KR20210054729A - 무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나 및 그를 이용한 무선 캡슐 내시경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나에 관한 것이다. 본 발명은 무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나에 있어서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부에 위치하고 일 단부가 개방된 제1 I자형 슬롯 및 일 단부가 개방된 U자형 슬롯을 포함하는 방사 패치, 상기 유전체 기판 하부에 위치하며 일 단부가 개방된 제2 I자형 슬롯을 포함하는 접지면 및 상기 접지면 및 상기 유전체 기판을 수직으로 관통하며 상기 접지면 및 상기 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전선을 포함하고, 상기 방사 패치는 일부 영역에서 양 방향으로 형성된 복수의 직선 슬롯으로 인하여 형성되는 미앤더 형상을 포함하는 것을 일 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 산업, 과학, 의료(ISM) 대역에서 동작하며 인체 내부에 투약 가능한 무선 캡슐 내시경을 위한 초소형 이중 대역 안테나 장치를 제공할 수 있다.

Description

무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나 및 그를 이용한 무선 캡슐 내시경 {DUAL BAND ANTENNAS FOR WIRELESS CAPSULE ENDOSCOPIC AND WIRELESS CAPSULE ENDOSCOPE USING THE SAME}

본 발명은 이중 대역 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나 및 그를 이용한 무선 캡슐 내시경에 관한 것이다.

섭취 가능하고 이식 가능한 의료 기기 (Medical devices, MD)를 통해 특정 거리에서 생리 신호를 측정 할 수 있다.

무선 캡슐 내시경은 이러한 섭취 가능하고 이식 가능한 의료 기기의 한 종류로서, 무선 캡슐 내시경은 섭취

를 통하여 인체 내부로 투입되고, 인체 내부에 위치하여 진단이나 치료 기능 등을 수행할 수 있다.

특히, 무선 캡슐 내시경은 위장기관을 통과하고 전체 위장기관의 실시간 생물학적 이미지뿐만 아니라 생리학적 데이터를 무선 주파수 링크를 통해 외부 장치에 제공하는 것이 중요하다.

한편, 이러한 무선 캡슐 내시경의 경우, 그 운용 환경의 특수성, 즉, 인체 내부에 위치함에 따라 생물학적 조직과의 강한 결합과 흡수로 인하여 방사 성능이 현저히 저하되는 문제가 존재하고 있다.

따라서, 외부 간섭과 잡음에 대응할 수 있으며, 인체 내에 무선 캡슐 내시경이 위치하기 때문에 발생하는 인체 조직과의 결합(coupling)으로 인한 방사 성능 저하 문제를 해결할 수 있는, 무선 캡슐 내시경을 위한 안테나 장치가 요구된다.

선행문헌 1: A. Kiourti, K. A. Psathas, and K. S. Nikita, "Implantable and ingestible medical devices with wireless telemetry functionalities: A review of current status and challenges," Bioelectromagnetics, vol. 35, no. 1, pp. 115, 2014. 선행문헌 2: C. Liu, Y. Guo and S. Xiao, "Circularly Polarized Helical Antenna for ISM-Band Ingestible Capsule Endoscope Systems," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 12, pp. 6027-6039, Dec. 2014.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 산업, 과학, 의료(ISM) 대역에서 동작하는 무선 캡슐 내시경 및 그를 위한 이중 대역 안테나를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 인체 내부에 배치 가능한 수준의 작은 크기를 지원하며, 잡음 및 간섭에 대응하여 인체 내부에 위치하여서도 높은 수준의 방사 성능을 제공할 수 있는 안테나 장치를 제공하는 것을 다른 일 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인체 내부로 투입되어 신호를 인체 외부로 전송하는 무선 캡슐 내시경용 이중 대역 안테나에 있어서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부에 위치하고 일 단부가 개방된 제1 I자형 슬롯 및 일 단부가 개방된 U자형 슬롯을 포함하는 방사 패치, 상기 유전체 기판 하부에 위치하며 일 단부가 개방된 제2 I자형 슬롯을 포함하는 접지면 및 상기 접지면 및 상기 유전체 기판을 수직으로 관통하며 상기 접지면 및 상기 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전선을 포함하고, 상기 방사 패치는 일부 영역에서 양 방향으로 형성된 복수의 직선 슬롯으로 인하여 형성되는 미앤더 형상을 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 제1 I자형 슬롯은 상기 U자형 슬롯에 의하여 둘러쌓이는 형태로 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 제1 I자형 슬롯의 개방 단부는 상기 방사 패치의 제1 모서리에 형성되고, 상기 U자형 슬롯의 개방 단부는 상기 제1 모서리와 90도를 이루는 방사 패치의 제2 모서리에 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 U자형 슬롯의 양 날개 부분은 서로 다른 폭으로 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 U자형 슬롯의 개방 단부에 인접한 제1 날개 부분의 폭은, 제2 날개 부분의 폭 보다 좁은 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 방사 패치는 상기 U자형 슬롯의 개방 단부와 상기 제1 날개 부분 사이에 형성되는 제3 함입부를 더 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 미앤더 형상은, 상기 U자형 슬롯의 외측에 형성되는 적어도 하나의 U자형 슬롯의 외측에 개방부를 가지는 적어도 하나의 제1 직선 슬롯 및 방사 패치의 외측에 개방부를 가지며 제1 직선 슬롯과 교번적으로 형성되는 적어도 하나의 제2 직선 슬롯으로 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 제2 I자형 슬롯은 상기 제1 I자형 슬롯과 직교하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 접지면은, 상기 제2 I자형 슬롯에 직교하는 적어도 하나의 직선 슬롯을 더 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이중 대역 안테나에 있어서, 상기 제1 I자형 슬롯, 상기 제2 I자형 슬롯 및 상기 제2 I자형 슬롯에 직교하는 적어도 하나의 직선 슬롯의 폭, 길이 또는 위치 중 적어도 하나의 변화에 따라 상기 안테나의 성능이 변화되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인체 내부로 투입되어 신호를 인체 외부로 전송하는 무선 캡슐 내시경에 있어서, 캡슐 케이스, 뚜껑 케이스 및 상기 캡슐 케이스와 상기 뚜껑 케이스에 의해 형성되는 내부 공간에 구비되는 이중대역 안테나를 포함하고, 상기 이중대역 안테나는, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부에 위치하고, 일 단부가 개방된 제1 I자형 슬롯, 일 단부가 개방된 U자형 슬롯 및 일부 영역에서 양 방향으로 형성된 복수의 직선 슬롯으로 인하여 형성되는 미앤더 형상을 포함하는 방사 패치, 상기 유전체 기판 하부에 위치하며 일 단부가 개방된 제2 I자형 슬롯을 포함하는 접지면 및 상기 접지면 및 상기 유전체 기판을 수직으로 관통하며 상기 접지면 및 상기 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전선을 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

