ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
밴드형 Wearable Device의 RF Configuration과 Bent 마이크로스트립 패치 안테나
Band Type Wearable Device's RF Configuration and Bent Microstrip Patch Antenna
이동호․최우철․김성회․윤영중
Dongho Lee․Woo Cheol Choi․Sung Hoe Kim․Young Joong Yoon 요 약
본 논문에서는 WCDMA2100 이동통신망을 사용하는 밴드형 wearable device에 적합한 bent 마이크로스트립 패치 안테 나와 이를 적용하기 위한 RF configuration을 제안하였다. 제안된 안테나는 WCDMA2100 송수신 주파수 대역을 분리한 RF configuration 을 사용하여 WCDMA 송신대역에서만 동작하도록 설계되었고, 후면의 도체(ground)로 인해 인체의 영향 을 적게 받는다. 제안된 안테나는 flat 및 bent할 경우 모두 최대 이득은 5.3 dBi 이상, —6 dB 반사손실 대역폭은 20 MHz 이상을 가지고 전자파 인체 흡수율 시뮬레이션 SAR
0.7 [W/kg] 이하를 갖는다. 제안된 안테나는 사람의 손목이나 팔에 착용하는 밴드형 wearable device에 적합하게 사용될 수 있다.
Abstract
In this paper, a bent microstrip patch antenna, which is suitable for band-type wearable devices and RF configuration, to be used in the WCDMA2100 mobile network is proposed. The proposed antenna using RF configuration which is consisted of separated Tx and Rx frequency band is designed to operate or function in WCDMA2100 Tx frequency band only and it is not strongly affected by the human body because of the conductor at the bottom side. At both flat case and bent case, the proposed antenna's maximum gain satisfies at least 5.3 dBi, and its —6 dB return loss bandwidth is wider than 20 MHz. The simulated surface absorption rate(SAR
) result is under 0.7 [W/kg]. The proposed antenna suits in band-type wearable devices which is worn on wrists or arms.
Key words: Bent Microstrip Patch Antenna, RF Configuration, Wearable Device, SAR
「이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임 (2013R1A1A2013080.」.
연세대학교 전기전자공학과(Department of Electrical & Electronic Engineering, Yonsei University)
․Manuscript received October 10, 2014 ; Revised December 19, 2014 ; Accepted December 31, 2014. (ID No. 20141010-10S)
․Corresponding Author: Young Joong Yoon (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
Wearable device 는 몸, 피부, 옷 등에 착용하여 사용할 수 있는 모든 device를 의미한다. 과거에는 단순하게 제품 을 몸에 부착하여 사용하는 것에 대한 연구 개발이 이루
어졌다면, 최근에는 health, entertainment, game, navigation,
military 분야에 대한 관심 증대와 함께, wearable device를
좀 더 편안하게 사용할 수 있도록 디자인, 배터리, 통신
방법에 대한 다각적인 고찰과 개발이 진행되고 있다. 그
리고 이에 맞는 안테나들도 patch, buttons, conductive fa-
brics 또는 그러한 디자인의 혼합형 등 다양한 방향으로 연구되고 있다
[1]～[4].
특히, 여러 가지 형태의 wearable device들 중에서도 밴 드형 또는 시계형 제품들에 대한 상용화 및 연구 개발이 확대되고 있는데, 최근에는 이동통신망을 자체적으로 사 용할 수 있도록 그 기능을 탑재한 제품들이 개발되고 있 다. WCDMA2100과 GPS 기능을 탑재한 형태의 밴드형 wearable device 가 그 예이다. 이런 제품은 바로 이동통신 망에 접속할 수 있으므로 사용성면에서 더 편리하다. 하 지만 이동통신망이 탑재되는 경우, 전자파 인체 흡수율 (SAR) 에 대한 규제를 받게 되고, 이동 통신 사업자들의 무선 성능 향상에 대한 요구 사항을 받게 된다. 또한, 손 목이나 팔에 항상 착용해야 하는 밴드형 wearable device 의 특성상 기존 통신기기 대비 안테나가 인체에 근접하 기 때문에 SAR가 높아질 가능성이 있고, 안테나 성능이 인체의 영향을 많이 받게 된다. 따라서 이를 고려한 안테 나가 설계되어야 한다
[5],[6].
