The word 'ubiquitous' means 'being present everywhere at once'. In order words, Ubiquitous means that user can make connection at network regardless of time and place. Ubiquitous technologies have recently been studied by many laboratory members. One of method for implementing Ubiquitous technologies, biomedical signal sensing system and UWB (ultra-wide bandwidth) technology are currently investigated for Ubiquitous home. Among the biomedical signal sensing systems, the wireless detection system of respiration has studied from 1975 [1], and the research of the wireless detection system of heart rate was started in 1979 [2].
In this thesis, wireless detection system of heart rate and several UWB antennas are proposed. Firstly, this thesis will explains design process of LNA and Mixer which are the main components of biomedical signal sensing. Through integration of RF devices such as LNA, mixer, oscillator, and antenna, the performance of wireless bio-signal detection system will be experimented with human’s heart rate. And UWB antennas which are necessary for wireless connection among DVD, digital camera, VTR, computer or peripherals, and so on, will be described.
Firstly, wireless bio-signal detection system for Ubiquitous-home will be described. This system is very useful as sensor which can detect moving objects. The principle of operation for this sensing system is that the target has velocity toward the direction of the radar, the reflected signal on the surface of moving target is shifted in frequency in proportion to the velocity of target toward the direction of the radar. Therefore, this system can measure respiration and heart rates with periodic movement of skin and muscle near the heart.
Secondly, a band-rejected UWB planar monopole antenna with two parasitic patches is proposed. This antenna is a novel ultra-wideband antenna with band elimination characteristic that has the omni-directional patterns in E-plane and the impedance bandwidth about 3~18GHz with VSWR below 2. The proposed antenna is fed by microstrip line, and it consists of the monopole type with two parasitism-patches rejecting 5.15~5.825GHz band limited by IEEE 802.11a and HIPERLAN/2. Its dimension is 30x30 $mm^2$ and average radiation gain is 4.1dBi.
Thirdly, a novel UWB antenna with a band elimination characteristic is presented. The proposed antenna is fed by microstrip line and consists of an inversed bell-shape radiation patch, rounded ground, and a ring-shaped parasitic patch. The proposed antenna utilizes a ring-shape parasitic patch to reject the frequency band (5.15 ~ 5.825GHz) limited by IEEE 802.11a and HIPERLAN/2. In addition, the rejected frequency band can be varied by adjusting the length and location of the ring-shape parasitic patch. By means of a normalized antenna transfer function, both frequency domain and time domain characteristics of the antenna are carefully investigated. The fabricated antenna can achieve broad bandwidth covering 2.2 to 11.8GHz with VSWR below 2. Its total size is 30$\times$25 $mm^{2}$ and average radiation gain is 4.2dBi.
Fourthly, a novel band-rejected UWB antenna with one parasitic patch is presented in this paper. It is designed to work on a substrate FR4 that has a thickness of 1mm and relative permittivity of 4.6, and to operate from 3 to 17GHz. The proposed antenna is fed by microstrip line and utilizes one rectangular parasitic patch to reject the frequency band (5.15 ~ 5.825GHz) limited by IEEE 802.11a and HIPERLAN/2. The size of the antenna is 20$\times$20 $mm^{2}$ and this antenna has good radiation characteristics. Effects of varying the location and length of the rectangular parasitic patch and the structure of the ground and monopole patch on the antenna performance have also been studied.
Finally, a novel double discone antenna is composed of the asymmetric biconical antenna and upside-down discone antenna. The asymmetric biconical antenna has all-wire structure like octopus legs for covering at lower operating frequency, and the upside-down discone antenna has conical shape playing a role as covering at higher operating frequency. An elaborate assembly of two antenna exhibits a 1:100 impedance bandwidth (180MHz - 18GHz) with VSWR below 2.5 while maintaining an acceptable omnidirectional radiation pattern except at about 12GHz region. The simulated performances of the proposed antenna are verified by the measured results of the fabricated antenna. There seems to be good agreement with each other. These features make such antennas highly suitable for application to UWB system.
