KR20160092827A - Interstitial antenna - Google Patents

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이재호
서동욱
이형수
이수인
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한국전자통신연구원
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Abstract

Provided is a human implantable antenna having a stable matching characteristic in a low frequency band. The antenna includes: a dielectric substrate; a microstrip line formed on the dielectric substrate and having a square spiral shape having a U-shaped loop; and a hole formation unit formed in a shape of penetrating the dielectric substrate to be connected to the microstrip line and made of a metal conductor.

Description

인체 삽입형 안테나{Interstitial antenna}[0001] Interbody antenna [0002]

본 발명은 인체 삽입형 안테나에 관한 것이다. The present invention relates to a human insertion type antenna.

무선 인체통신망(Wireless Body Area Network, 이하에서는 'WBAN'이라고도 함)에서 인체 외부의 베이스스테이션(또는 게이트웨이)과 무선 통신이 가능케 하는 인체 삽입형 안테나는, 인체 내부의 제약된 공간에 삽입되므로 소형화(miniaturization) 및 슬림화(low-profile)의 형태로 제작되어야 한다. 이를 위하여 인체 삽입형 안테나는 극히 제약된 공간에서 안테나의 전기적 길이를 확보하기 위하여, 마이크로스트립 라인을 꼬불꼬불하게 꼰 형태의 미앤더(meandered) 또는 나선형(spiral)으로 배치하거나, 유전체 상단의 방사부와 하단의 금속도체의 접지면을 단락핀으로 연결한 평면형 역 에프 안테나(PIFA; Planar Inverted-F Antenna) 또는 패치를 적층(patch stacking)한 구조로 이루어진다. The human-mounted antenna, which enables wireless communication with a base station (or gateway) outside the human body in a wireless body area network (WBAN), is inserted in a restricted space inside the human body, ) And slim (low-profile) shape. For this purpose, in order to secure the electrical length of the antenna in an extremely restricted space, the human insertion type antenna may be arranged in a meandered or spiral form of a twisted and twisted microstrip line, And a planar inverted-F antenna (PIFA) or a patch stacked structure in which a ground plane of the lower metal conductor is connected by a shorting pin.

이러한 인체 삽입형 안테나로 광대역 정합특성을 지니고 원형 편파를 얻을 수 있는 아르키메데스(Archimedes) 또는 로그(Log) 나선형 구조의 안테나가 사용되었다. 그러나, 극히 제한된 안테나의 크기로 인하여, 안테나의 전기적 길이 및 인체 삽입용 기기에 할당된 저주파의 운용 주파수에서의 정합특성을 확보하기가 어려운 문제점이 있다. An Archimedes or Log spiral antenna is used to obtain circular polarization with wideband matching characteristics with this human body type antenna. However, due to the extremely limited size of the antenna, it is difficult to secure matching characteristics at the operating frequency of the low frequency assigned to the apparatus for inserting the human body and the electrical length of the antenna.

또한 인체 삽입형 안테나로 일정한 높이를 가지는 원통형의 형상인 유전체상에 페르마 나선(Fermat? spiral)의 구조의 마이크로스트립 라인을 사용한 체내 삽입형 안테나가 제안되었다. 그러나 제안된 체내 삽입형 안테나는 원형구조의 안테나이기 때문에, 응용에 따라서 직사각형 형상으로 구현되어야 할 경우에는 적합하지 않아 활용성에서 제한적이다. 또한 안테나 하단에 무선전력전송코일이 배치될 경우, 금속성 접지면에 의하여 심각한 전력전송효율의 저하가 초래될 수 있다. Also, a body-insertable antenna using a microstrip line of a Fermat-spiral structure on a dielectric of a cylindrical shape having a constant height with a human-body-type antenna has been proposed. However, since the proposed insertion type antenna is a circular type antenna, it is not suitable when it is required to be implemented in a rectangular shape depending on the application, which is limited in practicality. Also, if a radio power transmission coil is disposed at the bottom of the antenna, a significant reduction in power transmission efficiency may be caused by the metallic ground plane.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고용량 신호 전송에 유리한 저주파 대역에서 안정적인 정합 특성을 가지면서 인체 내부에 삽입 가능한 인체 삽입형 안테나를 제공하는 것이다. The object of the present invention is to provide a human-body-insertable antenna which can be inserted into a human body while having stable matching characteristics in a low-frequency band, which is advantageous for high-capacity signal transmission.

