KR20240025135A - Triple band antenna and implantable device - Google Patents
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Abstract
본 실시예에 의한 안테나는: L 자형 슬롯(slot)이 형성된 그라운드 플레인;상기 그라운드 플레인과 접촉하는 제1 유전체 기판; 상기 제1 유전체 기판과 접촉하며, 서로 다른 세 개의 주파수 대역에서 공진하는 방사 패치; 상기 방사 패치와 접촉하는 제2 유전체 기판; 및 상기 그라운드 플레인과 상기 제1 유전체 기판을 관통하고, 상기 방사 패치에 급전하는 급전 구조를 포함하며, 상기 안테나는 상기 방사 패치와 상기 그라운드 플레인 사이의 단락 핀(short pin)이 없다.The antenna according to this embodiment includes: a ground plane in which an L-shaped slot is formed; a first dielectric substrate in contact with the ground plane; a radiating patch in contact with the first dielectric substrate and resonating in three different frequency bands; a second dielectric substrate in contact with the radiation patch; and a power feeding structure that penetrates the ground plane and the first dielectric substrate and supplies power to the radiation patch, wherein the antenna has no short pin between the radiation patch and the ground plane.
Description
본 기술은 삼중 대역 안테나 및 이를 포함하는 이식 가능한 장치와 관련된다.The present technology relates to a triple-band antenna and an implantable device containing the same.
소형화된 이식형 장치(IMD, implantable medical devices)는 임상 및 의학 연구 분야에서 매우 정확한 치료 및 진단 방법을 가능하게 하며, 캡슐 내시경, 혈당 모니터링 임플란트, 심장 박동기 및 두개 내압 검사와 같은 다양한 응용 분야에서 유용하게 활용된다. 이식형 장치는 장착된 안테나를 통해 인체 외부에 있는 제어 장치와 무선으로 통신할 수 있다. Miniaturized implantable medical devices (IMDs) enable highly accurate treatment and diagnostic methods in clinical and medical research, and are useful in a variety of applications such as capsule endoscopy, blood glucose monitoring implants, pacemakers, and intracranial manometry. It is used extensively. The implantable device can communicate wirelessly with a control device outside the body through an attached antenna.
이식형 장치에 장착된 안테나는 자유 공간에 위치한 안테나와 비교할 때 다른 방사 특성을 가진다. 이식형 장치용 안테나는 대역폭 및 크기와 같은 많은 측면과 전자파 흡수율(SAR), 비면허 동작 주파수, 생체 적합성 및 조직 결합과 같은 환자 안전 문제를 고려할 필요가 있다. 의료용 임플란트 통신 서비스 대역(402-405MHz)과 같은 다양한 주파수 대역이 이식형 장치 애플리케이션에 사용된다. Antennas mounted on implantable devices have different radiation characteristics compared to antennas located in free space. Antennas for implantable devices need to consider many aspects, such as bandwidth and size, and patient safety issues such as specific absorption rate (SAR), licence-exempt operating frequencies, biocompatibility, and tissue integration. Various frequency bands are used in implantable device applications, such as the Medical Implant Communication Service band (402-405 MHz).
이러한 파장 대역을 위한 소형 삽입형 안테나의 설계 프로세스는 매우 어렵다. 산업, 과학 및 의료 대역(ISM, industrial, scientific, and medical band) 902-928MHz 및 2400-2483.5MHz)의 범위는 국가마다 다르다. 그러나 더 높은 대역폭의 2.4GHz ISM 대역은 이식형 장치에서 외부 모니터링 스테이션으로의 고해상도 데이터 전송에 적합하며 안테나 크기가 작다는 추가 이점이 있다. The design process of small insertable antennas for these wavelength bands is very difficult. The range of the industrial, scientific, and medical bands (ISM) 902-928 MHz and 2400-2483.5 MHz) varies by country. However, the higher bandwidth 2.4 GHz ISM band is suitable for high-resolution data transmission from implantable devices to external monitoring stations and has the added benefit of smaller antenna size.
최근 생체의학 응용을 위해 여러 이식 가능한 안테나가 제안되었다. 이러한 이식 가능한 안테나는 일 예로, 915MHz에서 작동하는 원형 편파 이중층 삽입형 안테나, 2.4GHz에서 작동하는 내시경 애플리케이션을 위한 다층 헬리컬 안테나와 2400MHz 대역에서 작동하는 소형 이식형 안테나 등이 있다. Recently, several implantable antennas have been proposed for biomedical applications. Examples of these implantable antennas include a circularly polarized double-layer implantable antenna operating at 915 MHz, a multilayer helical antenna for endoscopy applications operating at 2.4 GHz, and a compact implantable antenna operating in the 2400 MHz band.
원형 편파 이중층 삽입형 안테나는 97MHz의 시뮬레이션 대역폭을 가져 대역폭이 한정적이며, 다층 헬리컬 안테나는 302.05mm3의 큰 부피와 복잡한 형상으로 -32dBi의 작은 이득을 가져 이식형 장치에 사용하게 부적절할 수 있다. 또한 2400MHz 대역에서 작동하는 소형 이식형 안테나는 저항을 사용하므로 안테나를 제조하기가 상당히 복잡해질 뿐만 손실이 증가한다는 난점이 있다. The circularly polarized double-layer implantable antenna has a limited bandwidth as it has a simulation bandwidth of 97MHz, and the multilayer helical antenna has a large volume of 302.05mm 3 and a complex shape, and has a small gain of -32dBi, which may be inappropriate for use in implantable devices. In addition, small implantable antennas operating in the 2400 MHz band use resistance, which makes manufacturing the antenna quite complicated and increases loss.
선행 기술에서 제안된 다른 이식 가능한 안테나는 단일 대역에서 허용 가능한 성능으로 작동하나 신체내에 삽입하기에 부피가 크다는 난점이 있으며, 단일 대역에서 작동하므로 생체 원격 측정과 함께 깨우기(wake up) 및 무선 충전과 같은 다른 기능을 위해 작동 주파수가 필요하기 때문에 멀티태스킹 이식형 장치의 요구 사항을 충족하는 데 적합하지 않다. 따라서, 이식형 장치용 다중대역 이식가능 안테나에 대한 수요가 증가하고 있다.Other implantable antennas proposed in the prior art operate with acceptable performance in a single band, but suffer from the disadvantage of being bulky for insertion within the body, and because they operate in a single band, they provide various functions such as wake up and wireless charging along with biotelemetry. It is not suitable to meet the requirements of multitasking implantable devices because it requires operating frequencies for other functions such as the same. Accordingly, there is an increasing demand for multiband implantable antennas for implantable devices.
본 실시예는 이러한 종래 기술의 난점을 해소하기 위한 것이다. 즉, 이식형 장치와 함께 사용될 수 있도록 작은 부피를 가지며, 다중 대역에서 동작할 수 있는 안테나를 제공하는 것이 본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나이다. This embodiment is intended to solve these difficulties in the prior art. That is, one of the problems to be solved by this embodiment is to provide an antenna that has a small volume so that it can be used with an implantable device and can operate in multiple bands.
