KR101601599B1 - 인체 착용형 장비 안테나 - Google Patents

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한양대학교 산학협력단
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Abstract

인체 착용형 장비 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상부에 형성되며, 분할된 링 형상인 제1방사 패치부; 상기 제2방사 패치부로부터 기 설정된 제1거리만큼 이격되어 상기 제1방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제2방사 패치부; 상기 제2방사 패치부로부터 기 설정된 제2거리만큼 이격되어, 상기 제2방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제3방사 패치부; 및 상기 제1방사 패치부로 급전 신호 및 접지를 제공하는 급전부를 포함한다.

Description

인체 착용형 장비 안테나{Antenna for Wearable Device}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인체 착용형 장비에 사용되는 안테나에 관한 것이다.
무선 통신 기술이 발달함에 따라 초소형, 저전력 통신이 가능하게 되었고, 이러한 기술은 인체 내의 송신기와 외부의 수신기를 통해 체내 정보를 무선으로 송수신하는 의료용 기기에 활용 가능하게 하였다.
이로 인해, 무선 인체 근접 네트워크와 함께 모니터링, 진단, 치료를 위한 의료용 이식 장비 및 의료용 착용형 장비의 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 인체 모니터링 시스템에서 가장 큰 문제점은 인체의 영향으로 인해 인체에 착용된 장비의 안테나가 매우 낮은 방사 효율을 가지며, 또한 인체의 유전율에 따라 그 방사 특성이 변화된다는 점이다.
높은 방사 효율을 가지기 위해서는 보다 강한 급전 신호와 큰 사이즈를 가지는 안테나를 필요로 하게 되나, 이를 위해서는 착용형 장비의 사이즈가 증가될 수 밖에 없어 낮은 방사 효율을 개선하는 것은 매우 극복하기 어려운 문제이다.
인체 모니터링을 위한 착용형 장비에서 전송되는 신호는 또 다른 착용형 의료 장비(예를 들어, 시계와 같은 착용형 장비)에 신호를 전송해야 하는 경우가 발생할 수 있으며, 많은 경우에 있어서 착용형 장비에 사용되는 안테나는 표면 지향성 방사 특성을 가질 필요가 있다.
또한, 본 발명은 표면 지향적인 방사 특성을 가지는 인체 착용형 장비 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 소형화된 구조를 가지는 인체 착용형 장비 안테나를 제안한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 접지면을 제공하는 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상부에 형성되며, 분할된 링 형상인 제1방사 패치부; 상기 제1방사 패치부로부터 기 설정된 제1거리만큼 이격되어 상기 제1방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제2방사 패치부; 상기 제2방사 패치부로부터 기 설정된 제2거리만큼 이격되어, 상기 제2방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제3방사 패치부; 및 상기 제1방사 패치부로 급전 신호 및 접지를 제공하는 급전부를 포함하는 인체 착용형 장비 안테나를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상부에 형성되며, 분할된 링 형상인 제1방사 패치부; 상기 제1방사 패치부로부터 기 설정된 제1거리만큼 이격되어 상기 제1방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제2방사 패치부; 및 상기 제1방사 패치부로 급전 신호 및 접지를 제공하는 급전부를 포함하며, 상기 제1방사 패치부 및 제2방사 패치부는 기 설정된 제2거리만큼 이격된 2개의 반원으로 분할된 형상인 인체 착용형 장비 안테나를 제공한다.
본 발명에 따르면, 기 설정된 간격으로 이격된 복수의 반원 링 형상의 패치를 이용함으로써, 인체 착용형 장비에 채용될 수 있는 저자세 및 소형으로 제작 가능한 안테나를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 루프 안테나와 유사한 방사 특성을 나타냄으로써, 표면 지향적인 방사 특성의 인체 착용형 장비 안테나를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 착용형 장비 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 인체 착용형 장비 안테나의 설계예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 인체 착용형 장비 안테나의 실험 환경을 나타내는 도면이다.
도 4는 인체 착용형 장비 안테나의 반사 손실 특성을 도시하고 있는 도면이다.
도 5는 인체 착용형 장비 안테나의 전류 분포를 도시하고 있는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 인체 착용형 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제2방사 패치부의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제1거리 및 제2거리에 따른 반사 손실 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제1방사 패치부의 내경 반지름 길이에 따른 반사 손실 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제3방사 패치부의 외경 반지름 길이에 따른 반사 손실 특성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명에 따른 인체 착용형 장비 안테나는, 인체 착용형 장비에서 발생되는 신호를 의료 장비에 전송하는 기능을 한다. 예를 들어, 인체 착용형 장비는 심장 박동수를 측정하는 장비일 수 있으며, 측정된 심장 박동수 정보가 본 발명에 따른 인체 착용형 장비 안테나를 통해 사용자가 착용하는 의료 장비에 전송된다.
