본 논문에서는 인체부착형 Headset MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 안테나를 제안하고, 인체의 영향을 고려한 안테나 성능과 인체에 미칠 수 있는 영향에 대한 분석을 하였다. 제안된 MIMO 안테나는 접지면 위에 PIFA(planar inverted-F antenna) 형태의 두 안테나와 격리도 특성 개선을 위하여 안테나 사이에 위치한 isolator로 구성되어 있다. 근거리장에 인체가 존재할 때 안테나에 미치는 영향을 분석하기 위하여 시뮬레이션을 수행하고, 팬텀을 이용하여 시뮬레이션과 측정을 하였다. 측정 결과, MIMO 안테나의 성능을 평가하는 파라미터 중 하나인 상관 계수(Envelope Correlation Coefficient: ECC)는 ISM 대역에서 0.1 이하의 값을 가지므로 제안된 MIMO 안테나의 diversity 성능이 우수함을 입증하였다. 또한, 측정된 SAR(Specific AbsorptionRate) 값은 공급전력 250 mW에서 안테나 1, 2 각각 0.575, 0.571 W/kg이었다. 이는 1 g 평균 전자파흡수율을 1.6 W/kg으로 제한한 FCC의 지침을 초과하지 않음을 알 수 있다. 따라서 제안된 인체부착형 Headset MIMO 안테나는 실용이 가능할 것으로 기대된다.
본 논문에서는 인체부착형 Headset MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 안테나를 제안하고, 인체의 영향을 고려한 안테나 성능과 인체에 미칠 수 있는 영향에 대한 분석을 하였다. 제안된 MIMO 안테나는 접지면 위에 PIFA(planar inverted-F antenna) 형태의 두 안테나와 격리도 특성 개선을 위하여 안테나 사이에 위치한 isolator로 구성되어 있다. 근거리장에 인체가 존재할 때 안테나에 미치는 영향을 분석하기 위하여 시뮬레이션을 수행하고, 팬텀을 이용하여 시뮬레이션과 측정을 하였다. 측정 결과, MIMO 안테나의 성능을 평가하는 파라미터 중 하나인 상관 계수(Envelope Correlation Coefficient: ECC)는 ISM 대역에서 0.1 이하의 값을 가지므로 제안된 MIMO 안테나의 diversity 성능이 우수함을 입증하였다. 또한, 측정된 SAR(Specific Absorption Rate) 값은 공급전력 250 mW에서 안테나 1, 2 각각 0.575, 0.571 W/kg이었다. 이는 1 g 평균 전자파 흡수율을 1.6 W/kg으로 제한한 FCC의 지침을 초과하지 않음을 알 수 있다. 따라서 제안된 인체부착형 Headset MIMO 안테나는 실용이 가능할 것으로 기대된다.
In this paper, a headset multiple-input multiple-output(MIMO) antenna for on-body application is proposed and the antenna performance with body effect and the impact on human body are investigated. The proposed MIMO antenna is composed of two planar inverted-F antennas(PIFA) above ground plane and a...
In this paper, a headset multiple-input multiple-output(MIMO) antenna for on-body application is proposed and the antenna performance with body effect and the impact on human body are investigated. The proposed MIMO antenna is composed of two planar inverted-F antennas(PIFA) above ground plane and an isolator located between the two antennas enhance the isolation characteristic. Simulation was carried to analyze the effect of human body on antenna performance when a human body is located in the near field of the antenna. According to the measurement result, the diversity performance of the proposed antenna can be considered good since ECC(Envelope Correlation Coefficient), which commonly indicates the performance of a MIMO antenna, remains below 0.1 over the ISM band. The measured SAR values for antennas 1 and 2 are 0.575 W/kg and 0.571 W/kg, respectively when 250 mW input power in engaged. These values satisfy the FCC guideline which states that the 1-g average SAR should be lower than 1.6 W/kg.
