KR20220150204A - 자기장 통신을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20220150204A
KR20220150204A KR1020220046956A KR20220046956A KR20220150204A KR 20220150204 A KR20220150204 A KR 20220150204A KR 1020220046956 A KR1020220046956 A KR 1020220046956A KR 20220046956 A KR20220046956 A KR 20220046956A KR 20220150204 A KR20220150204 A KR 20220150204A
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한국전자통신연구원
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Abstract

자기장 통신에서 공진이 발생하는 소형 안테나의 협대역성을 극복하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 자기장 통신을 위한 안테나 장치는, 제1 코일, 제2 코일, 제3 코일, 상기 제1 코일의 제1-1 단에 연결되는 제1 커패시터, 상기 제2 코일의 제2-1 단에 연결되는 제2 커패시터, 상기 제3 코일의 제3-1 단에 연결되는 제3 커패시터, 상기 제1 코일의 제1-2 단, 상기 제2 코일의 제2-2 단 및 상기 제3 코일의 제3-2 단에 연결되는 제1 입력단과, 상기 제1 커패시터, 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터에 연결되는 제2 입력단을 포함하는 입력 포트를 포함하며, 상기 제1 코일 및 제1 커패시터는 제1 공진기를 구성하고, 상기 제2 코일 및 제2 커패시터는 제2 공진기를 구성하고, 상기 제3 코일 및 제3 커패시터는 제3 공진기를 구성한다.

Description

자기장 통신을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MAGNETIC FIELD COMMUNICATION}
본 발명은 자기장 통신 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장 통신에서 전송 거리를 늘리기 위한 광대역 통신 기술에 관한 것이다.
무선 통신에서 보다 많은 정보를 무선으로 전송하기 위해서는 무선 채널에 속하는 물리계층의 모든 모듈 또는 소자(예를 들어, 안테나, 송수신 필터, 증폭기 등)의 대역폭이 가장 중요할 수 있다. 일 예로 10Mbps급의 정보를 송신하기 위해서는 ASK(amplitude shift keying), BPSK(binary phase shift keying)의 경우 적어도 10MHz의 대역폭이 필요할 수 있다.
자기장 통신은 자기장이 우세하게 존재하는 영역이 근역장이므로 전송거리가 멀어지면 급격하게 신호가 감쇄되는 특징이 있어 매우 가까운 영역에서만 활용될 수 있다. 자기장 통신의 대표적인 예로 NFC(near field communication) 기술이 있을 수 있다. NFC 기술의 경우 통신거리가 20cm 이하인 근접 거리에서 무선 통신이 수행될 수 있다. NFC 기술에서 안테나 코일은 공진현상을 이용하지 않고 자기유도기술을 이용하는 비공진 구조를 가질 수 있다. 따라서 무리 없이 필요한 대역폭을 확보할 수 있으나, 전송거리가 매우 짧을 수 있다. 자기유도기반의 초 근접 자기장 통신은 공진 구조의 루프 코일을 통해 광대역을 확보함으로써 전송 거리를 확장시킬 수 있다. 따라서 소형 안테나의 협대역 한계를 해결하기 위한 방법이 필요할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공진이 발생하는 소형 안테나의 협대역성을 극복하기 위한 공진기 구성에 관한 것으로 다수의 공진 코일을 활용한 광대역화 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 장치는, 제1 코일, 제2 코일, 제3 코일, 상기 제1 코일의 제1-1 단에 연결되는 제1 커패시터(capacitor), 상기 제2 코일의 제2-1 단에 연결되는 제2 커패시터, 상기 제3 코일의 제3-1 단에 연결되는 제3 커패시터, 그리고 상기 제1 코일의 제1-2 단, 상기 제2 코일의 제2-2 단 및 상기 제3 코일의 제3-2 단에 연결되는 제1 입력단과, 상기 제1 커패시터, 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터에 연결되는 제2 입력단을 포함하는 입력 포트를 포함하며, 상기 제1 코일 및 제1 커패시터는 제1 공진기를 구성하고, 상기 제2 코일 및 제2 커패시터는 제2 공진기를 구성하고, 상기 제3 코일 및 제3 커패시터는 제3 공진기를 구성하며, 상기 제1 내지 제3 코일들은 서로 겹치도록 배치되며, 상기 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침 정도에 따라 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 격리도가 결정된다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침은 병렬 형태일 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 공진기들의 공진 주파수는 서로 다를 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 상기 격리도는 상기 제1 내지 제3 코일들의 내경 및 두께에 따라 결정될 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 격리도가 최대이고, 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 겹침 정도가 최대이도록, 상기 제1 내지 제3 공진기들은 배치될 수 있다.