본 논문에서는 안테나 밑면에 ground를 적용하여 후방 사가 적은 마이크로스트립 패치 안테나
[7]를 밴드형 de- vice 의 줄 부분에 적용할 수 있도록 WCDMA 송수신 주파 수 대역을 재구성한 RF configuration을 제안하였다. 그리 고 bent된 마이크로스트립 안테나의 free space 상태의 성 능과 몸에 착용되었을 때의 성능을 비교할 수 있도록 실 험을 하였고, SAR 시뮬레이션을 통해 제안된 안테나가 낮은 SAR 값과 효율적인 무선 성능을 갖는 것을 확인하 였다.
Ⅱ. 밴드형 Wearable Device 무선 성능과 SAR 2-1 안테나 위치에 따른 무선 성능과 SAR
밴드형 또는 시계형 wearable device에서는 안테나의 위치가 일반적으로 다음과 같은 두 부분에 있을 수 있다.
시계의 본체 부분에 안테나가 있거나 또는 시계의 줄 부 분에 있을 수 있는데, 안테나의 형태는 주로 PIFA 형태의 안테나를 사용한다.
안테나가 시계 본체 부분에 있는 경우에는 인체에서 안테나가 최대한 이격되기 때문에 무선 성능 확보에 유 리하다. 그러나 wearable device로 전화 통화를 하는 경우
를 측정하는 mouth SAR
[8]에서, 입과 안테나 사이가 가까 워지기 때문에 SAR가 높아질 수 있다.
시계의 줄 부분에 안테나가 위치할 경우에는 시계로 전화 통화를 할 때, 안테나와 입의 거리가 멀어져서 mou- th SAR 측정에는 유리하다. 그렇지만 안테나가 인체에 가깝게 위치하여, 인체에 밀착되어 있을 때를 가정하여 측정하는 body SAR가 높아질 수 있고, 안테나가 인체의 영향을 많이 받게 된다. SAR의 규격은 FCC나 한국전파 연구소에서 제시하는 기준을 따른다. Mouth SAR나 body SAR 의 경우, 1.6 [W/kg] 이하의 기준을 가지고 있다.
종합해서 보면 안테나가 본체 부분이나 줄 부분에 위 치하는 두 가지 경우 모두 안테나 성능이나 SAR가 열화 될 가능성이 높은 경우를 각각 가지고 있다.
2-2 Bent 마이크로스트립 패치 안테나
마이크로스트립 패치 안테나는 공진형 안테나로써 Q 값이 높아서 대역폭이 비교적 작은 편에 속하는 안테나 이다. 하지만 뒷면에 ground가 적용되어 후방사가 적기 때문에, 시계의 줄 부분에 마이크로스트립 패치 안테나를 적용하게 된다면 SAR에 유리하고, 무선 성능이 인체에 영향을 크게 받지 않는 안테나를 설계할 수 있다. 하지만 대역폭으로 인해, 이를 그대로 기존 밴드형 wearable de- vice 에 그대로 적용하기 보다는 변형된 RF configuration을 통해 적용을 하는 것이 더 유리하다.
Ⅲ. RF Configuration 제안
통신 수단으로 WCDMA2100을 적용하고, GPS를 탑재
하여 개발된 기존의 밴드형 wearable device는 일반적으로
WCDMA2100 을 지원하는 PIFA 안테나와 GPS를 지원하
기 위한 PIFA 안테나 각각 설계되어 있고, 그림 1과 같은
RF configuration 을 사용한다. 그림 1의 RF configuration에
서 (a) PIFA 안테나 대신 bent 마이크로스트립 안테나를
적용하려면 WCDMA2100 Tx 주파수 대역(1,920～1,980
MHz) 과, Rx 주파수 대역(2,110～2,180 MHz)을 모두 포
함하는 250 MHz의 대역폭을 확보해야 하는데, 일반적인
마이크로스트립 패치 안테나에서 이를 확보하기는 어렵
다. 따라서 bent 마이크로스트립 패치 안테나를 적용하기
위해서는 그림 2의 RF configuration으로 변경을 해야 한
그림 1. 일반적인 RF configuration Fig. 1. Conventional RF configuration.
그림 2. 제안된 RF configuration Fig. 2. Proposed RF configuration.
