KR20220008576A - 메타 물질이 장착된 소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템 - Google Patents

메타 물질이 장착된 소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 고이득 소형 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템은 접지면 상부에 위치한 서브스트레이트 층, 상기 서브스트레이트 층 상부에 위치한 방사 패치, 상기 방사 패치 상부에 슈퍼스트레이트 층이 위치하며, 상기 슈퍼스트레이트 층 상부에 2x2 기본 단위 셀로 구성된 메타 물질 레이어가 위치하는 것을 특징으로 하는 임플란트 안테나, 센서 팩, 마이크로 전자장치, 알카인 배터리를 포함하는 전자부품 장치를 포함한다.

Description

메타 물질이 장착된 소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템{METAMATERIAL LOADED COMPACT HIGH-GAIN DUAL BAND CIRCULARLY POLARIZED IMPLANTABLE ANTENNA SYSTEM}
본 발명은 메타 물질이 장착된 임플란트 안테나 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 915MHz, 2450MHz 작동 주파수에서 게인 향상 효과와 및 원형 분극 동작이 가능한 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템에 관한 것이다.
최근 기술 발전으로 인해, 인간 신체 내부의 이식 가능한 무선 의료기기의 상용화가 급속도로 확산되고 있다. 이러한 의료기기는 약물 주입 장치, 임플란트 센서, 인공 시력 및 장기 제어, 신경 자극제, 심박 조절기 등으로 의료업 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 인체 내부에 이식 가능한 의료기기는 인체 외부의 다른 의료기기와 양방향으로 통신이 가능하여야 한다. 이러한 양방향 통신은 인간 신체 내부의 이식 가능한 의료기기 내부에 포함된 안테나를 통해 이루어진다.
안테나의 경우, 의료기기 내부에 장착되나, 안테나 역시 신체 내부의 이식되어야 하는 바, 생체 적합성 및 안전성, 신체 내부에 이식 가능한 소형화된 크기 등이 요구된다. 그러나 안테나의 크기가 소형화 될수록, 그 성능이 현저히 감소하는 문제점이 존재한다.
예를 들어, 실제 신체 내부로 이식되었을 때, 임피던스 대역폭 향상, 작동 가능한 주파수 대역에서 낮은 이득 등의 문제점이 존재하였다.
따라서, 안테나의 성능은 보다 발전시키고, 그 크기는 더욱 소형화 하려는 여러 가지 연구 및 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 크기는 소형화 되었으나 안테나가 동작하는 주파수 대역에서 이득 향상, 작동 주파수 대역에서 게인 향상 효과가 있는 보다 발전한 안테나의 개발이 진행되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 915MHz 주파수 대역에서 향상된 이득과 CP 특성을 가지며, 2450MHz 주파수 대역에서 작동 가능한 신체 내부에 이식가능한 안테나 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 안테나 최고층에서 메타 물질 구조를 통합하여, 작동 주파수인 915MHz와 2450MHz상당한 게인 이득과 강력한 원형 분극을 제공하는 고이득 듀얼 밴드 임플란트 안테나 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 고이득 소형 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템은 접지면 상부에 위치한 서브스트레이트 층, 상기 서브스트레이트 층 상부에 위치한 방사 패치, 상기 방사 패치 상부에 슈퍼스트레이트 층이 위치하며, 상기 슈퍼스트레이트 층 상부에 2x2 기본 단위 셀로 구성된 메타 물질 레이어가 위치하는 것을 특징으로 하는 임플란트 안테나, 센서 팩, 마이크로 전자장치, 알카인 배터리를 포함하는 전자부품 장치를 포함한다.
본 발명의 실시 예를 따르면, 915MHz와 2450MHz 두 주파수 대역에서 작동이 가능한 듀얼 밴드 임플란트 안테나 시스템을 설계할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르면, 메타 물질 레이어를 안테나 최고층 레이어로 통합하여, 두 작동 주파수 대역에서 게인 향상 및 원형 분극 동작을 제공하는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예를 따르면, 슬롯 복잡성과 후방 산란 방사선을 감소시키는 접지면을 포함하는 임플란트 안테나 시스템을 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질 레이어를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 설계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 전송 속도 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 안전성 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 최대 허용 전류 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능을 설명하기 위한 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 불필요 하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
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 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, 체적으로 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.
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.