본 실시예에 의한 안테나는: L 자형 슬롯(slot)이 형성된 그라운드 플레인;상기 그라운드 플레인과 접촉하는 제1 유전체 기판; 상기 제1 유전체 기판과 접촉하며, 서로 다른 세 개의 주파수 대역에서 공진하는 방사 패치; 상기 방사 패치와 접촉하는 제2 유전체 기판; 및 상기 그라운드 플레인과 상기 제1 유전체 기판을 관통하고, 상기 방사 패치에 급전하는 급전 구조를 포함하며, 상기 안테나는 상기 방사 패치와 상기 그라운드 플레인 사이의 단락 핀(short pin)이 없다.The antenna according to this embodiment includes: a ground plane in which an L-shaped slot is formed; a first dielectric substrate in contact with the ground plane; a radiating patch in contact with the first dielectric substrate and resonating in three different frequency bands; a second dielectric substrate in contact with the radiation patch; and a power feeding structure that penetrates the ground plane and the first dielectric substrate and supplies power to the radiation patch, wherein the antenna has no short pin between the radiation patch and the ground plane.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 L 자형 슬롯은, 상기 그라운드 플레인의 일측 단부에 형성된 개구를 포함한다. According to one aspect of this embodiment, the L-shaped slot includes an opening formed at one end of the ground plane.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 유전체 기판의 두께는, 상기 제2 유전체 기판의 두께에 비하여 크다.According to one aspect of this embodiment, the thickness of the first dielectric substrate is greater than the thickness of the second dielectric substrate.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 서로 다른 세 개의 주파수 대역은 두 ISM 대역(industrial, scientific, medical band)과 상기 두 ISM 대역 사이에 위치하는 미드필드 대역을 포함한다. According to one aspect of this embodiment, the three different frequency bands include two ISM bands (industrial, scientific, medical bands) and a midfield band located between the two ISM bands.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 두 ISM 대역은, 각각 900MHz 대역, 2400 MHz 대역이고, 상기 미드필드 대역은 1900 MHz 대역이다. According to one aspect of this embodiment, the two ISM bands are a 900 MHz band and a 2400 MHz band, respectively, and the midfield band is a 1900 MHz band.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 안테나는 상기 미드필드 대역으로 전력을 수신하고, 상기 두 ISM 대역으로 외부와 데이터 송수신한다.According to one aspect of this embodiment, the antenna receives power through the midfield band and transmits and receives data to and from the outside through the two ISM bands.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미드필드 대역에서의 공진 주파수, 상기 미드필드 대역에 비하여 큰 주파수의 ISM 대역의 공진 주파수는, 상기 L 자형 슬롯(slot)의 형태 및 상기 급전 구조와 상기 방사 패치의 연결 지점을 조절하여 조정 가능하다.According to one aspect of this embodiment, the resonant frequency in the midfield band and the resonant frequency of the ISM band with a frequency greater than the midfield band are determined by the shape of the L-shaped slot, the feed structure, and the radiation. It can be adjusted by adjusting the connection point of the patch.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 급전 구조는 상기 그라운드 플레인, 상기 제1 유전체 기판과 전기적으로 연결되지 않는다. According to one aspect of this embodiment, the power feeding structure is not electrically connected to the ground plane and the first dielectric substrate.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 방사 패치는, 미앤더 패턴을 포함하는 제1 암(arm)과, 미앤터 패턴을 포함하는 제2 암(arm)을 포함하고, 상기 제1 암과 상기 제2 암은 상기 방사 패치 길이 방향의 중심부에서 서로 연결되고, 상기 급전 구조는 상기 제2 암의 측면 단부측과 연결된다. According to one aspect of this embodiment, the radiation patch includes a first arm including a meander pattern, and a second arm including a meander pattern, wherein the first arm and the The second arms are connected to each other at the center in the longitudinal direction of the radiation patch, and the feed structure is connected to a side end side of the second arm.
본 실시예에 의한 이식 가능한 장치(implantable device)는, 두 ISM 대역(industrial, scientific, medical band)과 상기 두 ISM 대역 사이에 위치하는 미드필드 대역에서 동작하되, 상기 미드필드 대역으로 전력을 수신하고, 상기 두 ISM 대역으로 외부와 데이터 송수신하는 안테나; 상기 안테나가 수신한 전력을 충전하는 배터리를 포함하는 전력부; 상기 데이터와 상기 전력을 처리하는 전력 및 데이터 처리 장치; 및 인체 친화적 재질로 이루어진 하우징을 포함하고, 상기 안테나는 방사 패치와 그라운드 플레인 사이의 단락 핀(short pin)이 없다.The implantable device according to this embodiment operates in two ISM bands (industrial, scientific, medical bands) and a midfield band located between the two ISM bands, and receives power through the midfield band. , an antenna for transmitting and receiving data to and from the outside in the two ISM bands; a power unit including a battery that charges power received by the antenna; a power and data processing device that processes the data and the power; and a housing made of a human-friendly material, wherein the antenna has no short pin between the radiating patch and the ground plane.
본 실시예에 의하면, 작은 부피의 안테나를 형성할 수 있어 이식 가능한 장치의 부피를 더욱 감소시킬 수 있다는 장점이 제공된다.According to this embodiment, an antenna of small volume can be formed, providing the advantage of further reducing the volume of an implantable device.
도 1(a)는 인체에 본 실시예에 의한 이식형 장치가 인체에 임플란트(implant)된 상태를 예시한 도면이고, 도 1(b)는 본 실시예에 의한 이식형 장치의 분해 사시도이다.
도 2(a)는 본 실시예에 의한 안테나의 방사 패치의 개요를 도시한 도면이고, 도 2(b)는 본 실시예에 의한 안테나의 그라운드 플레인 개요를 도시한 도면이다.
도 3(a)는 급전부를 포함하는 단면을 개요적으로 도시한 단면도이고, 도 3(b)는 본 실시예에 의한 안테나의 개요를 도시한 투명 사시도이다.
도 4(a), 도 4(b)는 본 실시예에 의한 안테나가 제1 공진 주파수에서 동작할 때의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 5(a), 도 5(b)는 본 실시예에 의한 안테나가 제2 공진 주파수에서 동작할 때의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 6(a), 도 6(b)는 본 실시예에 의한 안테나가 제3 공진 주파수에서 동작할 때의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 7(a)는 피딩 포인트 변화에 대한 반사 계수의 변화를 도시한 도면이고, 도 7(b)는 피딩 포인트 변화에 대한 Z의 실수부의 변화를 도시한 도면이고, 도 7(c)는 피딩 포인트 변화에 대한 Z의 허수부의 변화를 도시한 도면이다.
도 8(a)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 개구쪽 슬롯의 길이에 따른 S11의 변화를 도시한 도면이고, 도 8(b)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 개구쪽 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부의 변화를 도시한 도면이고, 도 8(c)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 개구쪽 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부의 변화를 도시한 도면이다.
도 9(a)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 L2 슬롯의 길이에 따른 S11의 변화를 도시한 도면이고, 도 9(b)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 L2 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이고, 도 9(c)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 L2 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이다.
도 10(a)는 본 실시예의 안테나가 915MHz 에서 동작할 때 거리에 대한 링크 마진을 도시한 도면이고, 도 10(b)는 본 실시예의 안테나가 1900MHz 에서 동작할 때 거리에 대한 링크 마진을 도시한 도면이며, 도 10(c)는 본 실시예의 안테나가 2450MHz 에서 동작할 때 거리에 대한 링크 마진을 도시한 도면이다. FIG. 1(a) is a diagram illustrating a state in which the implantable device according to this embodiment is implanted in the human body, and FIG. 1(b) is an exploded perspective view of the implantable device according to this embodiment.
