Design of a TM₃₁ Higher Order Mode Half Circular-Ring Microstrip Patch Antenna for On-Body Communications

ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

인체 표면 통신을 위한 TM

³¹

Design of a TM

Higher Order Mode Half Circular-Ring Microstrip Patch Antenna for On-Body Communications

탁진필 ․전재성․김선우․최재훈

Jinpil Tak ․Jaesung Jeon․Sunwoo Kim․Jaehoon Choi

본 논문에서는 모노폴과 같은 방사특성을 갖고 인체 표면 간 통신을 위한 TM31 고차 모드 반원-링 마이크로스트립

패치 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 단락 핀을 이용하여 TM31고차 공진 모드를 형성하였고, 평면형임에도 불구

하고 모노폴과 같은 방사특성을 갖는다. 패치안테나의 좁은 대역폭을 확장하기 위해 TM31모드 C-형 반링 패치를 반원

패치에 인접시켰으며, 소형화를 위해 half mode를 사용하였다. 인체 착용환경을 고려하여 마이크로스트립 라인을 이용하 여 급전하였다. 제안된 안테나는 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 2.45 GHz 대역(2.4～2.485 GHz)에서 0.25 λ0×0.46 λ₀×0.025 λ0의 크기를 갖고, 2.38～2.49 GHz에서 4.24 %의 10-dB 반사손실 대역폭을 갖는다. 인체의 영향을 고려하기 위해 2/3 근육-등가 반고체형 모의인체를 제작하고, 이를 이용하여 안테나에 미치는 인체의 영향을 분석, 검증하였다.

또한, 실제 인체 상황에서 제안된 안테나를 통해 인체 표면 간 링크의 통신 성능 분석을 위한 실험을 수행하였다.

Abstract

In this paper, a TM31 higher order mode half circular-ring microstrip antenna with monopole-like radiation characteristic for on-body communication is proposed. By using shorting vias, TM31 resonance mode was excited, while achieving compact low-profile antenna with monopole-like radiation characteristics. To overcome the narrow bandwidth of a patch antenna, a C-shape half ring patch with shorting vias having TM31 mode is closely located around a half circular patch. For size reduction, half mode is adopted. The proposed antenna has the overall dimensions of 0.25 λ0×0.46 λ0×0.025 λ0 at the industrial, scientific, and medical(ISM) 2.45 GHz band(2.4～

2.485 GHz) and the 10-dB return loss is 4.24 % ranging from 2.38 to 2.49 GHz. To verify body effect, two-thirds muscle equivalent semi solid phantom was fabricated and used to measure the antenna performance. A communication link is analysed to investigate the effect of human-body movements and antenna locations.

Key words: Circular-Ring Microstrip Patch, On-Body, TM31 Mode, Monopole-Like Radiation Pattern



「본 연구는 미래부가 지원한 2013년 정보통신․방송(ICT) 연구개발사업의 연구 결과로 수행되었음.」

한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(Department of Electronics and Computer Engineering, Hanyang University)

․Manuscript received December 26, 2013 ; Revised February 5, 2014 ; Accepted February 10, 2014. (ID No. 20131226-131)

․Corresponding Author: Jaehoon Choi (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론

최근 무선의료 서비스, 스포츠 및 엔터테인먼트 분야

의 활용도가 높은 WBAN(Wireless Body Area Network) 기 술에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 특히 스마트폰과 같 은 휴대용 단말기가 안경 및 시계형 등과 같은 다양한 형

태의 착용형 기기로 발전함에 따라 그 관심이 더욱 증폭 되고 있다^[1],[2]. WBAN 통신을 위한 송신기와 수신기는 인 체 외부, 인체 표면, 인체 내부에 위치할 수 있다. 그리고 WBAN의 통신 채널 특성은 단말기의 위치에 따라 인체 외부와 표면 간 통신, 인체 외부와 내부 간 통신, 인체 표 면 간 통신, 인체 표면과 내부 간 통신, 인체 내부 간 통신 으로 나눌 수 있다. 또한, 단말기의 위치와 통신 방향에 따라 인체 매질이 통신성능에 미치는 영향이 달라지며, 특히 안테나가 포함되어 있는 근역장 매질 특성에 따라 안테나의 방사 특성 및 반사손실 특성이 변하게 된다. 따 라서 단말기의 위치에 따른 WBAN 안테나의 방사 특성 은 적절한 통신 링크를 구성하는데 중요한 요소가 된다

[3],[4]

