KR20220008459A - Dipole antenna for intraoral tongue drive system - Google Patents

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KR20220008459A
KR20220008459A KR1020200086526A KR20200086526A KR20220008459A KR 20220008459 A KR20220008459 A KR 20220008459A KR 1020200086526 A KR1020200086526 A KR 1020200086526A KR 20200086526 A KR20200086526 A KR 20200086526A KR 20220008459 A KR20220008459 A KR 20220008459A
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유형석
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Abstract

The present invention relates to a dipole antenna for use in an oral cavity. The dipole antenna includes: a dielectric substrate; a meander-shaped radiating patch disposed on the dielectric substrate and formed including at least one of at least one horizontal and vertical slot; a capacitor positioned under the dielectric substrate; and a coating layer which protects the dielectric substrate. Through this, the present invention can overcome a problem of spatial compatibility and detuning caused by various conditions of an oral environment.

Description

구강 내 혀 구동 시스템에 포함되는 쌍극자 안테나{DIPOLE ANTENNA FOR INTRAORAL TONGUE DRIVE SYSTEM}DIPOLE ANTENNA FOR INTRAORAL TONGUE DRIVE SYSTEM

본 발명은 구강 내 혀 구동 시스템에 포함되는 쌍극자 안테나에 관한 것으로, 보다 자세하게는 구강 내에서 사용할 수 있도록 안정적인 임피던스 정합 특성을 갖는 쌍극자 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a dipole antenna included in an intraoral tongue drive system, and more particularly, to a dipole antenna having stable impedance matching characteristics for use in the oral cavity.

사지 마비는 척수 손상, 근 위축성 측삭 경화증 또는 뇌졸중으로 인해 발생할 수 있는데, 사지 마비 환자는 보호자의 도움 없이 컴퓨터, 스마트 기기 또는 바퀴달린 이동 장치 등을 제어하는 것이 용이하지 않다. 따라서 보조 기술을 이용하여 사지 마비 환자의 기능적 능력과 독립성을 향상하는 것이 필요하다.Quadriplegia can be caused by spinal cord injury, amyotrophic lateral sclerosis, or stroke, and it is not easy for a quadriplegic patient to control a computer, smart device, or wheeled mobility device without the help of a guardian. Therefore, it is necessary to improve the functional ability and independence of patients with quadriplegia using assistive technology.

보조 기술 중 하나인 혀 구동 시스템(Tongue-Drive System, TDS)은 혀로 작동되는 보조 기술로 비침습성, 보안성, 유연성 및 견고성을 제공한다. 혀 구동 시스템은 인간의 혀의 특성을 기반으로 척수 손상 또는 기타 신경 질환이 발생할 경우 뇌하수체 신경을 통해 뇌와 직접적으로 연결하여 운동 능력을 유지할 수 있다.One of the assistive technologies, the Tongue-Drive System (TDS), is a tongue-operated assistive technology that is non-invasive, secure, flexible and robust. Based on the characteristics of the human tongue, the tongue drive system can maintain motor ability by directly connecting with the brain through the pituitary nerve when a spinal cord injury or other neurological disease occurs.

혀 구동 시스템은 치과용 리테이너에 부착되는 구강 내 혀 구동 시스템(intraoral Tongue-Drive System, iTDS)과 빰 주위의 입 외부에 장착되는 자기 센서를 기반으로 하는 구강 외 혀 구동 시스템(extraoral Tongue-Drive System, eTDS)로 구분된다. 구강 내 혀 구동 시스템의 경우 혀 끝에 소형의 마그네틱 트레이서를 이식하여, 혀 운동을 통해 트레이서 주위에서 생성된 자기 변동을 자기 센서가 감지하여 구강 내 안테나에 의해 사용자가 착용한 외부 수신 장치로 무선 전송되는 방식으로 동작한다. 외부 수신 장치는 센서 신호를 처리하여 휠체어, 컴퓨터, 스마트 기기 등을 제어할 수 있게 제어 신호를 생성할 수 있다.The tongue drive system consists of an intraoral Tongue-Drive System (iTDS) that attaches to a dental retainer and an extraoral Tongue-Drive System (iTDS) based on magnetic sensors mounted on the outside of the mouth around the cheek. , eTDS). In the case of the intraoral tongue drive system, a small magnetic tracer is implanted at the tip of the tongue, and the magnetic sensor detects magnetic fluctuations generated around the tracer through tongue movement and is wirelessly transmitted to an external receiving device worn by the user by an intraoral antenna. works in a way The external receiving device may process the sensor signal to generate a control signal to control a wheelchair, a computer, a smart device, and the like.