여기서, 의료 장비는 인체 착용형 장비로부터 전송되는 신호를 수신하여 착용자의 상태를 분석하는 장비이다. 예를 들어, 착용형 의료 장비는 시계 형태로 사용자에게 착용되는 심장 박동수 분석 장비일 수 있다.
인체 착용형 장비는 인체에 착용되기 때문에, 소형으로 제작되어야하며, 따라서 인체 착용형 장비 안테나 역시 소형으로 제작될 필요가 있다. 또한 인체 착용형 장비 안테나는 인체 착용형 장비의 신호를 의료 장비로 전송해야 하므로 인체 표면 지향형 방사 특성을 가질 필요가 있다.
본 발명에 따른 인체 착용형 장비 안테나는 복수의 분할된 링(Split-Ring) 형상의 방사 패치를 이용함으로써, 소형으로 제작될 수 있으며 인체 표면 지향형 방사 특성을 나타낸다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 착용형 장비 안테나를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로 도 1(a)는 인체 착용형 장비 안테나(100)의 평면도를 도시하며, 도 1(b)는 인체 착용형 장비 안테나(100)의 정면도를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인체 착용형 장비 안테나(100)는 유전체 기판(101), 제1방사 패치부(111, 113), 제2방사 패치부(121, 123), 제3방사 패치부(131, 133) 및 급전부(140)를 포함한다. 그리고 실시예에 따라서 비아홀(150)을 더 포함할 수 있다.
유전체 기판(101)은 소정의 유전율을 가지는 유전체 재질로 이루어진다. 유전체 기판(101)의 유전율은 방사 주파수 및 방사 특성에 기초하여 정해질 수 있으며, 일실시예로서 FR-4 Epoxy(εr = 4.4, tanδ= 0.02) 기판이 유전체 기판(101)으로 사용될 수 있다.
제1 내지 제3방사 패치부(111, 113, 121, 123, 131, 133)는 분할된 링 형상으로, 유전체 기판(101) 상부에 형성되며, 일실시예로서 2개의 반원으로 분할된 형상일 수 있다.
보다 구체적으로 제2방사 패치부(121, 123)는 제1방사 패치부(111, 113)로부터 기 설정된 제1거리(d1)만큼 이격되어 제1방사 패치부(111, 113)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 그리고 제3방사 패치부(131, 133)는 제2방사 패치부(121, 123)로부터 기 설정된 제2거리(d2)만큼 이격되어 제2방사 패치부(121, 123)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제2방사 패치부(121, 123)는 제1방사 패치부(111, 113) 및 제3방사 패치부(131, 133) 사이에 위치할 수 있다.
여기서, 제1거리(d1) 및 제2거리(d2), 즉 제1방사 패치부(111, 113)와 제2방사 패치부(121, 123)의 거리 및 제2방사 패치부(121, 123)와 제3방사 패치부(131, 133)의 거리는 동일할 수 있으며, 실시예에 따라서 다양하게 결정될 수 있다. 제1거리(d1) 및 제2거리(d2)에 따라 인체 착용형 장비 안테나(100)의 반사 손실(return loss) 특성이 변경될 수 있다.
급전부(140)는 제1방사 패치부(111, 113)로 급전 신호 및 접지를 제공한다. 급전부(140)는, 일실시예로서 동축 케이블과 같은 리지드(rigid) 케이블과 연결되는 커넥터일 수 있으며, 동축 케이블의 내심을 통해 급전 신호가 제공되고 외심을 통해 접지가 제공될 수 있다. 제1방사 패치부(111, 113)의 제1반원(111)은 급전 신호를 제공받고 제2반원(113)은 접지와 연결될 수 있는데, 급전부(140)가 유천체 기판(101)의 하부에 위치할 경우, 제1방사 패치부(111, 113)와 급전부(140)를 전기적으로 연결하며 도전성 물질로 채워진 비아홀(150)을 통해 급전 신호 및 접지가 제공될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제1 내지 제3방사 패치부(111, 113, 121, 123, 131, 133)는 모두 기 설정된 제3거리(d3)만큼 이격된 2개의 반원으로 분할된 형상일 수 있으며, 제1 내지 제3방사 패치부(111, 113, 121, 123, 131, 133) 각각의 곡률 중심(center of curvature)은 C로 모두 동일한 것이 바람직하다. 다만, 제1방사 패치부(111, 113)의 폭은 제2방사 패치부(121, 123)의 폭보다 크며, 제2방사 패치부(121, 123)의 폭은 제3방사 패치부(131, 133)의 폭보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제1방사 패치부(111, 113)로 제공된 급전 신호는 제1방사 패치부(111, 113)와 커플링된 제3방사 패치부(131, 133)를 통해 방사된다. 이 때, 제3거리(d3)가 매우 작기 때문에 제3방사 패치부(131, 133)는 루프 안테나와 유사하게 수평면에서 전방향성으로 방사하는 특성을 나타낼 수 있으며, 따라서, 인체 표면 지향 방사 특성이 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기 설정된 간격으로 이격된 복수의 반원 링 형상의 패치를 이용함으로써, 인체 착용형 장비에 채용될 수 있는 저자세(low porfile) 및 소형으로 제작 가능한 안테나를 제공할 수 있다. 즉, 유전체 기판(101)의 높이(h)를 최소화할 수 있다.
