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문제 정의
- 본 논문에서는 3.1～7.2 GHz UWB 대역에서 동작하는 인체 부착형 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 사각형 모노폴 구조를 이용하였고, 역 삼각형 isolator를 사용하여 격리도 특성을 향상시켰다.
- 본 논문에서는 WBAN 환경에서의 인체부착형 UWB MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나의 두개 방사체는 사각 모노폴 형태로 서로 가깝게 위치하고 있음에도 UWB(3.
- 본 논문에서는 인체 부착형으로 적용 가능한 UWB MI- MO 안테나 디자인이 제안되었다. 향후 연구에서는 미래 지향적 인체부착형 무선통신기기의 유려한 디자인을 고려한다면 설계 단계에서부터 유연기판을 이용하고, 그 특성을 분석하는 연구가 진행되어야 할 것이다.
제안 방법
- 그림 11은 제안된 안테나의 SAR 분포를 측정하기 위한 국립전파연구원의 ESSAY-III system 측정 장치의 모습이다. SAR 분포 측정을 위하여 액체형 팬텀 표면 하단부분으로부터 2 mm 떨어진 곳에 안테나를 부착한 후 액체형 팬텀 안에서 field 측정 프로브로 SAR 값을 측정하였다. 액체형 팬텀의 크기는 180×120×150 mm3이며, 비유전율과 도전율은 각각 52.
- S-parameter characteristics according to the body eff- ect. 급전에서 안테나 #2의 급전과 방사체로 인가되는 전력이 많이 전달되어 격리도가 낮아짐을 확인할 수 있었으며, plunger형 isolator가 있을 때는 안테나 #1에서 안테나 #2로 전달되는 전력이 감소되어 격리도를 향상시킬 수 있도록 설계하였다.
- 외부 송신 안테나와의 거리는 약 1 m로 고정하였으며, 외부 안테나에 미치는 영향을 최대한 줄이기 위하여 무반향실에서 측정하였다. 또한, 송수신 안테나의 편파는 수직 편파를 이루도록고정하고, 인체의 움직임이 없는 상태에서 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 송수신 안테나는 모두 제작된 UWB MIMO 안테나이며, MIMO 시스템을 가정하고 4 port용 벡터 네트워크 측정기(VNA)를 이용하여 측정하였다.
- 제안된 MIMO 안테나는 사각형 모노폴 구조를 이용하였고, 역 삼각형 isolator를 사용하여 격리도 특성을 향상시켰다. 또한, 인체의 특성을 고려하기 위하여 인체 등가 유전상수를 갖는 모의 인체[14]에 안테나를 위치시켜 ANSYS사의 HFSS (Ver.14)[15]를 이용하여 안테나의 성능을 분석하고, 측정을 통해 검증하였다.
- 제작한 UWB 안테나의 인체 영향에 따른 안테나의 성능을 확인하기 위하여 on-to-off 링크(on-body형 안테나와 off-body의 외부 안테나와의 링크)에 대하여 수신 안테나는 인체 배꼽에 부착하고, 송신 안테나는 외부에 고정시켜 수신 안테나와 인체 사이의 이격거리에 따른 안테나 성능에 대한 실험을 하였다. 수신 안테나가 인체와의 이격 거리 d는 0 mm, 5 mm, 10 mm 이격된 경우와 자유 공간(free space)에 위치할 때로 나누었다. 외부 송신 안테나와의 거리는 약 1 m로 고정하였으며, 외부 안테나에 미치는 영향을 최대한 줄이기 위하여 무반향실에서 측정하였다.
- 그림 4는 자유 공간에서와 모의 인체를 가까이 하였을 경우의 안테나의 산란 파라미터 특성을 도시한 것이다. 실제 안테나가 인체에 부착되었을 때 의복, 제품 외장 등을 고려하여 인체로부터 2 mm 떨어진 곳에 안테나를 위치시키고, 시뮬레이션을 통해 안테나 구성 변수를 최적화 하였다. 제안된 안테나의 동작 주파수는 모의 인체에 접근시켜도 자유 공간에서의 동작 주파수와 큰 차이를 보이지 않으며, 3.
- 실험을 통해 안테나의 동작을 판단하기 위하여 인체 표면에 부착시키는 간격을 0 mm, 5 mm, 10 mm, 그리고 free space로 나누어 각 경우의 안테나의 UWB 대역에서의 채널 특성을 분석하였다. 실험 결과를 통해 제안한 안테나의 목적에 맞게 인체에서 0 mm 이상의 거리에서 측정된 성능과 free space에서의 측정 성능이 비슷한 결과를 갖는 것을 확인하였다.