그러나 구강 내 혀 구동 시스템의 안테나와 외부 수신 장치의 통신은 무선 주파수(RF)에서 입으로의 전력 흡수, 혀와 턱의 움직임으로 인한 동적 작동 환경 및 타액에 대한 노출 등으로 인해 신호 저하 또는 손실의 발생, 안테나 크기, 주파수 의존적 문제 등으로 인한 성능 저하 가능성이 높다는 어려움이 있다.However, the communication between the antenna of the tongue drive system in the oral cavity and the external receiving device is susceptible to signal degradation or loss due to the absorption of power into the mouth at radio frequency (RF), the dynamic operating environment due to the movement of the tongue and jaw, and exposure to saliva. There is a difficulty in that there is a high possibility of performance degradation due to generation, antenna size, and frequency-dependent problems.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구강 내 혀 구동 시스템에 사용 가능한 쌍극자 안테나를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a dipole antenna that can be used in a tongue drive system in the oral cavity.

또한 본 발명은 안정적인 입력 임피던스와 광대역 특성을 제공하며, 혀 끝에 이식 가능하도록 작은 크기를 갖는 쌍극자 안테나를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a dipole antenna having a small size so as to provide stable input impedance and broadband characteristics, and to be implantable at the tip of the tongue.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구강 내에서 사용 가능한 쌍극자 안테나에 있어서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부에 위치하고 적어도 하나의 수평 및 수직 슬롯 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 미앤더 형상의 방사 패치, 상기 유전체 기판 하부에 위치하는 콘덴서 및 상기 유전체 기판을 보호하는 코팅층을 포함하는 것을 일 특징으로 한다.The present invention for achieving this object, in a dipole antenna usable in the oral cavity, a dielectric substrate, a meander-shaped radiation patch formed including at least one of at least one of at least one horizontal and vertical slot located on the dielectric substrate, and a capacitor positioned under the dielectric substrate and a coating layer protecting the dielectric substrate.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 구강 내 혀 구동 시스템에 사용 가능한 쌍극자 안테나를 제공할 수 있으며, 상기 쌍극자 안테나는 안정적인 입력 임피던스와 광대역 특성을 제공하며, 작은 크기로 인해 혀 끝에 이식 가능할 수 있다. 또한 상기 안테나를 통해 구강 환경의 다양한 조건으로 인해 발생하는 공간 적합성 및 디튜닝 문제를 극복할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a dipole antenna that can be used in a tongue drive system in the oral cavity, the dipole antenna provides stable input impedance and broadband characteristics, and can be implanted at the tip of the tongue due to its small size. In addition, it is possible to overcome the problems of spatial fit and detuning caused by various conditions of the oral environment through the antenna.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 방사 패치를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 915MHz 대역에서의 전류 분포를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 코팅층의 두께를 채택하기 위해 각 두께에 대하여 방사 효율을 측정한 실험 결과를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 동작 회로를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 성능 시험을 위한 조건을 설명하는 도면,
도 7은 시뮬레이션을 통해 측정된 반사 계수와 실제 환경에서 측정된 반사 계수를 비교하기 위한 그래프,
도 8은 구강 내 혀 구동 시스템의 응용 프로그램의 전파 방향 요구 사항을 충족시키기 위한 방사선 패턴과 전파 방향을 도시한 도면,
도 9는 구강이 개방된 상태 및 폐쇄된 상태에서 915MHz 주파수 대역에서 1g 조직에 대한 SAR 분포를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 통신 범위를 평가하기 위한 링크 버짓 분석 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a view showing the configuration of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing a radiation patch of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a current distribution in a 915 MHz band of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing the experimental results of measuring the radiation efficiency for each thickness in order to adopt the thickness of the coating layer of the dipole antenna according to an embodiment of the present invention;
5 is a diagram illustrating an operation circuit of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention;
6 is a view for explaining conditions for a performance test of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph for comparing the reflection coefficient measured through simulation and the reflection coefficient measured in the real environment;
Fig. 8 shows the radiation pattern and propagation direction to meet the propagation direction requirement of the application of the tongue drive system in the oral cavity;
9 is a view showing the SAR distribution for 1g tissue in the 915MHz frequency band in the open state and the closed state of the oral cavity;
10 is a diagram illustrating a link budget analysis result for evaluating a communication range of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention.