FIG. 2(a) is a diagram illustrating an outline of a radiation patch of an antenna according to this embodiment, and FIG. 2(b) is a diagram illustrating an outline of a ground plane of an antenna according to this embodiment.
FIG. 3(a) is a cross-sectional view schematically showing the cross section including the power feeder, and FIG. 3(b) is a transparent perspective view illustrating the outline of the antenna according to this embodiment.
Figures 4(a) and 4(b) are diagrams showing current distribution when the antenna according to this embodiment operates at the first resonant frequency.
Figures 5(a) and 5(b) are diagrams showing current distribution when the antenna according to this embodiment operates at the second resonant frequency.
Figures 6(a) and 6(b) are diagrams showing current distribution when the antenna according to this embodiment operates at the third resonance frequency.
Figure 7(a) is a diagram showing the change in reflection coefficient in response to the feeding point change, Figure 7(b) is a diagram showing the change in the real part of Z in response to the feeding point change, and Figure 7(c) is a diagram showing the change in the real part of Z in response to the feeding point change. This is a diagram showing the change in the imaginary part of Z in response to the point change.
Figure 8(a) is a diagram showing the change in S11 according to the length of the opening slot of the L-shaped slot formed on the ground plane, and Figure 8(b) is a diagram showing the change in S11 according to the length of the opening slot of the L-shaped slot formed on the ground plane. This is a diagram showing the change in the real part of Z according to the change, and Figure 8(c) is a diagram showing the change in the real part of Z according to the length of the slot on the opening side of the L-shaped slot formed in the ground plane.
Figure 9(a) is a diagram showing the change in S11 according to the length of the L2 slot of the L-shaped slot formed on the ground plane, and Figure 9(b) shows Z according to the length of the L2 slot of the L-shaped slot formed on the ground plane. It is a diagram showing the change in the real part (Real(Z)) of This is a drawing.
FIG. 10(a) is a diagram showing link margin versus distance when the antenna of this embodiment operates at 915 MHz, and FIG. 10(b) illustrates link margin versus distance when the antenna of this embodiment operates at 1900 MHz. This is a diagram, and FIG. 10(c) is a diagram showing link margin versus distance when the antenna of this embodiment operates at 2450 MHz.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 본 실시예에 의한 안테나는 L 자형 슬롯(slot, 112)이 형성된 그라운드 플레인(110)과, 상기 그라운드 플레인(110)과 접촉하는 제1 유전체 기판(120)과, 상기 제1 유전체 기판(120)과 접촉하며, 서로 다른 세 개의 주파수 대역에서 공진하는 방사 패치(130)와, 상기 방사 패치(130)와 접촉하는 제2 유전체 기판(140) 및 상기 그라운드 플레인(110)과 상기 제1 유전체 기판(120)을 관통하고, 상기 방사 패치(130)에 급전하는 급전 구조(150)를 포함하며, 상기 안테나(100)는 상기 방사 패치(130)와 상기 그라운드 플레인(110) 사이의 단락 핀(short pin)이 없다. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the attached drawings. The antenna according to this embodiment includes a ground plane 110 on which an L-shaped slot 112 is formed, a first dielectric substrate 120 in contact with the ground plane 110, and the first dielectric substrate 120. A radiation patch 130 that is in contact with and resonates in three different frequency bands, a second dielectric substrate 140 in contact with the radiation patch 130, the ground plane 110, and the first dielectric substrate ( 120 and includes a power feeding structure 150 that feeds power to the radiation patch 130, and the antenna 100 has a short pin between the radiation patch 130 and the ground plane 110. ) is not there.
본 실시예에 의한 이식형 장치(10)는 두 ISM 대역(industrial, scientific, medical band)과 상기 두 ISM 대역 사이에 위치하는 미드필드 대역에서 동작하되, 상기 미드필드 대역으로 전력을 수신하고, 상기 두 ISM 대역으로 외부와 데이터 송수신하는 안테나(100); 상기 안테나가 수신한 전력을 충전하는 배터리를 포함하는 전원부(200); 상기 데이터와 상기 전력을 처리하는 전력 및 데이터 처리 장치(300); 및 인체 친화적 재질로 이루어진 하우징(H)을 포함하고, 상기 안테나(100)는 방사 패치와 그라운드 플레인 사이의 단락 핀(short pin)이 없다.The implantable device 10 according to this embodiment operates in two ISM bands (industrial, scientific, medical bands) and a midfield band located between the two ISM bands, receives power in the midfield band, and An antenna 100 that transmits and receives data to and from the outside in two ISM bands; a power supply unit 200 including a battery that charges power received by the antenna; a power and data processing device 300 that processes the data and the power; and a housing (H) made of a human-friendly material, wherein the antenna 100 has no short pin between the radiating patch and the ground plane.
도 1(a)는 인체에 본 실시예에 의한 이식형 장치(10)가 인체에 임플란트(implant)된 상태를 예시한 도면이고, 도 1(b)는 본 실시예에 의한 이식형 장치(10)의 분해 사시도이다. 도 1(a)는 본 실시예에 의한 이식형 장치(10)가 인체의 두개골 내 및 심장 등의 심부 조직 내에 이식된 것을 예시한다. 그러나, 이는 일 예일 따름이며 간, 소장 등의 다른 조직 내에 이식되어 사용될 수 있다. FIG. 1(a) is a diagram illustrating a state in which the implantable device 10 according to this embodiment is implanted in the human body, and FIG. 1(b) is a diagram illustrating a state in which the implantable device 10 according to this embodiment is implanted in the human body. ) is an exploded perspective view. Figure 1(a) illustrates that the implantable device 10 according to this embodiment is implanted into the skull and deep tissues such as the heart of the human body. However, this is only an example and can be transplanted and used in other tissues such as the liver and small intestine.
도 1(b)를 참조하면, 본 실시예에 의한 이식형 장치(10)는 용기(H1)와 용기 덮개(H2)을 포함하는 하우징(H), 안테나(100), 전원부(200), 전력 및 데이터 처리 장치(300)을 포함한다. 하우징(H)은 인체 적합성(biocompatible) 물질로 형성된다. 일 실시예로, 인체 적합성 물질은 세라믹 알루미나(Al2O3, εr = 9.8)일 수 있다. 용기(H1)와 용기 덮개(H2)는 0.1 mm 내지 0.3mm의 두께 중 어느 하나의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 의한 이식형 장치(10)은 가로 13mm, 세로 8mm 및 높이 3.25mm의 크기를 가지며, 338mm3 의 부피를 가질 수 있다. Referring to FIG. 1(b), the implantable device 10 according to this embodiment includes a housing (H) including a container (H1) and a container cover (H2), an antenna 100, a power source 200, and power. and a data processing device 300. The housing H is made of biocompatible material. In one embodiment, the biocompatible material may be ceramic alumina (Al 2 O 3 , εr = 9.8). The container H1 and the container cover H2 may have a thickness ranging from 0.1 mm to 0.3 mm. Additionally, the implantable device 10 according to this embodiment has dimensions of 13 mm in width, 8 mm in height, and 3.25 mm in height, and may have a volume of 338 mm 3 .