본 발명의 명세서에서 “임플란트 안테나 시스템”으로 지칭하는 것은 추가적인 설명이 없는 한 “메타 물질을 장착한 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 안테나 시스템”을 말한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 1(a)는 임플란트 안테나(200)를 구성하는 방사 패치(201)를 나타낸다. 방사 패치는 그 모양이 구불한 뱀 모양을 갖을 수 있다. 도 1(b)는 접지면(202)을 나타낸다. 도 1(c)를 보면, 접지면(202)과 서브스트레이트 층(204), 방사 패치(201), 슈퍼스트레이트 층(205), 메타 물질 레이어(203)가 계층 구조를 가지면서 임플란트 안테나를 구성할 수 있다.
임플란트 안테나(200)의 전체 크기는 7mm x 6mm x 0.254mm에 해당될 수 있다.
동축 피드 핀(206)과 단락 핀(207)은 접지면(202)에 적절한 위치에 위치할 수 있다. 그 크기는 각각 0.6mm, 0.4mm 일 수 있다.
서브스트레이트 층(204)과 슈퍼스트레이트 층(205)은 유전 상수 10.2, 손실 탄젠트 0.0035, 두께가 0.127mm인 Rogers RT/duriod 6010로 구성된 층일 수 있다.
슈퍼스트레이트 층(205)은 신체 내부 환경에서 안테나의 주변 유효 유전율 변동을 안정화시킬 수 있다.
또한, 안테나 이득 및 AR 움직임을 개선하기 위해 슈퍼스트레이트 층(205) 상에 2x2 개의 단위 셀로 구성된 메타 물질 레이어(203)가 설계될 수 있다.
메타 물질 레이어(203)를 구성하는 단위 셀의 메타 물질은 엡실론이 매우 큰 속성을 가질 수 있다. 엡실론이 매우 큰 특성은 유전율의 절대값이 1보다 매우 큰 특성을 말한다.
메타 물질 레이어(203)는 슈퍼스트레이트 층(205) 상단에 장착될 때, 추가 유전체 슬래브가 필요하지 않기 때문에, 메타 물질 레이어(203)를 포함한 임플란트 안테나(200)가 신체 이식형 의료기기 내부에 장치화될 때 더욱 압축되어 그 크기의 소형화가 가능할 수 있다.
아래 표1를 참조하면, 임플란트 안테나를 구성하는 방사 패치(201)과 접지면(202), 메타 물질 레이어(203)의 폭, 너비, 길이 등을 나타내는 여러 파라미터 값을 확인할 수 있다.
Figure pat00001
이하에서는 도 2를 참조하여, 메타 물질 레이어에 대한 구체적인 설명을 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질 레이어의 특성을 확인하기 위한 실험에 대한 도면이다.
메타 물질 레이어는 자기 쌍극자 및 전기 쌍극자 각각의 지향성 및 넓은 측 이득을 향상시키기 위해 유전율의 절대값이 1보다 매우 크거나 투과율의 절대값이 1보다 매우 큰 특성을 갖을 필요가 있다.
또한 메타 물질 레이어는 매우 큰 엡실론을 가지는 특성을 가질 수 있다. 엡실론이 매우 큰 특성을 EVL이라 하고, 이는 유전율의 절대값이 1보다 매우 큰 특성을 말한다.
또한, 접지된 메타물질 레이어 구조의 유전율과 투과율이 파동 원에 의해 자극되면, 정규화 된 광대역 전력 PN(0)은 아래와 같은 수학식 1을 이용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00002
이러한 수학식 1은 메타 물질 레이어의 유전율을 높이거나 메타 물질 레이어의 내재된 특성 임피던스를 낮추면, 방향성을 갖는 지시 전파를 얻을 수 있고, 원하는 전파 방향으로의 향상을 가져올 수 있다는 것을 보여줄 수 있다.
즉, 높은 유효 유전율 값은 누설파 개념에 기초하여 안테나의 지향성과 이득 향상을 가져오는데 적합하다.
따라서 메타 물질 레이어는 안테나 이득 및 AR 거동을 향상시키기 위해, 자유 공간에서 원형 편광 마이크로 스트립 안테나에 적용될 수 있다.
또한, 메타 물질 레이어를 방사 패치 위에 위치시키면, 방사 패치와 메타 표면 사이에 추가적인 전자기 결합이 발생하여 AR 대역폭이 향상될 수 있다. 나아가, 메타 물질 레이어는 전계분포를 개선하여 안테나의 유효 조리개를 넓히는 효과도 있을 수 있다.