여기서, 상기 입력 포트의 입력 임피던스(impedance)는 1 내지 5옴(ohm) 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 코일들은 다층 구조의 PCB(printed circuit board) 또는 적층 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 장치에서 수행되는 안테나 설정 방법은, 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침 정도를 조절하는 단계, 상기 겹침 정도에 따라 제1 내지 제3 공진기들 간의 격리도 값들을 검출하는 단계, 상기 격리도 값들 중 최대 값을 검출하는 단계, 상기 최대 값을 갖는 상기 제1 내지 제3 공진기들의 배치에서 반사계수 값이 제1 값으로 상승하는지 확인하는 단계, 및 상기 반사계수 값이 상기 제1 값으로 상승하지 않는 경우, 상기 최대 값을 갖는 상기 제1 내지 제3 공진기들을 배치하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제1 값은 10dB(decibel)일 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침은 병렬 형태일 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 공진기들의 공진 주파수는 서로 다를 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 상기 격리도 값들은 상기 제1 내지 제3 코일들의 내경 및 두께에 따라 결정될 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 코일들은 다층 구조의 PCB(printed circuit board) 또는 적층 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기를 통해 공진형 루프 안테나를 소형화할 수 있고, 이와 함께 협대역성 문제도 해결될 수 있다. 또한, 광대역성을 확보함으로써 수중 또는 지중 자기장 통신 환경과 같은 근접 자기장 통신에서 전송 거리가 확장될 수 있다. 이에 따라 자기장 통신 시스템의 성능은 향상될 수 있다.
도 1은 자기장 통신에서 사용되는 공진 코일의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 공진 주파수가 상이한 두 개의 코일 구조의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 3은 공진 주파수가 상이한 세 개의 코일 구조의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 4는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 3개의 공진기들을 이용한 loop 안테나의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 5a는 제1 공진기의 10dB 반사손실 대역폭을 도시한 개념도이다.
도 5b는 제2 공진기의 10dB 반사손실 대역폭을 도시한 개념도이다.
도 5c는 제3 공진기의 10dB 반사손실 대역폭을 도시한 개념도이다.
도 6a는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6b는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6c는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제3 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6d는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제4 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7a는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제5 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7b는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제6 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7c는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제7 실시예를 도시한 개념도이다.
도 8a는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제8 실시예를 도시한 개념도이다.
도 8b는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제9 실시예를 도시한 개념도이다.
도 9a는 공진기들 간의 격리도가 55dB인 경우 루프 안테나의 대역폭 특성의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 9b는 공진기들 간의 격리도가 55dB인 경우 루프 안테나의 대역폭 특성의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 10은 자기장 통신을 위한 광대역 소형 루프 안테나 설계의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 11은 자기장 통신을 위한 광대역 소형 루프 안테나 설계 공정의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 12는 광대역 소형 루프 안테나를 이용한 중장거리 자기장 통신의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 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 본 발명이 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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system)이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 수백 MHz 이상의 고주파수 대역에서 일어나는 통신으로 지하 또는 수중에서 무선으로 정보를 전달하기 위한 자기장 통신 기술에 속할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 100kHz 이하의 저주파수 대역을 이용할 수 있으며, 정보 전송을 위해 자기장이 대부분을 차지하는 루프 구조의 코일 안테나를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 자기 루프(loop) 안테나의 경우 공진이 발생하는 소형 안테나의 근본적인 협대역성 문제를 극복하기 위한 공진기 구성에 관한 것으로, 다수의 공진 코일들 활용한 광대역화 기법에 대한 설명을 포함할 수 있다.