전력 및 데이터 처리 장치(300)는 외부 장치(미도시)로부터 무선으로 전력 신호를 수신하고, 전원부(200)에 포함된 배터리를 충전한다. 전원부(200)는 전력 및 데이터 처리 장치(300)에 구동 전력을 제공한다. 전력 및 데이터 처리 장치(300)는 안테나(100)로부터 이식형 장치(10)에 제공된 데이터를 수신하고, 처리한다. 또한, 전력 및 데이터 처리 장치(300)는 이식형 장치(10)에 포함된 센서(미도시)가 검출한 생체 정보를 처리하고, 처리된 정보가 안테나(100)를 통하여 외부에 제공되도록 한다. 일 실시예로, 센서(미도시)는 장치(10)가 위치한 곳에서 혈압, 혈당, 심박수, 맥박수 등의 다양한 생체 정보를 수집하고, 수집된 정보를 전력 및 데이터 처리 장치(300)에 제공할 수 있다.The power and data processing device 300 wirelessly receives a power signal from an external device (not shown) and charges the battery included in the power supply unit 200. The power supply unit 200 provides driving power to the power and data processing device 300. The power and data processing device 300 receives data provided to the implantable device 10 from the antenna 100 and processes it. Additionally, the power and data processing device 300 processes biometric information detected by a sensor (not shown) included in the implantable device 10 and provides the processed information to the outside through the antenna 100. In one embodiment, a sensor (not shown) collects various biometric information such as blood pressure, blood sugar, heart rate, and pulse rate at the location where the device 10 is located, and provides the collected information to the power and data processing device 300. You can.
도 2(a)는 본 실시예에 의한 안테나(100)의 방사 패치(radiation patch, 130)의 개요를 도시한 도면이고, 도 2(b)는 본 실시예에 의한 안테나(100)의 그라운드 플레인(ground patch, 110) 개요를 도시한 도면이다. 도 3(a)는 급전부(150)를 포함하는 단면을 개요적으로 도시한 단면도이고, 도 3(b)는 본 실시예에 의한 안테나(100)의 개요를 도시한 투명 사시도이다.FIG. 2(a) is a diagram illustrating an outline of a radiation patch 130 of the antenna 100 according to the present embodiment, and FIG. 2(b) is a diagram showing the ground plane of the antenna 100 according to the present embodiment. (ground patch, 110) This is a drawing showing the outline. FIG. 3(a) is a cross-sectional view schematically showing the cross section including the power feeder 150, and FIG. 3(b) is a transparent perspective view schematically showing the antenna 100 according to this embodiment.
도 2(a), 도 2(b), 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 안테나(100)는 그라운드 플레인(110)와 제1 기판(substrate, 120), 방사 패치(130)와 제2 기판(superstrate, 140)이 적층되어 형성될 수 있다. 일 실시예로, 제1 기판(120)과 그라운드 플레인(110)는 두께가 0.25mm인 Rogers RT/duroid 6010(εr = 10.2, tanδ = 0.0035)일 수 있다. 제2 기판(140)과 방사 패치(130)는 두께가 각각 0.127mm인 Rogers RT/duroid 6010(εr = 10.2, tanδ = 0.0035)로 형성될 수 있다.2(a), 2(b), 3(a), and 3(b), the antenna 100 includes a ground plane 110, a first substrate 120, and a radiation patch ( 130) and a second substrate 140 may be stacked. In one embodiment, the first substrate 120 and the ground plane 110 may be Rogers RT/duroid 6010 (εr = 10.2, tanδ = 0.0035) with a thickness of 0.25 mm. The second substrate 140 and the radiation patch 130 may each be formed of Rogers RT/duroid 6010 (εr = 10.2, tanδ = 0.0035) with a thickness of 0.127 mm.
비유전율 10 이상의 높은 유전 상수를 가지는 물질을 채택함으로써 공진 주파수를 줄이고, 크기를 줄일 수 있다. 제2 기판(120)의 두께는 제1 기판(130)의 두께보다 작아 공진 주파수를 더 낮은 대역으로 이동시키고, 이로부터 안테나의 소형화가 가능하다. 따라서, 이러한 구성으로부터 높은 정도로 소형화된 안테나를 형성할 수 있다. 나아가, 제2 기판(130)은 안테나(100)에 포함된 손실 물질로부터 안테나를 분리하고 안테나를 둘러싼 유효 유전율의 변동을 안정화시키는 추가적인 장점을 제공한다. 본 실시예에 의한 안테나의 크기는 일 예로, 7mm × 5mm × 0.377mm(13.195mm3)이다. By adopting a material with a high dielectric constant of relative dielectric constant of 10 or more, the resonance frequency can be reduced and the size can be reduced. The thickness of the second substrate 120 is smaller than the thickness of the first substrate 130, thereby shifting the resonance frequency to a lower band, which makes it possible to miniaturize the antenna. Accordingly, an antenna that has been miniaturized to a high degree can be formed from this configuration. Furthermore, the second substrate 130 provides the additional advantage of isolating the antenna from lossy materials included in the antenna 100 and stabilizing variations in effective dielectric constant surrounding the antenna. The size of the antenna according to this embodiment is, for example, 7 mm × 5 mm × 0.377 mm (13.195 mm 3 ).
방사 패치(130)는 도시된 바와 같이 미앤더 형태(meander shape)의 좌우 대칭 두 개의 암들(132, 134)을 포함한다. 그라운드 플레인(110)은 L자형 개방형 슬롯(112)을 두어 대역폭이 향상되고, 공진 주파수를 목적하는 대역으로 이동할 수 있고, 안테나의 크기를 소형화할 수 있다.As shown, the radiation patch 130 includes two arms 132 and 134 that are left and right symmetrical in a meander shape. The ground plane 110 has an L-shaped open slot 112, so that the bandwidth is improved, the resonant frequency can be moved to the target band, and the size of the antenna can be miniaturized.
안테나(100)는 급전 피드(150)로 여기된다. 일 실시예로, 급전 피드(150)는 직경 0.4mm이고, 50옴의 동축 피드(coaxial feed)일 수 있다. 도시된 바와 같이 급전 피드(150)는 그라운드 플레인(110)과 전기적으로 접촉하지 않는 비아 홀(152)을 통하여 방사 패치(130)에 연결되어 방사 패치(130)를 여기한다. 또한, 그라운드 플레인(110)는 L 자형 슬롯(112)을 포함한다. 본 실시예에서, L 자형 슬롯(120)을 형성하여 대역폭을 증가시키고, 공진 주파수를 목적하는 대역으로 이동시킬 수 있다. 나아가, 급전 피드(140)를 목적하는 위치(X = 2mm, Y = 0.5mm)에 배치하여 대역폭 증가 및 공진 주파수를 이동시킬 수 있었다. The antenna 100 is excited with the power feed 150. In one embodiment, the power feed 150 has a diameter of 0.4 mm and may be a 50 ohm coaxial feed. As shown, the power feed 150 is connected to the radiating patch 130 through a via hole 152 that is not in electrical contact with the ground plane 110 to excite the radiating patch 130. Additionally, the ground plane 110 includes an L-shaped slot 112. In this embodiment, the bandwidth can be increased by forming the L-shaped slot 120, and the resonant frequency can be moved to the desired band. Furthermore, by placing the power feed 140 at a desired location (X = 2mm, Y = 0.5mm), the bandwidth could be increased and the resonance frequency could be moved.