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.The above-described objects, features and advantages will be described below in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

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.In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar elements, and all combinations described in the specification and claims may be combined in any manner. And unless otherwise provided, it is to be understood that references to the singular may include one or more, and references to the singular may also include plural expressions.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 예시적 실시 예들을 설명할 목적을 가지고 있으며 한정할 의도로 사용되는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 단수적 표현들은 또한, 해당 문장에서 명확하게 달리 표시하지 않는 한, 복수의 의미를 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 "및/또는," "그리고/또는"은 그 관련되어 나열되는 항목들의 모든 조합들 및 어느 하나를 포함한다. 용어 "포함한다", "포함하는", "포함하고 있는", "구비하는", "갖는", "가지고 있는" 등은 내포적 의미를 갖는 바, 이에 따라 이러한 용어들은 그 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 혹은 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 단계들, 프로세스들, 동작들은, 구체적으로 그 수행 순서가 확정되는 경우가 아니라면, 이들의 수행을 논의된 혹은 예시된 그러한 특정 순서로 반드시 해야 하는 것으로 해석돼서는 안 된다. 추가적인 혹은 대안적인 단계들이 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing specific exemplary embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, singular expressions may also be intended to include plural meanings unless the sentence clearly indicates otherwise. The term “and/or,” “and/or” includes any and all combinations of the items listed therewith. The terms "comprises", "comprising", "comprising", "comprising", "having", "having", etc. have an implicit meaning, so that these terms refer to their described features, integers, It specifies steps, operations, elements, and/or components and does not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and/or groups thereof. The steps, processes, and acts of the methods described herein should not be construed as necessarily performing their performance in such a specific order as discussed or exemplified, unless specifically determined to be an order of performance thereof. . It should also be understood that additional or alternative steps may be used.

또한, 각각의 구성요소는 각각 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있고, 위 구성요소들이 통합되어 하나의 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있으며, 또는 위 구성요소들이 서로 조합되어 복수 개의 하드웨어 프로세서로 구현될 수도 있다.In addition, each of the components may be implemented as a hardware processor, the above components may be integrated into one hardware processor, or the above components may be combined with each other and implemented as a plurality of hardware processors.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는 중증 장애를 가진 사용자가 사용하도록 설계된 구강 내 혀 구동 시스템(intraoral Tongue-Drive System, iTDS)에 적용되는 것으로, 안정적이고 넓은 대역폭 특성을 갖는다. 이러한 특성으로 인한 쌍극자 안테나는 구강 환경의 다양한 조건으로 인해 발생하는 공간 적합성 및 디튜닝 문제를 극복할 수 있다.The dipole antenna according to an embodiment of the present invention is applied to an intraoral tongue-drive system (iTDS) designed to be used by users with severe disabilities, and has stable and wide bandwidth characteristics. Due to these characteristics, the dipole antenna can overcome the spatial suitability and detuning problems caused by various conditions of the oral environment.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면 쌍극자 안테나는 유전체 기판(10), 방사 패치(20), 콘덴서(30) 및 코팅층(40)을 포함할 수 있다.1 is a diagram illustrating a configuration of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the dipole antenna may include a dielectric substrate 10 , a radiation patch 20 , a capacitor 30 , and a coating layer 40 .

유전체 기판(10)은 유연성을 갖는 폴리이미드(εr = 4.3 및 tanδ = 0.004)로 형성되어 있는데, 폴리이미드를 사용한 유전체 기판(10)은 쌍극자 안테나에 발생할 수 있는 잠재적 손상에 대한 탄성 및 견고성을 제공할 수 있다. 유전체 기판(10)의 재료는 폴리이미드로 한정되지 않고, 알루미나, 지르코니아, PMMA, Carbon-Ti 등을 사용할 수도 있다.The dielectric substrate 10 is formed of flexible polyimide (εr = 4.3 and tanδ = 0.004). The dielectric substrate 10 using polyimide provides elasticity and rigidity against potential damage that may occur to the dipole antenna. can do. The material of the dielectric substrate 10 is not limited to polyimide, and alumina, zirconia, PMMA, Carbon-Ti, or the like may be used.

유전체 기판(10)의 크기는 19.8mm×4.2mm×0.025mm로 매우 작게 형성되어 치과용 리테이너에 충분히 부착될 수 있게 한다.The size of the dielectric substrate 10 is 19.8 mm x 4.2 mm x 0.025 mm, which is formed to be very small so that it can be sufficiently attached to the dental retainer.