보다 많은 정보를 무선으로 전송하기 위해 무선채널에 속하는 물리계층에서 모듈/소자(예를 들어, 안테나, 송수신 필터, 또는 증폭기)의 대역폭이 중요한 파라미터일 수 있다. 일 실시 예로 10Mbps급의 정보를 송신하기 위해서는 ASK(amplitude shift keying), BPSK(binary phase shift keying)의 경우 적어도 8MHz의 대역폭이 필요할 수 있다. 자기장 통신은 자기장이 우세하게 존재하는 영역이 근역장이므로 전송거리가 멀어지면 급격하게 신호가 감쇄되는 특징이 있어 매우 가까운 영역에서만 활용될 수 있다. 자기장 통신의 대표적인 예로 NFC(near field communication) 기술이 있을 수 있다. NFC 기술의 경우 통신거리가 20cm 이하인 근접 거리에서 무선 통신이 수행될 수 있다. NFC 기술에서 안테나 코일은 공진현상을 이용하지 않고 자기유도기술을 이용하는 비공진 구조를 가질 수 있다. 따라서 무리 없이 필요한 대역폭을 확보할 수 있으나, 전송거리가 매우 짧 수 있다. 자기유도기반의 초 근접 자기장 통신은 공진 구조의 루프 코일을 통해 광대역을 확보함으로써 전송 거리를 확장시킬 수 있다.
다음으로, 자기장 통신에서 광대역을 확보하기 위한 방법이 설명될 것이다. 자기 공진기의 경우 협대역 특성에 의해 통신에 적용하기 위한 대역폭이 확보되지 않는 문제가 있을 수 있다. 공진이 발생하는 주파수 주변은 높은 Q(quality factor)값으로 인해 대역폭이 매우 좁은 특성을 가질 수 있다. 협대역의 문제를 해결하기 위해 단일 공진 코일 복수개를 조합하는 방법이 사용될 수 있다. 공진 안테나의 경우 충분한 전류를 코일에 흐르게 하기 위해 공진을 수행할 수 있다. 공진을 수행하는 경우 대역폭이 매우 좁은 안테나가 형성될 수 있다. 따라서 광대역을 확보하기 위한 중요한 설계 파라미터는 대역폭을 최대한으로 확보하고, 전체 안테나 사이즈를 최소로 하기 위한 상이한 공진 주파수를 갖는 공진기들의 조합일 수 있다.
도 1은 자기장 통신에서 사용되는 공진 코일의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, RLC 회로는 R(resistor), L(inductor 또는 코일) 및 C(capacitor)을 포함하는 회로를 의미할 수 있다. RLC 회로에서 공진이 되기 위해서는 L 및 C가 존재하면서도 임피던스(impedance)의 허수부(jX)가 0가 되어야 할 수 있다. 복소 임피던스(Z)는 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
공진 주파수는 상기 수학식 1에서 허수 임피던스(jX)가 0이 되도록 하는 주파수를 의미할 수 있다. 따라서 jX=0을 만족하는 공진 주파수 f는 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 높은 Q값을 갖는 공진기는 충분한 L값과 기생 C(parasitic capacitance)를 이용하여 제작될 수 있다. 상기 수학식 1에서 허수 임피던스를 0으로 만들기 위한 일 실시예로 주로 L로 구성된 소자의 경우라면 원하는 주파수에서 공진을 얻기 위해 C를 추가로 확보할 필요가 있을 수 있다.
도 2는 공진 주파수가 상이한 두 개의 코일 구조의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상술한 도 1에서의 제1 공진기를 이용하여 원하는 주파수에서 공진을 시킨 상태에서 상이한 공진 주파수를 얻기 위해 제2 공진기를 사용하는 방법이 설명될 수 있다. 제1 공진기는 제1 코일(LS1) 및 제1 커패시터(Cs1)를 포함할 수 있고, 제2 공진기는 제2 코일(LS2) 및 제2 커패시터(Cs2)를 포함할 수 있다. 제1 공진기와 제2 공진기는 서로 겹치게 배치될 수 있으며, 겹치는 정도(Loverlap)가 조절될 수 있다. 제1 및 제2 공진기가 겹침 정도에 의해 제1 및 제2 공진기 간의 상호 인덕턴스가 결정될 수 있으며, 상호 인덕턴스에 의해 제1 및 제2 공진기 간의 격리도(isolation)가 결정될 수 있다.
