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Title Page

국문요지

ABSTRACT

Contents

Glossary of Acronyms and Abbreviation 19

Chapter 1. Introduction 20

1.1. Motivation 20

1.2. Research Goals 24

1.3. Dissertation Organization 26

Chapter 2. Overview of WBAN 27

2.1. Introduction 27

2.2. State of the Art WBAN Applications 33

2.3. Issues for Design of WBAN Antennas 40

Chapter 3. Theoretical Background 43

3.1. Microstrip Patch Antenna 43

3.2. Zeroth-Order Theorem 56

3.2.1. Introduction 56

3.2.2. ZOR Antenna Theory 58

3.3. Fabrication of Human Body Phantoms to Evaluate WBAN Applicability 67

Chapter 4. Design of On-Body Antennas for WBAN Repeater Systems 77

4.1. A Dual-Band On-Body Layered Antenna for a WBAN Repeater Application 77

4.1.1. Introduction 77

4.1.2. Antenna Design and Performance 78

4.1.3. Experimental Results 85

4.1.4. Discussion 93

4.2. A Compact Dual-Band On-Body Antenna for a WBAN Repeater Application 95

4.2.1. Introduction 95

4.2.2. Antenna Design and Performance 95

4.2.3. Experimental Results 104

4.2.4. Discussion 110

4.3. A Compact Triple-Band On-Body Antenna for a WBAN Repeater System 111

4.3.1. Introduction 111

4.3.2. Antenna Design 111

4.3.3. Simulation Results 114

4.3.4. Experimental Results 119

4.3.5. Discussion 125

Chapter 5. Conclusion 126

Bibliography 131

Vita 141

Publications 142

Patents 155

List of Tables

Table 1.1. Specification of WBAN repeater antenna 25

Table 3.1. Ingredient and component ratios of semi-solid phantom... 71

Table 3.2. Tissue dielectric parameters for body phantoms. 73

Table 5.1. The achievement of the work 128

List of Figures

Figure 1.1. Conceptual diagram of the WBAN repeater system 24

Figure 2.1. A wireless body area network scheme. 29

Figure 2.2. Frequency bands used by WBAN. 31

Figure 2.3. TeleStation by Philips. 36

Figure 2.4. StimRouter neromodulation system (credit: M. Geiger). 38

Figure 3.1. The half-wavelength rectangular patch microstrip antenna;... 45

Figure 3.2. Techniques for feeding microstrip patch antennas. 51

Figure 3.3. Radiation patterns for the square microstrip patch calculated... 55

Figure 3.4. Illustration of (a) equivalent circuit model of the CRLH... 58

Figure 3.5. Infinitesimal circuit model. 62

Figure 3.6. Dispersion curves. 65

Figure 3.7. Dielectric probe and measurement setup. 72

Figure 3.8. Measured electrical properties of fabricated semi-solid... 75

Figure 4.1. Configuration of the proposed antenna 78

Figure 4.2. Simulated return loss characteristics of the proposed antenna. 81

Figure 4.3. Simulated electric field distributions of the proposed antenna 82

Figure 4.4. Simulated electric field distributions of the proposed antenna... 84

Figure 4.5. Photograph of the fabricated antenna. 85

Figure 4.6. Return loss measurement setup 86

Figure 4.7. Radiation pattern measurement setup. 87

Figure 4.8. Measured return losses of the fabricated antenna. 88

Figure 4.9. Measured radiation patterns of the antenna on human body... 90

Figure 4.10. Measured SAR distributions 92

Figure 4.11. Configuration of the proposed antenna 97

Figure 4.12. Simulated return loss characteristics of the proposed antenna. 99

Figure 4.13. Simulated electric field distributions of the proposed antenna 101

Figure 4.14. Simulated electric field distributions of the proposed antenna... 103

Figure 4.15. The fabricated proposed antenna 104

Figure 4.16. Return loss characteristics of the proposed antenna. 105

Figure 4.17. Measured 3D radiation patterns of the antenna on a... 107

Figure 4.18. Measured SAR distribution 109

Figure 4.19. Configuration of the proposed antenna 113

Figure 4.20. Simulated return loss characteristics of the proposed antenna. 115

Figure 4.21. Electric field vector distributions of the proposed antenna 116

Figure 4.22. Electric field distributions of the proposed antenna with human... 117

Figure 4.23. Simulated radiation pattern... 118

Figure 4.24. The fabricated proposed antenna 120

Figure 4.25. Return loss characteristics of the proposed antenna. 121

Figure 4.26. Measured 3D radiation patterns of the antenna on a semisolid... 122

Figure 4.27. Measured SAR distribution 124

초록보기

 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.

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