방사 패치(20)는 유전체 기판(10)의 상부에 형성되며, 전도성 물질로 형성된다. 방사 패치(20)는 적어도 하나의 수평 슬롯과 수직 슬롯을 포함하며, 각 수평 슬롯과 수직 슬롯은 서로 연결되어 전체적으로 미앤더 형상을 이룰 수 있다. 결과적으로 방사 패치(20)는 하나의 슬롯을 구불구불한 형상으로 배치한 형태를 가질 수 있으며, 총 20번 절곡된 미앤더 형상을 가질 수 있다. 방사 패치의 구체적인 형상은 도 2를 참조할 수 있다.The radiation patch 20 is formed on the dielectric substrate 10 and is made of a conductive material. The radiation patch 20 includes at least one horizontal slot and a vertical slot, and each horizontal slot and the vertical slot may be connected to each other to form a meander shape as a whole. As a result, the radiation patch 20 may have a shape in which one slot is arranged in a serpentine shape, and may have a meander shape bent 20 times in total. The specific shape of the radiation patch may refer to FIG. 2 .

방사 패치(20)의 슬롯의 양 끝단에는 단락핀을 포함할 수 있는데, 이는 유전체 기판(10)의 하부에 콘덴서(30)를 부착하기 위함이다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 콘덴서(30)는 안정적인 임피던스를 보장하기 위해 사용되며, 콘덴서(30)의 용량은 11pF일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.Shorting pins may be included at both ends of the slot of the radiation patch 20 , for attaching the capacitor 30 to the lower portion of the dielectric substrate 10 . The capacitor 30 according to an embodiment of the present invention is used to ensure a stable impedance, and the capacitor 30 may have a capacity of 11 pF, but is not limited thereto.

이러한 방사 패치(20)의 형상으로 인해, 전류의 흐름 경로를 기존 안테나와 동일하게 하되, 쌍극자 안테나의 크기를 감소시킬 수 있는 효과를 갖는다. Due to the shape of the radiation patch 20, the current flow path is the same as that of the existing antenna, but has the effect of reducing the size of the dipole antenna.

또한 일반적으로 안테나에 포함되는 방사 패치의 형상은 안테나의 방사 효율에 큰 영향을 미친다. 안테나의 효율은 방사 패치의 표면적에 크게 좌우되기 때문에 본 발명의 쌍극자 안테나는 방사 패치(20)의 형상으로 인해 광대역에 걸쳐 -27.1~-17.3dB의 안정적인 방사 효율을 가질 수 있으며, 915MHz 대역에서 동작할 수 있다. 915MHz 대역에서 본 발명의 쌍극자 안테나의 전류 분포는 도 3에 도시되어 있는데, 도 3을 참조하면 쌍극자 안테나의 전류 분포가 매우 균일하여 이에 따라 안테나의 입력 임피던스가 안정화되고 광대역이 달성됨을 알 수 있다.Also, in general, the shape of the radiation patch included in the antenna has a great influence on the radiation efficiency of the antenna. Since the efficiency of the antenna largely depends on the surface area of the radiation patch, the dipole antenna of the present invention can have a stable radiation efficiency of -27.1 to -17.3 dB over a wide band due to the shape of the radiation patch 20, and operates in the 915 MHz band can do. The current distribution of the dipole antenna of the present invention in the 915 MHz band is shown in FIG. 3 . Referring to FIG. 3, it can be seen that the current distribution of the dipole antenna is very uniform, thereby stabilizing the input impedance of the antenna and achieving a wide band.

다만, 전술한 수치들은 일 예시에 불과한 것이므로, 본 발명이 이러한 수치에 구속되는 것은 아니다.However, since the above-described numerical values are merely examples, the present invention is not limited to these numerical values.

본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는, 타액과의 직접적인 접촉으로부터 안테나를 보호함으로써, 방사 패치(20)가 노출되어 단락이 발생하는 경우를 방지하고, 안테나의 생체 적합성을 제공하기 위하여 유전체 기판(10)의 전면을 코팅층(30)으로 코팅할 수 있다. 이 때, 코팅층(30)은 생체 적합성 물질로 형성될 수 있다. The dipole antenna according to an embodiment of the present invention protects the antenna from direct contact with saliva, thereby preventing a short circuit when the radiation patch 20 is exposed, and a dielectric substrate to provide biocompatibility of the antenna. The entire surface of (10) may be coated with the coating layer (30). In this case, the coating layer 30 may be formed of a biocompatible material.

생체 적합성 물질은 생체 조직 또는 체액 등과 접촉하였을 때 거부 반응이 나타나지 않는 물질을 의미하는데, 이 때 거부 반응은 생체 조직에 가해지는 자극, 염증, 알레르기, 암, 혈액 성분 파괴 또는 변형, 혈전 형성 등일 수 있다. A biocompatible material refers to a material that does not exhibit a rejection reaction when in contact with a living tissue or body fluid, etc. In this case, the rejection reaction may be irritation, inflammation, allergy, cancer, destruction or transformation of blood components, thrombus formation, etc. have.