도 3은 공진 주파수가 상이한 세 개의 코일 구조의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 상술한 도 2에서의 제1 공진기 및 제2 공진기를 이용하여 서로 상이한 주파수에서 공진을 시킨 상태에서 또 다른 공진 주파수를 얻기 위해 제3 공진기를 사용하는 방법이 설명될 수 있다. 제1 공진기는 제1 코일(LS1) 및 제1 커패시터(Cs1)를 포함할 수 있고, 제2 공진기는 제2 코일(LS2) 및 제2 커패시터(Cs2)를 포함할 수 있고, 제3 공진기는 제3 코일(LS3) 및 제3 커패시터(Cs3)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 공진기가 서로 서로 겹치게 배치될 수 있으며, 겹침 정도가 조절될 수 있다.
도 4는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 3개의 공진기들을 이용한 루프 안테나의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들은 커패시터가 있는 단과 없는 단을 서로 결선하여 하나의 입력 포트를 구성할 수 있다. 따라서 하나의 안테나 포트가 서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수 개의 공진기들로 구성될 수 있다. 더욱 상세하게, 제1 공진기는 제1 코일(LS1) 및 제1 커패시터(Cs1)를 포함할 수 있고, 제2 공진기는 제2 코일(LS2) 및 제2 커패시터(Cs2)를 포함할 수 있고, 제3 공진기는 제3 코일(LS3) 및 제3 커패시터(Cs3)를 포함할 수 있다. 제1 코일(LS1)의 제1 단은 제1 커패시터(Cs1)에 연결될 수 있고, 제1 커패시터(Cs1)는 포트(예를 들어, 입력 및/또는 출력 포트)의 제2 입력단에 연결될 수 있다. 제1 코일(LS1)의 제2 단은 포트(예를 들어, 입력 및/또는 출력 포트)의 제1 입력단에 연결될 수 있다. 제2 코일(LS2)의 제1 단은 제2 커패시터(Cs2)에 연결될 수 있고, 제2 커패시터(Cs2)는 포트(예를 들어, 입력 및/또는 출력 포트)의 제2 입력단에 연결될 수 있다. 제2 코일(LS2)의 제2 단은 포트(예를 들어, 입력 및/또는 출력 포트)의 제1 입력단에 연결될 수 있다. 제3 코일(LS3)의 제1 단은 제3 커패시터(Cs3)에 연결될 수 있고, 제3 커패시터(Cs3)는 포트(예를 들어, 입력 및/또는 출력 포트)의 제2 입력단에 연결될 수 있다. 제3 코일(LS3)의 제2 단은 포트(예를 들어, 입력 및/또는 출력 포트)의 제1 입력단에 연결될 수 있다. 포트가 입력 포트인 경우, 입력 포트는 제1 입력단 및 제2 입력단을 포함할 수 있다. 입력 포트의 제1 입력단은 3개의 공진기들에 포함된 3개의 코일들에 연결될 수 있고, 입력 포트의 제2 입력단은 3개의 공진기들에 포함된 3개의 커패시터들에 연결될 수 있다.
도 5a는 제1 공진기의 10dB 반사손실 대역폭을 도시한 개념도이다.
도 5a를 참조하면, 제1 공진기는 공진 주파수가 22.727 kHz일 수 있고, BW10dB가 2.629kHz일 수 있다. 등가인 공진기의 인덕턴스가 78.8uH일 수 있고, 공진 주파수 22.727kHz를 얻기 위해 커패시턴스(capacitance)가 620nF인 커패시터가 연결될 수 있다.
도 5b는 제2 공진기의 10dB 반사손실 대역폭을 도시한 개념도이다.
도 5b를 참조하면, 제2 공진기는 공진 주파수가 21.579kHz일 수 있고, BW10dB가 3.061kHz일 수 있다. 등가인 공진기의 인덕턴스는 78.8 uH일 수 있고, 공진 주파수 21.579 kHz를 얻기 위해 커패시턴스가 690nF인 커패시터가 연결될 수 있다.
도 5c는 제3 공진기의 10dB 반사손실 대역폭을 도시한 개념도이다.
도 5c를 참조하면, 제3 공진기는 공진 주파수가 20.655kHz일 수 있고, BW10dB가 3.103kHz일 수 있다. 등가인 공진기의 인덕턴스는 78.8uH이며, 공진 주파수가 20.655kHz를 얻기 위해 커패시턴스가 755nF인 커패시터가 연결될 수 있다. 도 5a 내지 5c에서의 제1 내지 제3 공진기들을 이용하여 광대역의 공진 안테나를 얻기 위한 방법은 아래 도 6a 내지 6d에서 설명될 수 있다.