또한 본 발명은 무선 캡슐 내시경에 있어서, 상기 제1 I자형 슬롯은 상기 U자형 슬롯에 의하여 둘러쌓이는 형태로 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 무선 캡슐 내시경에 있어서, 상기 제1 I자형 슬롯의 개방 단부는 상기 방사 패치의 제1 모서리에 형성되고, 상기 U자형 슬롯의 개방 단부는 상기 제1 모서리와 90도를 이루는 방사 패치의 제2 모서리에 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 무선 캡슐 내시경에 있어서, 상기 U자형 슬롯의 개방 단부에 인접한 제1 날개 부분의 폭은, 제2 날개 부분의 폭 보다 좁은 것을 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 무선 캡슐 내시경에 있어서, 상기 미앤더 형상은, 상기 U자형 슬롯의 외측에 개방부를 가지는 적어도 하나의 제1 직선 슬롯 및 방사 패치의 외측에 개방부를 가지며 제1 직선 슬롯과 교번적으로 형성되는 적어도 하나의 제2 직선 슬롯으로 형성되는 것을 다른 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 산업, 과학, 의료(ISM) 대역에서 동작하는 무선 캡슐 내시경 및 그를 위한 이중 대역 안테나를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 인체 내부에 배치 가능한 수준의 작은 크기로 제작될 수 있으며, 인체 내부에 위치하여서도 높은 수준의 방사 성능을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 캡슐 내시경 시스템의 동작 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 캡슐 내시경의 분해 사시도이다.
도 3A 내지 도3D는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 대역 안테나를 설명하는 도면이다.
도 4는 방사 패치 및 접지면의 형태적 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 수행된 무선 캡슐 내시경의 성능 시험을 위한 조건을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 여러 실시예들과 비교예들을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 실시예 및 비교예의 성능을 도시하는 그래프이다.
도 8은 접지면에서의 슬롯 형상에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 9는 방사 패치에서 미앤더 형상을 형성하는 직선 슬롯의 폭 P₁에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 10은 접지면에서 일단이 개구된 I자형 슬롯에 직교하는 직선 슬롯의 폭 G₁에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 11은 접지면에서 일단이 개구된 I자형 슬롯의 폭 G₂에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 12는 접지면에서 일단이 개구된 I자형 슬롯에 직교하는 직선 슬롯의 길이 r에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 13A 내지 도 13D는 접지면에서 슬롯의 위치에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 14는 듀얼 CP 특성을 나타내는 안테나 표면의 전류 분포를 도시하는 도면이다.
도 15는 CP 라디에이션의 특성을 도시하는 도면이다.
도 16은 이중 대역 안테나의 성능을 테스트하는 데 사용되는 사실적인 3D 인간 모델을 도시하는 도면이다.
도 17은 다양한 조직 환경에서 시뮬레이션 및 측정된 반사 계수를 도시하는 도면이다.
도 18은 서로 다른 주파수 대역에서의 링크 여유와 거리 간의 관계를 나타내는 도면이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용되며, 명세서 및 특허청구의 범위에 기재된 모든 조합은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 그리고 다른 식으로 규정하지 않는 한, 단수에 대한 언급은 하나 이상을 포함할 수 있고, 단수 표현에 대한 언급은 또한 복수 표현을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.

본 발명은 무선 캡슐 내시경(wireless capsule endoscopic, WCE)의 특별한 운용 환경에 따른 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것이다. 예를 들어, 신호 대 잡음비(SNR)을 낮추는 외부 간섭을 극복할 수 있는 방법으로는 구강 내의 다양한 환경에서도 동작 가능한 고이득 안테나를 디자인 하는 것이지만, 안테나가 인체 내부에 위치하면 생물학적 조직과의 강한 결합과 흡수로 인하여 방사 성능이 현저히 저하되는 문제가 존재하는 바, 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 이중 대역 안테나가 고안되었다. 이러한 유형의 설계에서는 외부 간섭이 하나의 동작 대역을 방해하면 시스템은 더 높은 SNR을 갖는 다른 동작 대역으로 스위칭 할 수 있기 때문이다.

<무선 캡슐 내시경 시스템>

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 캡슐 내시경 시스템의 동작 환경을 설명하기 위한 도면이다.