본 발명의 일 실시 예에 의한 코팅층(30)은 생체 적합성 물질로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용할 수 있으며, 그 외 다른 생체 적합성 물질을 사용할 수도 있다.For the coating layer 30 according to an embodiment of the present invention, polydimethylsiloxane (PDMS) may be used as a biocompatible material, or other biocompatible materials may be used.

코팅층(30)은 0.1mm의 두께로 형성될 수 있다. 코팅층(30)은 0.1mm 두께를 가짐에 따라 쌍극자 안테나의 크기를 더 소형화할 수 있다.The coating layer 30 may be formed to a thickness of 0.1 mm. As the coating layer 30 has a thickness of 0.1 mm, the size of the dipole antenna may be further reduced.

코팅층(30)의 두께를 더 얇게 형성하면 쌍극자 안테나의 크기를 더 감소시킬 수 있으나 본 발명의 쌍극자 안테나는 안테나의 장시간 보호를 위해서 0.1mm의 두께를 채택하였다. 도 4는 코팅층(30)의 두께를 채택하기 위해 쌍극자 안테나의 코팅층(30)의 두께를 달리하여 방사 효율을 측정한 실험의 결과를 도시한 그래프로, 도 4를 참조하면 코팅층(30)의 두께가 증가할수록 광대역의 특성을 나타내나 모든 두께에서 광대역 특성을 유지하고 915MHz 주파수 대역에서 공진하는 것으로 나타나 쌍극자 안테나의 안정성을 위하여 0.1mm를 채택하였음을 알 수 있다.If the coating layer 30 is formed thinner, the size of the dipole antenna can be further reduced, but the dipole antenna of the present invention adopts a thickness of 0.1 mm for long-term protection of the antenna. 4 is a graph showing the results of an experiment measuring radiation efficiency by varying the thickness of the coating layer 30 of the dipole antenna to adopt the thickness of the coating layer 30. Referring to FIG. 4, the thickness of the coating layer 30 As it increases, it shows broadband characteristics, but maintains wideband characteristics at all thicknesses and resonates in the 915MHz frequency band, indicating that 0.1mm was adopted for the stability of the dipole antenna.

상술한 바와 같은 쌍극자 안테나의 구성으로 인해 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는 20mm×4.4mm×0.025mm의 매우 작은 크기로 형성되어 인체 조직 내에서 안정적인 동작을 유지하기에 충분한 대역폭 및 이득을 가질 수 있다.Due to the configuration of the dipole antenna as described above, the dipole antenna according to an embodiment of the present invention is formed in a very small size of 20 mm × 4.4 mm × 0.025 mm, which provides sufficient bandwidth and gain to maintain stable operation in human tissues. can have

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 동작 회로를 도시한 도면이다. 쌍극자 안테나는 인접한 대역의 일부가 겹치는 공명과 밀접하게 연관된 복사 소자라고 볼 수 있는데, 공명 측면에서 각 주파수 대역은 병렬로 연결된 RLC 집중정수소자(RLC lumped elements, 전류의 분포가 위치와 무관하게 균일한 소자)로 모델링할 수 있다.5 is a diagram illustrating an operation circuit of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention. A dipole antenna can be viewed as a radiation element closely related to resonance in which parts of adjacent bands overlap. element) can be modeled.

그러나 광대역 통신의 경우 다중 병렬 RLC 회로가 근접하게 인접한 대역과 계단식으로 연결되는데, 도 5의 (a)를 참조하면, 쌍극자 안테나는 degenerative Foster canonical 모델을 기반으로 하며, ADS 소프트웨어를 사용하여 설계되었다. 도 5의 (a)에 도시된 Lp와 Cp는 쌍극자 안테나가 저주파수에서 작동 중일 때의 인덕턴스 및 전기 용량을 의미한다.However, in the case of broadband communication, multiple parallel RLC circuits are cascaded to adjacent bands. Referring to FIG. 5 (a), the dipole antenna is based on a degenerative Foster canonical model and was designed using ADS software. Lp and Cp shown in (a) of FIG. 5 mean inductance and capacitance when the dipole antenna is operating at a low frequency.