도 6a는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6a를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 10dB인 경우, 제1 공진기와 제2 공진기 사이의 결합도를 지시하는 S21(또는 S12)가 -10dB임을 의미할 수 있다. 격리도가 큰 경우 공진기들 간의 결합도는 줄어들 수 있다. 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 85mm일 수 있다. f1은 15.388 kHz, f2는 21.853 kHz, BW10dB는 6.465 kHz, 및 대역폭 확장율 2.11배일 수 있다.
도 6b는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6b를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 20dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 66mm일 수 있다. f1은 16.336kHz, f2는 24.526kHz, BW10dB는 8.19kHz, 및 대역폭 확장율은 2.67배일 수 있다.
도 6c는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제3 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6c를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 30dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 63mm일 수 있다. f1은 16.638kHz, f2는 24.871kHz, BW10dB는 8.233kHz, 및 대역폭 확장율은 2.68배일 수 있다.
도 6d는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제4 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6d를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 40dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 61mm일 수 있다. f1은 16.94kHz, f2는 25.216kHz, BW10dB는 8.276kHz, 및 대역폭 확장율은 2.703배일 수 있다.
도 6a 내지 6d를 다시 참조하면, 공진 코일들 간 겹침 정도가 감소하는 방향(예를 들어, 85mm에서 61mm)으로 구성될 수 있다. 공진 코일들 간의 겹침 정도는 공진기들 간의 격리도의 크기로 정의될 수 있다. 즉, 공진기들 간의 겹침 정도의 크기에 의해 공진기들 사이의 격리도가 결정될 수 있으며, 격리도는 제1 공진기와 제2 공진기, 제1 공진기와 제3 공진기, 및 제2 공진기와 제3 공진기 간의 결합 상태를 의미할 수 있다. 격리도가 10dB인 것은 공진기들 간의 결합 정도가 -10dB 수준임을 의미할 수 있다.
공진기들 간의 격리도가 각각 10dB, 20dB, 30dB, 및 40dB인 경우, 공진기들 간의 겹침 정도는 각각 85mm, 66mm, 63mm, 및 61mm일 수 있다. 공진기들 간의 겹침 정도가 각각 85mm, 66mm, 63mm, 및 61mm로 줄어들 경우 대역폭의 변화량은 각각 6.465kHz, 8.19kHz, 8.233kHz, 및 8.276kHz일 수 있다. 따라서 1개의 공진기가 갖는 평균 대역폭 대비 각각 2.11배, 2.67배, 2.68배, 및 2.70배로 겹침 정도가 줄어들면, 격리도가 높아지면서 대역폭이 넓어질 수 있다. 공진기들 간의 격리도가 높아질수록 공진기의 대역폭 균일도 특성도 양호해질 수 있다.
도 7a는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제5 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7a를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 55dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 60mm일 수 있다. f1은 16.81kHz, f2는 25.259kHz, BW10dB는 8.45kHz, 및 대역폭 확장율은 2.76배일 수 있다.
도 7b는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제6 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7b를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 20dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 53mm일 수 있다. f1은 17.629kHz, f2는 26.293kHz, BW10dB는 8.664kHz, 및 대역폭 확장율은 2.83배일 수 있다.
도 7c는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제7 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7c를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 12dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 30mm일 수 있다. f1은 21.767kHz, f2는 27.328kHz, BW10dB는 5.561(또는 8.966)kHz, 및 대역폭 확장율은 1.816(또는 2.929)배일 수 있다.
도 7a 내지 7c를 다시 참조하면, 공진 코일들 간 겹침 정도가 감소하는 방향(예를 들어, 60mm에서 30mm)으로 구성될 수 있다. 공진기들 간의 겹침 정도를 60mm로 줄이는 경우, 격리도는 최대 55dB일 수 있고, 공진기들 간의 결합도는 0에 가까울 수 있다. 공진기들 간의 겹침 정도를 더 줄이는 경우, 다시 격리도가 낮아질 수 있고 결합도는 높아질 수 있다.
