KR20160092827A - 인체 삽입형 안테나 - Google Patents

Abstract

인체 삽입형 안테나가 제공된다. 안테나는 유전체 기판과 유전체 기판 상에 형성되어 있으며, U자형 루프를 가진 사각 나선형의 마이크로스트립 라인 그리고 유전체 기판을 관통하는 형태로 형성되어 마이크로스트립 라인에 연결되는 금속 도체로 이루어진 홀 형성부를 포함한다.

Description

인체 삽입형 안테나{Interstitial antenna}

본 발명은 인체 삽입형 안테나에 관한 것이다.

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.

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.

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.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고용량 신호 전송에 유리한 저주파 대역에서 안정적인 정합 특성을 가지면서 인체 내부에 삽입 가능한 인체 삽입형 안테나를 제공하는 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이하, 본 발명의 실시 예에서는 인체 삽입형 안테나에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나의 구조를 나타낸 도이다.

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.

유전체 기판(11)은 인체 삽입형 안테나의 소형화를 위하여 비유전율이 높은 기판(substrate)으로 이루어지며, 얇은 직사각형 형태로 이루어진다.

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.

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.

본 발명의 실시 예에서는 안테나 하단면에 금속성 접지면이 없으므로 무선충전용 코일이 안테나 하단에 놓이는 인체삽입시스템에서 안테나의 금속성 접지에 의한 전송효율 저하를 회피할 수 있다.

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.

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.

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.

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.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 U자형 루프를 이용한 정합특성을 나타낸 스미스 차트(smith chart)를 나타낸 도이다.

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.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 삽입형 안테나의 반사손실 특성을 나타낸 그래프이다.

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(ε_r=46.7, σ=0.69 S/m)을 가진다고 가정할 경우, 도 3에서와 같은 반사손실 특성이 나타낸다.

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.

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.

Claims (1)

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.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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