나머지 높은 공명도는 캐스케이드 방식으로 연결된 3개의 RLC 회로를 사용하여 실현된다. 매개변수 R1, R2, R3은 관련된 각 공진의 방사선 저항을 나타내고, 중간 RLC 회로(R2, L2, C2)는 광대역 하단을 제어하고, 오른쪽 RLC 회로(R3, L3, C3)는 고주파를 제어하며, 왼쪽 RLC 회로(R1, L1, C1)는 대역 내의 일치를 조정한다. C4는 쌍극자 안테나가 정전적으로 로드될 때 로드된 콘덴서를 나타낸다.The remaining high resonance is realized using three RLC circuits connected in a cascade. The parameters R1, R2, R3 represent the radiation resistance of each resonance involved, the middle RLC circuit (R2, L2, C2) controls the broadband lower end, the right RLC circuit (R3, L3, C3) controls the high frequency, The left RLC circuit (R1, L1, C1) coordinates the match within the band. C4 represents the capacitor loaded when the dipole antenna is electrostatically loaded.

도 5의 (a)에 도시된 회로를 구성하는 각 구성 요소의 수치는 도 5의 (b)와 같다.The numerical values of each component constituting the circuit shown in FIG. 5A are the same as those of FIG. 5B.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 성능 시험을 위한 조건을 설명하는 도면이다.6 is a view for explaining conditions for a performance test of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나에서, Ansoft HFSS 소프트웨어를 통해 시뮬레이션을 수행하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 구강이 개방된 상태와 폐쇄된 상태 각각에 대하여 시뮬레이션을 수행하였고, 구강이 개방된 상태의 성능을 측정하기 위해 사람의 입과 유사한 유전 특성을 갖는 식염수로 3차원 헤드 모델을 생성하고, 63mm×50mm×15mm 크기의 에어 박스를 사용하였다. 한편, 구강이 폐쇄된 상태의 성능을 측정하기 위해 다진 돼지 고기에 곡면 공동을 형성하여 공동 내부에 쌍극자 안테나를 배치하였다.In the dipole antenna according to an embodiment of the present invention, simulation was performed through Ansoft HFSS software. As shown in FIG. 6 , simulations were performed for each of the open state and the closed state of the oral cavity, and a three-dimensional head with saline having similar dielectric properties to that of a human mouth was used to measure the performance of the oral cavity open state. A model was created, and an air box having a size of 63 mm × 50 mm × 15 mm was used. On the other hand, to measure the performance of the closed oral cavity, a curved cavity was formed in minced pork and a dipole antenna was placed inside the cavity.

이와 같은 환경에서 쌍극자 안테나의 방사 패턴, 반사 계수 및 SAR 측면에서 안테나의 성능을 평가하였다.In such an environment, the performance of the dipole antenna was evaluated in terms of radiation pattern, reflection coefficient, and SAR.

상기 시뮬레이션 결과의 검증을 위해, 쌍극자 안테나는 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 쌍극자 안테나를 생체 적합성 PDMS의 얇은 층으로 코팅하고, 도 6의 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 피험자의 실제 구강 내에서 쌍극자 안테나의 반사 계수를 측정하였다.For verification of the simulation results, the dipole antenna was coated with a thin layer of biocompatible PDMS as shown in Fig. 6(c), and as shown in Fig. 6(d) and (e), A vector network analyzer was used to measure the reflection coefficient of the dipole antenna in the subject's actual oral cavity.

시뮬레이션 및 실제 측정된 반사 계수는 도 7을 통해 확인할 수 있는데, 도 7을 참조하면 구강이 개방된 상태 및 폐쇄된 상태 모두에서 광대역 및 안정적인 임피던스 정합을 유지하는 것을 알 수 있다.The simulated and actually measured reflection coefficients can be confirmed through FIG. 7 . Referring to FIG. 7 , it can be seen that the oral cavity maintains broadband and stable impedance matching in both the open state and the closed state.

이하에서는 시뮬레이션의 실험 결과를 통해 쌍극자 안테나의 성능을 검증한 결과를 설명한다.Hereinafter, the results of verifying the performance of the dipole antenna through the experimental results of the simulation will be described.

1) 대역폭1) Bandwidth

시뮬레이션을 통해 측정된 쌍극자 안테나의 대역폭은 구강이 개방된 상태에서는 151%(813-2,200MHz), 구강이 폐쇄된 상태에서는 163%(700-2,194MHz)이고, 시뮬레이션 결과의 검증을 위해 피험자의 실제 구강 내에서 측정된 쌍극자 안테나의 대역폭은 각각 142%(820-2,120MHz), 181%(720-2,380MHz)으로 유사한 것을 확인할 수 있다. 즉 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는 실제 구강의 다양한 환경에서 뛰어난 성능을 가질 것이다.The bandwidth of the dipole antenna measured through simulation is 151% (813-2,200MHz) when the mouth is open and 163% (700-2,194MHz) when the mouth is closed. It can be seen that the bandwidth of the dipole antenna measured in the oral cavity is similar to 142% (820-2,120 MHz) and 181% (720-2,380 MHz), respectively. That is, the dipole antenna according to an embodiment of the present invention will have excellent performance in various environments of the actual oral cavity.