공진기들 간의 겹침 정도가 60mm인 경우에 가장 높은 격리도를 가질 수 있고, 대역폭은 8.45kHz, 최대 대역폭 확장율은 2.76배일 수 있다. 공진기들 간의 겹침 정도를 각각 53mm, 30mm로 줄이는 경우, 공진기들 간의 격리도는 각각 20dB, 12dB일 수 있으며, 대역폭은 공진기들 간의 겹침 정도가 60mm인 경우에 비해 더 넓게 확보될 수 있다. 다만, 공진기들 간의 겹침 정도가 30mm인 경우, 중간에 반사계수 값이 10dB 쪽으로 상승하는 특징에 의해 오히려 대역폭이 좁아질 수도 있다. 따라서 최적의 루프 안테나 구조는 공진기들 간의 격리도가 가장 큰 값인 55dB인 경우일 수 있다.
도 8a는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제8 실시예를 도시한 개념도이다.
도 8a를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 14dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 43mm일 수 있다. f1은 17.888kHz, f2는 26.724kHz, BW10dB는 8.836kHz, 및 대역폭 확장율은 2.88배일 수 있다.
도 8b는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들 간의 겹침 정도 및 격리도에 따른 루프 안테나의 대역폭 특성의 제9 실시예를 도시한 개념도이다.
도 8b를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 18dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 58mm일 수 있다. f1은 17.672kHz, f2는 26.293kHz, BW10dB는 8.621kHz, 및 대역폭 확장율은 2.81배일 수 있다.
도 8a 및 8b를 다시 참조하면, 다시 공진기들 간의 겹침 정도가 증가하는 방향(즉, 코일들간 서로 멀어지는 방향)으로 구성될 수 있다. 도 7c를 다시 참조하면, 공진기들 간의 겹침 정도가 30m인 경우는 공진기들 간의 겹침 정도가 최소인 경우로 각 코일 부분이 완전히 겹치는 구조일 수 있으므로, 도 8a 및 8b에서는 공진기들 간의 거리가 멀어지면서 겹침 정도는 다시 증가할 수 있다. 도 8b를 다시 참조하면, 공진기들 간의 겹침 정도가 58mm 이상인 경우 공진기들 간의 겹침이 없을 수 있고, 적절한 대역폭이 확보될 수 있으나, 대역폭 내에서 반사손실 값이 10dB에 근접할 수 있다.
도 9a는 공진기들 간의 격리도가 55dB인 경우 루프 안테나의 대역폭 특성의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 9a를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 55dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 60mm일 수 있다. f1은 16.81kHz, f2는 25.259kHz, BW10dB는 8.45kHz, 및 대역폭 확장율은 2.76배일 수 있다.
도 9b는 공진기들 간의 격리도가 55dB인 경우 루프 안테나의 대역폭 특성의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 9b를 참조하면, 제1 공진기와 제2 공진기의 격리도가 55dB인 경우로, 안테나를 구성하는 3개의 공진기들의 공진 주파수는 각각 22.727kHz, 21.579kHz, 및 20.655kHz일 수 있으며, 공진기들 간의 겹침 정도는 433mm일 수 있다. f1은 17.198kHz, f2는 25.733kHz, BW10dB는 8.535kHz, 및 대역폭 확장율은 2.78배일 수 있다.
도 9a 및 9b를 다시 참조하면, 공진기들 간의 격리도가 55dB인 경우(예를 들어, 도 7a)와 공진기들 간의 거리가 433mm인 두가지 경우의 안테나가 동일한 대역폭 특성을 가질 수 있다. 동일한 대역폭 특성은 안테나의 전체 크기를 줄인 경우와 충분한 격리도를 얻기 위해 공진기들 간의 거리를 넓힌 경우의 안테나 대역폭이 동일하다는 것을 의미할 수 있다. 따라서 최적의 안테나 대역폭을 얻기 위해 최대의 격리도를 갖도록 공진기를 배치하는 것이 최적의 안테나 대역폭을 갖는 안테나를 구성하는 방법임을 의미할 수 있다.