섭취 가능하고 이식 가능한 의료 기기 (Medical devices, MD)를 통해 특정 거리에서 생리 신호를 측정 할 수 있다. 이를 위하여 본 발명에서는 무선 캡슐 내시경 시스템을 제공한다.

무선 캡슐 내시경(100)은 인체 내부에 위치하여 진단 및 치료 기능을 수행할 수 있다. 삼켜서 섭취 가능한 무선 캡슐 내시경(100)은 위장기관을 통과하고 전체 위장기관의 실시간 생물학적 이미지뿐만 아니라 생리학적 데이터를 무선 주파수 링크를 통해 외부 컨트롤러에 제공할 수 있다.

무선 캡슐 내시경(100)은 섭취 가능하고 이식 가능한 MD이며 송수신기, 소형 카메라, 발광 다이오드, 광학 돔, 안테나 및 배터리, 공진 주파수, 캡슐 크기, 이미지 해상도, 전송 거리, 배터리 용량 및 이미지 프레임 속도 등 다양한 요소를 고려하여야 한다.

종래의 경우, 단방향 무선 원격 측정법을 사용하며 초당 2 프레임의 프레임 속도로 인하여 낮은 이미지 해상도 (256 x 256 픽셀)를 가진다. 이러한 종래 기술의 경우 낮은 해상도로 인하여 정확한 진단 및 치료가 어려운 한계가 있다. 또한, 종래의 안테나는 선형편파 특성을 가지고 있으며, 이는 위장기관에서의 캡슐 내시경이 임의의 방향 및 위치에 있는 경우에 유발되는 편파 불일치나 다중경로 간섭에 취약하다.

따라서, 본 발명은 인체 조직에서 안정적인 동작을 유지하기에 충분한 대역폭 및 이득을 가지는 원형편파(circular-polarization, CP) 특성을 가지는 안테나와, 그를 이용한 무선 캡슐 내시경 시스템을 제공한다.

일 예로, 본 발명에 따른 무선 캡슐 내시경(100)은 표준 사이즈에 대응되는 26mm x 11 mm의 치수를 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나는 두 대역에서의 CP 특성 및 목표하는 이득 값을 만족하며 최소 볼륨(2.11mm³, 6.5mm x 6.5mm x 0.05mm)을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 무선 캡슐 내시경을 위한 이중 대역 안테나는 산업용, 과학용, 의료용(ISM) 대역, 즉, 915MHz 및 2450 MHz 대역에서 동작할 수 있다. 다만, 전술한 수치들은 일 예시에 불과한 것이므로, 본 발명이 이러한 수치에 구속되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 캡슐 내시경의 분해 사시도이다.

도 2를 참조하면, 무선 캡슐 내시경(100)은 캡슐 케이스(101)와 뚜껑 케이스(102)에 의해 형성되는 내부 공간에 배치되는 이중 대역 안테나(110), 전자 회로(120), 센서(130), 필터(140), 옵티컬 돔(150), 광학소자(160), 배터리(170)를 포함할 수 있다.

배터리의 직경 및 높이는 각각 4.8mm 및 1.65 mm인 타입 337의 배터리가 사용될 수 있다. 배터리에는 완벽한 도체 재료가 사용되며, 전자 회로(120) 또는 센서(130)에는 로저 RT/듀리오드 6010 유전 기판이 사용될 수 있다.

캡슐 케이스(101)와 뚜껑 케이스(102)는 세라믹 알루미나 (Al₂O₃)로 이루어진 생체 적합성 재료로 형성된다. 캡슐 케이스(101)와 뚜껑 케이스(102)는 두께가 0.25 mm 로서, 유전률

을 만족할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

<이중 대역 안테나>

도 3A 내지 도3D는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 대역 안테나를 설명하는 도면이다.

도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 대역 안테나(110)의 사시도이고, 도 3B는 도 3A의 A-A＇ 방향 단면도이다. 도 3C는 방사 패치(320)의 평면도이고, 도 3D는 접지면(340)의 평면도이다.

도 3A 내지 도 3D를 참조하면, 이중 대역 안테나(110)는 제1 유전체 기판(310), 방사 패치(320), 제2 유전체 기판(330), 접지면(340) 및 급전선(350)을 포함할 수 있다.

제1 유전체 기판(310)은 방사 패치(320)의 상면에, 제2 유전체 기판(330)은 방사 패치(320)의 하면 및 접지면(340)의 상면에 형성된다. 실시예에 따라, 제1 유전체 기판(310)은 생략되어 실시될 수 있다.

방사 패치(320)는 0.025mm 두께의 폴리이미드(

,

)로 형성될 수 있다.

방사 패치(320)는 U자형 슬롯과 I자형 슬롯을 가지며, 이러한 U자형 슬롯과 I자형 슬롯을 조합함으로써 원형 편파 특성을 가지는데 기여할 수 있다.

또한, 방사 패치(320)는 일부 영역에서 양 방향으로 형성된 복수의 직선슬롯으로 인해 구불구불한 형상을 갖는데, 이러한 구불구불한 미앤더 형상은 전류 흐름 경로를 연장시키며, 이는 안테나를 소형화하는데 기여할 수 있다.

접지면(340)은 제2 유전체 기판(300) 하부에 위치하며 일단부가 개구된 슬롯을 포함할 수 있다.

급전선(350)은 제2 유전체 기판(330) 및 접지면(340)을 수직 관통하는 비아홀 형태로 형성되어, 방사 패치(320) 및 접지면(340)을 전기적으로 연결할 수 있다. 이러한 급전선(350)으로 동축 피드가 사용될 수 있다.