. 예컨대, 인체 외부 지향성 안테나는 단말기가 인체 표면에 위치하고 외부 모니터링 기기와 통신이 이루어지 는 경우에 사용되기 적합하다. 반면에, 그림 1과 같이 인 체 표면에 위치한 단말기 구성 간에 효율적인 통신이 이 루어지기 위해서는 안테나의 방사패턴이 모노폴 안테나 와 같이 인체 표면을 따라 전파해야 한다. 그러나 인체 표 면과 수직한 모노폴 안테나의 경우, 그 높이 때문에 인체 표면에 부착하는 단말기에 적용하기 어렵다. 따라서 인체 표면 간 통신을 위한 모노폴과 같은 방사패턴을 갖는 소 형 안테나가 필요하다. 모노폴과 같은 방사패턴을 얻기 위해 여러 가지 안테나가 제안되었다. 안테나의 소형화를 위해서 메타 재질 구조 CRLH 0차 공진 마이크로스트립

그림 1. WBAN의 인체 표면 단말기 간 통신 링크의 예 Fig. 1. Communication links between on-body devices for

WBAN.

패치 안테나가 제안되었다^[5],[6]. 유전체를 이용하여 표면 전파를 만들기 위해 h-HDRA(half-Hemispherical Dielectric Resonator Antenna)가 제안되었으나, 인체 표면에 부착하 기에는 여전히 안테나의 수직 크기가 크다^[7]. 표면 전파 를 발생시키면서도 높이가 낮은 안테나를 위해 EBG (Electromagnetic Band-Gap) 구조를 사용한 안테나가 제안

되었다^[8],[9]. 하지만 제안된 안테나들은 주기 구조를 가지

므로 큰 수평 크기를 가질 수밖에 없다. 또한, shorting wall을 이용한 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)를 설계하 고, 2/3 근육-등가 팔 모의 인체를 제작하여 이를 검증한 연구가 발표되기도 하였다^[10]. 그러나 제안된 PIFA는 0 dBi 이하의 낮은 방사 이득을 갖는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 패치안테나의 여러 가지 공진모 드를 이용한 모노폴과 같은 방사 특성을 갖는 안테나 연 구가 발표되고 있다. 참고문헌 [11]에서는 TM⁰¹과 TM⁰² 공진 모드를 이용한 모노폴 특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나가 제안되었다. 그리고 TM⁰¹ 모드를 이용한 원형 패치-링 안테나가 제시되었다^[12]. TM01과 TM⁰²모드 안테나는 TM21이나 TM31과 같은 고차 모드보다 더 높은 이득을 갖는다. 그러나 TM⁰¹이나 TM⁰²모드 안테나의 경 우 적절한 안테나의 성능을 내기 위해서는 충분히 큰 수 평크기를 갖는 기판을 이용하여야 한다. 또한, TM²¹모드 를 이용한 직사각형 HMMPA(Higher Mode Microstrip Patch Antenna)가 제안되기도 했다^[13],[14]. 일반적으로 TM²¹ 모드 안테나의 크기는 TM^01,02,31모드 안테나들보다 작다.

하지만 TM^01,02,31모드 안테나들은 TM²¹ 모드 안테나보다 전방향성에 가까운 방사패턴을 갖는다. 또한, TM³¹ 모드 안테나는 천정으로부터의 최대 방사각이 TM²¹모드 안테 나보다 크다. 위에서 제시한 패치 안테나의 네 가지 공진 모드는 모두 모노폴과 같은 방사 패턴을 갖지만, 안테나 의 전류분포, 이득 및 최대 방사각 등의 특성이 상이하므 로 상황에 맞는 안테나의 공진 모드 선택과 공진 모드를 만들 수 있는 안테나 설계가 요구된다^[15],[16].

본 논문에서는 단락 핀을 이용한 TM³¹고차 공진모드 반원-링 인체 부착형 마이크로스트립 패치 안테나를 제 안하였다. 제안된 안테나는 인체 표면 간 통신을 위해 소 형화, 인체 착용환경, 전방향성 방사, 그리고 최대 방사가 일어나는 앙각면을 고려하여 설계되었다. 또한, 제안된

안테나는 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 2.45 GHz 대역에서 동작하며, 모노폴과 같은 방사 특성을 갖는다.

모의실험과 제작 및 측정을 통하여 제안된 안테나의 동 작 특성을 분석하였고, 인체의 영향으로 인한 안테나의 성능을 분석하기 위해 2/3 근육-등가 반고체형 모의 인체 를 사용, 제작하여 실제 안테나의 특성을 검증하였다. 안 테나 설계 및 인체 효과에 의한 안테나의 성능분석 모의 실험 결과는 SEMCAD X와 HFSS를 통해 얻었다^[17],[18].