In this paper, a headset multiple-input multiple-output(MIMO) antenna for on-body application is proposed and the antenna performance with body effect and the impact on human body are investigated. The proposed MIMO antenna is composed of two planar inverted-F antennas(PIFA) above ground plane and an isolator located between the two antennas enhance the isolation characteristic. Simulation was carried to analyze the effect of human body on antenna performance when a human body is located in the near field of the antenna. According to the measurement result, the diversity performance of the proposed antenna can be considered good since ECC(Envelope Correlation Coefficient), which commonly indicates the performance of a MIMO antenna, remains below 0.1 over the ISM band. The measured SAR values for antennas 1 and 2 are 0.575 W/kg and 0.571 W/kg, respectively when 250 mW input power in engaged. These values satisfy the FCC guideline which states that the 1-g average SAR should be lower than 1.6 W/kg.
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문제 정의
본 논문에서는 2.4 GHz ISM 대역에서 동작하는 Headset MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 PIFA 구조를 이용하여 소형화하였고, 두 안테나 사이에 LC 공진기를 위치시켜 격리도 특성을 개선하였다.
본 논문에서는 WBAN 환경에서의 인체부착형 Headset MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 실제 Headset의 크기와 착용 위치 등을 고려하여 설계하였고, 두 개의 방사체는 PIFA 구조로 서로 가깝게 위치하고 있다.
제안 방법
국립전파연구원 SAR 측정실에서 제안된 안테나의 SAR를 측정하였다. 그림 11은 제작된 Headset MIMO 안테나의 SAR 측정 결과로서, 공급 전력을 250 mW로 하고 SAM phantom과 안테나의 거리를 3가지로 나누어 측정하였다.
그러나 기존의 연구에서의 SAR 분석은 시뮬레이션 위주의 결과이며, 인체의 형태나 크기 등은 거의 고려가 되지 않았다. 따라서 실제 사용 환경과 유사하도록 SAM phantom을 이용하여 측정을 진행하였다. 국립전파연구원 SAR 측정실에서 제안된 안테나의 SAR를 측정하였다.
제안된 MIMO 안테나는 PIFA 구조를 이용하여 소형화하였고, 두 안테나 사이에 LC 공진기를 위치시켜 격리도 특성을 개선하였다. 또한, 인체의 특성을 고려하기 위하여 SAM phantom[8],[9]에 안테나를 위치시켜 ANSYS사의 HFSS[10]를 이용하여 안테나의 성능을 분석하고, 이를 측정을 통해 검증하였다.
그림 4에는 자유 공간에서와 SAM phantom을 가까이 하였을 경우 안테나의 산란 파라미터 특성을 도시하였다. 실제 Headset의 사용 환경과 유사하도록 귀로부터 10 mm 떨어진 곳에 안테나를 위치시키고 시뮬레이션을 통해 안테나 구성 변수를 최적화하였다. 제안된 안테나의 동작 주파수는 SAM phantom에 접근시켜도 자유 공간에서의 동작주파수와 큰 차이를 보이지 않으며, ISM 대역에서 —20 dB 이상의 격리도 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
그림 9는 제안된 Headset MIMO 안테나의 안테나 최대 이득 및 효율을 측정한 결과이다. 안테나 최대 이득과 효율은 (주)EMW 사의 전자파 무반사실에서 측정하였다. 제안된 MIMO 안테나의 경우, ISM 대역에서 측정된 안테나의 최대 이득은 SAM phantom과 안테나의 거리가 0 mm일 때 —3.
4 GHz ISM 대역에서 동작하는 Headset MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 PIFA 구조를 이용하여 소형화하였고, 두 안테나 사이에 LC 공진기를 위치시켜 격리도 특성을 개선하였다. 또한, 인체의 특성을 고려하기 위하여 SAM phantom[8],[9]에 안테나를 위치시켜 ANSYS사의 HFSS[10]를 이용하여 안테나의 성능을 분석하고, 이를 측정을 통해 검증하였다.
본 논문에서는 WBAN 환경에서의 인체부착형 Headset MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 실제 Headset의 크기와 착용 위치 등을 고려하여 설계하였고, 두 개의 방사체는 PIFA 구조로 서로 가깝게 위치하고 있다. 제안된 MIMO 안테나는 ISM(2.