예를 들어, 급전선(350)은 도체 내부의 지름이 약 0.3mm내외일 수 있으며, X= 6.4 mm, Y = 5 mm의 위치에 형성될 수 있다. 따라서 접지면(340)의 해당 (6.4mm, 5mm) 위치에는 급전선(350)으로 인한 급전홀(345)이 형성될 수 있다.

도 3C를 참조하여, 방사 패치(320)를 영역 별로 보다 구체적으로 살펴보면, 방사 패치(320)는 일 단부(①)가 개방된 I자형 슬롯(321) 및 일 단부(②)가 개방된 U자형 슬롯(322)을 포함할 수 있다. 즉, 방사 패치(320)는 개방형 I자형 슬롯(321)과 개방형 U자형 슬롯(322)을 포함할 수 있다.

I자형 슬롯(321)은 U자형 슬롯(322)에 의하여 둘러쌓이는 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 방사 패치(320)의 면적을 최소화하면서도 I자형 슬롯(321)과 U자형 슬롯(322)을 모두 형성할 수 있다.

I자형 슬롯(321)의 개방 단부(①)는 방사 패치(320)의 제1 모서리(도시된 예에서는 하측면)에 형성되고, U자형 슬롯(322)의 개방 단부(②)는 제1 모서리와 90도를 이루는 방사 패치(320)의 제2 모서리(도시된 예에서는 우측면)에 형성될 수 있다.

U자형 슬롯(322)의 양 날개 부분(③, ④)은 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다. 예를 들어, U자형 슬롯(322)의 개방 단부(②)에 인접한 제1 날개 부분(③)의 폭은 제2 날개 부분(④)의 폭 보다 좁을 수 있다. 이는 제2 날개 부분(④)이 개방된 단부와 비교적 먼 위치에 형성되기 때문에, 양 날개 부분의 폭을 상이하게 형성함으로써 원형 편파 특성을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에서, U자형 슬롯(322)에서 I자형 슬롯(321)에 인접한 내측 부분(⑤, ⑥, ⑦)에는 단차가 형성될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 U자형 슬롯(322)의 내측 부분에 I자형 슬롯(321) 방향으로 돌출 형성되는 돌출부(⑦)가 형성되고, 그로 인하여 돌출부(⑦)의 양 옆에는 각각 제1 및 제2 함입부(⑤, ⑦)가 형성될 수 있다.

여기에서, 제1 함입부(⑤)의 길이와 제2 합임부(⑦)의 길이가 상이할 수 있다. 즉, 제1 함입부(⑤)의 길이(도시된 예에서는 가로 길이)는 제2 합임부(⑦)의 길이 보다 길 수 있다. 이는 양 날개 부분의 폭을 상이하게 한 것과 유사하게 방사 패치의 원형 편파 특성을 향상시키는데 기여할 수 있다.

일 실시예에서, U자형 슬롯(322)의 개방 단부(②)와 제1 날개 부분(③) 사이에는 제3 함입부(⑧)가 형성될 수 있다. 제3 함입부(⑧)는 개방 단부(②)의 길이를 실질적으로 늘리는 역할을 함으로써 안테나의 특성을 향상시키는데 기여할 수 있다.

방사 패치(320)의 적어도 일 영역에는 구불구불한 미앤더 형상의 패치가 형성될 수 있다. 즉, U자형 슬롯(322)의 외측에 개방부를 가지는 제1 직선 슬롯(⑨)과 방사 패치(320)의 외측에 개방부를 가지며 제1 직선 슬롯(⑨)과 교번적으로 형성되는 적어도 하나의 제2 직선 슬롯(⑩)이 형성되어, 부분적으로 미앤더 영역(323 내지 325)을 형성할 수 있다.

도시된, 도 3C에서는 미앤더 영역이 U자형 슬롯(322)의 외측을 따라 3군데 모두 형성되는 것으로 개시되어 있으나, 반드시 이에 구속되는 것은 아니며 일부ㅇ

도 3D를 참조하여, 접지면(340)에 대하여 보다 상세히 살펴보면, 접지면(340)은 제2 유전체 기판(300) 하부에 위치하며 일단부가 개방된 제2 I자형 슬롯(①)을 포함할 수 있다. 여기에서, 접지면의 제2 I자형 슬롯(①)은 방사 패치(320)의 제1 I자형 슬롯(321)과 직교할 수 있다.

또한, 접지면(340)에는 제2 I자형 슬롯(①)에 직교하는 적어도 하나의 직선 슬롯(②, ③, ④)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 직선 슬롯(②, ③, ④)은 개방부가 없다.

이러한 접지면(340)의 슬롯들은 이중 대역 안테나(110)의 전류가 균형을 이루도록 하고, 임피던스 매칭을 이루는데 기여할 수 있다.

도 4는 방사 패치 및 접지면의 형태적 특징을 설명하기 위한 도면이다.

전술한 방사 패치(320)의 형태적 특징 및 접지면(340)의 형태적 특징은 안테나의 성능을 결정할 수 있다. 일 예로, ISM 대역, 예컨대, 915MHz 및 2450 MHz 대역에서 공진하는 이중 대역 안테나의 각 슬롯의 길이와 폭, 이로 인해 결정되는 패치의 특성은 위 공진 특성을 나타내기 위하여 표 1과 같은 값을 가질 수 있다.

