Design of On-Body Antennas for WBAN Repeater Systems

Abstract

본 논문의 주제는 WBAN 리피터 시스템을 위한 다중대역 착용형 안테나 설계 및 구현에 집중되어 있다. 착용형 WBAN 안테나의 구현과 성능 검증을 위하여 인체 조직 팬텀을 이용하였다. 착용형 WBAN 리피터 안테나 설계시 고려할 사항은 다음과 같다. 먼저, WBAN 리피터 시스템용 안테나는 인체 이식형 기기들로부터 생체 정보를 수집하여 인체 외부로 송신하기 위하여 다중대역 특성을 가져야 한다. 본 논문에서 제안된 안테나들은 다중 대역 특성을 가지고 있으며, 안테나의 바닥면의 수신 패치는 MICS 대역과 WMTS 대역에서 동작하는 이식형 기기들과 통신하고 윗면의 송신 패치는 2.4 GHz 대역에서 동작하는 인체 외부의 모니터링 기기들과 통신한다. 본 논문에서 제안된 안테나의 방사 패치는 개구면 커플링 급전과 비아로 연결된 마이크로스트립 인셋 급전 기법을 적용함으로써 각 공진 주파수에서 동작한다. 두 번째로, 각 주파수 대역에서 적절한 방사 패턴과 전자계 분포를 구현하는 것이 요구된다. 상단의 송신 패치의 접지면과 바닥면의 ENG ZOR 안테나의 공동접지면의 존재가 적절한 방사 패턴을 가지게 하며, 바닥면의 수신 안테나는 MICS 대역과 WMTS 대역에서 인체 내부 쪽으로 방사패턴을 가지며 윗면의 송신 패치는 2.4 GHz 대역에서 인체 바깥쪽으로 방사패턴을 가지게 된다. 세 번째로, 착용형 WBAN 리피터 안테나는 실제 사용 환경을 고려하여 소형으로 설계되어야 한다. 본 연구에서는 ENG ZOR 원리를 적용함으로써 수신 안테나를 소형화하였다. 송신 안테나의 단순성과 저자세 특성으로 인하여 제안된 착용형 WBAN 안테나는 전기적으로 소형이며 저자세 특성을 가진다. 본 연구에서 가장 중요한 목적 중 하나는 안테나가 인체로부터의 둔감성을 갖게 설계하는 것이다. 바닥면의 ENG ZOR 수신 패치의 공진 주파수는 물리적인 전기적 공진 크기보다는 직렬 인덕턴스의 값에 따라서 결정되는 경향이 있으며, 바닥과 중간면에 구현된 접지면 때문에 송신 패치 역시 인체로부터 둔감성을 가질 수 있게 된다. 본 연구에서는 단일 급전 구조와 반사체를 구현함으로써 ENG ZOR 구조를 착용형 안테나에 적합하도록 설계하였다. 제안된 안테나는 ENG ZOR 원리로 인하여 전기적으로 매우 작으며 (403.5 MHz에서 0.016 λ0 × 0.008 λ0, 1397.5 MHz에서 0.042 λ0 × 0.026 λ0), MICS (402 ~ 405 MHz), WMTS (1384 ~ 1404 MHz), 2.4 GHz ISM band (2400 ~ 2485 MHz)의 목표 주파수 대역을 충분히 만족시킨다. 직렬 인덕턴스 값에 의해 결정된 수신 패치의 공진 주파수에서 중간면과 바닥면의 접지면이 반사면의 역할을 하기 때문에 제안된 안테나는 WBAN 리피터 시스템에 적합한 방사패턴을 형성하며 인체에 둔감한 성질을 갖게 된다. 제안된 적층형 착용형 안테나는 403.5 MHz에서 -12.47 dBi, 2450 MHz에서 1.71 dBi의 최대이득을 각각 가지며 제안된 소형 착용형 안테나는 403.5 MHz에서 -30.56 dBi, 1397.5 MHz에서 -32.21 dBi, 2450 MHz에서 1.03 dBi의 최대이득을 각각 가진다. SAR 측정을 위하여 250 mW의 전력이 적층형 착용형 안테나에 인가되었을 때, 측정된 평균 최대 SAR 값은 403.5 MHz에서 0.977 W/kg과 2450 MHz에서 7.37 W/kg을 가진다. SAR 측정을 위하여 250 mW가 소형 삼중대역 착용형 안테나에 인가되었을 때, 측정된 평균 최대 SAR 값은 403.5 MHz에서 0.389 W/kg, 1397.5 MHz에서 0.402 W/kg과 2450 MHz에서 0.437 W/kg을 가진다. 안테나에 250 mW의 강한 입력 전력이 인가되었음에도 불구하고 측정된 최대 SAR 값은 근거리 인체통신 IEEE 표준 SAR 제한 값 (1.6 W/kg)보다 충분히 작은 값을 가진다. 결과적으로, 제안된 안테나는 다중 대역 특성, 인체에의 둔감성, 적합한 방사패턴으로 인하여 WBAN 리피터 시스템에 적용되기에 적합하다.; This dissertation is focused on the implementation of multi-band on-body antennas for WBAN repeater systems. To enable the development and the evaluation of on-body WBAN antennas, human body tissue phantom is used. The design consideration for on-body WBAN repeater antennas are as follows. At first, the antennas for WBAN repeater systems should have multi-band characteristic in order to collect physiological information from the implanted devices and to transmit outside of the body. The antennas having multi-band characteristic are proposed in this dissertation. The receiving patches on the bottom side of the antenna for implants were operating in MICS and WMTS bands, and the transmitting patches on the top side of the antenna for monitoring devices located outside of the body were operating in 2.4 GHz ISM band. By using aperture-coupled feed and via-connected microstrip inset feed techniques, the radiating patches of the proposed antennas can operate at each resonance frequency in this dissertation. Secondly, an implementation of appropriate radiation patterns and field