대상 데이터
따라서 실제 사용 환경과 유사하도록 SAM phantom을 이용하여 측정을 진행하였다. 국립전파연구원 SAR 측정실에서 제안된 안테나의 SAR를 측정하였다. 그림 11은 제작된 Headset MIMO 안테나의 SAR 측정 결과로서, 공급 전력을 250 mW로 하고 SAM phantom과 안테나의 거리를 3가지로 나누어 측정하였다.
각각의 PIFA 안테나의 크기는 10 mm×7 mm×4 mm이므로 headset 시스템의 안테나로 사용되기에 적합하다. 안테나 설계에 사용된 기판은 비유전율 4.4를 가지고 두께가 1 mm인 FR-4 기판을 사용하였으며, 50 Ω 동축 케이블을 이용하여 급전하였다. 그림 1(a)은 제안된 안테나의 전체적인 구조, 그림 1(b)는 PIFA 안테나의 상세한 구조, 표 1에는 PIFA 안테나의 설계 변수 값들을 나타내었다.
안테나는 유전율 4.4이고, 높이가 1 mm인 FR-4 기판을 사용하였고, 전체 크기는 40 mm×40 mm×5 mm 로 제작되었다.
성능/효과
ISM 대역(2.4～2.48 GHz)에서 Isolator가 없을 때에는 S21 값이 —15 dB 이상을 나타내므로 격리도 특성이 좋지 않으나, isolator를 추가함으로써 2.45 GHz 대역에서 S21 값이 —14.8 dB에서 —42 dB로 낮아져 격리도 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
MIMO 안테나의 성능을 평가하는 파라미터 중 하나인 상관 계수(ECC)는 ISM 전 대역에서 0.1 이하의 값을 가지므로 MIMO 안테나의 diversity 성능이 우수함을 입증하였다. 또한, 제안된 Headset MIMO 안테나의 SAR 측정 결과, 공급 전력 250 mW에서 SAM phantom과 안테나의 거리를 3가지로 나누어 측정한 결과, 일반적으로 신체 부분에 흡수되는 전자파 흡수율은 1 g 평균 1.
그림 8에서 알 수 있듯이, 제안된 안테나의 방사 패턴은 인체 외부 지향성을 보이며, phantom으로부터의 이격 거리가 멀어질수록 최대 이득은 증가하나, 그 형태는 유지되는 것을 확인할 수 있다.
1 이하의 값을 가지므로 MIMO 안테나의 diversity 성능이 우수함을 입증하였다. 또한, 제안된 Headset MIMO 안테나의 SAR 측정 결과, 공급 전력 250 mW에서 SAM phantom과 안테나의 거리를 3가지로 나누어 측정한 결과, 일반적으로 신체 부분에 흡수되는 전자파 흡수율은 1 g 평균 1.6 W/kg으로 제한한 FCC의 지침을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 인체부착형 Headset MIMO 안테나는 실용이 가능할 것으로 기대된다.
제안된 MIMO 안테나는 실제 Headset의 크기와 착용 위치 등을 고려하여 설계하였고, 두 개의 방사체는 PIFA 구조로 서로 가깝게 위치하고 있다. 제안된 MIMO 안테나는 ISM(2.4～2.48 GHz) 대역에서의 반사 손실 10 dB 대역폭을 만족하고, 두 방사체 사이에 isolator를 위치시켜 격리도 특성을 향상시켰다.
제안된 MIMO 안테나의 경우, ISM 대역에서 측정된 안테나의 최대 이득은 SAM phantom과 안테나의 거리가 0 mm일 때 —3.58～—0.2 dBi, 10 mm일 때 —0.5～3.63 dBi, 20 mm일 때 0.48～4.28 dBi의 값을 나타내며, 측정된 안테나의 효율 또한 거리 0 mm일 때 6.48～13.41 %, 10 mm일 때 17.22～32.43%, 20 mm일 때 21.14～41.45 %의 값을 나타낸다.