Ⅱ. 안테나 설계 및 특성

그림 2(a), (b)는 제안된 TM³¹고차 공진모드 반원-링 인 체부착형 마이크로스트립 패치 안테나의 구조이다. 제안 된 안테나는 두 개의 인접한 방사체, 접지면, 적층된 두 개의 유전체 기판, 네 개의 단락 핀, 한 개의 급전 핀과 스 트립 급전 라인으로 구성되어 있다. 설계된 안테나는 30.5 mm×57 mm×3.15 mm(0.25 λ0×0.46 λ0×0.025 λ0 @ 2.45 GHz)의 크기를 갖고 1,575 mm의 두께를 갖는 두 개의 Rogers RT/ duroid 5880(εr=2.2, tanδ=0.0009) 유전체 기

(a) 입체도 (a) Perspective view

(b) 전면도 (b) Top view 그림 2. 제안된 안테나의 구조

Fig. 2. Geometry of the proposed antenna.

판으로 이루어져 있다. 사용된 단락 핀의 반지름은 0.5 mm이다. 안테나의 윗면은 스트립라인을 통해 급전되는 반원 패치와 1.4 mm의 간격으로 인접해 있는 C-형의 반 링 패치로 이루어져 있고, 각각의 패치는 TM³¹고차 공진 모드를 발생할 수 있도록 접지면과 연결되어 있는 두 개 의 단락 핀을 갖는다. 좁은 대역폭을 갖는 패치 안테나의 단점을 극복하기 위해서 반원 패치의 공진주파수 근처에 추가적인 공진주파수를 갖는 TM³¹공진 모드 C-형 반링 패치를 반원 패치에 인접시켜 이중 공진을 통해 대역폭 확장 효과를 갖게 하였다. 제안된 안테나는 실제 적용 환 경을 고려하여 급전 핀과 연결된 마이크로스트립 라인을 통해 반원 패치 원의 중심에 급전하였다. 제안된 안테나 는 각각 TM³¹ 고차 모드를 갖는 원형 패치와 인접한 링 패치로 구성된 안테나에 half mode를 이용해 안테나의 특 성을 변화시키지 않고 안테나의 크기를 절반으로 줄였다

[19]. TM01,02모드의 경우, half mode를 적용할 수 없기 때문 에, 이는 소형화 측면에서 TM³¹공진 모드의 추가적인 장 점이 된다.

그림 3은 자유공간에서 C-형 반링 패치가 있을 때와 없 을 때, 안테나의 모의실험에 의한 S¹¹특성 비교를 나타낸 다. 반원 패치만 있을 때에는 약 0.9 %(2.21～2.23 GHz)의

그림 3. C-형 반링 패치의 유무에 따른 안테나의 S¹¹ 특 성 비교

Fig. 3. Simulated S11 characteristic comparison of the pro- posed antenna with half-ring patch and without half- ring.

그림 4. Half mode 적용 유무에 따른 안테나의 S11 특성 비교

Fig. 4. Simulated S11 characteristic comparison of the pro- posed antenna with circular-ring patch and with half circular-ring patch.

좁은 10-dB 반사손실 대역폭을 갖지만, 동일한 모드를 갖 는 C-형의 반링 패치를 반원 패치에 인접하게 위치시킴 으로써 3.7 %(2.4～2.49 GHz)로 대역폭을 확장시키는 효 과를 얻었다. 반원 패치와 반링 패치의 공진이 강하게 커 플링 되어 제안된 안테나의 대역폭 확장 및 임피던스 매 칭이 향상된 것을 확인할 수 있다. 제안된 안테나는 자유 공간에서 ISM 2.45 GHz 대역(2.4～2.485 GHz)의 10-dB 반 사손실 대역폭을 만족함을 알 수 있다. 반원 패치와 반링 패치의 간격이 가까울수록 두 패치의 공진주파수도 가까 워지며, 간격이 멀어질수록 두 패치의 공진주파수가 멀어 지는 경향이 있으며, 반링 패치의 폭과 사이 간격은 해당 주파수 대역을 위해 HFSS를 이용하여 최적화하였다.

그림 4는 자유공간에서 원형-링 마이크로스트립 패치 안테나와 half mode를 적용하여 소형화한 제안된 안테나 의 모의실험에 의한 S¹¹ 특성 비교를 나타낸다. PMW (Perfect Magnetic Wall) 경계로 간주할 수 있는 자른 단면 에서 추가적인 프린징 필드(fringing field)가 발생하기 때 문에, 절반 크기로 자르기 전보다 자른 후에 안테나의 공 진 주파수가 저주파로 약 0.07 GHz 정도 이동하게 된다.

제안된 안테나는 half mode를 적용함으로써 안테나의 크 기를 절반으로 줄이고, ISM 2.45 GHz 대역의 10-dB 반사 손실 대역폭을 만족함을 알 수 있다.

