
    무선 통신 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코일 조립체는,
    복수의 코일들을 포함하고,
    상기 복수의 코일들의 개수에 기초하여 정의되는 복수의 대역들 중 대상 대역(target bandwidth)으로 통신하려고 하는 경우, 상기 복수의 코일들의 각각에 상기 대상 대역에 대해 지정된 전력을 공급하는 위상 조절기(phase controller)
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 위상 조절기는,
    상기 복수의 대역들 중 상기 대상 대역으로 통신하려고 하는 경우, 상기 대상 대역에 대해 상기 복수의 코일들에 흐르는 전류의 크기와 위상을 조절하는,
    무선 통신 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 코일들은,
    제1 코일 및 제2 코일을 포함하고,
    상기 위상 조절기는,
    상기 장치가 제1 대역으로 통신을 수행하는 경우에 응답하여 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 제1 위상의 전류를 가지는 전력을 공급하고,
    상기 장치가 상기 제1 대역보다 높은 제2 대역으로 통신을 수행하는 경우에 응답하여 상기 제1 코일에 상기 제1 위상의 전류를 가지는 전력을, 상기 제2 코일에 상기 제1 위상이 반전된 제2 위상의 전류를 가지는 전력을 공급하는,
    무선 통신 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 위상 조절기는,
    상기 복수의 대역들 중 인체 채널(body channel)이 선택된 경우에 응답하여, 상기 인체 채널에 대해 각 코일에 지정된 크기 및 위상의 전류를 해당 코일에 공급하는,
    무선 통신 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 위상 조절기는,
    상기 복수의 대역들 중 무선 채널(wireless channel)이 선택된 경우에 응답하여, 무선 채널에 대해 각 코일에 지정된 크기 및 위상의 전류를 해당 코일에 공급하는,
    무선 통신 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    외부 객체와의 접촉 검출 여부에 따라 상기 복수의 대역들 중 상기 대상 대역을 선택하는 제어기
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 위상 조절기는,
    상기 코일 조립체가 상기 외부 객체에 접촉한 경우에 응답하여, 인체 채널(body channel)에 대해 각 코일에 지정된 전력을 해당 코일에 공급하는,
    무선 통신 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 위상 조절기는,
    상기 코일 조립체 및 상기 외부 객체 간의 접촉이 검출되지 않은 경우에 응답하여, 무선 채널(wireless channel)에 대해 각 코일에 지정된 전력을 해당 코일에 공급하는,
    무선 통신 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 코일 조립체에 포함된 적어도 두 코일들이 외부 객체에 접촉한 경우에 응답하여, 상기 적어도 두 코일들로 전력을 공급하는 자극기(stimulator)
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 코일 조립체를 통해 수신된 외부 신호를 처리하는 수신기; 및
    상기 코일 조립체를 통해 외부로 전송할 데이터 신호를 생성하는 송신기
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    데이터를 주파수 변조한 변조 신호에 기초하여, 상기 변조 신호가 지시하는 주파수에 대응하는 커패시턴스로 상기 발진기의 가변 커패시터를 조정함으로써, 상기 코일 조립체를 통해 외부로 송신되는 데이터 신호를 생성하는 송신기
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 무선 통신 장치는,
    상기 위상 고정 회로를 수용(accommodate)하고, 외부로 돌출된 상기 코일 조립체를 지지하는 하우징
    을 더 포함하는 무선 통신 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 무선 통신 장치는,
    상기 코일 조립체에 포함된 복수의 코일들 및 상기 부성 저항기 간의 연결을 스위칭함으로써 상기 복수의 코일들의 각각에 제공되는 전력의 위상을 제어하는,
    무선 통신 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 코일 조립체를 통해 외부로부터 신호가 수신된 경우에 응답하여 상기 수신된 신호의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선(envelope)으로부터 데이터 신호를 복원하는 수신기
    를 더 포함하는 무선 통신 장치.
  25. 무선 통신 방법에 있어서,
    발진기의 코일 조립체 및 부성 저항기와 연결된 위상 고정 회로가 상기 발진기에 의해 생성되는 발진 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 위상 고정 회로가 상기 생성된 제어 신호를 상기 발진기의 가변 커패시터로 제공함으로써 상기 발진기의 발진 주파수를 락킹시키는 단계
    를 포함하는 무선 통신 방법.
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