distributions in each frequency band is needed. By virtue of the middle plane, which is the ground plane of the top transmitting patch and the ground plane of the bottom coplanar ENG ZOR antennas, adequate radiation patterns were obtained. The receiving patches on the bottom plane have the radiation pattern along the inside of the body in MICS and WMTS band and the transmitting patch on the top plane has the radiation pattern along the outside of the body in 2.4 GHz ISM band. Thirdly, the on-body WBAN repeater antennas should have a compact design considering practical use. By adopting ENG ZOR phenomenon, receiving antennas are miniaturized. Due to the simplicity and low-profile property of the transmitting microstrip patch antenna, the proposed on-body WBAN antennas are electrically small and low-profile. One of the most important purposes of this study is an implementation of the insensitivity to the body effect of the antenna. Since the resonance frequencies of the receiving ENG ZOR antennas on the bottom side is chosen by selection of series inductance rather than electrical resonance size, the proposed antennas are insensitive to the human body. Also, the ground planes on the middle and bottom plane developed immunity for the human body successfully. In order to design appropriate on-body antennas, ENG ZOR structure, single-feeding technique, and reflector utilization were adopted in this dissertation. The dimensions of the proposed antennas are electrically small (0.016 λ0 × 0.008 λ0 at 403.5 MHz and 0.042 λ0 × 0.026 λ0 at 1397.5 MHz) by the virtue of ENG ZOR phenomenon. Moreover, the bandwidths of the proposed antennas were enough to cover the MICS (402-405 MHz), WMTS (1384-1404), and 2.4 GHz ISM band (2400-2485 MHz). Since the middle layer plane and bottom ground plane play a role as a reflecting surface and the resonance frequency of the receiving patches were chosen by series inductances strongly, the proposed antennas have the desirable radiation patterns for WBAN repeater systems and are insensitive to the existence of a human body phantom. The proposed layered on-body antenna has peak gain of -12.47 dBi and 1.71 dBi at 403.5 MHz and 2450 MHz, respectively. Also, the proposed compact on-body antennas have peak gain of −30.56 dBi, -32.21 dBi, and 1.03 dBi at 403.5 MHz, 1397.5 MHz, and 2450 MHz, respectively. When the input power of 250 mW is used to measure SAR, averaged peak SAR values of the layered on-body antenna were 0.977 W/kg and 7.37 W/kg at 403.5 MHz and 2450 MHz, respectively. The maximum SAR values of the proposed compact triple-band on-body antenna were 0.389 W/kg, 0.402 W/kg, and 0.437 W/kg at 403.5 MHz, 1397.5 MHz, and 2450 MHz, respectively. Although a high input power of 250 mW was delivered to the antenna, the maximum values of the measured SAR were still well below the regulated SAR limitation (1.6 W/kg) of the American National Standards Institute (ANSI/IEEE) for short-distance biotelemetry. Consequently, the proposed antennas can be a good candidate for a WBAN repeater system owing to the multi-band property, the insensitivity to any human body effect, and the desirable radiation pattern.