다. 그림 1(a)에서 같은 안테나를 사용하게 되어 있는 W- CDMA2100 의 Tx path와 Rx path를 분리하여, Rx path를 GPS 안테나 path로 diplexer를 적용하여 연결한다면, 그림 2(c) 와 같이 WCDMA Tx path에만 bent 마이크로스트립 패치 안테나를 적용할 수 있다. WCDMA Tx 주파수 대역
은 60 MHz이고, 이 대역을 사용하는 이동통신 사업자들 이 실제 사용하는 주파수 대역은 보통 20 MHz 정도이므 로, 마이크로스트립 패치 안테나로도 충분한 대역폭을 확 보할 수 있다. 그림 2(d)에는 기존처럼 PIFA 안테나를 적 용한다.
Ⅳ. 안테나 설계 및 시뮬레이션 4-1 Bent 마이크로스트립 패치 안테나 구조
그림 3은 기본적인 마이크로스트립 패치 안테나에 in- set feeding 을 갖는 구조이다. Bent 안테나를 설계하기 위 해 우선 flat한 안테나를 설계하여 동일한 parameter를 bent 안테나에 적용하여 특성을 비교해 보았고, 이를 바 탕으로 bent 안테나의 설계와 시뮬레이션을 진행하였다.
Bent 된 안테나의 구조는 그림 4와 같다. 성인의 손목이
나 팔에 착용할 수 있도록 반지름 r=35 mm를 갖는 밴드
형 wearable device에 적합하게 설계하였다. 그림 4(c)는
안테나를 측면에서 본 외형이고, 반원에서 =10° 만큼 더
제거되어 substrate가 구성되어 있다. 안테나가 최소 길이
를 갖도록 설계하기 위해 를 더 크게 하여 설계를 진행
할 수 있다. 하지만 그런 경우, 급전부가 기판의 끝부분에
설계되어야 하고, SAR 시뮬레이션에서 급전부의 field가
모의 인체로 방사되게 되어 정확한 SAR 실험을 할 수가
없다. 따라서 그림 4(b)와 같은 급전부를 사용하여 SAR
시뮬레이션 오류를 방지하였고, 대신 기판 길이를 늘려서
설계를 진행하였다. 그리고 top면과 bottom면 ground 연결
을 위해 via를 적용하였다. Substrate는 비유전율 2.2, 손실
탄젠트 0.0009, 높이 1.57 mm인 Rogers RT5880을 사용하
였다. 안테나 패치는 bent되어 기판 위에 설계되어 있고,
그림 4(b), 4(d)와 같은 안테나 설계 parameter를 갖고, W-
CDMA2100 Tx 송신 주파수 대역에서 공진 주파수를 갖
는다. 제안된 안테나는 손목이나 팔에 착용한 후 사용하
게 되므로, 인체 모의 phantom을 사용하여 free space 상태
와 phantom 적용 상태의 성능 변화를 확인해야 한다. 본
논문에서는 phantom의 유전상수를 1.9 GHz 대역에서 비
유전율 53.3, 도전율 1.52를 갖도록 설계하여 시뮬레이션
을 진행한다. 이는 FCC의 지침을 기준으로 설정한 값이
고
[9], 제안된 안테나의 설계와 시뮬레이션은 CST사의 Mi-
그림 3. Flat 마이크로스트립 패치 안테나 Fig. 3. Flat microstrip patch antenna parameters.
(a) 전체 외관
(a) Whole exterior (b) 급전부 (b) Feeding part
(c) 측면부 (c) Side part
(d) 앞면 (d) Front view 그림 4. 제안된 bent 안테나 구조
Fig. 4. The proposed antenna structure.
그림 5. 모의인체가 적용된 안테나
Fig. 5. The antenna with wrist & body phantom.
crowave Studio 를 이용하여 진행하였다.
그림 4에 적용된 모의 인체 wrist phantom은 길이 120 mm 를 가지며, 안테나와 마찬가지로 손목이나 팔에 착용 했을 때를 가정하여 반지름 35 mm로 설계되었다. Flat 안
테나에는 손목이나 팔 모양의 동그란 phantom이 아닌 flat 한 body phantom을 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
Body phantom 의 길이는 기존 wrist phantom과 같고, 높이 는 50 mm로 설정하였다.
4-2 설계된 안테나의 특성
그림 6은 시뮬레이션을 통해 설계된 안테나의 free 상 태와 phantom 적용 상태의 bent 안테나와 flat 안테나의 반 사 손실 결과이다. 각각의 경우 phantom 적용에 따른 공 진 주파수의 변화는 거의 없다.