위의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 인체 삽입형 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상에 형성되어 있으며, U자형 루프를 가진 사각 나선형의 마이크로스트립 라인; 그리고 상기 유전체 기판을 관통하는 형태로 형성되어 상기 마이크로스트립 라인에 연결되는 금속 도체로 이루어진 홀 형성부를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a human body-inserted antenna including: a dielectric substrate; A square spiral microstrip line formed on the dielectric substrate and having a U-shaped loop; And a hole forming portion formed of a metal conductor formed to penetrate through the dielectric substrate and connected to the microstrip line.

본 발명의 실시 예에 따르면, 인체 내부에 극히 제한적인 공간 내에서도 삽입되어 외부 베이스스테이션(또는 게이트웨이) 시스템과 무선통신을 하면서, 고용량 신호 전송에 유리한 저주파 대역에서 안정적인 정합 특성을 가지는 소형의 인체 삽입형 안테나를 제공할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, a small human-body-insertable antenna (antenna) having a stable matching characteristic in a low-frequency band, which is advantageous for high-capacity signal transmission while being wirelessly communicated with an external base station (or gateway) Can be provided.

또한 유전체 기판 상에 사각형 나선 형태의 마이크로스트립 라인에 U자형 루프 구조를 결합하여 동작 주파수에서 정합특성을 개선시킬 수 있다. 또한 인체 내부에 삽입 가능하도록 극히 제한된 유전체 기판 상에 방사도체를 효율적으로 실장한 안테나를 제공할 수 있다. It is also possible to combine the U-shaped loop structure with a rectangular spiral microstrip line on the dielectric substrate to improve the matching characteristics at the operating frequency. Also, it is possible to provide an antenna in which a radiating conductor is efficiently mounted on a dielectric substrate that is extremely limited to be insertable into a human body.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 U자형 루프를 이용한 정합특성을 나타낸 스미스 차트(smith chart)를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나의 반사손실 특성을 나타낸 그래프이다. 1 is a view illustrating a structure of a human body-inserted antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a smith chart showing matching characteristics using a U-shaped loop according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a graph showing return loss characteristics of a human body-inserted antenna according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

이하, 본 발명의 실시 예에서는 인체 삽입형 안테나에 대하여 설명한다. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to a human-body-type antenna.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나의 구조를 나타낸 도이다.1 is a view illustrating a structure of a human body-inserted antenna according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나(1)는 도 1에서와 같이, 유전체기판(11)과 사각 나선형의 마이크로스트립 라인(12)을 포함하며, 그리고 홀 형성부(13)를 포함하며, 이러한 구성 요소들은 인체 적합성(bio-compatibility) 재질로 이루어진 케이스(14)에 포함되는 형태로 구현된다. 1, the human body-inserted antenna 1 according to an embodiment of the present invention includes a dielectric substrate 11, a micro-strip line 12 having a square spiral shape, and a hole forming portion 13, These components are implemented in the form of being contained in a case 14 made of a bio-compatible material.

유전체 기판(11)은 인체 삽입형 안테나의 소형화를 위하여 비유전율이 높은 기판(substrate)으로 이루어지며, 얇은 직사각형 형태로 이루어진다. The dielectric substrate 11 is made of a substrate having a high relative dielectric constant and is formed in a thin rectangular shape for miniaturization of the human insertion type antenna.

마이크로스트립 라인(12)은 안테나의 방사부로 기능하며, U자형 루프를 가진 사각 나선형의 형태로 이루어진다. 유전체 기판(11) 상에 금속 패터닝(patterning)을 통하여 마이크로스트립 라인(12)가 형성될 수 있다. The microstrip line 12 functions as a radiation part of the antenna, and is formed in a rectangular spiral shape with a U-shaped loop. The microstrip line 12 may be formed on the dielectric substrate 11 by metal patterning.