[표 1]

위 [표 1]의 실시 예에 의하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 대역 안테나의 체적은 2.11mm³ (6.5mm x 6.5mm x 0.05mm)일 수 있다. 이러한 이중 대역 안테나는 종래의 안테나보다 작은 체적을 가지면서도, 원형 편파 특성을 확보함으로써 인체 내에서 무선 캡슐 내시경의 위치 및 각도의 변화에도 안정적으로 동작하는 것을 담보할 수 있다.

<이중 대역 안테나의 시뮬레이션>

도 5는 본 발명에서 수행된 이중 대역 안테나의 성능 시험을 위한 조건을 설명하는 도면이다.

본 발명에 따른 이중 대역 안테나를 유한 요소 방식 기반 HFSD를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 방사 경계 박스(502) 내에 위치하는 100mm x 100mm x 100 mm 체적의 균질 근육 박스(501)에서 시뮬레이션을 수행하였다.

근육 조직의 전기적 특성은 각각 915MHz와 2450MHz의 공명 주파수에서

를 만족한다.

단일 조직 균질 환경에서 설계 최적화 후 XFdtd 렘컴을 이용하여 인간 모델의 위, 대장, 소장 등에서 안테나 성능을 검증하였다. 더욱이 제안된 안테나는 완전한 패키지 캡슐 장치 구조를 구성하기 위해 더미 전자 장치가 적용된 캡슐에서 측정되었다.

도 6은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 여러 실시예들과 비교예들을 도시하는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 실시예 및 비교예의 성능을 도시하는 그래프이다.

도 6의 그림 (a)는 U자형 슬롯과 I자형 슬롯을 구비한 패치와 슬롯이 없는 접지면을 가진 비교예를 도시하고 있다.

도 6의 그림 (b)는 이중 대역 안테나의 일 실시예로서, U자형 슬롯과 I자형 슬롯을 구비하고, U자형 슬롯 중 한 영역에 교번적인 직선 슬롯을 형성하여 미앤더 형상을 형성하고 있다. 또한 I자형 슬롯이 형성된 접지면을 도시하고 있다.

도 6의 그림 (c)는 이중 대역 안테나의 다른 일 실시예로서, U자형 슬롯과 I자형 슬롯을 구비하고, U자형 슬롯 중 두 영역에 미앤더 형상을 형성하고 있다. 또한 I자형 슬롯과 그에 직교하는 두 개의 직선 슬롯이 형성된 접지면을 도시하고 있다.

도 6의 그림 (d)는 이중 대역 안테나의 또 다른 일 실시예로서, U자형 슬롯과 I자형 슬롯을 구비하고, U자형 슬롯 중 세 영역에 미앤더 형상을 형성하고 있다. 또한 I자형 슬롯과 그에 직교하는 세 개의 직선 슬롯이 형성된 접지면을 도시하고 있다. 여기에서, 두 개의 직선 슬롯은 I자형 슬롯의 개방된 일 단에 인접하여 형성되고, 나머지 하나의 직선 슬롯은 I자형 슬롯의 타 단에 인접하여 형성된다.

도 6의 그림(a) 내지 그림(d)의 접지면에는, 급전선을 위한 급전홀이 공통적으로 형성되어 있다.

도 7을 참조하면, 도 6의 그림(a) 내지 그림(d)의 비교예 및 실시예의 산란 파라미터가 개시되어 있다.

도 6의 그림(a)에 도시된 비교예의 경우,

를 만족하는 것은 주파수 1500MHz 및 2800 MHz 대역에서 발생한다. 그러나, ISM에서는 915MHz 및 2450 MHz 대역에서의 성능이 요구된다.

6(a)에 도시된 비교예와 달리 본 발명의 실시예들 즉, 도 6(b) 내지 도 6(d)에 도시된 예에서는 915MHz 대역에서

를 만족할 수 있음을 알 수 있다. 이는 방사 패치에 미앤더 형상을 형성함에 따라 보다 원하는 특성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 6(c) 내지 도 6(d)에 도시된 예에서는, 접지면에 일단이 개방된 I자형 슬롯에 직교하는 직선 슬롯을 추가함으로써, 2450 MHz 대역에서도

의 성능을 충분히 확보하고 있음을 알 수 있다.

도 8은 접지면에서의 슬롯 형상에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.

도시된 바와 같이, 접지면에 일단이 개방된 I자형 슬롯을 형성하는 것으로, 주파수의 공명 대역이 쉬프트됨을 알 수 있다. 또한, 그러한 I자형 슬롯에 직교하는 직선 슬롯을 추가함에 따라 주파수 대역 특성이 본 발명에서 추구하는 ISM에서의 ISM 915MHz 및 2450 MHz 대역에 매칭됨을 알 수 있다.

이하에서는, 도 9 내지 도 13을 참조하여 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 튜닝 메커니즘과 임피던스 매칭에 대하여 설명한다. 방사 패치 뿐만 아니라 접지면에서의 슬롯의 길이, 폭 및 위치를 포함한 몇 가지 매개변수에 대하여 살펴본다. 이러한 이러한 매개변수를 조정 또는 변경함으로써 이중 대역 안테나는 아래에서 상세히 설명한 것처럼 원하는 대역으로 쉽게 조정 및 일치시킬 수 있다.

도 9는 방사 패치에서 미앤더 형상을 형성하는 직선 슬롯의 폭 P₁에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 매개변수 P₁의 변화는 하위 및 상위 ISM 대역에 영향을 미친다. 슬롯 폭 P₁ 을 늘리면 하부 ISM 대역은 890MHz에서 950MHz로, 상위 ISM 대역은 2500MHz에서 2300MHz로 이동한다.