도 2(a)는 메타 물질 레이어의 유효 유전율 값 확인을 위한 실험 설계를 설명하기 위한 도면이다. 메타 물질 레이어를 두 개의 완벽히 전기 및 자기 전도성의 경계를 갖는 방사선 상자의 벽에 넣는다. 방사선 상자 벽은 피부 조직으로 구성되고, 메타 물질 레이어는 방사선 상자 벽에 1mm 거리에 위치하도록 구성한다. 도 2(a)를 통해서, 작동 주파수 대역에 따른 메타 물질 레이어의 유효 유전율의 값을 확인할 수 있다.
본 실험을 통해서 작동 주파수 대역에 따른 유효 유전율 값을 계산한 결과는 도 2(b)를 참조하여 설명하도록 한다.
도 2(b)는 메타 물질 레이어의 작동 주파수 대역에 따른 유효 유전율 값을 나타낸 것이다. 실험 결과값을 확인하면, 유효 유전율 값은 20 내지 30 범위에 다양한 값을 갖는 것으로 나타난다.
도 2(b)를 참조하면, 메타 물질 레이어는 예측된 값보다 실제 측정값에서 작동 주파수 범위내 유효 유전율 값이 약 20 이상임을 알 수 있다.
메타 물질 레이어를 장착한 임플란트 안테나 시스템은 작동 주파수 범위내에서 매우 높은 유효 유전율 값을 갖을 수 있고, 이러한 특성으로 인해 안테나의 이득 및 AR 거동이 개선되는 효과가 있을 수 있다.
이하에서는 도 3를 참조하여, 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템(100)을 설명하도록 한다.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
임플란트 안테나(200)는 센서 팩(102), 회로 및 전원, 배터리와 같은 마이크로 전자부품(103)과 함께 장치화 되어 임플란트 안테나 시스템(100)을 구축할 수 있다.
도 3를 참조하면, 임플란트 안테나 시스템(100)은 여러가지 마이크로 전자부품 장치(103)와 함께 시스템을 구축할 수 있다. 이러한 임플란트 안테나 시스템(100)은 임플란트 안테나(200)와 센서 팩(102), 높이 2.1mm, 지름 6.5mm인 알카인 배터리(101) 2개를 포함할 수 있다.
임플란트 안테나 시스템이 포함하는 전자부품 장치(103)는 완벽한 전기 전도체일 수 있다.
센서 팩(102)의 경우 Rogers RT/duriod 6010 로 구성될 수 있다.
임플란트 안테나 시스템(100)은 유전 상수 9.8, 두께는 0.2mm인 생체 적합성을 만족하는 세라믹 알루미나 컨테이너에 담겨 패킹될 수 있다. 임플란트 안테나 시스템(100)의 크기는 8mm x 14mm x 5mm 크기일 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 11을 참조하여, 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 후술하도록 한다.
도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 설계를 설명하기 위한 도면이다.
안테나 시스템의 성능을 확인하기 위해, 유한요소법을 기반으로 하는 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)와 유한 시간 차이 기반으로 하는 XFdtd Remcom이 실험에 활용된다.
300mm x 300mm x 300mm 치수의 방사선 박스(300)로 둘러싸인 균일한 피부 조직에서 4mm 깊이에서 안테나 시스템의 성능을 시뮬레이션 한다.
나아가, 실제 인간의 머리 조직과 동일한 환경인 인간 머리 모델(301)에서도 Remcom 시뮬레이션을 통해, 실험 수행될 수 있다.
균일한 피부 조직은 실험 전체에서 전체 대역에 대해 주파수에만 의존하도록 설정되어야 한다.
시뮬레이션은 안테나 시스템의 프로토 타입(305)을 이용하여 이루어진다.
시뮬레이션을 위한 안테나 시스템의 프로토 타입(305)는 접지면, 방사 패치, 서브스트레이트, 메타 물질 레이어를 포함하여 구성할 수 있다.
나아가, 안테나 시스템을 실제 인간 모델의 두피, 심장, 위, 및 소장 및 대장과 같은 다른 신체 조직 위치(302)에도 이식하여, 안테나 시스템의 성능의 실제 실험 결과값을 확인할 수 있다.
또한, 다진 돼지고기 근육(303)에 밀봉된 장치(304)를 사용하여 임플란트 안테나 시스템의 성능의 실제 실험 결과값을 확인할 수 있다.