제안된 안테나의 동작 주파수는 SAM phantom에 접근시켜도 자유 공간에서의 동작주파수와 큰 차이를 보이지 않으며, ISM 대역에서 —20 dB 이상의 격리도 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
에서 측정한 상관 계수 값을 비교하였으며, 두 값이 유사함을 확인할 수 있다. 측정 결과, ISM 대역에서 0.1 이하의 ECC 값을 가지므로 본 논문에서 제안한 Headset MIMO 안테나가 우수한 diversity 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
측정은 Agilent 사의 Vector Network Analyzer 8753ES를 이용하였으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 유사한 값을 가지며, 10 dB 반사 손실 대역폭은 2.39～2.49 GHz(100 MHz)이고, ISM(2.4～2.48 GHz) 전 대역에서 —15 dB 이하의 격리도 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
표 2는 제작된 안테나의 방사 패턴을 이용해서 구한 MEG 값으로 그 값이 절대값 3 dB 이내이므로 전체 평균 입사 전력과 평균 수신 전력의 비가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
후속연구
6 W/kg으로 제한한 FCC의 지침을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 인체부착형 Headset MIMO 안테나는 실용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WBAN이란 무엇인가?
기존의 수 백 m 내외에서 사용되는 WLAN(Wireless Local Area Network) 기술[1]과 수 십 m 내외에서 사용되는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 기술[2]과 함께 인체의 내부 및 외부 수 m 내의 통신 기기들 간에 수 kbps에서 수 십 Mbps에 이르는 데이터를 전송하는 새로운 전송 방식인 WBAN(Wireless Body Area Network)에 관한 연구가 주목 받고 있다. WBAN은 인체 내부 또는 인체 표면에 부착된 기기들 간의 통신, 또는 그 기기와 외부 가전기기나 네트워크를 무선으로 연결하는 기술이다[3].
인체는 무엇에 따라 전기적 특성이 변하는가?
WBAN에 적용하기 위한 안테나 설계 시, 인체에 근접함에 따라 나타나는 인체의 영향이 고려되어야 한다. 인체는 주파수 대역, 인체 내외부의 위치 등에 따라 전기적 특성(유전율, 도전율)이 변하므로 이를 고려하여 안테나가 설계되어야 한다[6].
인체부착형 Headset 안테나가 단일 안테나로 구성되어 있어 어떤 어려움이 있는가?
따라서 On-body 채널에서의 통신가능 범위의 확장과 데이터의 용량 증대 및 속도의 향상이 필요하다. 그러나 현재 사용되고 있는 Headset은 단일 안테나로 구성되어 있어 고속 멀티미디어 데이터 통신을 구현하기에 어려움이 있다.
참고문헌 (16)
IEEE 802.11 WLAN WG homepage, http://www.ieee802.org/11
IEEE 802.15 WPAN WG homepage, http://www.ieee802.org/15
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B. Widrow, S. D. Stearns, Adaptive Signal Processing, Prentice Hall Inc., pp. 302-311, 1985.
IEEE Recommended Practice for Determining the Peak Spatial-Average Specific Absorption Rate(SAR) in the Human Head from Wireless Communications Devices: Measurement Techniques, IEEE Standard 1528-2003, 2003.
Human Exposure to Radio Frequency Fields From Hand-Held and Body-Mounted Wireless Communication Devices-Human Models, Instrumentation, and Procedures, Part 1: Procedure to Determine the Specific Absorption Rate(SAR) forHand-Held Devices Used in Close Proximity to the Ear(Frequency Range of 300 MHz to 3 GHz), International Electrotechnical Committee, Geneva, Switzerland, IEC 62209-1, Feb. 2005.
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S. Blanch, J. Romeu, and I. Corbella, "Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description", IEEE Electronics Letters, vol. 39, no. 9, May 2003.
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The bluetest high performance chamber. [Online]. Available at: http://www.bluetest.se.
Taga, "Analysis for mean effective gain of mobile antennas in land mobile radio environments", IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 39, no. 2, pp. 117-131, May 1990.
Y. Shin, S. Park, "Spatial diversity antenna for WLAN application", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 49, no. 6, pp. 1290-1294, Jun. 2007.
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