P₁이 0.3mm에서 원하는 주파수 범위에서 작동 대역을 최적으로 만족시킴을 알 수 있다.

도 10은 접지면에서 일단이 개방된 I자형 슬롯에 직교하는 직선 슬롯의 폭 G₁에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이고, 도 11은 접지면에서 일단이 개방된 I자형 슬롯의 폭 G₂에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.

도 10을 참조하면, G₁의 변동에 따라, 상위 공진 주파수 대역의 상당한 변화가 발생하는 반면, 하위 공진 주파수 대역의 변화는 미세한 수준이다.

도 11을 참조하면, G₂가 0.1mm에서 0.4mm로 증가했을 때, 상위 공진 주파수 대역은 2600MHz에서 2300MHz로 약간의 변화를 보였다. 이는 슬롯 캐패시턴스가 증가하여 더 높은 공명 대역을 더 낮은 주파수로 이동시켰기 때문이다.

패치 슬롯의 폭과 유사하게, 접지면 슬롯의 폭을 0.3 mm로 설정할 때, ISM 대역인 915MHz 및 2450 MHz 대역에 일치하는 특성을 확인할 수 있었다.

도 12는 접지면에서 일단이 개방된 I자형 슬롯에 직교하는 세 개의 직선 슬롯의 길이 r에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.

길이 r이 1mm에서 4mm로 변경되었을 때, 하위 공진 주파수는 980MHz에서 700MHz로, 상위 공진 주파수는 2500MHz에서 2000MHz로 이동되었다.

접지면의 세 직선 슬롯의 길이에서 균일한 증분 변화는 등가 슬롯 캐패시턴스에 균일한 변화를 가져왔다. 따라서 두 주파수 대역에서 동시에 이동이 발생한다.

도시된 예와 같이, 길이 r이 2mm일 때, ISM 대역인 915MHz 및 2450 MHz 대역에 가장 유사하게 매칭된다.

또는 길이 r이 1mm일 때에도, 하위 공진 주파수는 980MHz, 상위 공진 주파수는 2500MHz이지만, 원하는 대역인 ISM 대역인 915MHz 및 2450 MHz 대역에서도 유의미한 성능을 가질 수 있음을 알 수 있다.

도 13A 내지 도 13D는 접지면에서 슬롯의 위치에 따른 주파수 특성을 도시하는 도면이다.

도 13A에 도시된 바와 같이, 직선 슬롯 1의 위치가 변경되었을 때, 상위 ISM 대역은 스펙트럼 왼쪽으로 큰 변화를 보인 반면, 하위 대역은 무시할 수 있는 변화를 보였다.

도 13B에 도시된 바와 같이, 직선 슬롯 2의 위치 변화는

곡선에 큰 영향을 미치지 않았다.

도 13C에 도시된 바와 같이, 직선 슬롯 3의 위치는 이중 대역 안테나의 전기적 길이에 영향을 미쳤다. 직선 슬롯 3의 위치를 변경함으로써 낮은 주파수 대역은 우측으로 이동했고, 높은 주파수 대역은 왼쪽 방향으로 약간 이동했다.

도 13D에 도시된 바와 같이, I자형 슬롯 4의 위치 변화에 의해 크게 영향을 받았다. I자형 슬롯 4의 위치가 1mm 에서 3mm로 변경되었을 때 공진 주파수가 왼쪽으로 이동함을 알 수 있다. 그러나 I자형 슬롯 4의 위치가 4 mm 일 때, 높은 대역의 공명 주파수는 오른쪽으로 이동되었다.

상술한 바와 같이, P1 = 0.3 mm, G1 = 0.3 mm, G2 = 0.3 mm, r = 2 mm, p = 5.15 mm, n = 1.5 mm, e = 2 mm의 값으로 설정하는 경우, 만족스러운 임피던스 BW와 AR BW를 얻었다. 제안된 안테나는 전체 902 내지 928 MHz 및 2400 내지 2450 MHz 대역을 커버할 수 있다.

<듀얼 CP 오퍼레이션의 메커니즘>

도 14는 듀얼 CP 특성을 나타내는 안테나 표면의 전류 분포를 도시하는 도면이다.

듀얼 밴드 안테나는 직교 전기장의 동일한 진폭 두 개 사이에 90도의 위상 차이가 있을 때 CP파를 생성한다. 방사 패치의 P1 슬롯을 조정하면 915MHz와 2450MHz에서 CP파가 생성된다.

안테나의 듀얼 CP 거동은 그림 12와 같이 안테나 표면의 전류 분포를 조사함으로써 확인할 수 있다.

θ가 0도 내지 180도인 경우, 대부분의 전류는 915 MHz에서 동일한 경로에 있지만 반대 방향으로 방사 패치의 왼쪽에서 흐르지만, 2450 MHz에서는 방사 패치의 왼쪽에서 전류가 흘러 U자형 슬롯의 중간에서 방향을 반전시켰다.

θ가 90도 내지 270도인 경우, 공급 위치 주변의 생성된 전류가 방사 패치의 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로 흘러 915MHz에서 4분위 방향으로 흐르는 동일한 경로를 따름을 알 수 있다.

2450MHz에서는 전류가 왼쪽 끝에서 U자형 슬롯의 중심부로 흘러갔다가 방향을 반전시켰다.

상이한 상에서의 전류 분포의 누적 효과는 CP파 현상을 일으킴을 알 수 있다.

CP 라디에이션은 도 15와 같이 3-dB AR을 특징으로 함을 알 수 있다.