임플란트 안테나 시스템은 메타 물질을 장착한 것에 효과를 알아보기 위해, 메타 물질을 장착하지 아니한 임플란트 안테나 시스템을 이용해서 실험 진행을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
실험 결과는 균일한 피부 조직에서, 프로토 타입을 이용한 HFSS 시뮬레이션, 심장 조직, 위 조직, 소장 및 대장 조직 환경에서, 프로토 타입을 이용한 Remcom 시뮬레이션, 돼지고기 근육에서 실제 메타 물질을 장착한 임플란트 안테나 시스템을 삽입하여 측정한 결과값에 해당한다.
실제 메타 물질을 장착한 임플란트 안테나 시스템 및 프로토 타입을 이용한 시뮬레이션 모두 균일한 피부 조직 환경, 두피, 심장, 위, 소장 및 대장과 같은 다른 신체 조직에서 915MHz, 2450MHz에서 공명함을 알 수 있다.
다만, 915MHz에서 각 환경에 따라 미세한 변화가 있으나, 이는 유의미한 수치가 아니며, 2450MHz에서의 각 환경에 따른 변화는 신체 조직의 전기적 특성 및 비대칭 부하 효과에 인한 것이라고 해석될 수 있어, 실험 결과에 영향을 주는 것은 아니다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면 균일한 피부 조직에서 임플란트 안테나 시스템을 프로토타입으로 시뮬레이션 한 결과와 실제 이식하여 측정한 결과값을 비교할 수 있다.
실제 임플란트 안테나 시스템과 프로토타입 시뮬레이션 모두 메타 물질 레이어를 장착한 경우와 장착하지 아니한 경우로 나눠서 실험한다.
메타 물질 레이어를 장착한 시뮬레이션 프로토타입과 실제 이식한 임플란트 안테나 시스템 모두 915MHz, 2450MHz 대역에서 CP 특성이 있다.
또한, 메타 물질 레이어를 장착하지 아니한 경우의 915MHz에서 15.3%, 2450MHz에서 11.8% 3dB AR 대역폭이 관찰되었으나 메타 물질 레이어 장착한 경우, 각각 21.3%, 17.14%의 AR 대역폭이 관찰되었다.
시뮬레이션 프로토타입과 실제 이식한 임플란트 안테나 시스템 모두 비슷한 결과 양상을 보여준다. 다만, 두 경우 모두 메타 물질 레이어를 장착한 경우의 두 주파수 대역에서 모두 게인 향상을 명확하게 확인할 수 있었다.
실제 이식한 임플란트 안테나 시스템의 경우 915MHz에서 약 2dB, 2450MHz에서 약 1.5dB의 이득 향상이 관찰되었다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 4개의 다른 위상에 대한 공진 주파수에서 메타 물질 레이어를 장착한 임플란트 안테나 시스템의 방사 패치에 대한 전류 분포를 나타낸다.
0도에서 위상의 작동 주파수는 모두 전류 밀도가 +y 방향에서 지배적이며, 90도 위상에서는 +x방향이 지배적으로 관찰되었다. 180도와 270의 전류 밀도는 거의 0도 및 90도와 동일한 크기의 반대 위상에서 발견되었다. 따라서, 주된 전류는 시계방향으로 회전하고 있으며, 임플란트 안테나 시스템에 대한 편파 감지가 왼쪽 CP임을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 인간 두피, 심장, 위, 소장 및 대장 환경에서 Remcom 시뮬레이션과 돼지고기 근육에서 실제 메타 물질이 장착된 임플란트 안테나 시스템에 대해 작동 주파수 대비 방사 원거리 게인 패턴 실험결과를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 게인 이득 패턴은 E-평면, H-평면 모두 전방향에서 이루어짐을 알 수 있다. 다만 전파의 최대 방향이 실험 환경 모두에서 외부 방향으로 확인되었다. 임플란트 안테나 시스템의 경우 양방향 통신이 가능하기 위해서는 방사 원거리 게인 패턴에서 전파 방향이 외부를 향해야 한다. 따라서, 본 발명의 임플란트 안테나 시스템이 양방향 통신이 수월하게 가능함을 입증하는 실험 결과가 된다.
나아가, 메타 물질 레이어를 장착한 임플란트 안테나 시스템이 피부 조직에서 하단 및 상단 ISM 대역의 최대 실현 이득 값이 각각 -17.1dBi, -9.81dBi 에 해당함도 추가적으로 확인할 수 있다.