- 수신 안테나가 인체와의 이격 거리 d는 0 mm, 5 mm, 10 mm 이격된 경우와 자유 공간(free space)에 위치할 때로 나누었다. 외부 송신 안테나와의 거리는 약 1 m로 고정하였으며, 외부 안테나에 미치는 영향을 최대한 줄이기 위하여 무반향실에서 측정하였다. 또한, 송수신 안테나의 편파는 수직 편파를 이루도록고정하고, 인체의 움직임이 없는 상태에서 실험을 수행하였다.
- 2 GHz UWB 대역에서 동작하는 인체 부착형 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 사각형 모노폴 구조를 이용하였고, 역 삼각형 isolator를 사용하여 격리도 특성을 향상시켰다. 또한, 인체의 특성을 고려하기 위하여 인체 등가 유전상수를 갖는 모의 인체[14]에 안테나를 위치시켜 ANSYS사의 HFSS (Ver.
- 제작한 UWB 안테나의 인체 영향에 따른 안테나의 성능을 확인하기 위하여 on-to-off 링크(on-body형 안테나와 off-body의 외부 안테나와의 링크)에 대하여 수신 안테나는 인체 배꼽에 부착하고, 송신 안테나는 외부에 고정시켜 수신 안테나와 인체 사이의 이격거리에 따른 안테나 성능에 대한 실험을 하였다. 수신 안테나가 인체와의 이격 거리 d는 0 mm, 5 mm, 10 mm 이격된 경우와 자유 공간(free space)에 위치할 때로 나누었다.
- 측정값은 S21 , S23 , S41 , S43으로 2 × 2 MIMO 시스템 세팅에 맞게 총 4개의 채널에 대해 측정하였다.
대상 데이터
- 제안된 MIMO 안테나는 서로 가까운 거리에 위치한 사각 모노폴 타입이며, plunger형 isolator가 사각 모노폴 안테나 사이에 위치하고 있다. 각각의 사각형 모노폴 안테나의 가로, 세로 길이는 12 mm, 8 mm이다. 제안된 안테나에 사용된 유전체 기판의 크기는 최근 출시한 손목시계 형태의 제품 크기를 고려하여 42 mm×40 mm×0.
- 시뮬레이션에 사용된 모의 인체는 표 1에 명시된 전기상수를 가지며, 크기는 100 mm×170 mm×60 mm, 안테나와 모의인체 사이의 거리는 2 mm이다[16].
- 또한, 송수신 안테나의 편파는 수직 편파를 이루도록고정하고, 인체의 움직임이 없는 상태에서 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 송수신 안테나는 모두 제작된 UWB MIMO 안테나이며, MIMO 시스템을 가정하고 4 port용 벡터 네트워크 측정기(VNA)를 이용하여 측정하였다.
- 그림 6은 시뮬레이션과 동일하게 제작한 반고체형 모의 인체와 2 mm 떨어진 지점에 안테나를 위치시킨 측정 환경을 나타낸다. 안테나의 성능 측정을 위해 표 1에 제시된 FCC 기준에 따른 전기상수를 갖는 모의 인체를 제작하여 실험에 사용하였다[16]. 안테나의 시뮬레이션 결과와 함께 측정값을 그림 7에 나타내었다.
- 그림 1은 제안된 인체 부착형 UWB MIMO 안테나의 구조를 나타낸다. 제안된 MIMO 안테나는 서로 가까운 거리에 위치한 사각 모노폴 타입이며, plunger형 isolator가 사각 모노폴 안테나 사이에 위치하고 있다. 각각의 사각형 모노폴 안테나의 가로, 세로 길이는 12 mm, 8 mm이다.
- 제안된 안테나에 사용된 유전체 기판의 크기는 최근 출시한 손목시계 형태의 제품 크기를 고려하여 42 mm×40 mm×0.4 mm(비 유전율 4.4)로 설계되었다.
성능/효과
- 그림 3은 모의 인체 위에 안테나를 위치시켜 isolator의 유무에 따른 산란 파라미터의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. UWB 대역(3.1～7.2 GHz)에서 isolator가 없을 때에는 S21 값이 평균 13.63 dB을 나타내지만, isolator를 추가함으로써 UWB 대역(3.1～7.2 GHz) 대역에서 S21 값이 평균적으로 16.27 dB 만큼 격리도 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한, 3.
- 그림 8과 그림 9는 자유 공간에서 측정된 UWB MIMO 안테나의 방사 패턴과 안테나가 모의 인체 위에 위치할 때의 UWB MIMO 안테나의 방사 패턴을 나타낸다. 높은 유전율과 도전율을 갖는 모의 인체 위에 안테나가 위치할 경우, 방사하는 전파가 모의 인체에 의해 산란, 반사되어 인체 외부지향성 방사 패턴을 갖게 되므로, 제안된 안테나는 인체 외부 통신에 적합한 전파전파 특성을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 안테나 #1과 안테나 #2의 방사 패턴이 각 주파수 대역에서 x축 대칭을 이루는 것을 확인할수 있다.