유비쿼터스화된 생활공간은 언제 어디서든 네트워크로부터 자신이 필요로 하는 정보를 얻을수 있는 환경으로 정의할 수 있다. 이와 같은 유비쿼터스의 한 일환으로 인간의 생체신호를 무선으로 측정하려는 시도가 수많은 연구 인력들에 의해 추진되고 있다. 특히 무선을 이용한 호흡과 심장 박동의 무선 감지 기술에 대한 연구는 1970년대부터 시작 되었다.
본 논문에서는 RF 기술을 이용하여 미약한 생체신호, 즉, 심장파형을 감지 할 수 있는 시스템을 설계하고 실험하였다. 시스템의 작동 원리는 다음과 같다. 먼저, 시스템의 발진기로부터 만들어진 10 GHz 의 출력신호는 Wilkinson 전력분배기를 통과한 후, 하나의 신호는 송신 안테나로 방사되며, 다른 하나는 혼합기의 Local Oscillator (LO) 부분으로 입력된다. 이렇게 방사된 신호는 움직이는 물체에서 반사하여 $f_{0}$+$f_{s}$ 의 주파수로 수신되게 된다. 이러한 신호는 저 잡음 증폭기를 지나 혼합기에서 LO 포트로 입력된 신호와 혼합되어 얻고자 하는 $f_s$ 신호를 얻게 된다. 기저대역의 신호처리 부분에서는 심장의 신호 및 호흡의 신호를 얻기 위해서 저주파 및 고주파 필터를 사용하여 정확한 생체 신호를 보여주게 된다.
이와 같은 무선감지 시스템은 기존 병원에서 사용하는 심전도계 등의 장비와 비교 했을 때 비용 면에서 매우 경쟁력이 있을 뿐 아니라, 최근에는 핸드폰의 크기로 소형화, 경량화 되어 어디서나 간단한 작동원리만으로 취급할 수 있는 장점이 있다. 특히 무선으로 생체 신호를 감지하기 때문에 현재 이슈화 되고 있는 유비쿼터스 홈 구현에 적합하다. 현재 이 시스템은 유비쿼터스 홈의 일환으로 화장실에서 볼 일을 볼 때 자신의 심장파형을 컴퓨터 화면을 통해 관찰 할 수 있도록 응용 되고 있다.
본 논문에서의 또 다른 부분으로써, 초 광대역 안테나가 디자인 되었다. UWB 시스템은 기본적으로 매우 넓은 주파수 대역폭에 매우 낮은 전력을 이용하여 통신을 하므로 기존 협대역 시스템과의 공유가 용이하고, 현재 개발되고 있는 다른 무선데이터용 통신 시스템에 비해 월등히 높은 데이터 전송율을 제공할 수 있다. 특히 UWB 시스템은 매우 높은 시간 분해능을 이용하여 Cm 단위의 위치추적이 가능하다. 이러한 UWB 시스템만의 고유한 특성인 위치 추적 능력과 매우 높은 데이터 전송율의 결합은 앞으로 유비쿼터스 시대의 도래에 따라 전망을 매우 밝게 할 것으로 기대된다. 특히 UWB 는 현재 사용되고 있는 블루투스나 무선 LAN 보다 데이터 전송률과 소비 전력 면에서 상당히 우수한 특성을 지닌다. 그러나 UWB 는 넓은 대역을 사용하기 때문에 기존 통신 주파수 대역에 영향을 줄 수 있다. 이런 문제점을 해결 하기 위해서 안테나 자체에 필터링 특성을 추가 하였다. 본 논문에서는 새로운 방식인 기생 패치를 이용하여 안테나가 밴드 노치 특성을 가지도록 하였다. U 슬롯에 의한 밴드 노치 특성을 가지는 안테나보다 기생 패치에 의해서 노치 특성을 가지는 안테나가 좀 더 좋은 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
마지막으로 본 논문에서는 기존의 디스콘 안테나를 변형하여 통신 대역을 상당하게 증가시킨 새로운 더블 디스콘 안테나가 디자인 되었다. 기존의 디스콘 안테나는 VSWR 2.5 이하에서 10:1 에 불과하였으나, 본 논문에서 설계된 안테나는 100:1 을 나타내는 초광대역 안테나이다. 물론 사이즈도 줄어들었다. 제안된 안테나는 기존 전파감시 목적의 군용사용과 기존 상용주파수 대역 및 UWB 주파수 대역에서 모두 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