홀 형성부(13)는 유전체 기판(11) 내부를 관통하는 형태로 형성되며, 마이크로스트립 라인(12)과 연결된다. 홀 형성부(13)는 금속으로 도포되며, 유전체 기판(11) 후면에 형성되는 급전부(도시하지 않음)와 마이크로스트립 라인(12)을 전기적으로 연결시킨다. 예를 들어, 동축 케이블을 이용하여 인체 삽입형 안테나(1)를 급전하는 경우에 평형신호(balanced signal)을 급전하기 위하여, 유전체 기판(11)의 후면에 위치하는 바룬(balun: Balance-to-Unbalance)과 같은 정합 변환기가 홀 형성부(13)를 통하여 안테나 방사부 즉, 마이크로스트립 라인(12)과 전기적으로 연결되어, 급전이 이루어진다. 홀 형성부(13)는 도 1과 같이, 제1 홀 형성부(131)와 제2 홀 형성부(132)를 포함한다. The hole forming portion 13 is formed to penetrate the inside of the dielectric substrate 11 and is connected to the microstrip line 12. [ The hole forming portion 13 is coated with a metal and electrically connects the feeding portion (not shown) formed on the rear surface of the dielectric substrate 11 and the microstrip line 12. For example, in order to feed a balanced signal when a human body-inserted antenna 1 is fed by using a coaxial cable, a balun-balun (Balun-to-Unbalance) Is electrically connected to the antenna radiation portion, that is, the microstrip line 12 through the hole forming portion 13, and power is supplied. The hole forming portion 13 includes a first hole forming portion 131 and a second hole forming portion 132, as shown in FIG.

본 발명의 실시 예에서는 안테나 하단면에 금속성 접지면이 없으므로 무선충전용 코일이 안테나 하단에 놓이는 인체삽입시스템에서 안테나의 금속성 접지에 의한 전송효율 저하를 회피할 수 있다. In the embodiment of the present invention, since there is no metallic ground plane at the bottom surface of the antenna, deterioration of transmission efficiency due to metallic grounding of the antenna can be avoided in the human body insertion system in which the wireless charging coil is placed at the bottom of the antenna.

한편, 사각 나선형의 마이크로스트립 라인(12)은 구체적으로, 도 1에서와 같이, 사각 나선형으로 이루어지며 제1 홀 형성부(131)와 연결되는 제1 마이크로스트립 라인(121)와, 사각 나선형으로 이루어지며 제2 홀 형성부(132)와 연결되는 제2 마이크로스트립 라인(12)을 포함한다. 그리고, 안테나의 낮은 방사 저항과 용량성 리액턴스(capacitive reactance)를 위하여, 제1 마이크로스트립 라인(121)와 제2 마이크로스트립 라인(122)에 연결되는 U자형 루프(123)를 더 포함한다. 1, the rectangular microstrip line 12 includes a first microstrip line 121 formed in a square spiral shape and connected to the first hole forming part 131, And a second microstrip line 12 connected to the second hole forming part 132. And further includes a U-shaped loop 123 connected to the first microstrip line 121 and the second microstrip line 122 for low radiation resistance and capacitive reactance of the antenna.

서로 마주보는 형태로 분리되어 형성되어 있는 제1 홀 형성부(131)와 제2 홀 형성부(132) 주변에 U자형 루프(123)가 형성되는데, 제1 홀 형성부(131)와 연결된 제1 마이크로스트립 라인(121)에 U자형 루프(123)의 일측단이 연결되고, 제2 홀 형성부(132)와 연결되는 제2 마이크로스트립 라인(122)에 U자형 루프(123)의 타측단이 연결된다. A U-shaped loop 123 is formed around the first hole forming part 131 and the second hole forming part 132 which are formed separately from each other. The U-shaped loop 123 is connected to the first hole forming part 131, One loop of the U-shaped loop 123 is connected to one microstrip line 121 and the other end of the U-shaped loop 123 is connected to the second microstrip line 122 connected to the second hole- Lt; / RTI >

U자형 루프(123)의 전기적 길이(U2)가 조절가능하며, 이러한 전기적 길이(U2)를 조절하여 사각 나선형 마이크로스트립 라인의 용량성 리액턴스 성분을 제거하여, 안테나의 운용 주파수에서 정합 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 사각 나선형 마이크로스트립 라인(121, 122)의 길이를 조절하여 운용주파수를 조정하고, U자형 루프(123)의 전기적 길이 조절을 통하여 안테나 입력 임피던스를 조절함으로써, 원하는 운용 주파수에서 원하는 정합특성을 보다 개선할 수 있다. The electrical length U 2 of the U-shaped loop 123 is adjustable to eliminate the capacitive reactance component of the quadrangular spiral microstrip line by adjusting this electrical length U 2 so that the matching characteristics at the operating frequency of the antenna Can be improved. In particular, by adjusting the operating frequency by adjusting the length of the square spiral microstrip lines 121 and 122 and adjusting the antenna input impedance by adjusting the electrical length of the U-shaped loop 123, desired matching characteristics Can be improved.