(a) 2.49 GHz에서 원형-링 패치 안테나의 전류 벡터 분포 (a) Circular-ring patch antenna at 2.49 GHz

(b) 2.45 GHz에서 half mode가 적용된 제안된 안테나의 전류 벡터 분포

(b) Proposed antenna applying half mode at 2.45 GHz 그림 5. 패치 표면에서의 표면 전류 벡터 분포 Fig. 5. Simulated current distribution on the patch.

그림 5(a), (b)는 half mode를 적용하기 전과 적용한 후 의 각 패치에서의 표면 전류 벡터 분포를 나타낸다. 그림 5(a)에서 알 수 있듯이 기본적으로 원형-링 마이크로스트 립 패치 안테나의 표면 전류 분포가 원형 패치와 링 패치 에서 동일하게 절반의 원주 방향을 따라 세 번 변하고, 원 의 중심에서 단락핀을 잇는 반지름 방향을 따라 한 번 변 한다. 이를 통해 제안된 안테나가 TM³¹고차 공진 모드로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 그림 5(b)는 그림 5(a)의 안테나를 절반으로 자른 제안된 안테나의 반원-링 마이 크로스트립 패치에서의 전류 분포를 나타내며, 크기가 절

반으로 줄었음에도 불구하고, 전류분포가 변하지 않고 TM31고차 공진 모드를 유지하고 있음을 보여준다. 이는 상기한 바와 같이 자른 면을 PMW로 근사 가정할 수 있 고, 이를 통해 영상 전류가 대칭적으로 존재하게 되어 그 림 5(a)와 매우 유사한 안테나 특성을 유지할 수 있게 된 다. Half mode를 이용한 소형화 방법은 기판 집적형 도파 관(SIW)이나 안테나의 도파관 모델 해석에서 종종 사용 되는데, TM²¹, TM31 모드와 같이 일정 방향으로 대칭인 field분포를 갖는 고차 모드의 모델에는 적용 가능하지만, TM01이나 TM⁰² 모드와 같이 전 방향으로 대칭적인 필드 분포를 갖는 모델에는 적용할 수 없다.

그림 6(a), (b)는 모의실험에 의한 자유공간에서 xz-평 면과 yz-평면의 원거리장 방사패턴을 나타낸다. 그림 6(a) 와 같이 half mode가 적용되기 전 TM³¹공진 모드로 동작 하는 원형-링 마이크로스트립 패치 안테나의 최대 방사 방향이 수평면을 향하며, 수직방향으로 방사하는 에너지 가 가장 약한 것을 확인할 수 있다. 그림 6(b)를 통해 half mode를 적용했을 때 방사패턴이 그림 6(a)와 매우 유사한 것을 확인할 수 있다. -x축 방향으로 기판이 없기 때문에 방사패턴에서 xz-평면의 최대 방사 방향의 오른쪽 앙각이 약 15도 정도 작아지지만, 전체적으로 방사패턴이 유사함 을 확인할 수 있다. 자유공간에서 그림 6(a)의 원형-링 안 테나의 경우 2.06 dBi의 최대 이득을 갖고, 그림 6(b)와 같 이 half mode를 적용한 제안된 안테나의 경우에도 2.05 dBi의 최대 이득을 갖는다.

Ⅲ. 인체 효과에 의한 안테나의 성능 분석

그림 8은 제안된 안테나가 자유공간에 있을 때와 모의 인체 표면 10 mm 위에 놓여있을 때의 모의실험을 통한 S11특성 비교를 나타낸다. 두 경우, 모두 2.45 GHz ISM 대 역에서 3.7 %(2.4～2.49 GHz)의 10-dB 반사손실 대역폭을 만족함을 확인할 수 있다. 안테나의 방사패턴이 인체 방

(a) 2.49 GHz에서 TM31 공진 모드로 동작하는 원형-링 마이크로스트립 패치 안테나의 방사패턴

(a) Circular-ring patch antenna at 2.49 GHz

(b) 2.45 GHz에서 half mode를 적용한 제안된 안테나의 방사패턴

(b) Proposed antenna applied by half mode at 2.45 GHz 그림 6. 모의실험에 의한 자유공간에서 xz-, yz-평면 원거

리장 방사 패턴

Fig. 6. Simulated radiation patterns in free space.