마지막으로 본 발명에 따르면, 제2방사 패치부(121, 123)를 이용하여 임피던스 매칭 특성을 개선시킬 수 있는데, 실시예에 따라서 인체 착용형 장비 안테나(100)는 제2방사 패치부(121, 123)를 포함하지 않을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 인체 착용형 장비 안테나의 설계예를 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 인체 착용형 장비 안테나의 실험 환경을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 설명된 인체 착용형 장비 안테나(100)가 5.8 GHz IMS 대역에서 동작할 수 있도록 설계한 예를 나타낸다. 유전체 기판(101)의 크기는 15 mm × 15 mm × 0.4 mm(0.29λ0 × 0.29λ0 × 0.008λ0 at 5.8 GHz)이며, 제1방사 패치부(111, 113) SR1의 외경 반지름 길이는 3mm, 제2방사 패치부(121, 123) SR2의 외경 반지름 길이는 4.3mm, 제3방사 패치부(131, 133) SR3의 외경 반지름 길이는 5.3mm이다. 그리고 제1방사 패치부(111, 113) SR1의 내경 반지름 길이 및 원주의 길이 각각은1.54mm 및 10 mm (0.2λ0 at 5.8 GHz)이며, 제1 내지 제3거리(d1=d2=G, d3)는 모두 0.5mm이다.
도 3은 인체 팬텀(300) 상에 위치하는 인체 착용형 장비 안테나(100)를 도시하는 도면이다.
인체는 일반적인 자유 공간과는 다른 유전율 및 도전율을 가지고 있기 때문에, 의료 장비들의 데이터를 무선으로 송수신하려면 인체의 특성에 맞게 안테나를 포함하는 무선 송수신 장치가 제작되어야 하는데, 인체를 이용하여 실험하기 어려우므로 인체와 유사한 유전율 및 도전율 특성을 갖는 인체 팬텀을 통해 안테나 테스트를 수행한다.
인체 팬텀(εr = 32.66, σ= 3.47 S/m at 5.8 GHz, 300)은 200 mm × 200 mm × 70 mm의 크기이며, 인체 착용형 장비 안테나(100)의 유전체 기판(101)은 인체 팬텀(300)으로부터 15mm 이격되어 설치되어 있다.
이하 도 4 내지 도 6에서, 도 2 및 도 3에 도시된 인체 착용형 장비 안테나의 특성을 설명하기로 한다.
도 4는 인체 착용형 장비 안테나(100)의 반사 손실 특성을 도시하고 있는 도면이며, 도 5는 인체 착용형 장비 안테나(100)의 전류 분포를 도시하고 있는 도면이다.
도 4는 시뮬레이션 결과(실선)와 실제 측정 결과(점선)를 나타내고 있으며, 인체 착용형 장비 안테나(100)의 10-dB 반사손실 대역폭은 280 MHz(5.68 ~ 5.96 GHz)로 5.8 GHz ISM 대역을 모두 만족함을 알 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전류는 제3방사 패치부(131, 133)에 집중되고 있으며, 제3방사 패치부(131, 133)가 방사체로 동작함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 인체 착용형 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 도면으로, 도 6(a)는 본 발명에 따른 인체 착용형 안테나의 방사 패턴을 나타내며, 도 6(b)는 1개의 분할된 링을 포함하는 안테나(레퍼런스 안테나)의 방사 패턴을 나타낸다.