2) 방사 패턴2) Radiation pattern

도 8은 구강 내 혀 구동 시스템의 응용 프로그램의 전파 방향 요구 사항을 충족시키기 위한 방사선 패턴과 전파 방향을 도시한 도면으로, 도 8의 (a)와 (b)를 참조하면 쌍극자 안테나의 신호가 구강 외부로 전파될 때 필요한 응용에 대한 조건을 만족하였음을 알 수 있으며, 도 8의 (c)와 (d)는 915MHz 대역에서 구강이 개방된 상태 및 폐쇄된 상태 각각에 대한 방사 패턴을 도시한 것으로 (c)와 (d)는 서로 유사한 형태를 가짐을 확인할 수 있다. 구체적으로, 시뮬레이션 및 실제 측정에서 관찰된 최대 피크 값은 구강이 개방된 상태의 경우 -17.5 및 -17.96dBi, 구강이 폐쇄된 상태의 경우 -18.94 및 -19.42dBi로 매우 유사하다.8 is a view showing a radiation pattern and a propagation direction to meet the propagation direction requirements of the application of the tongue drive system in the oral cavity. Referring to FIGS. 8 (a) and (b), the signal of the dipole antenna is It can be seen that the conditions for the required application were satisfied when propagated to the outside, and FIGS. It can be seen that (c) and (d) have similar shapes to each other. Specifically, the maximum peak values observed in the simulation and actual measurement are very similar to -17.5 and -17.96 dBi in the case of the open mouth, and -18.94 and -19.42 dBi in the case of the closed oral cavity.

3) SAR (흡수율)3) SAR (absorption rate)

구강 내부에 위치한 안테나의 작동은 구강 조직과의 직접적인 접촉 및 구강 조직에 의해 흡수되는 전력으로 인해 어려움이 있는데, 기존 구강 내 혀 구동 시스템의 경우 사용자의 안전을 위해 조직 1g, 10g 각각에 대해 최대 SAR은 1.6W, 2W/kg 미만으로 제한된다. 본 시뮬레이션에서는 1g의 조직에 대한 SAR 및 최대 허용 전력을 계산하여 입력 전력을 1W로 설정하였다. 도 9는 구강이 개방된 상태 및 폐쇄된 상태에서 915MHz 주파수 대역에서 1g 조직에 대한 SAR 분포를 나타낸 도면으로, 도 9를 참조하면 본 시뮬레이션에서, 구강이 개방된 상태에서의 최대 허용 전력 값은 14.8mW에서 108.25W/kg의 최대 SAR를, 구강이 폐쇄된 상태에서의 최대 허용 전력 값은 13.3mW에서 120.09W/kg의 최대 SAR으로 설정하였다. 이 값은 국제 및 국가 안전 지침을 모두 만족하는 것으로 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는 구강 내의 다양한 환경에서 안전하게 작동하는 것으로 입증되었다.The operation of the antenna located inside the oral cavity is difficult due to the direct contact with the oral tissue and the power absorbed by the oral tissue. is limited to less than 1.6 W, 2 W/kg. In this simulation, the input power was set to 1W by calculating the SAR and maximum allowable power for 1g of tissue. 9 is a view showing the SAR distribution for 1g tissue in the 915 MHz frequency band in the open state and the closed state of the oral cavity. The maximum SAR of 108.25W/kg at mW and the maximum allowable power value in the closed state of the oral cavity were set as the maximum SAR of 120.09W/kg at 13.3mW. This value satisfies both international and national safety guidelines, and it has been proven that the dipole antenna according to an embodiment of the present invention operates safely in various environments in the oral cavity.

4) 통신 범위4) Communication range

본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나가 외부 수신 장치와 효율적으로 통신 가능한 통신 범위를 평가함에 있어서 링크 버짓 분석을 사용할 수 있다. 통신 범위는 반사, 산란, 흡수, 경로 손실 및 불일치 손실 등에 의해 크게 영향을 받는다.Link budget analysis may be used to evaluate a communication range in which the dipole antenna according to an embodiment of the present invention can efficiently communicate with an external receiving device. Communication range is greatly affected by reflection, scattering, absorption, path loss, and mismatch loss.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나의 통신 범위를 평가하기 위한 링크 버짓 분석 결과를 나타낸 도면이다.10 is a diagram illustrating a link budget analysis result for evaluating a communication range of a dipole antenna according to an embodiment of the present invention.