또한, 실험에서 임플란트 안테나 시스템의 성능을 확인하기 위해 링크 예산을 계산할 수 있다. 본 발명의 임플란트 안테나 시스템을 입력 전력이 25/zW 와 2dBi 값의 일정한 이득을 갖는 쌍극자 안테나와 거리를 d로 하는 트랜스미터로 간주할 수 있다.
링크 예산에 관련된 추가 변수에 대한 것은 표 2를 확인하여 알 수 있다.
Figure pat00003
링크 예산은 Friis 공식을 이용하여 다양한 손실을 고려한 상태에서 계산한다.
이하에서는 도 9를 참조하여 본 발명의 임플란트 안테나 시스템의 전송 속도에 대한 실험 결과를 설명한다.
도 9은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 전송 속도 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (a)와 (b)는 915MHz에서 각각 100kbps, 1Mbps 비트율에서 본 발명의 임플란트 안테나 시스템의 전송 속도를 확인한 결과이다.
본 발명의 임플란트 안테나 시스템은 거리 d가 10 보다 클 때 성공적인 전송을 보임을 확인할 수 있고, 거리 d가 6보다 클 때는 100kbps, 1Mbps 모두에서 빠른 전송을 확인할 수 있다.
본 발명의 임플란트 안테나 시스템은 높은 데이터 속도를 갖고, 다른 여러가지 응용 제품에 활용할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 안전성 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)와 (b)는 메타 물질이 장착되거나 되지 않은 임플란트 안테나 시스템에 대한 SAR 특정흡수율을 나타낸다. 1W의 전압 입력에 대해, 915MHz에서 심장 조직 1g에 평균적인 특정흡수율 SAR은 405.2W/kg을 나타낸다. 이 값은 메타 물질이 장착된 임플란트 안테나 시스템에서 확인된 결과이다.
메타 물질이 장착되지 아니한 임플란트 안테나 시스템에서는 581.1W/kg으로 확인된다.
장착된 메타 물질 레이어 구조에 의해 변위 전류가 형성되고 이로 인해 SAR의 감소가 나타난다.
따라서 메타 물질 레이어를 장착한 임플란트 안테나 시스템이 장착하지 아니한 임플란트 안테나 시스템보다 뛰어난 성능을 가짐을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 최대 허용 전류 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 심장 조직 1g과 10g에 대해서 최대 허용 순 입력 전력을 확인할 수 있다.
915MHz에서 심장 조직에 허용 가능한 순 입력 전력은 메타 물질이 장착되지 않은 임플란트 안테나 시스템이 2.75mW, 메타 물질이 장착된 임플란트 안테나 시스템이 3.94mW에 해당된다.
도 12은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
메타 물질이 장착된 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템은 작동 주파수 대역이 915, 2450MHz에 해당되고, CP 특성을 가질 수 있다.
나아가, 915MHz에서 대역폭은 17.8, -17.1dBi 게인 향상이 있고, 2450MHz에서 35.8 대역폭, -9.81dBi 게인 향상이 있다.
이러한 실험 결과 역시 메타 물질이 장착된 임플란트 안테나 시스템이 장착되지 아니한 임플란트 안테나 시스템보다 뛰어난 성능을 가짐을 확인할 수 있다.
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.

Claims (5)

  1. 접지면 상부에 위치한 서브스트레이트 층과 서브스트레이트 층 상부에 위치한 방사 패치, 방사 패치 상부에는 슈퍼스트레이트 층이 위치하며, 슈퍼스트레이트 층 상부에 2x2 기본 단위 셀로 구성된 메타 물질 레이어가 위치하는 것을 특징으로 하는 임플란트 안테나;
    센서 팩, 마이크로 전자장치, 알카인 배터리를 포함하는 전자부품 장치; 를 포함하는
    소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 임플란트 안테나는
    상기 접지면에 동축 피드 핀과 단락 핀이 위치하고, 단란 핀은 접지면과 서브스트레이트 층을 연결하는 것을 특징으로 하는
    소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메타 물질 레이어는 유효 유전율이 특정 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 메타 물질은 유효 유전율의 값이 임의의 값보다 큰 것을 특징으로 하는
    소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임플란트 안테나는 작동 중심 주파수가 2개인 것을 특징으로 하는
    소형 고이득 듀얼 밴드 원형 편광 임플란트 안테나 시스템
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