< SAR 평가 및 Far-Field 성능>

도 16은 이중 대역 안테나의 성능을 테스트하는 데 사용되는 사실적인 3D 인간 모델을 도시하는 도면이다.

안테나 시스템 분석을 좀 더 현실적인 환경으로 확장하기 위해 렘콤 XFdtd에서 사용할 수 있는 인간 모델을 사용하였다. 현실적인 남성 모델은 분해능이 5mm인 39가지 유형의 조직을 가지고 있다.

도시된 바와 같이, 실제 환경의 시뮬레이션을 위해 선택한 격자 부피(55cm x 45cm x 60cm)는 균질근육 팬텀의 부피보다 크게 설정되었다. 이러한 실제 모델의 위, 소장, 대장에서 제안된 안테나의 성능을 계산했다.

도 17은 다양한 조직 환경에서 시뮬레이션 및 측정된 반사 계수를 도시하는 도면이다. 도 17는 실제 시뮬레이션 환경의 다양한 사례에 대한

수치를 도시하고 있다.

제안된 이중 대역 안테나의 반사 계수는 다른 매체가 존재하는 경우에 영향을 받았다. 그럼에도 이중 대역 안테나는 원하는 ISM 대역을 커버하고 있음을 알 수 있다.

이중 대역 안테나의 대장 및 위장에서의 피크 이득 값은 소장에서의 값보다 컸다. 이는 소장에서 보다 큰 손실이 발생하기 때문이다.

이중 대역 안테나의 소장에서의 CP 순도 및 임피던스 BW는, 대장 및 위장에서의 값들보다 악화되었다 이는, 소장에서 위와 대장 대비 전도도가 높게 나타나기 때문이다.

인체 내부의 전자기(electromagnetic, EM)장의 전파 때문에 SAR(Specific Absorption Rate)는 인체가 무선 주파수 장치에 노출되었을 때 단위 질량 당 조직에 의해 흡수되는 전자파 에너지를 분석하는 데 중요한 매개변수가 된다.

SAR는 다음의 [수학식 1]로 계산될 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, E는 전기장의 크기, σ는 전도율, ρ는 생물학적 조직의 질량 밀도을 각각 의미한다.

안전에 대한 우려에 대해, 1g와 10g SAR은 각각 IEEE C95.1- 1999 및 IEEE C95.1-1999 표준에 따라 1.6 및 2 W/kg 미만이어야 한다.

이중 대역 안테나의 입력전력은 1W로 설정되었으며, 915MHz와 2450MHz에서 1g에 대해 평균 SAR 값은 각각 420.3과 233.2 W/kg이었다. 10g의 평균 SAR 값은 915MHz와 2450MHz에서 각각 45.0과 27.7W/kg이었다.

전술한 1g SAR에 대한 값은 안전제한치를 만족하는 최대 입력-출력 값이 하위 및 상위 ISM 대역 각각 3.8 mW와 6.8 mW임을 나타낸다. 단, 10g의 경우, 2 W/kg의 한도를 만족하는 최대 입력 전력은 아래의 [표 2]와 같이 각각 44.38과 72.06 mW이었다.

[표 2]

SAR 결과는 제안된 이중 대역 안테나 시스템이 EIRP와 SAR 표준을 모두 충족한다는 것을 나타낸다.

<무선 통신 링크 마진 분석>

안테나 시스템의 통신 능력을 평가하기 위해 전체 링크 마진 분석을 수행했다. 계산은 자유 공간 손실, 양극화 불일치 손실, 송신기(Tx)/수신기(Rx) 안테나 손실 및 안테나 물질적 손실을 기준으로 한다. 여기에서는, 신뢰할 수 있는 통신을 위해 20dB의 링크 마진을 고려했다.

데이터 전송률이 높은 어플리케이션의 경우, 2.01 dBi의 이득이 있는 CP 안테나가 작은 양극화 불일치 손실을 경험하기 때문에 기지국으로 선호된다. 삽입형 안테나의 입력 전력은

로 제한한다.

Tx 파워는 내시경 시스템에서도 중요한 역할을 한다. 이는, 데이터 전송의 전체 데이터 전송 속도 또는 속도에 영향을 미친다. 전원 공급기의 통합은 내시경 시스템의 주요 관심사다. 본 연구에서는, 연계 예산 분석의 송신 전력을

로 설정한다.

안테나의 요구 전력 R_p는 아래의 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있다.

[수학식 2]

여기서 K는 볼트만 상수, E_b/N_o는 이상적인 위상 이동을 나타내며, B_r는 비트 속도를 나타내며, T_o는 온도를 나타낸다.

안테나의 유효 전력(Available Power, A_p)는 아래의 [수학식 3]과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 3]

여기서 G_t와 G_r은 각각 안테나의 전송 및 수신 이득을 나타내고, P_t는 전송된 힘을 나타내며, P_L은 양극화 불일치 손실을 나타낸다.

Lf는 Tx와 Rx 간의 분리된 거리 d(m)에 의한 자유 공간 손실을 나타내며, 아래의 [수학식 4]와 같이 계산될 수 있다.

[수학식 4]

[표 3]은 링크 여유 계산에 사용되는 중요한 매개변수를 나타낸다.

[표 3]

도 18은 서로 다른 주파수 대역에서의 링크 여유와 거리 간의 관계를 나타내는 도면이다. 그림 (a)는 915 MHz에서의, 그림 (b) 2450 MHz에서의 관계를 도시하고 있다.

915MHz에서 안테나 시스템은 각각 100kbps, 250kbps 및 1Mbps의 비트 전송률로 각각 5m, 3.8m 및 2m의 최소 거리에서 통신할 수 있음을 알 수 있다.