Flat 안테나는 free space 상태일 때 —6 dB 반사손실 대 역폭이 23.5 MHz, 안테나 이득은 6.45 dBi이고, Phantom 적용 상태일 때는 대역폭이 22.6 MHz, 이득은 6.25 dBi 이 다. Body phantom을 적용했을 때 SAR
1g는 0.622 [W/kg]이 다. 이때 phantom의 SAR 분포는 그림 7과 같다. Patch 안 테나의 양 옆에 maximum SAR point가 발생하고, phantom 의 안으로 들어갈수록 SAR가 줄어든다. 마이크로스트립 패치 안테나 바로 밑 부분은 SAR의 영향을 거의 받지 않 는다. SAR를 구하기 위한 입력 파워는 24 dBm으로 설정 하였고, 이는 3GPP에서 정의한 maximum output power 범 위인 21 dBm 이상, 25 dBm 이하를 만족하며, 상한에 가 까운 값이다. 또한, WCDMA를 사용하는 이동통신 사용 하는 이동통신 단말기들이 보통 사용하는 입력 파워이다.
Bent 안테나는 free space 상태일 때 —6 dB 반사손실 대역폭 및 안테나 이득은 각각 20.3 MHz, 5.94 dBi이다.
그림 6. Flat & bent 마이크로스트립 패치 안테나의 free space 상태 및 phantom 적용 반사 손실 특성 Fig. 6. Simulated bent & flat microstrip patch antenna re-
turn loss characteristic by free space status and wri-
st phantom status.
그림 7. Body phantom 을 적용한 flat 마이크로스트립 패치 안테나의 SAR 분포
Fig. 7. Simulated SAR distribution of flat microstrip patch antenna.
그림 8. Wrist phantom을 적용한 bent 마이크로스트립 패 치 안테나의 SAR 분포
Fig. 8. Simulated SAR distribution of bent microstrip patch antenna with the wrist phantom.
Wrist phantom 적용 상태일 때의 대역폭은 20.2 MHz, 이 득은 5.416 dBi이다. 이 때의 SAR
1g은 0.65 [W/kg]이고, 분 포는 그림 8과 같다. Flat 안테나와 비교하여 bent 안테나 가 대역폭 및 이득이 약간 줄어들고, SAR
1g은 유사하다.
사람의 손목이나 팔의 두께는 모두 다르므로 r=35 mm 보다 더 두껍거나 얇은 경우를 가정하여 r=30 mm와 r=40 mm 일 때를 추가로 시뮬레이션 하였다. 전체 substrate의 길이는 로 변하기 때문에 r=35 mm 대비 전체 sub- strate 의 길이는 각각 3 cm 이상의 증감이 있는 상태가 된 다. Flat 안테나를 시뮬레이션 할 때와 마찬가지로 반지름 에 따른 변화를 알기 위해, 다른 안테나 parameter들은 bent 안테나와 동일하게 고정한 후, 시뮬레이션을 진행하 였다. 그림 9는 반지름 변경에 따른 반사손실 특성 결과 이다.
반지름 r=30～40 mm 일 때의 시뮬레이션 결과를 표 1 에 정리하였다. 반지름의 변하더라도 각각의 경우에 —6
그림 9. 반지름 변화에 따른 반사손실 특성
Fig. 9. Return loss characteristic by radial variation.
표 1. 반지름 변화에 따른 안테나 시뮬레이션 성능
Table 1. Antenna simulation performance by radial variation.
반지름
(mm) 상태 공진
주파수 (GHz)
대역폭 (MHz)
안테나 이득 (dBi)
SAR (W/kg)
30 Free 1.944 20.2 6.07 -
Wrist 1.946 20.1 5.32 0.662
35 Free 1.950 20.3 5.94 -
Wrist 1.948 20.2 5.41 0.65
40 Free 1.966 20.2 5.75 -
Wrist 1.966 20.0 5.65 0.667
dB 반사손실 대역폭은 20 MHz 이상 측정이 되고, 이득 역시 5.3 dBi 이상으로 측정된다. 시뮬레이션을 통한 SAR
1g는 0.7 [W/kg] 이하이며, 반지름의 변화에 대해 변화가 크 지 않다. 공진 주파수가 변하는 것 이외에는 r=30～40 mm 일 때 안테나 성능은 거의 비슷하다는 것을 알 수 있다.
Ⅴ. 제작 및 측정
그림 10은 시뮬레이션을 통해서 얻은 결과를 바탕으로 제작된 안테나의 시제품이다. 실제 인체에 안테나를 적용 하여 반사손실을 얻기 위해서 그림 11(a)와 같이 bent 안 테나를 실제 사람의 팔에 착용하고, 반사손실을 측정하였 다. Flat한 안테나의 인체 적용 상태를 측정하기 위해 그 림 11(b)와 같이 실제 사람의 몸에 안테나를 올려놓고, 측 정하였다.