도 10의 (a)는 기존의 구강 내 혀 구동 시스템의 파라미터를 나타낸 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는 통신 범위를 평가하기 위해 기존의 파라미터를 기반으로 링크 버짓을 연산(링크 마진은 35dB로 고정)할 수 있다. 연산된 링크 버짓은 도 10의 (b)와 같은데, 이를 참조하면 쌍극자 안테나는 250kbps의 데이터 속도에서 최소 20m, 24kbps의 데이터 속도에서 최소 36m의 거리에서 최악의 시나리오(구강이 폐쇄된 상태)에서도 효과적으로 통신할 수 있음을 알 수 있다.Figure 10 (a) shows the parameters of the conventional intraoral tongue drive system, the dipole antenna according to an embodiment of the present invention calculates a link budget based on the existing parameters to evaluate the communication range (link margin) can be fixed at 35dB). The calculated link budget is the same as that of FIG. 10 (b). Referring to this, the dipole antenna is effectively at a distance of at least 20 m at a data rate of 250 kbps and at least 36 m at a data rate of 24 kbps, even in the worst-case scenario (mouth is closed). It can be seen that communication is possible.

시뮬레이션 및 실제 측정 결과는 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나가 구강 내에서 외부 수신 장치로 데이터를 전송하는 구강 내 혀 구동 시스템에 적용되기에 적절하고 기존의 안테나보다 성능이 우수하다는 것을 증명한다.Simulation and actual measurement results prove that the dipole antenna according to an embodiment of the present invention is suitable for being applied to an intraoral tongue drive system that transmits data to an external receiving device in the oral cavity and has superior performance than the conventional antenna .

결론적으로, 본 발명의 일 실시 예에 의한 쌍극자 안테나는 20mm×4.4mm×0.025mm의 최소 설치 공간을 필요로 하고, 915MHz의 작동 주파수에서 안정적인 광대역 동작을 유지한다. 915MHz 주파수 대역은 구강 조직에 의한 전력 흡수에 덜 취약하고, 우수한 방사선 성능을 제공하며, 구강 내에서 상당한 전력 흡수를 받는 혼잡한 2.4GHz 대역에 비해 향상된 가용성을 제공할 수 있다. In conclusion, the dipole antenna according to an embodiment of the present invention requires a minimum installation space of 20 mm × 4.4 mm × 0.025 mm, and maintains stable wideband operation at an operating frequency of 915 MHz. The 915 MHz frequency band is less susceptible to power absorption by oral tissues, provides good radiation performance, and can provide improved availability compared to the congested 2.4 GHz band, which receives significant power absorption in the oral cavity.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely provided for specific examples to easily explain the technical contents of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (3)

구강 내에서 사용 가능한 쌍극자 안테나에 있어서,
유전체 기판;
상기 유전체 기판 상부에 위치하고 적어도 하나의 수평 및 수직 슬롯 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 미앤더 형상의 방사 패치;
상기 유전체 기판 하부에 위치하는 콘덴서; 및
상기 유전체 기판을 보호하는 코팅층을 포함하는 쌍극자 안테나.
In the dipole antenna usable in the oral cavity,
dielectric substrate;
a meander-shaped radiating patch disposed on the dielectric substrate and formed including at least one of at least one horizontal and vertical slot;
a capacitor positioned under the dielectric substrate; and
A dipole antenna comprising a coating layer for protecting the dielectric substrate.
제1항에 있어서,
상기 방사 패치에 포함되는 슬롯의 양 끝단에 단락핀을 형성하고,
상기 콘덴서는 상기 단락핀을 통해 상기 유전체 기판에 연결 배치되는 쌍극자 안테나.
The method of claim 1,
Shorting pins are formed at both ends of the slots included in the radiation patch,
The capacitor is a dipole antenna arranged to be connected to the dielectric substrate through the shorting pin.
제1항에 있어서,
상기 코팅층은 상기 유전체 기판, 상기 방사 패치 및 상기 콘덴서를 보호하기 위한 것으로, 생체 적합성 물질로 형성되는 쌍극자 안테나.
The method of claim 1,
The coating layer is for protecting the dielectric substrate, the radiation patch, and the capacitor, the dipole antenna formed of a biocompatible material.
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