도 10은 자기장 통신을 위한 광대역 소형 루프 안테나 설계의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 10을 참조하면, 실제 실험에 활용된 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들의 배치를 이용한 루프 안테나들(예를 들어, 도 6a, 도 6b, 도 7a, 도 7c, 도 8b, 및 도 9b의 루프 안테나)의 실제 형상을 의미할 수 있다. 다만, 도 10은 3개의 공진기들을 통한 루프 안테나 구성의 일 실시예를 도시한 것이며, 2 이상의 공진기들을 활용하는 경우에도 동일한 방법으로 루프 안테나가 구성될 수 있으므로 도 10의 도면에 나타난 실시예로 한정되는 것은 아니다.
도 7a 및 9b의 루프 안테나 형상에서 대역폭 특성은 동일할 수 있으나, 안테나의 크기에 확연한 차이가 있음을 알 수 있다. 도 7a의 루프 안테나는 격리도가 가장 큰 경우로 공진기 상호결합 계수는 최소값을 가질 수 있다. 즉, 제1 공진기에서 제2 공진기로, 제1 공진기에서 제3 공진기로, 또는 제2 공진기에서 제3 공진기로의 결합 계수가 최소인 것을 의미할 수 있다. 다만, 상술한 공진기들 간의 결합 계수는 공진기들 간의 결합 순서에 따라 달라지지 않을 수 있다. 본 실시예에서의 공진기들은 코일을 스파이럴(spiral) 구조로 감은 루프 형태를 가질 수 있다. 다만, 본 실시예는 스파이럴 구조에 한정되지 않고 모든 구조의 루프 안테나에 적용될 수 있으며, 기판 타입인 다층(또는 적층) 구조의 PCB(printed circuit board)에도 적용될 수 있다.
도 11은 자기장 통신을 위한 광대역 소형 루프 안테나 설계 공정의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 장치는 자기장 통신을 위한 광대역 소형 루프 안테나 설계 공정을 통해 광대역 소형 루프 안테나를 설계할 수 있다. 장치는 적어도 하나의 프로세서 및 해당 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 명령들을 저장하는 메모리를 포함할 수 있다. 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 메모리는 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
자기장 통신용 루프 구조의 광대역 소형 안테나의 제작 공정으로 공진기들 간의 겹침 정도와 격리도는 공진기들의 모양에 따라 다를 수 있다. 도 1을 다시 참조하면, 공진기의 내경(RIN)과 코일의 두께(W)에 따라 격리도가 최소가 되는 구조는 공진기들 마다 서로 다를 수 있다. 격리도는 공진기의 종류에 따라 다를 수 있다. 장치는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진 코일들을 형성한 후, 형성한 공진 코일들의 조합에서 격리도가 최소가 되는 구조를 찾아 대역폭을 확인하는 방법으로 루프 안테나를 광대역화 할 수 있다.
장치는 대기 상태에서 공진기들의 위치를 확인할 수 있다(S1301, S1302). 장치는 공진기들 간의 거리가 가까워지도록 조절할 수 있다(S1303). 공진기들 간의 거리가 가까워짐에 따라 공진기들 간의 겹침 정도가 감소될 수 있다. 또는 장치는 공진기들 간의 거리가 멀어지도록 조절할 수 있다(S1304). 공진기들 간의 거리가 멀어짐에 따라 공진기들 간의 겹침 정도가 증가될 수 있다. 장치는 상술한 단계 S1303 및 S1304에서 공진기들 간의 겹침 정도에 따라 공진기들 간의 격리도 값들을 검출할 수 있다(S1305). 장치는 검출한 격리도 값들 중 미리 설정된 최대값(예를 들어, 55dB)이 도출되지 않는 경우, 다시 공진기들의 위치를 확인하는 단계(즉, 단계 S1302)로 돌아갈 수 있다(S1306). 장치는 검출한 격리도 값들 중 미리 설정된 최대값(예를 들어, 55dB)이 검출되는 경우, 최대 격리도를 갖는 안테나 구성이 최적의 대역폭을 갖는지 확인할 수 있다(S1307). 여기서 최적의 대역폭은 반사계수 값이 10dB 쪽으로 상승하여 대역폭이 좁아지는 특성이 나타나지 않는 것을 의미할 수 있다. 장치는 최대 격리도를 갖는 안테나 구성이 최적 대역폭을 갖지 않는 경우, 다시 공진기들의 위치를 확인하는 단계(즉, 단계 S1302)로 돌아갈 수 있다(S1308). 장치는 최대 격리도를 갖는 안테나 구성이 최적 대역폭을 갖는 경우, 광대역 소형 루프 안테나가 완성된 것으로 판단할 수 있다(S1309).