U자형 루프(123)의 U2의 길이에 따른 운용 주파수의 변화는 없지만(안테나 입력 임피던스의 허수부는 0으로 공진주파수의 변화가 없지만), 안테나의 입력 임피던스의 실수부가 변한다. U2의 길이가 길어지면, 안테나 입력 임피던스의 실수부가 커지고, U2의 길이가 짧아지면 안테나 입력 임피던스의 실수부가 작아지게 된다. 이를 이용하여 급전부와의 정합특성을 개선시킬 수 있다.Although there is no change in the operating frequency according to the length of U 2 of the U-shaped loop 123 (although the imaginary part of the antenna input impedance is 0, there is no change in the resonance frequency), the real number of the input impedance of the antenna changes. If the length of U 2 becomes long, the real part of the antenna input impedance becomes large, and if the length of U 2 becomes short, the real part of the antenna input impedance becomes small. It is possible to improve the matching characteristic with the feeding part.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 U자형 루프를 이용한 정합특성을 나타낸 스미스 차트(smith chart)를 나타낸 도이다. FIG. 2 is a view showing a smith chart showing matching characteristics using a U-shaped loop according to an embodiment of the present invention. FIG.

본 발명의 실시 예에서는 직사각형 나선형의 마이크로스트립 라인을 형성하여 방사도체를 형성하면서, U자형 루프구조를 직사각 나선형 마이크로스트립 라인에 결합하여, 도 2에서와 같이, 저주파 운용주파수에서 정합특성을 개선시킬 수 있다. U자형 루프가 없는 사각 나선형 마이크로스트립 라인은 낮은 방사저항 성분과 용량성 리액턴스 성분을 가지지만, 여기에 병렬(shunt)형태로 결합된 U자형 루프가 유도성 리액턴스 성분을 병렬로 제공하여 안테나 임피던스를 변환시켜 원하는 안테나 임피던스를 가지게 한다.In the embodiment of the present invention, the U-shaped loop structure is coupled to the rectangular spiral microstrip line by forming a rectangular spiral microstrip line to form the radiating conductor, thereby improving the matching characteristic at the low frequency operating frequency . A square spiral microstrip line without a U-shaped loop has a low radiation resistance and a capacitive reactance component, but here a U-shaped loop coupled in shunt form provides an inductive reactance component in parallel, So as to have a desired antenna impedance.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나의 반사손실 특성을 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing return loss characteristics of a human body-inserted antenna according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나는 인체에 삽입되어 동작하므로 인체내 매질을 고려한 주파수에 따른 반사손실 특성을 가진다. 인체매질은 MICS(402 ~ 405MHz)대역에서 피부의 전기적 특성(εr=46.7, σ=0.69 S/m)을 가진다고 가정할 경우, 도 3에서와 같은 반사손실 특성이 나타낸다. Since the human insertion type antenna according to the embodiment of the present invention is inserted into a human body, the antenna has a reflection loss characteristic according to a frequency considering a medium in the human body. Assuming that the human body has electrical characteristics (ε r = 46.7, σ = 0.69 S / m) of the skin in the MICS (402 to 405 MHz) band, the return loss characteristic is shown in FIG.

본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나는 U자형 루프를 이용하여 첨부한 도 3에서와 같이, 안테나의 운용 주파수를 충분히 만족하는 정합 특성의 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 안테나의 삽입위치에 따른 인체매질 및 안테나 케이스의 전기적 특성이 변할 경우, 이를 고려하여 사각 마이크로스트립 라인과 U자형 루프의 길이와 같은 안테나의 파라미터를 조절하여 최적화할 수 있다. It can be seen that the human body insertable antenna according to the embodiment of the present invention can obtain the result of the matching characteristic that fully satisfies the operating frequency of the antenna as shown in FIG. 3 using the U-shaped loop. The antenna parameters such as the length of the rectangular microstrip line and the U-shaped loop can be adjusted and optimized in consideration of the change in the electrical characteristics of the human body and the antenna case according to the insertion position of the antenna.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

Claims (1)

유전체 기판;
상기 유전체 기판 상에 형성되어 있으며, U자형 루프를 가진 사각 나선형의 마이크로스트립 라인; 그리고
상기 유전체 기판을 관통하는 형태로 형성되어 상기 마이크로스트립 라인에 연결되는 금속 도체로 이루어진 홀 형성부
를 포함하는, 인체 삽입형 안테나.











A dielectric substrate;
A square spiral microstrip line formed on the dielectric substrate and having a U-shaped loop; And
And a hole forming part formed of a metal conductor formed to penetrate the dielectric substrate and connected to the microstrip line,
Wherein the antenna is a human body.











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