- 또한, 신체에 흡수되는 전자파 흡수율은 1g 평균 1.6 W/kg으로 제한한 FCC 지침을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
- 실험을 통해 안테나의 동작을 판단하기 위하여 인체 표면에 부착시키는 간격을 0 mm, 5 mm, 10 mm, 그리고 free space로 나누어 각 경우의 안테나의 UWB 대역에서의 채널 특성을 분석하였다. 실험 결과를 통해 제안한 안테나의 목적에 맞게 인체에서 0 mm 이상의 거리에서 측정된 성능과 free space에서의 측정 성능이 비슷한 결과를 갖는 것을 확인하였다.
- 안테나가 몸에 완전히 밀착된 경우(d=0 mm), 모든 채널에서 —60 dB에서 —50 dB의 값을 나타내며, 인체로부터 이격시켰을 경우(d=5 mm, 10 mm)에 비하여 약 20 dB 정도의 성능이 저하된 것을 확인할 수 있다.
- 제작한 안테나는 자유 공간에서 전 대역 평균—37 dB 측정값을 가지며, 안테나를 인체로부터 이격시켰을 경우(5 mm, 10 mm)에는 측정 환경에서의 안테나 채널 전 대역 평균 —35 dB과 측정값을 갖는 것을 그림 15를 통해 확인할 수 있다. 이를 통해 제안된 안테나가 참고 문헌 [11]에서 예시하고 분석한 참고문헌 [8]～[10]의 안테나들과는 다르게, 인체 표면에 부착하였을 때와 자유 공간에서 모두 잘 동작하는 것을 확인하였다. 높은 주파수대역에서 심한 attenuation이 나타난다.
- 59 dBi 이다. 자유 공간에서 측정된 안테나 #1과 안테나 #2의 평균 효율은 각각 51.69 %, 49.58 %이며, 안테나가 모의 인체 위에 위치할 때에 측정된 안테나 #1과 안테나 #2의 평균 효율은 각각 29.38 %, 30.83 %이다. 자유 공간에서 측정된 안테나의 효율보다 안테나가 모의 인체 위에 위치할 때에 측정된 안테나의 효율이 낮은 이유는 고 유 전율, 도전율을 갖는 모의인체의 영향으로 전파가 산란및 반사되기 때문이다.
- 본 논문에서는 WBAN 환경에서의 인체부착형 UWB MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나의 두개 방사체는 사각 모노폴 형태로 서로 가깝게 위치하고 있음에도 UWB(3.1～7.2 GHz) 대역에서의 반사 손실 10 dB 대역폭을 만족하였으며, 두 방사체 사이에 plunger형 isolator를 위치시켜 격리도를 특성을 향상시켰다.
- 제안된 안테나의 동작 주파수는 모의 인체에 접근시켜도 자유 공간에서의 동작 주파수와 큰 차이를 보이지 않으며, 3.1～7.2 GHz UWB 대역에서 —20 dB 이하의 격리도 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 안테나의 반사 손실 대역폭은 4.1 GHz(3.1～7.2 GHz)이며, 동작 대역에서 —20 dB 이하의 우수한 격리도 특성을 가진다.
- 안테나의 시뮬레이션 결과와 함께 측정값을 그림 7에 나타내었다. 측정은 Agilent 사의 Vector Network Analyzer 8753ES를이용하였으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 유사한 것을 확인할 수 있다. 제안된 안테나의 반사 손실 대역폭은 4.
- 그림 14는 인체로부터의 이격 거리에 따라 측정한 채널 특성을 나타낸다. 측정한 결과를 통해 안테나를 인체로부터 이격시켰을 경우(d=5 mm, 10 mm)가 인체에 완전히 밀착시킨 경우(d=0 mm)보다 잘 동작하는 것을 확인하였다. 안테나가 몸에 완전히 밀착된 경우(d=0 mm), 모든 채널에서 —60 dB에서 —50 dB의 값을 나타내며, 인체로부터 이격시켰을 경우(d=5 mm, 10 mm)에 비하여 약 20 dB 정도의 성능이 저하된 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서는 인체 부착형으로 적용 가능한 UWB MI- MO 안테나 디자인이 제안되었다. 향후 연구에서는 미래 지향적 인체부착형 무선통신기기의 유려한 디자인을 고려한다면 설계 단계에서부터 유연기판을 이용하고, 그 특성을 분석하는 연구가 진행되어야 할 것이다.
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