향을 향할수록 고유전율 및 고도전율을 갖는 인체의 영 향에 더욱 민감하기 때문에 일반적으로 공진주파수가 하 향 천이하고, 손실이 커지게 된다. 그러나 인체 표면에 수 직방향으로 직접적인 방사 빔이 형성되지 않고, 빔의 null 이 있는 안테나의 경우 인체로부터 받는 영향이 작다. 제 안된 안테나의 경우, 10-dB 반사손실 대역폭의 변화가 거 의 없고, 오히려 인접한 모의인체의 영향으로 인해서 자 유공간에서보다 임피던스 매칭 특성이 향상됨을 알 수 있다.

그림 7. 모의인체를 이용한 제안된 안테나의 모의실험 설정

Fig. 7. Simulation setup for the proposed antenna on a phantom.

그림 8. 제안된 안테나가 자유공간과 모의인체 위에 위

치할 때의 S11 특성 비교

Fig. 8. Simulated S11 characteristic comparison of the pro- posed antenna in free space and on the phantom.

그림 9는 제안된 안테나가 자유공간에 있을 때와 모의 인체 위에 위치할 때의 모의실험을 통한 입력 임피던스 특성 비교를 나타낸다. 이를 통해 반원 패치와 인접한 C- 형 반링 패치의 이중 공진을 통해 대역폭이 확장된 것을 확인할 수 있다. 제안된 안테나는 단락된 반원 패치로 인 한 고주파의 직렬공진과 단락된 C-형 반링 패치를 통해 서 인접한 저주파의 병렬공진을 이룰 때 임피던스의 실 수부가 50 Ω에 정합되어 이중 공진으로서 확장된 대역에 서 방사가 이루어짐을 알 수 있다. 그림 8과 9를 통하여

그림 9. 제안된 안테나가 자유공간과 모의인체 위에 위

치할 때의 입력 임피던스 특성 비교

Fig. 9. Simulated input impedance characteristic comparison of the proposed antenna on the phantom.

제안된 안테나는 인체에 의한 주파수 변화가 거의 없음 을 확인할 수 있다.

그림 10(a), (b)는 모의인체 위에 제안된 안테나가 위치 했을 때, 2.45 GHz에서 전계 크기 분포와 원거리장 방사 패턴의 모의실험 결과를 나타낸다. 안테나가 모의인체 위 에 있을 때 모의실험을 통해 얻은 최대 이득은 3.05 dBi이 다. 방사되는 전파가 모의인체에 의해 산란, 반사되어 자 유공간에 있을 때보다 최대 이득이 오히려 증가하게 되 고, 천정으로부터 최대 방사각도 줄어들게 된다. 그러나 제안된 안테나가 모의인체 위에 있을 때도 모노폴과 매 우 유사한 방사패턴을 갖는다. 이를 통해 제안된 안테나 가 모노폴과 같은 방사패턴을 가지며, 인체 표면간 통신 에 적합한 전파전파 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

앞에서 모의실험에 사용되었던 직육면체의 모의인체 는 모든 주파수에서 하나의 전기적 상수를 갖는다. 그러 나 실제 인체는 주파수에 따라 유전상수 및 도전율이 변 하는 분산(dispersive) 매질 특성을 가지며, 수많은 조직의 전기적 상수가 서로 상이하다. 그러므로 분산(dispersive) 매질 특성을 갖는 실제 인체를 고려한 모의실험을 위해 그림 11과 같이 Duke 인체 모델을 사용하여 제안된 안테 나의 방사특성을 확인하였다^[21]. 모의실험의 설정은 제안 된 안테나가 Duke 인체모델의 오른쪽 흉부 표면으로부터 10 mm 위에 위치시켰다. 그림 11에서 나타낸 것과 같이

(a) 전계 크기 분포(xz-평면) (a) E-field distribution(xz-plane)

(b) 원거리장 방사패턴 (b) Far-field radiation pattern

그림 10. 모의인체 위에 있는 제안된 안테나의 2.45 GHz 에서 방사 특성

Fig. 10. Simulated radiation characteristics of the proposed antenna on the phantom at 2.45 GHz.

2.45 GHz에서 직육면체 모양의 모의인체를 통해 확인했 던 원거리장 방사패턴과 일치하는 결과를 확인할 수 있 다. 이를 통해 제안된 안테나가 인체 표면 간 통신을 위해 모노폴과 같은 방사특성을 갖도록 잘 설계된 것을 확인 할 수 있다.