그림 12(a)는 flat한 마이크로스트립 안테나의 반사손실
측정 결과이다. 그림 11(b)와 같이 몸에 적용하여 측정하
그림 10. 제작된 안테나 Fig. 10. Fabricated antenna.
(a) 팔에 착용 (b) 몸에 착용
(a) On wrist (b) On body 그림 11. 안테나의 착용 상태
Fig. 11. Wearable antenna status.
였을 때 —6 dB 반사손실 대역폭은 26 MHz(1,946～1,972 MHz) 이고, Free space 상태에서는 대역폭이 27 MHz(1,944.5
～1,971.5 MHz)이다.
그림 12(b)는 bent 마이크로스트립 안테나의 반사손실 측정 결과이다. 그림 11(a)처럼 팔에 착용한 상태일 때, —6 dB 반사손실 대역폭이 23.0 MHz(1,935.5～1,958.5 MHz)이 고, free 상태에서의 대역폭은 23.5 MHz(1,934.5～1,958 MHz) 이다.
그림 13는 flat 안테나의 free 상태 방사 패턴이고, 안테 나 최대 이득 측정값은 6.33 dBi이다. 그림 14는 bent 안테 나의 free space 상태 방사 패턴이고, 안테나 최대 이득 측 정값은 5.75 dBi이다.
안테나의 —6 dB 반사손실 대역폭은 실측한 결과가 시
(a) 측정된 flat 마이크로스트립 패치 안테나 반사손실 (a) Measured flat microstrip patch antenna return loss
(b) 측정된 bent 마이크로스트립 패치 안테나 반사손실 (b) Measured bent microstrip patch antenna return loss 그림 12. 측정된 반사 손실 특성
Fig. 12. Measured return loss characteristics.
뮬레이션 결과보다 넓게 측정되었고, 최대 이득은 유사하 게 측정되었다. 시뮬레이션 결과와 비슷하게 phantom 적 용 측정시 대역폭이 줄어드는 경향을 보이며, free space 나 phantom의 경우 모두 23 MHz 이상의 대역폭이 나온다.
Ⅵ. 결 론
본 논문에서는 WCDMA2100 이동통신망을 사용하는 밴드형 wearable device의 송수신 안테나를 분리하여 송신 대역에는 SAR에 유리하며 인체의 영향을 적게 받는 bent 마이크로스트립 패치 안테나를 적용하고, SAR와 무관한 수신 대역은 GPS 대역과 통합하여 PIFA 안테나로 동작 시킬 수 있는 RF configuration을 제안하였으며, 이에 적합 한 bent 패치 안테나를 설계하여 그 성능을 확인하였다.
측정된 bent 마이크로스트립 패치 안테나 및 flat 마이
크로스트립 패치 안테나는 free space 상태와 wrist 및
body phantom 적용 상태일 때, 모두 —6 dB 반사손실 대
(a) E- 평면 (a) E-plane
(b) H-평면 (b) H-Plane
그림 13. 제작된 flat 안테나의 1.958 GHz Free 방사 특성 Fig. 13. The measured free radiation patterns of the fabri-
cated flat antenna.
역폭 23 MHz 이상과, 안테나 이득 5.3 dBi 이상을 갖는다.
또한, 시뮬레이션을 통해 bent 안테나의 반지름이 변화 (r=30 ～40 mm)하더라도 안테나 이득과 대역폭이 유지되 는 것을 확인하였다. Phantom을 적용했을 경우에 시뮬레 이션 SAR
1g은 0.7 [W/kg] 이하이다. 이는 FCC 규정 1.6 [W/kg] 이하를 만족하고, 한국의 경우 곧 시행하게 되는 등급 SAR 규정에 따라 1등급 SAR
[10](0.8 [W/kg] 이하)를 만족한다.
본 논문에서 제안한 RF configuration과 bent 마이크로 스트립 패치 안테나를 통해 밴드형 wearable device에 적 합한 안테나 구조를 설계할 수 있다.
(a) E-평면 (a) E-plane
(b) H-평면 (b) H-Plane
그림 14. 제작된 bent 안테나의 1.946 GHz free 방사 특성 Fig. 14. The measured free radiation patterns of the fabri-
cated bent antenna.
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