2450 MHz에서 안테나 시스템은 각각 100kbps, 250kbps 및 1Mbps의 비트 전송률로 각각 최대 3.8m, 2.5m 및 1.8m까지 거리에서 통신할 수 있음을 알 수 있다.

본 명세서에서 생략된 일부 실시 예는 그 실시 주체가 동일한 경우 동일하게 적용 가능하다. 또한, 전술한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100 : 무선 캡슐 내시경
101 : 캡슐 케이스
102 : 뚜껑 케이스
110 : 이중 대역 안테나
120 : 전자 회로
130 : 센서
140 : 필터
150 : 옵티컬 돔
160 : 광학소자
170 : 배터리

Claims (15)

1. 인체 내부로 투입되어 신호를 인체 외부로 전송하는 무선 캡슐 내시경용 이중 대역 안테나에 있어서,
   유전체 기판;
   상기 유전체 기판 상부에 위치하고, 일 단부가 개방된 제1 I자형 슬롯 및 일 단부가 개방된 U자형 슬롯을 포함하는 방사 패치;
   상기 유전체 기판 하부에 위치하며 일 단부가 개방된 제2 I자형 슬롯을 포함하는 접지면; 및
   상기 접지면 및 상기 유전체 기판을 수직으로 관통하며 상기 접지면 및 상기 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전선;을 포함하고,
   상기 방사 패치는 일부 영역에서 양 방향으로 형성된 복수의 직선 슬롯으로 인하여 형성되는 미앤더 형상을 포함하는 이중 대역 안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 I자형 슬롯은 상기 U자형 슬롯에 의하여 둘러쌓이는 형태로 형성되는 이중 대역 안테나.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 I자형 슬롯의 개방 단부는 상기 방사 패치의 제1 모서리에 형성되고,
   상기 U자형 슬롯의 개방 단부는 상기 제1 모서리와 90도를 이루는 방사 패치의 제2 모서리에 형성되는 이중 대역 안테나.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 U자형 슬롯의 양 날개 부분은 서로 다른 폭으로 형성되는 이중 대역 안테나.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 U자형 슬롯의 개방 단부에 인접한 제1 날개 부분의 폭은, 제2 날개 부분의 폭 보다 좁은 이중 대역 안테나.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 방사 패치는
   상기 U자형 슬롯의 개방 단부와 상기 제1 날개 부분 사이에 형성되는 제3 함입부를 더 포함하는 이중 대역 안테나.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 미앤더 형상은
   상기 U자형 슬롯의 외측에 형성되는 적어도 하나의
   U자형 슬롯의 외측에 개방부를 가지는 적어도 하나의 제1 직선 슬롯; 및
   방사 패치의 외측에 개방부를 가지며 제1 직선 슬롯과 교번적으로 형성되는 적어도 하나의 제2 직선 슬롯;
   으로 형성되는 이중 대역 안테나.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 I자형 슬롯은 상기 제1 I자형 슬롯과 직교하는 이중 대역 안테나.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 접지면은
   상기 제2 I자형 슬롯에 직교하는 적어도 하나의 직선 슬롯을 더 포함하는 이중 대역 안테나.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 I자형 슬롯, 상기 제2 I자형 슬롯 및 상기 제2 I자형 슬롯에 직교하는 적어도 하나의 직선 슬롯의 폭, 길이 또는 위치 중 적어도 하나의 변화에 따라 상기 안테나의 성능이 변화되는 이중 대역 안테나.
    
11. 인체 내부로 투입되어 신호를 인체 외부로 전송하는 무선 캡슐 내시경으로,
    캡슐 케이스,
    뚜껑 케이스 및
    상기 캡슐 케이스와 상기 뚜껑 케이스에 의해 형성되는 내부 공간에 구비되는 이중대역 안테나를 포함하고,
    상기 이중대역 안테나는
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상부에 위치하고, 일 단부가 개방된 제1 I자형 슬롯, 일 단부가 개방된 U자형 슬롯 및 일부 영역에서 양 방향으로 형성된 복수의 직선 슬롯으로 인하여 형성되는 미앤더 형상을 포함하는 방사 패치;
    상기 유전체 기판 하부에 위치하며 일 단부가 개방된 제2 I자형 슬롯을 포함하는 접지면; 및
    상기 접지면 및 상기 유전체 기판을 수직으로 관통하며 상기 접지면 및 상기 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전선;을 포함하는 무선 캡슐 내시경.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 I자형 슬롯은 상기 U자형 슬롯에 의하여 둘러쌓이는 형태로 형성되는 무선 캡슐 내시경.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 I자형 슬롯의 개방 단부는 상기 방사 패치의 제1 모서리에 형성되고,
    상기 U자형 슬롯의 개방 단부는 상기 제1 모서리와 90도를 이루는 방사 패치의 제2 모서리에 형성되는 무선 캡슐 내시경.
    
14. 제11항에 있어서,
    상기 U자형 슬롯의 개방 단부에 인접한 제1 날개 부분의 폭은, 제2 날개 부분의 폭 보다 좁은 무선 캡슐 내시경.
    
15. 제11항에 있어서, 상기 미앤더 형상은
    상기 U자형 슬롯의 외측에 개방부를 가지는 적어도 하나의 제1 직선 슬롯; 및
    방사 패치의 외측에 개방부를 가지며 제1 직선 슬롯과 교번적으로 형성되는 적어도 하나의 제2 직선 슬롯;
    으로 형성되는 무선 캡슐 내시경.
    

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