도 4(a), 도 4(b)는 본 실시예에 의한 안테나가 제1 공진 주파수에서 동작할 때의 전류 분포를 도시한 도면이고, 도 4(b)는 본 실시예에 의한 안테나가 제2 공진 주파수에서 동작할 때의 전류 분포를 도시한 도면이다. Figures 4(a) and 4(b) are diagrams showing the current distribution when the antenna according to this embodiment operates at the first resonant frequency, and Figure 4(b) shows the current distribution when the antenna according to this embodiment operates at the first resonant frequency. 2 This diagram shows the current distribution when operating at the resonant frequency.
도 4(a)를 참조하면, 방사 패치(130)의 전류는 단방향을 유지하면서 가장 긴 경로를 따른다. 따라서 안테나는 제1 주파수 대역의 1/4 파장 모노폴 모드에서 공진한다. 도 4(a) 내지 도 4(b)로 예시된 실시예에서, 제1 주파수 대역은 915 MHz일 수 있다. Referring to FIG. 4(a), the current in the radiating patch 130 follows the longest path while maintaining a unidirectional direction. Therefore, the antenna resonates in a 1/4 wavelength monopole mode in the first frequency band. In the embodiment illustrated in FIGS. 4(a)-4(b), the first frequency band may be 915 MHz.
도 5(a)는 제1 주파수보다 큰 제2 주파수 대역에서 공진할 때, 방사 패치(130)의 전류 분포를 도시한다. 도시된 도면에서 청색 원으로 도시된 부분 각각에서 전류의 방향이 두 번 변경되는 것을 확인할 수 있다. 본 실시예에 의한 방사 패치(130)는 예시된 것과 같이 전파장 공진 전체 파장 루프 안테나 모드(full wavelength loop antenna mode)로 동작한다. 일 실시예로, 제2 주파수 대역은 1900MHz 대역으로, 상술한 제1 주파수 대역에 비하여 적어도 500MHz 이상 높은 주파수일 수 있다. Figure 5(a) shows the current distribution of the radiating patch 130 when resonating in a second frequency band greater than the first frequency. In the drawing, it can be seen that the direction of the current changes twice in each part indicated by a blue circle. The radiation patch 130 according to this embodiment operates in a full-wavelength resonance full wavelength loop antenna mode as illustrated. In one embodiment, the second frequency band is a 1900 MHz band, which may be at least 500 MHz higher than the first frequency band described above.
그러나, L 자형 슬롯의 형태를 변경하고/하거나, 급전 피드(150)의 위치를 변경하여 공진 주파수를 목적하는 대역으로 이동시킬 수 있다. However, the resonant frequency can be moved to the desired band by changing the shape of the L-shaped slot and/or changing the position of the power feed 150.
도 6(a)는 방사 패치(130)가 제2 주파수보다 큰 제3 주파수 대역에서 공진할 때, 방사 패치(130)의 전류 분포를 도시한다. 위에서 설명된 것과 같이 도면의 원으로 도시된 부분 각각에서 전류의 방향이 두 번 변경되는 것을 확인할 수 있다. 본 실시예에 의한 방사 패치(130)는 예시된 것과 같이 전파장 공진 전체 파장 루프 안테나 모드(full wavelength loop antenna mode)로 동작한다. 일 실시예로, 제3 주파수 대역은 2450MHz 대역으로, 상술한 제2 주파수 대역에 비하여 적어도 500MHz 이상 높은 주파수일 수 있다. FIG. 6(a) shows the current distribution of the radiating patch 130 when the radiating patch 130 resonates in a third frequency band greater than the second frequency. As described above, it can be seen that the direction of the current changes twice in each circled part of the drawing. The radiation patch 130 according to this embodiment operates in a full-wavelength resonance full wavelength loop antenna mode as illustrated. In one embodiment, the third frequency band is a 2450 MHz band, which may be at least 500 MHz higher than the above-mentioned second frequency band.
도 4(b), 도 5(b) 및 도 6(b)로 예시된 그라운드 플레인(110)에서의 전류 분포를 고려하면, L자형 슬롯(112)에 인접하여 강한 전류가 관찰된다. 이로부터 L 자형 슬롯(112)의 배치 및/또는 크기를 조절하여 공진 주파수를 조정할 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있다.Considering the current distribution in the ground plane 110 illustrated in FIGS. 4(b), 5(b), and 6(b), a strong current is observed adjacent to the L-shaped slot 112. From this, it can be easily understood that the resonance frequency can be adjusted by adjusting the arrangement and/or size of the L-shaped slot 112.
분석analyze
이하에서는 본 실시예에 의한 안테나의 성능에 중요한 영향을 미치는 모든 설계 요소를 분석한다. 도 7은 피딩 포인트 위치 변화에 대한 S11 영향과 안테나의 임피던스의 영향을 도시한 도면으로, 도 7(a)는 피딩 포인트 변화에 대한 반사 계수(S11)의 변화를 도시한 도면이고, 도 7(b)는 피딩 포인트 변화에 대한 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이고, 도 7(c)는 피딩 포인트 변화에 대한 Z의 허수부(Imag(Z)의 변화를 도시한 도면이다. Below, all design elements that have a significant impact on the performance of the antenna according to this embodiment are analyzed. Figure 7 is a diagram showing the influence of S11 on the change in feeding point position and the influence of the impedance of the antenna. Figure 7(a) is a diagram showing the change in reflection coefficient (S11) on the change in feeding point, and Figure 7 ( b) is a diagram showing the change in the real part (Real(Z)) of Z in response to the feeding point change, and Figure 7(c) shows the change in the imaginary part (Imag(Z)) in Z in response to the feeding point change. It is a drawing.
도 7(a) 내지 도 7(c)를 참조하면, 피딩 포인트의 위치는 본 실시예에 의한 안테나의 공진 주파수에서의 임피던스 정합(impedance matching)을 개선할 뿐만 아니라, 제2 주파수 및 제3 주파수를 변이(shift)시키는 것을 알 수 있다. 915MHz에서 도 7(c)로 예시된 Z의 허수부(Imag Z)는 첫 번째 공진 주파수 915MHz에서 모든 피딩 포인트에 대해 0에 가까운 것을 알 수 있다. Referring to FIGS. 7(a) to 7(c), the location of the feeding point not only improves impedance matching at the resonant frequency of the antenna according to this embodiment, but also improves impedance matching at the second and third frequencies. It can be seen that it shifts. It can be seen that the imaginary part of Z (Imag Z), illustrated in Figure 7(c) at 915 MHz, is close to 0 for all feeding points at the first resonance frequency of 915 MHz.
그러나 도 7(b)로 예시된 Z의 실수부(Re Z)는 피딩 포인트 위치에 따라 크게 변화한다. 915MHz에서 피딩 포인트 P1, P2 및 P3의 경우 Re Z의 값은 각각 120, 121 및 1이다. 위치 P4에서 Re Z는 약 40이므로 임피던스는 정합된다. 도 7(a)로 도시된 S-파라미터 플롯에서는 915MHz에서 deep null 이 형성된다. However, the real part (Re Z) of Z illustrated in FIG. 7(b) changes greatly depending on the feeding point location. For feeding points P1, P2, and P3 at 915 MHz, the values of Re Z are 120, 121, and 1, respectively. At position P4, Re Z is approximately 40, so the impedances are matched. In the S-parameter plot shown in Figure 7(a), a deep null is formed at 915 MHz.