도 6(b)와 비교하여, 도 6(a)에서의 인체 팬텀에 수직 방향(θ = 0°)으로의 방사 세기가 보다 적음을 알 수 있다. 즉 본 발명에 따른 인체 착용형 안테나의 방사 특성은 인체 표면 지향 특성을 나타내며, 본 발명에 따른 인체 착용형 안테나는 레퍼런스 안테나와 비교하여 보다 우수한 인체 표면 지향 방상 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 7은 제2방사 패치부(121, 123) SR2의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 제1거리 및 제2거리(d1=d2=G)에 따른 반사 손실 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 제1방사 패치부(111, 123) SR1의 내경 반지름 길이에 따른 반사 손실 특성을 설명하기 위한 도면이며, 도 10은 제3방사 패치부(131, 133) SR3의 외경 반지름 길이에 따른 반사 손실 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제2방사 패치부(SR2)의 유무에 따라서 입력 임피던스 특성이 달라짐을 알 수 있다. 제2방사 패치부(SR2)가 존재할 경우 5.8GHz에서 임피던스의 실수부 성분이 증가하고, 임피던스의 허수부 성분이 0에 근접함으로써 임피던스 매칭 특성이 개선된다.
도 8을 참조하면, 0.5mm를 기준으로 제1 및 제2거리(G)가 증가할수록 공진주파수가 하향하며, 제1 및 제2거리(G)가 감소할수록 공진주파수가 상향함을 알 수 있다. 즉, 제1 및 제2거리에 따라 인체 착용형 장비 안테나의 공진 주파수는 조절될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1방사 패치부(SR1)의 내경 반지름 길이가 1.54mm일 때 가장 매칭 특성이 좋은 것을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, 제3방사 패치부(SR3)의 외경 반지름 길이가 커질수록 공진 주파수가 하향함을 알 수 있다. 즉, 제3방사 패치부(SR3)의 외경 반지름 길이에 따라 인체 착용형 장비 안테나의 공진 주파수는 조절될 수 있다.
한편, 반지름에 따라 원의 길이가 달라지므로, 방사 패치부의 내경 또는 외경 반지름의 길이에 따라서 방사 패치부의 길이가 달라진다. 따라서, 도 9 및 도 10은 제1방사 패치부(SR1) 및 제3방사 패치부(SR3)의 길이에 따른 반사 손실 특성을 설명한다고 볼 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상부에 형성되며, 분할된 링 형상인 제1방사 패치부;
    상기 제1방사 패치부로부터 기 설정된 제1거리만큼 이격되어 상기 제1방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제2방사 패치부;
    상기 제2방사 패치부로부터 기 설정된 제2거리만큼 이격되어, 상기 제2방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제3방사 패치부; 및
    상기 제1방사 패치부로 급전 신호 및 접지를 제공하는 급전부
    를 포함하는 인체 착용형 장비 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부 내지 제3방사 패치부는
    기 설정된 제3거리만큼 이격된 2개의 반원으로 분할된 형상인
    인체 착용형 장비 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부의 제1반원은 상기 급전 신호를 제공받으며, 상기 제1방사 패치부의 제2반원은 상기 접지와 연결되는
    인체 착용형 장비 안테나.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부 내지 제3방사 패치부 각각의 곡률 중심은 모두 동일한
    인체 착용형 장비 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부와 상기 급전부를 전기적으로 연결하는 비아홀을 더 포함하며,
    상기 급전부는 상기 유전체 기판의 하부에 위치하는
    인체 착용형 장비 안테나.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1거리 및 상기 제2거리는 동일한
    인체 착용형 장비 안테나.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부의 폭은 상기 제2방사 패치부의 폭보다 크며,
    상기 제2방사 패치부의 폭은 상기 제3방사 패치부의 폭보다 큰
    인체 착용형 장비 안테나.
  8. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상부에 형성되며, 분할된 링 형상인 제1방사 패치부;
    상기 제1방사 패치부로부터 기 설정된 제1거리만큼 이격되어 상기 제1방사 패치부를 둘러싸며, 분할된 링 형상인 제2방사 패치부; 및
    상기 제1방사 패치부로 급전 신호 및 접지를 제공하는 급전부를 포함하며,
    상기 제1방사 패치부 및 제2방사 패치부는
    기 설정된 제2거리만큼 이격된 2개의 반원으로 분할된 형상인
    인체 착용형 장비 안테나.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부 및 상기 제2방사 패치부 사이에 위치하며, 분할된 링 형상인 제3방사 패치부
    를 더 포함하는 인체 착용형 장비 안테나.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제3방사 패치부는
    상기 제2거리만큼 이격된 2개의 반원으로 분할된 형상인
    인체 착용형 장비 안테나.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부 및 상기 제3방사 패치부의 거리는, 상기 제2방사 패치부 및 상기 제2방사 패치부의 거리와 동일한
    인체 착용형 장비 안테나.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부의 제1반원은 상기 급전 신호를 제공받으며, 상기 제1방사 패치부의 제2반원은 상기 접지와 연결되는
    인체 착용형 장비 안테나.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 제1방사 패치부 및 상기 제2방사 패치부 각각의 곡률 중심은 모두 동일한
    인체 착용형 장비 안테나.
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