그림 12는 Duke 모델을 이용한 제안된 안테나의 평균 SAR(Specific Absorption Rate)의 분포를 보여준다. 모의실 험에서 입력전력이 1 W일 때 제안된 안테나는 5.128 W/

kg의 SAR 값을 갖는다. 제안된 안테나를 WBAN에 적용 하기 위해서는 ANSI(American National Standards Institute) 에서 제시한 1.6 W/kg의 SAR 허용 규제를 만족해야 한다

[22]. 이를 위해서 제안된 안테나가 최대 273 mW 이하의 입력전력을 갖는다면 인체 통신에 적용 가능할 것으로

(a) xz-평면 (b) xy-평면

(a) xz-plane (b) xy-plane

(c) yz-평면 (c) yz-plane

그림 11. Duke 인체 모델을 이용한 제안된 안테나의 방 사패턴 특성

Fig. 11. Radiation patterns of the proposed antenna with the Duke model.

(a) 전면도 (b) 최대 SAR 값을 갖는 점을 포함하는 xy-단면 (a) Top view (b) xy-plane contained a point of the peak SAR

value

(c) 최대 SAR 값을 갖는 점을 포함하는 yz-단면(최대 SAR 값: 5.128 W/kg)

(c) yz-plane contained a point of the peak SAR value(peak SAR: 5.128 W/kg)

그림 12. Duke 인체 모델을 이용한 제안된 안테나의 평 균 SAR 분포(입력 전력 1 W)

Fig. 12. Simulated average SAR distribution of the propo- sed antenna with the Duke model(decibel-norma- lized to the peak SAR; input power: 1 W).

사료된다.

Ⅳ. 모의인체와 안테나의 제작 및 측정 결과

모의실험과 동일한 크기와 전기적 상수를 갖는 모의인 체를 제작하기 위해 2/3 근육-등가 반고체형 모의인체를 제작하였다^[23]. 측정 및 관리의 용이성을 위해 반고체형으 로 제작하였으며, 전기적 상수는 모의실험과 거의 일치하 는 값(ε^r=35.5, σ=1.3 S/m)을 갖는다.

(a) 전면도 (a) Top view

(b) 후면도 (b) Bottom view

그림 13. 제작된 TM³¹ 고차 모드 반원-링 안테나 시제품 Fig. 13. Fabricated TM31 higher order mode half circular-

ring antenna.

그림 14. 측정 환경 셋업 Fig. 14. Measurement setup.

제안된 안테나의 측정 환경은 그림 14와 같으며, 10 mm의 높이를 갖는 스티로폼(ε^r=1.3)을 반고체형 모의인 체와 안테나 사이의 spacer로 사용하였다.

그림 15는 제안된 안테나의 모의실험과 제작된 안테나 시제품의 측정을 통한 S-parameter 비교를 나타낸다. 측정 결과도 모의실험과 유사한 결과 값을 갖는 것을 알 수 있 으며, 측정 시 모의인체의 영향으로 인한 임피던스 부정

그림 15. 제안된 안테나가 자유공간에 있을 때와 모의인

체 위에 있을 때 각각의 모의실험과 측정에 의 한 S11 특성 비교

Fig. 15. Simulated and measured S11 characteristic compari- son of the proposed antenna in the free space and on the phantom.

그림 16. 모의인체 위에 위치한 제안된 안테나의 모의실 험과 측정에 의한 방사패턴

Fig. 16. Simulated and measured radiation patterns of the proposed antenna on the phantom.

합이 발생해 각 공진주파수에서 불일치가 다소 있으나, 같은 공진주파수를 유지하고, 여전히 10-dB 반사손실 대 역폭을 만족하고 있는 것을 알 수 있다. 제안된 안테나의 모의인체 위에서 측정된 10-dB 반사손실 대역폭은 4.24

%(2.38～2.49 GHz)이다.

그림 16은 제안된 안테나가 모의인체 위에 있을 때 방 사패턴의 모의실험 결과와 측정 결과의 비교를 나타낸다.

측정 결과는 모노폴과 유사한 방사패턴을 갖는 것을 확 인할 수 있다. 측정에 의한 최대 이득 값이 모의실험의 결 과 값보다 약 2.3 dB 작지만, 전체적인 측정과 모의실험 에 의한 방사패턴의 경향이 매우 유사한 것을 확인할 수 있다. 제안된 안테나의 측정된 최대 이득은 0.73 dBi를 갖 는다. 제안된 안테나의 최대 방사각은 천정으로부터 약 60°를 가지며, 이는 앞에서 제시한 TM^01,02,21 모드로 동작 하는 안테나들보다 크다. y-방향으로의 방사가 다른 방향 에 비해 작게 일어나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 스트 립라인 급전과 방사체 사이의 커플링에 의한 영향 때문 이며, 피드 방법을 후면을 통한 동축 급전으로 변경하면 개선될 것이다.