피딩 포인트 P1에서 1900MHz의 두 번째 공진의 경우 안테나는 용량성 임피던스(capacitive impedance)를 가진다. 따라서 커패시턴스를 감소시킬 필요가 있으며, 공급 위치를 이동하여 커패시턴스를 감소시킬 수 있다. 공급 위치가 P2, P3 및 P4로 이동함에 따라 용량성 리액턴스가 감소하고 P4에서 0에 접근한다. P4에서 두 번째 공진 주파수에 대한 Re Z는 약 48이며, 결과적으로 도 7(a)의 S-파라미터 플롯에 표시된 것과 같이 양호한 임피던스 매칭을 보인다. For the second resonance at 1900 MHz at feeding point P1, the antenna has a capacitive impedance. Therefore, it is necessary to reduce the capacitance, and the capacitance can be reduced by moving the supply location. As the supply position moves to P2, P3, and P4, the capacitive reactance decreases and approaches zero at P4. Re Z for the second resonance frequency at P4 is about 48, resulting in good impedance matching as shown in the S-parameter plot in Figure 7(a).
피딩 포인트가 P1이고, 세 번째 공진 주파수 2450MHz에서 임피던스는 유도성(inductive)이다. 피딩 포인트를 P2, P3 및 P4로 이동하면 인덕턴스가 감소하고 P4에서 Imag Z는 0이고 Re Z는 60이므로 양호한 임피던스 매칭을 얻을 수 있으며, 이것은 도 7(a)에서 확인할 수 있다. 본 실시예에 의한 안테나에서 피딩 포인트는 서로 다른 세 공진 주파수 915, 1900 및 2450MHz에서 공진 깊이가 각각 -17, -22 및 -18dB인 P4로 선택된다.The feeding point is P1, and the impedance at the third resonance frequency of 2450 MHz is inductive. Moving the feeding point to P2, P3, and P4 reduces the inductance, and at P4, Imag Z is 0 and Re Z is 60, so good impedance matching can be obtained, which can be seen in Figure 7(a). In the antenna according to this embodiment, the feeding point is selected as P4, which has resonance depths of -17, -22, and -18 dB at three different resonance frequencies of 915, 1900, and 2450 MHz, respectively.
도 8(a)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 개구쪽 슬롯의 길이에 따른 S11의 변화를 도시한 도면이고, 도 8(b)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 개구쪽 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이고, 도 8(c)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 개구쪽 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이다. Figure 8(a) is a diagram showing the change in S11 according to the length of the opening slot of the L-shaped slot formed on the ground plane, and Figure 8(b) is a diagram showing the change in S11 according to the length of the opening slot of the L-shaped slot formed on the ground plane. It is a diagram showing the change in the real part (Real(Z)) of Z according to the change, and Figure 8(c) shows the real part (Real(Z)) of Z according to the length of the slot on the opening side of the L-shaped slot formed on the ground plane. This is a drawing showing the changes.
본 실시예에 의한 안테나의 성능은 패치의 슬롯과 피딩 포인트 위치에 민감하다. 또한 접지면의 슬롯은 필요한 임피던스 대역폭 및 정합을 달성하는 데 중요한 역할을 수행하므로 L1 및 L2로 표시된 접지 슬롯의 각 요소에 대해 분석을 수행하였다. The performance of the antenna according to this embodiment is sensitive to the slot and feeding point location of the patch. Additionally, since the slots in the ground plane play an important role in achieving the required impedance bandwidth and matching, analysis was performed on each element of the ground slot, denoted L1 and L2.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, L1이 3mm에서 6mm로 변화함에 따라 915MHz 대역의 변화는 무시할 수 있을 정도이나 1900 및 2450MHz 대역의 매칭이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 반면 도 8(b) 및 (c)에 표시된 임피던스 플롯(Re Z 및 Imag Z)은 첫 번째 공진 주파수 915MHz에서 L1 = 3 - 6mm에서 L1의 모든 값에 대해 Imag Z가 거의 0이고 Re Z가 40에 가깝다는 것을 나타낸다. As shown in Figure 8(a), as L1 changes from 3mm to 6mm, the change in the 915MHz band is negligible, but it can be seen that the matching of the 1900 and 2450MHz bands is improved. On the other hand, the impedance plots (Re indicates that it is close to .
두 번째 공진 주파수 1900MHz에서 임피던스는 L1 = 3mm 및 4mm에 대해 유도성(inductive)인 반면 L1 = 6mm에 대해서는 용량성(capacitive) 이다. 그러나 L1 = 5mm에서 Imag Z는 0에 가깝고 Re Z는 약 44이므로 1900MHz에서 좋은 임피던스 매칭 결과를 얻을 수 있다. At the second resonant frequency of 1900 MHz, the impedance is inductive for L1 = 3 mm and 4 mm, while it is capacitive for L1 = 6 mm. However, at L1 = 5mm, Imag Z is close to 0 and Re Z is about 44, so good impedance matching results can be obtained at 1900MHz.
또한 2450MHz에서 세 번째 공진의 경우 L1을 3mm에서 4mm로 늘리면 임피던스가 유도성에서 용량성으로 변경된다. L1이 5mm로 더 증가함에 따라 Imag Z는 0에 인접하고 Re Z는 약 65이다. L1 = 6mm의 경우 Imag Z는 유도성이 되고 Re Z는 약 33이다. 따라서 L1 = 5mm가 915, 1900 및 2450MHz에서 각각 -17, -23 및 -18dB의 공진 깊이를 제공하는 슬롯 L1의 최적 길이로 선택되었다. Additionally, for the third resonance at 2450 MHz, increasing L1 from 3 mm to 4 mm changes the impedance from inductive to capacitive. As L1 further increases to 5 mm, Imag Z approaches 0 and Re Z is around 65. For L1 = 6 mm, Imag Z becomes inductive and Re Z is approximately 33. Therefore, L1 = 5 mm was chosen as the optimal length of slot L1, giving resonance depths of -17, -23, and -18 dB at 915, 1900, and 2450 MHz, respectively.
도 9(a)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 L2 슬롯의 길이에 따른 S11의 변화를 도시한 도면이고, 도 9(b)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 L2 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이고, 도 9(c)는 그라운드 플레인에 형성된 L 자형 슬롯의 L2 슬롯의 길이에 따른 Z의 실수부(Real(Z))의 변화를 도시한 도면이다. Figure 9(a) is a diagram showing the change in S11 according to the length of the L2 slot of the L-shaped slot formed on the ground plane, and Figure 9(b) shows Z according to the length of the L2 slot of the L-shaped slot formed on the ground plane. It is a diagram showing the change in the real part (Real(Z)) of This is a drawing.