도 12는 광대역 소형 루프 안테나를 이용한 중장거리 자기장 통신의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 12를 참조하면, 수중 또는 지중에서의 자기장 통신을 위한 시스템을 나타낼 수 있다. 자기장 통신은 전압 증폭기 구조의 스위칭 증폭기를 이용할 수 있고, 사용 주파수가 100kHz 내외라면 정합 회로(matching network)는 필요하지 않을 수도 있다. 특히, 스위칭 증폭기는 출력 임피던스가 1옴(Ohm) 또는 2옴으로 LC 직렬 공진기의 경우 안테나의 입력 임피던스가 매우 낮아 정합 회로가 필요 없을 수도 있다. 상술한 바는 출력단에서도 마찬가지일 수 있다. 수중 또는 지중의 경우 전자파 손실이 매우 높아 신호가 도달하지 못할 수 있다. 상술한 실시예들에 따른 광대역 소형 루프 안테나를 이용하는 경우, 자기장을 주로 형성하므로 자기장이 지배적인 필드인 근역장 영역에서 유리한 통신 수단이 될 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 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. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 설정컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 자기장 통신을 위한 안테나 장치로서,
    제1 코일;
    제2 코일;
    제3 코일;
    상기 제1 코일의 제1-1 단에 연결되는 제1 커패시터(capacitor);
    상기 제2 코일의 제2-1 단에 연결되는 제2 커패시터;
    상기 제3 코일의 제3-1 단에 연결되는 제3 커패시터; 그리고
    상기 제1 코일의 제1-2 단, 상기 제2 코일의 제2-2 단 및 상기 제3 코일의 제3-2 단에 연결되는 제1 입력단과, 상기 제1 커패시터, 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터에 연결되는 제2 입력단을 포함하는 입력 포트를 포함하며,
    상기 제1 코일 및 제1 커패시터는 제1 공진기를 구성하고, 상기 제2 코일 및 제2 커패시터는 제2 공진기를 구성하고, 상기 제3 코일 및 제3 커패시터는 제3 공진기를 구성하며, 상기 제1 내지 제3 코일들은 서로 겹치도록 배치되며, 상기 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침 정도에 따라 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 격리도가 결정되는, 안테나 장치
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침은 병렬 형태인, 안테나 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 공진기들의 공진 주파수는 서로 다른, 안테나 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 상기 격리도는 상기 제1 내지 제3 코일들의 내경 및 두께에 따라 결정되는, 안테나 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 격리도가 최대이고, 상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 겹침 정도가 최대이도록, 상기 제1 내지 제3 공진기들은 배치되는, 안테나 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 포트의 입력 임피던스(impedance)는 1 내지 5옴(ohm) 중 어느 하나의 값을 갖는, 안테나 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 코일들은 다층 구조의 PCB(printed circuit board) 또는 적층 구조 중 어느 하나의 구조를 갖는, 안테나 장치.
  8. 장치에서 수행되는 안테나 설정 방법으로,
    제1 내지 제3 코일들 간의 겹침 정도를 조절하는 단계;
    상기 겹침 정도에 따라 제1 내지 제3 공진기들 간의 격리도 값들을 검출하는 단계;
    상기 격리도 값들 중 최대 값을 검출하는 단계;
    상기 최대 값을 갖는 상기 제1 내지 제3 공진기들의 배치에서 반사계수 값이 제1 값으로 상승하는지 확인하는 단계; 및
    상기 반사계수 값이 상기 제1 값으로 상승하지 않는 경우, 상기 최대 값을 갖는 상기 제1 내지 제3 공진기들을 배치하는 단계를 포함하는, 안테나 설정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 값은 10dB(decibel)인, 안테나 설정 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 코일들 간의 겹침은 병렬 형태인, 안테나 설정 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 공진기들의 공진 주파수는 서로 다른, 안테나 설정 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 공진기들 간의 상기 격리도 값들은 상기 제1 내지 제3 코일들의 내경 및 두께에 따라 결정되는, 안테나 설정 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 코일들은 다층 구조의 PCB(printed circuit board) 또는 적층 구조 중 어느 하나의 구조를 갖는, 안테나 설정 방법.
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