Ⅴ. 인체 표면 간 통신 시스템을 위한 안테나의 통신 링크 분석

그림 17. 안테나의 통신 성능 분석을 위한 실험 환경(왼

쪽: 송수신 안테나의 거리에 따른 신호 세기 감쇄를 위한 실험 환경, 오른쪽: 송수신 안테나 의 부착 위치에 따른 링크 분석을 위한 실험 환경)

Fig. 17. Experiment setup for communication link analysis (left: experiment setup for the received signal po- wer in distance between Tx and Rx antenna, ri- ght: experiment setup for link analysis at various antenna locations).

인체 표면 간 통신 시스템을 위해 설계된 안테나의 통 신 성능 분석을 위하여 그림 17과 같이 실제 인체를 이용 한 실험 환경을 구성하였다. 송수신 안테나 사이의 거리 에 따른 신호 세기의 감쇄 정도를 분석하기 위해 송신 안 테나는 배꼽에 위치시키고, 수신 안테나를 목부터 5 cm 간격으로 이동시켰다. 또한, 안테나의 부착 위치 별 링크 에 대한 분석을 위해 실제 착용 환경을 고려하여 송신 안 테나의 위치를 오른쪽 팔, 왼쪽 벨트라인, 오른쪽 허벅지 에 부착하였으며, 수신 안테나는 오른쪽 가슴과 심장 부 위에 부착시켰다. 거리에 따른 감쇄 정도를 보는 실험에 서 피 실험자는 움직이지 않고 제자리에 서 있었으며, 안 테나 부착 위치를 변화시키는 실험에서 피 실험자는 걷 기와 빠르게 걷기 동작을 각각 10초 동안 수행하였다. 측 정은 다중경로에 대한 영향을 최소화하기 위하여 무반향 실에서 수행하였으며, 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 안테나 링크 간 신호 세기를 측정하였다. 이 때, 샘플 추 출 수(sampling point)는 1,601개이고, 스윕 시간(sweep time) 은 각각 1초와 10초로 총 10번에 걸쳐 반복 실험하였다.

5-1 경로 손실 모델

안테나 간 거리에 따른 경로 손실 정도를 파악하기 위

표 1. 수신 전력 파라미터

Table 1. Received power parameter.

파라미터(Parameter) 기호(Symbol) 값(Value) 기준거리 신호세기

(Reference power) 





(Path-loss exponents)  —23.33 dBm

하여 경로 손실 모델을 적용하였다. 경로 손실 모델 식은 다음과 같이 정의된다^[24].

 











여기서 ^는 송신안테나와 수신 안테나 사이의 간격을 의 미하며, ^는 기준 거리 값, ^는 경로 손실 지수를 의미 한다. 안테나 간격은 5 cm로 정하였으며, 측정을 통해, 1,601개 데이터의 평균치를 경로 손실 모델에 적용하여 기준 거리 신호 세기와 경로 손실 지수를 도출하였다. 경 로 손실 모델을 적용하여 얻은 기준거리 신호세기와 경 로손실지수는 표 1에 정리하였다. 그림 18은 거리에 따른 적용한 경로 손실 모델을 커브 피팅(curve fitting)한 것이 다. 경로 손실 모델을 적용하여 송수신 안테나간 거리에 따른 수신신호 세기 감쇄 정도를 확인하였다.

그림 18. 송신안테나와 수신안테나 사이의 거리에 따른

경로 손실 모델

Fig. 18. Path loss model in distance between Tx and Rx antenna.

5-2 위치 별 링크

송신 안테나와 수신 안테나의 위치를 변화시켜가면서 각 위치 별 링크에 대하여 분석하였다. 각 링크는 실제 착 용위치를 고려하여 그림 17의 오른쪽 그림처럼 왼쪽 벨 트와 오른쪽 가슴, 오른쪽 팔과 심장 부위, 오른쪽 허벅지 와 심장 부위에 해당하는 세 가지 경우에 대해 측정하였 다. 각 링크에 대하여 인체는 천천히 걷기와 빠르게 걷기 동작을 수행하였다. 그림 19는 각 링크 별 동작에 따라 측 정한 수신 신호 세기를 시간에 따라 나타낸 것이고, 그림 20은 걷기와 빠르게 걷기 동작에 대한 링크 별 수신신호 세기의 CDF(Cumulative Density Function)를 나타낸 것이 다. 걷기와 빠르게 걷는 동작 모두 왼쪽 벨트 라인에 송신 안테나가 있고, 오른쪽 가슴에 수신 안테나가 위치한 링 크에서 수신 신호의 세기가 큰 것으로 나타난다. 나머지

(a) 걷기동작 (a) In walking

(b) 빠르게 걷기 동작 (b) In fast walking

그림 19. 움직임에 대한 링크 별 시간에 따른 수신신호

세기

Fig. 19. Received signal strength comparison with links.