접지 슬롯 길이 L2를 2mm에서 5mm로 증가시킬 때, 도 9(a)로 도시된 바와 같이 915MHz에서 1차 공진의 정합이 나빠지는 반면, 제2 주파수에서의 공진은 주파수에서 위쪽으로 이동한 다음 아래쪽으로 이동한다. 유사하게, L2를 증가시킴으로써 2450MHz에서의 세 번째 공진은 주파수를 이동시킬 뿐만 아니라 임피던스도 변경한다. When increasing the ground slot length L2 from 2 mm to 5 mm, the matching of the primary resonance at 915 MHz becomes worse, while the resonance at the second frequency moves upward and then downward in frequency, as shown in Figure 9(a). Go to Similarly, by increasing L2 the third resonance at 2450 MHz not only shifts the frequency but also changes the impedance.
도 9(b) 및 (c)의 임피던스 플롯을 참조하면, 915MHz에서 첫 번째 공진의 경우 Imag Z는 용량성인 5mm를 제외한 L2의 모든 값에 대해 0이다. L2 = 4mm에 대한 Re Z 값은 38이며, 이 값은 50에 가까워 첫 번째 공진에서 양호한 임피던스 정합을 제공한다. Referring to the impedance plots in Figures 9(b) and (c), for the first resonance at 915 MHz, Imag Z is zero for all values of L2 except 5 mm, which is capacitive. The Re Z value for L2 = 4mm is 38, which is close to 50, providing good impedance matching at the first resonance.
1900MHz에서 두 번째 공진의 경우 L2 = 2mm일 때 Imag Z는 용량성이다. L2가 3mm로 증가하면 Imag Z는 유도성이 되고 L2 = 4mm에서 0이다. L2를 5mm로 더 증가시키면 Imag Z가 다시 용량성이 된다. 따라서 L2 = 4mm는 1900MHz에서 두 번째 공진을 달성하며, 여기서 Re Z는 44이다. For the second resonance at 1900 MHz, Imag Z is capacitive when L2 = 2 mm. When L2 increases to 3 mm, Imag Z becomes inductive and is zero at L2 = 4 mm. Further increasing L2 to 5 mm makes the Imag Z capacitive again. Therefore, L2 = 4mm achieves the second resonance at 1900 MHz, where Re Z is 44.
세 번째 공진 주파수에서, L2가 2mm에서 5mm로 증가할 때 2450MHz에서 Imag Z는 유도성에서 용량성으로 변경되고 L2 = 4mm에서 0 값으로 변경되며, 여기서 Re Z는 약 67이다. 이 분석을 바탕으로 L2 = 4mm 값은 슬롯 L2에 대한 최적값으로 간주되었으며, 여기서 공진 깊이는 915, 1900 및 2450MHz에서 각각 -17, -23 및 -19dB로 관찰되었다.At the third resonant frequency, at 2450 MHz, when L2 increases from 2 mm to 5 mm, Imag Z changes from inductive to capacitive and changes to a value of 0 at L2 = 4 mm, where Re Z is approximately 67. Based on this analysis, the value of L2 = 4 mm was considered the optimal value for slot L2, where resonance depths were observed to be -17, -23 and -19 dB at 915, 1900 and 2450 MHz, respectively.
무선 통신의 경우 원격 측정 링크의 범위는 링크 버짓 분석에 의해 결정된다. 무선 링크의 품질은 반사, 경로 손실, 편광 불일치 손실 및 흡수와 같은 다양한 유형의 손실에 민감하다. 제안된 안테나의 효율을 보장하기 위해서는 삽입된 안테나와 외부 제어/감시 장치 간의 통신 링크를 연구하는 것이 중요하다. 링크 마진(LM, Link Margin)은 통신 거리의 변화에 따른 제안 안테나의 링크 특성을 측정하는 데 사용되며, 아래 수학식을 사용하여 계산할 수 있다. For wireless communications, the range of a telemetry link is determined by link budget analysis. The quality of wireless links is sensitive to various types of loss, such as reflection, path loss, polarization mismatch loss, and absorption. To ensure the efficiency of the proposed antenna, it is important to study the communication link between the inserted antenna and external control/monitoring devices. Link Margin (LM) is used to measure the link characteristics of the proposed antenna according to changes in communication distance, and can be calculated using the equation below.
[수학식 1][Equation 1]
(d는 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리, λ는 자유 공간 파장, CNRlink는 특정 거리에서 외부 안테나에서 수신된 신호 전력과 특정 전력 수준에서 이식된 송신 안테나의 잡음 전력 밀도의 비율, CNRrequired는 수신기의 감도와 관련되며 비트 오류율에 대한 특정 통신 속도의 요구 사항을 충족하기 위해 수신단에서 필요한 반송파 대 잡음의 비율, Lf 는 경로 손실)(d is the distance between the transmitting and receiving antennas, λ is the free-space wavelength, CNRlink is the ratio of the signal power received from an external antenna at a certain distance to the noise power density of the implanted transmitting antenna at a certain power level, and CNRrequired is the It is related to sensitivity and is the ratio of carrier to noise required at the receiving end to meet the requirements of a particular communication speed for bit error rate, Lf is the path loss)
본 실시예의 이식형 장치(10)는 BPSK 변조를 채택하였고 필요한 비트 오류율은 1 × 10-5 미만이며 비트율(Br)은 7kb/s, 100kb/s 및 10Mb/s이다. 임플란트 시스템의 입력 전력은 915, 1900 및 2450MHz에서 25μW로 설정되었다. 외부 모노폴 안테나는 2dBi의 이득(Gr)을 가졌다. 링크 마진(LM)은 915, 1900 및 2450MHz에서 계산되었다. 다른 파라미터의 값은 표 1에 나열되어 있다. The implantable device 10 of this embodiment adopts BPSK modulation, the required bit error rate is less than 1 × 10 -5 , and the bit rates (Br) are 7 kb/s, 100 kb/s, and 10 Mb/s. The input power of the implant system was set to 25 μW at 915, 1900, and 2450 MHz. The external monopole antenna had a gain (Gr) of 2dBi. Link margin (LM) was calculated at 915, 1900, and 2450 MHz. The values of other parameters are listed in Table 1.
거리에 따른 통신 링크 마진(LM)의 변화는 수학식을 사용하여 계산되었으며 도 10으로 표시하였다. 도 10(a)는 20dB 여유가 있는 915MHz에서 이식된 장치(10)가 12m, 10m의 거리에서 7 및 100kb/s의 비트 전송률로 통신할 수 있음을 도시한다. 그러나 데이터 전송률을 10Mb/s로 높이면 전송 범위는 915MHz에서 1m로 줄어든다.The change in communication link margin (LM) according to distance was calculated using a mathematical equation and is shown in Figure 10. Figure 10(a) shows that at 915 MHz with 20 dB headroom, the implanted device 10 can communicate at bit rates of 7 and 100 kb/s at distances of 12 m and 10 m. However, when the data rate is increased to 10Mb/s, the transmission range is reduced to 1m at 915MHz.
마찬가지로, 도 10(b)에서 전송 범위는 20dB의 링크 마진으로 1900MHz에서 표시된다. 7 및 100kb/s의 비트 전송률에 대해 통신 범위는 각각 12m 및 10m이다. 915MHz 대역의 경우와 마찬가지로 데이터 전송률이 10Mb/s로 증가하면 유용한 통신 범위는 1900MHz에서 약 1m로 떨어진다. Similarly, in Figure 10(b) the transmission range is shown at 1900 MHz with a link margin of 20 dB. For bit rates of 7 and 100 kb/s, the communication range is 12 m and 10 m, respectively. As is the case with the 915MHz band, when the data rate increases to 10Mb/s, the useful communication range drops to about 1m at 1900MHz.
