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본 논문에서는 모바일(mobile) 기기와 통신 가능한 초박형 바이오 센서를 위한 유연성 있는 패치 안테나와 모바일 기기의 전자파 적합성(electromagnetic compatibility) 향상을 위한 기술들을 제안하였다. 본 논문의 첫 번째 부분에서는, 인체 부착 가능한 바이오 센서를 위한 안테나에 대해서, MBAN 대역에서 사용 가능한 초박형 패치 슬롯 안테나를 제안하였다. 안테나를 바이오 센서 커버에 설계함으로써 소형이면서 유연한 특성의 센서 구조를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 안테나의 ...

본 논문에서는 모바일(mobile) 기기와 통신 가능한 초박형 바이오 센서를 위한 유연성 있는 패치 안테나와 모바일 기기의 전자파 적합성(electromagnetic compatibility) 향상을 위한 기술들을 제안하였다. 본 논문의 첫 번째 부분에서는, 인체 부착 가능한 바이오 센서를 위한 안테나에 대해서, MBAN 대역에서 사용 가능한 초박형 패치 슬롯 안테나를 제안하였다. 안테나를 바이오 센서 커버에 설계함으로써 소형이면서 유연한 특성의 센서 구조를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 안테나의 방사 효율을 향상하고자 하였다. 제안한 안테나는 바이오 센서의 유연한 특성을 유지하기 위해 FPCB에 설계되었고, balanced 급전구조를 위한 직사각형 루프와 방사를 위한 직사각형 패치로 구성되어 있으며, 소형화를 위해 직사각형 패치에 슬롯을 설계하였다. 안테나 기판의 손실을 최소로 하기 위해 기판을 공기로 사용함에 따라 안테나의 이득과 효율을 향상할 수 있었다. 또한, 고 도전율과 고유전율의 특성을 가지는 인체가 안테나의 특성에 영향을 최소화하기 위해, 안테나를 접지 면을 가지는 패치 안테나로 설계하였고, 접지 면은 별도로 설계하지 않고, 금속으로 이루어져 있는 센서의 배터리를 접지 면으로 활용하였다. 제안된 안테나는 실제로 제작되어 인체 피부의 전도율과 유전율 특성을 가지는 인체 팬텀(phantom)에서 그 특성을 측정하였다. 인체 팬텀에서 측정된 결과로부터, 안테나의 3-dB 대역폭은 전체 MBAN 사용 대역폭 (2.36-2.39 GHz)를 만족하게 할 수 있었고 2.38 GHz에서 안테나의 아주 얇은 두께 (0.008 λ0)를 고려했을 때 1.62 dB의 상대적으로 합리적인 최고 방사 이득을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 두 번째 부분에서는 모바일 기기의 전자파 적합성을 향상하기 위해서 크게 두 가지 기술을 제안하였다. 그 중 하나는 고속 디지털 인터페이스에서의 신호 무결성(signal integrity)을 향상하기 위하여 차동 신호(differential signal)의 균형 방법론(balancing methodologies)을 나타내었고, 또 하나의 기술은 RF 송신기에서 발생하는 복사 스퓨리어스 방사(radiated spurious emissions)를 저감 시키는 방법을 제안하였다. 현재 모바일 기기에 사용되는 고속 디지털 인터페이스인 MHL 시스템을 전체적으로 분석하여 신호의 무결성에 영향을 미치는 원인을 파악하고 이에 대한 대책 방법을 제안하였다. 고속 디지털 시스템의 신호 무결성을 저하하는 주요 원인은 차동 신호선 가까이에 불연속적으로 배치된 도체 면(trace)과 신호에서 발생하는 EMI와 신호 간의 간섭을 막기 위해 설계된 guard 면과 via 홀이 가장 큰 원인으로 분석되었다. 차동 신호선의 간격보다 가까이 불연속적으로 배치된 이런 구조들은 신호선의 회귀 전류 경로(return current path) 불연속을 발생시키고 이는 신호선의 임피던스 부정합(mismatch)의 결과로 나타나게 되어 신호의 손실을 발생시키게 된다. 따라서 고속 디지털 신호의 무결성을 보장하기 위해서는 주변의 신호 불연속을 일으키는 구조들을 차동 신호의 거리 이상으로 위치하도록 설계해야 한다는 것을 본 논문에서 시뮬레이션과 실험결과로 나타내었고, 차동 신호 자체의 균형적인 설계뿐만 아니라 주변 구조들에 대해서도 균형적인 설계가 되어야 신호의 무결성을 보장할 수 있다는 것을 증명하였다. 현재 하나의 모바일 기기에는 많은 통신시스템이 탑재되어 있고, 시스템 내 RF 송신기의 비선형 능동 소자에서 주로 발생하는 고조파 성분이 방사되어 다른 시스템의 간섭을 일으키는 현상인 스퓨리어스 방사는 현재 많은 문제로 인식되고 있다. 본 논문에서는 복사 스퓨리어스 방사의 저감을 위해 λg/4 개방 스터브(open stub) 구조를 제안하였다. 현재 모바일 기기에서 사용 중인 RF 통신시스템 GSM 1800/1900을 대상으로 하였고 제안한 구조는 RF 안테나와 front-end 모듈 사이의 전송선로에 적용되어 추가적인 고조파 감소 효과를 나타나게 함으로 써 시스템 설계 면에서 전체적인 마진(margin) 확보를 하고 안테나로 방사되기 직전에 신호들을 효율적으로 저감 시킬 방법을 제안하였다. 제안한 구조의 효과를 증명하기 위해, 평판 역 F 안테나(planar inverted F antenna)와 저역 통과 필터, 그리고 개방 스터브를 실제 제작하고 측정하였다. 복사 스퓨리어스 방사 규격 시험을 통해 얻은 결과, 2번째와 3번째 고조파 성분의 방사 전력 세기가 약 6 dB에서 13 dB 감소 되는 것을 확인할 수 있었고, 개방 스터브를 설계했을 때에 동작 주파수에서의 추가적인 삽입 손실은 0.7 dB로 시스템 마진인 1 dB를 만족하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 구조는 실제 시스템에 적용 가능한 소형 구조이면서 효과적인 복사 스퓨리어스 방사를 추가로 줄일 수 있는 방법이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this dissertation, a flexible patch antenna for low profile attachable bio-sensors and electromagnetic compatibility (EMC) enhancement techniques for mobile applications are presented. For an antenna for attachable bio-sensors, a patch-type slot antenna for extremely low-profile on-body bio-senso...