(a) 걷기동작 (a) In walking

(b) 빠르게 걷기 동작 (b) In fast walking

그림 20. 움직임에 대한 링크 별 수신신호 세기 CDF Fig. 20. Cumulative density function comparison with links.

두 링크의 걷는 동작에서는 비슷한 수신신호 세기를 갖 는 것으로 나타났으며, 빠르게 걷는 동작에서는 허벅지- 심장의 링크에서 가장 약한 수신신호 세기를 갖는 것을 실험을 통해 확인하였다. 통신 성능 분석을 통해서 제안 된 안테나가 인체 표면에서 송수신 안테나로써 적절한 신호의 세기를 갖는 것을 확인함에 따라, 설계된 안테나 가 인체 표면 간 통신에 활용 가능할 것으로 사료된다.

Ⅵ. 결 론

본 논문에서는 인체 표면간 통신에 적용하기 위한

TM31고차 공진모드 반원-링 인체 부착형 마이크로스트 립 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 패치 안테나는 TM31고차 공진모드를 위해 단락 핀을 사용했으며, 소형 화를 위해 half mode를 적용한 반원 패치를 사용하였다.

또한, TM³¹ 모드를 갖는 C-형 반링 패치를 반원 패치에 인접하게 위치시킴으로써 이중 공진을 발생시켜 대역폭 을 확장하였다. 제안된 안테나는 자유공간 및 모의인체 위에 있을 때 모두 2.45 GHz ISM 대역(2.4∼2.485 GHz)을 만족하며, 모의인체 위에 있을 때 모의실험 3.7 %, 측정 4.24 %의 10-dB 반사손실 대역폭을 갖는다. 또한, 제안된 안테나는 효율적인 인체 표면간 통신을 위해 모노폴과 같은 방사특성을 나타냄과 동시에 0.25 λ⁰×0.46 λ0×0.025 λ₀의 작은 크기를 갖는다. 제안된 안테나는 1.356 λ⁰의 지름을 갖고, 0.024 λ0의 두께를 갖는^[11]의 TM01,02 모드 원형 패치 안테나와 2.9 λ⁰의 지름과 0.03 λ⁰의 두께를 갖는 참고문헌 [12]의 TM⁰¹ 안테나보다 크기가 작다. 또 한, 제안된 안테나는 0.3 λ⁰×0.24 λ0×0.05 λ0의 크기를 갖는 참고문헌 [14]의 TM²¹ HMMPA-5보다 약 20% 소형 화를 이루었으며, 제안된 안테나의 최대 방사각은 천정으 로부터 약 60°로서, 앞서 발표된 논문들보다 크기 때문에 인체 표면 지향성 단말기용 안테나로 사용되기에 적합하 다. 마지막으로, 제안된 안테나를 송수신기로 이용해서 인체 표면 위에 위치한 안테나간 거리와 위치, 움직임에 따른 수신신호 세기를 측정함으로써 인체 표면 간 통신 링크 분석을 수행하였다. 위와 같은 성능으로부터 제안된 TM31고차 공진모드 반원-링 인체 부착형 마이크로스트 립 패치 안테나는 WBAN의 인체 표면간 통신을 위한 안 테나로써 유용하게 사용될 것으로 사료된다.

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탁 진 필

2011년 2월: 경기대학교 전자공학과 (공학 사)

2012년 3월～현재: 한양대학교 전자컴퓨 터통신공학과 석․박사통합과정 [주 관심분야] 안테나 설계, WBAN

전 재 성

2012년 2월: 숭실대학교 정보통신전자공 학전공 (공학사)

2012년 3월～현재: 한양대학교 전자컴퓨 터통신공학과 석사과정

[주 관심분야] WBAN, LTE

김 선 우

1999년: 한양대학교 전자전기공학부 (공 학사)

2002년: 미국 University of California, San- ta Barbara 전기공학과 (공학석사) 2005년: 미국 University of California, Santa

Barbara 전기공학과 (공학박사) 2005년 3월～현재: 한양대학교 융합전자 공학부 조교수

[주 관심분야] Wireless Positioning System, 수중음향통신, Glo- bal Positioning System, MIMO 레이더

최 재 훈

1980년: 한양대학교 전자공학과 (공학사) 1986년: 미국 Ohio State University 전기공

학과 (공학석사)

1989년: 미국 Ohio State University 전기공 학과 (공학박사)

1989년～1991년: 미국 Arizona State Uni- versity 연구교수

1991년～1995년: 한국통신위성사업단 연구팀장 1995년～현재: 한양대학교 융합전자공학부 교수

[주 관심분야] 이동통신/의료용 안테나 설계, 무선전력전송, WBAN 시스템, EMC