마찬가지로 도 10(c)와 같이 동일한 링크마진(LM)을 사용하는 2450MHz의 경우 제안 안테나는 각각 7kb/s와 100kb/s의 데이터 전송률에서 12m와 8m의 거리를 통해 효과적으로 통신할 수 있다. 10Mb/s의 데이터 속도에서는 유효 범위가 0.5m로 줄어든다.Similarly, in the case of 2450MHz using the same link margin (LM) as shown in Figure 10(c), the proposed antenna can effectively communicate over distances of 12m and 8m at data rates of 7kb/s and 100kb/s, respectively. At a data rate of 10 Mb/s, the effective range is reduced to 0.5 m.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings to aid understanding, these are embodiments for implementation and are merely illustrative, and those skilled in the art will be able to make various modifications and equivalents therefrom. It will be appreciated that other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the attached patent claims.
10: 이식 가능한 장치
100: 안테나
110: 그라운드 플레인
112: L 자 슬롯
120: 제1 기판
130: 방사 패치
132: 제1 암
134: 제2 암
140: 제2 기판
150: 급전 구조
152: 비아
200: 전원부
300:전력 및 데이터 처리 장치
10: Implantable device
100: antenna 110: ground plane
112: L-shaped slot 120: first substrate
130: radiating patch 132: first arm
134: second arm 140: second substrate
150: Feeding structure 152: Via
200: Power unit 300: Power and data processing device
Claims (10)
L 자형 슬롯(slot)이 형성된 그라운드 플레인;
상기 그라운드 플레인과 접촉하는 제1 유전체 기판;
상기 제1 유전체 기판과 접촉하며, 서로 다른 세 개의 주파수 대역에서 공진하는 방사 패치;
상기 방사 패치와 접촉하는 제2 유전체 기판; 및
상기 그라운드 플레인과 상기 제1 유전체 기판을 관통하고, 상기 방사 패치에 급전하는 급전 구조를 포함하며,
상기 안테나는 상기 방사 패치와 상기 그라운드 플레인 사이의 단락 핀(short pin)이 없는 안테나. With an antenna, said antenna:
A ground plane with an L-shaped slot;
a first dielectric substrate in contact with the ground plane;
a radiating patch in contact with the first dielectric substrate and resonating in three different frequency bands;
a second dielectric substrate in contact with the radiation patch; and
It includes a power feeding structure that penetrates the ground plane and the first dielectric substrate and feeds power to the radiation patch,
The antenna is an antenna without a short pin between the radiating patch and the ground plane.
상기 L 자형 슬롯은,
상기 그라운드 플레인의 일측 단부에 형성된 개구를 포함하는 안테나. According to paragraph 1,
The L-shaped slot is,
An antenna including an opening formed at one end of the ground plane.
상기 제1 유전체 기판의 두께는,
상기 제2 유전체 기판의 두께에 비하여 큰 안테나. According to paragraph 1,
The thickness of the first dielectric substrate is,
An antenna that is large compared to the thickness of the second dielectric substrate.
상기 서로 다른 세 개의 주파수 대역은
두 ISM 대역(industrial, scientific, medical band)과 상기 두 ISM 대역 사이에 위치하는 미드필드 대역을 포함하는 안테나. According to paragraph 1,
The three different frequency bands are
An antenna including two ISM bands (industrial, scientific, medical band) and a midfield band located between the two ISM bands.
상기 두 ISM 대역은,
각각 900MHz 대역, 2400 MHz 대역이고,
상기 미드필드 대역은
1900 MHz 대역인 안테나. According to paragraph 4,
The two ISM bands are:
They are 900 MHz band and 2400 MHz band, respectively.
The midfield band is
Antenna in the 1900 MHz band.
상기 안테나는 상기 미드필드 대역으로 전력을 수신하고,
상기 두 ISM 대역으로 외부와 데이터 송수신하는 안테나.According to paragraph 4,
The antenna receives power in the midfield band,
An antenna that transmits and receives data to and from the outside in the two ISM bands.
상기 미드필드 대역에서의 공진 주파수, 상기 미드필드 대역에 비하여 큰 주파수의 ISM 대역의 공진 주파수는,
상기 L 자형 슬롯(slot)의 형태 및 상기 급전 구조와 상기 방사 패치의 연결 지점을 조절하여 조정 가능한 안테나.According to paragraph 4,
The resonant frequency in the midfield band and the resonant frequency of the ISM band with a higher frequency than the midfield band are,
An antenna that is adjustable by adjusting the shape of the L-shaped slot and the connection point of the feeding structure and the radiating patch.
상기 급전 구조는
상기 그라운드 플레인, 상기 제1 유전체 기판과 전기적으로 연결되지 않는 안테나. According to paragraph 1,
The feeding structure is
An antenna that is not electrically connected to the ground plane and the first dielectric substrate.
상기 방사 패치는,
미앤더 패턴을 포함하는 제1 암(arm)과,
미앤터 패턴을 포함하는 제2 암(arm)을 포함하고,
상기 제1 암과 상기 제2 암은 상기 방사 패치 길이 방향의 중심부에서 서로 연결되고,
상기 급전 구조는 상기 제2 암의 측면 단부측과 연결되는 안테나. According to paragraph 1,
The radiation patch is,
A first arm including a meander pattern,
It includes a second arm including a meander pattern,
The first arm and the second arm are connected to each other at the center of the radiation patch in the longitudinal direction,
The feeding structure is an antenna connected to a side end of the second arm.
두 ISM 대역(industrial, scientific, medical band)과 상기 두 ISM 대역 사이에 위치하는 미드필드 대역에서 동작하되, 상기 미드필드 대역으로 전력을 수신하고, 상기 두 ISM 대역으로 외부와 데이터 송수신하는 안테나;
상기 안테나가 수신한 전력을 충전하는 배터리를 포함하는 전원부;
상기 데이터와 상기 전력을 처리하는 전력 및 데이터 처리 장치; 및
인체 친화적 재질로 이루어진 하우징을 포함하고,
상기 안테나는 방사 패치와 그라운드 플레인 사이의 단락 핀(short pin)이 없는 이식 가능한 장치.An implantable device, the implantable device comprising:
An antenna that operates in two ISM bands (industrial, scientific, medical bands) and a midfield band located between the two ISM bands, receives power in the midfield band, and transmits and receives data to the outside through the two ISM bands;
a power supply unit including a battery that charges power received by the antenna;
a power and data processing device that processes the data and the power; and
Includes a housing made of human-friendly material,
The antenna is an implantable device without a short pin between the radiating patch and the ground plane.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220103010A KR102693027B1 (en) | 2022-08-18 | 2022-08-18 | Triple band antenna and implantable device |
Applications Claiming Priority (1)
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KR20190086183A (en) * | 2018-01-12 | 2019-07-22 | 한양대학교 산학협력단 | Multi-band slot antenna |
KR20190140750A (en) * | 2018-06-12 | 2019-12-20 | 한양대학교 산학협력단 | Micro triple band antenna |
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2022
- 2022-08-18 KR KR1020220103010A patent/KR102693027B1/en active Active
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