In this dissertation, a flexible patch antenna for low profile attachable bio-sensors and electromagnetic compatibility (EMC) enhancement techniques for mobile applications are presented. For an antenna for attachable bio-sensors, a patch-type slot antenna for extremely low-profile on-body bio-sensors is presented in the medical body area network (MBAN) band. By locating the proposed antenna at the top of the sensor as a sensor cover layer, it would be to maintain compact and flexible sensor structure as well as to enhance its radiation efficiency. The proposed antenna consists of a rectangular loop for balanced feeding and patch with slots for radiating element, and it is designed on flexible printed circuit board (FPCB). To further improve the performance of the antenna with extremely low profile sensor, air substrate is employed to satisfy the bandwidth, gain, and efficiency requirements. The proposed antenna is measured on a human body model with permittivity and conductivity close to those of a human body. From the measured results, it is found that the 3-dB bandwidth of the antenna is sufficient to cover the entire MBAN band (2.36-2.39 GHz) and has a relatively reasonable peak gain of 1.62 dBi on the human body model. For EMC enhancement techniques for mobile applications, there are two parts, as follows: signal balancing methodologies for high-speed digital interconnects and reduction technique of radiated spurious emissions. In the first part, high-speed digital interconnects of a mobile high-definition link (MHL) system are fully investigated for mobile device applications using proposed analysis methods. There are two major factors that affect signal integrity (SI) characteristics of the system. One is that SI of the MHL system experiences degradation due to the discontinuous plane placed near the differential signal line. The other is that when the guard traces with ground via holes are asymmetrically located closer to the signal trace than the gap between the differential line, SI can significantly deteriorate. In both cases, impedance mismatch is caused by discontinuities in the return current path of the signals, resulting in the main reason for SI problems. To improve SI performance of the system, signal balancing methodologies are proposed, and design guidelines for the high-speed digital interconnect are provided. It is demonstrated that SI performance can be improved with constant characteristic impedance of the signal line and leading to a widely open eye diagram. In the next part, a quarter-wavelength open stub is proposed to reduce radiated spurious emissions (RSE) from mobile devices in the global system for mobile communications (GSM) 1800/1900 networks. Strong spurious emissions are commonly caused by nonlinear devices and clocks, as well as high-speed signaling sources. As the proposed structure is located on the signal line between the front-end module (FEM) and antenna, suppressing harmonic signals below a certain value (i.e., the certification test limit) is possible. To verify the effect of the proposed structure, the open stub is combined with a planar inverted-F antenna and low-pass filter in the FEM, and its performance is measured. The measurement results show that the radiated power at the second and third harmonic frequencies are reduced by about 6 dB to 13 dB while maintaining a reasonable insertion loss level of 0.7 dB in the carrier frequency band.

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