As the wireless network needs to high data rate communication in order to satisfy user requirements for services, the network system has been diversified, for example WPAN (Wireless personal area network), WLAN (Wireless personal area network) and WBAN (Wireless Body Area Network) [1]. Especially WBAN system consists of wearable and implanted devices near the human body, and it supports the medical and non-medical (Financial and Entertainment, etc) services. The typical system of WBAN is the wireless capsule endoscope system which operates and supports low-speed communication for digestive apparatus images at MICs (402~405MHz) [2, 3].
This paper proposed the broadband implanted antenna for capsule endoscope at the low frequency (250~310MHz) which has lower transmission loss than that of MICs. The specific measurement system considering the electrical characteristic of body medium is realized and the performance of the proposed antenna is measured. The author confirmed the intercommunication with implanted and wearable antenna.
In order to obtain the broadband characteristic for implanted antenna, a variety of broadband techniques are considered in the simulated fluid which has same characteristic as body medium. The proposed antenna has the enough electrical length in the small volume for broadband by transforming the typical spiral. The antenna pattern has non-uniform spacing between the adjacent lines for impedance matching and miniaturization. As it is impossible to control the attitude of capsule endoscope, the implanted antenna needs to radiate omni-directionally.
The specific measurement system is realized to measure the performance of antenna accurately. Because there is no reference antenna, the 3-antenna measurement is applied. In addition, the measurement space is too small unlike anechoic chamber system, so the author applied the extrapolation technique to specific measurement system. The intercommunication with implanted and wearable antennas is confirmed by measuring the S21 between two antennas.
Finally, the non-uniform one-arm spiral antenna which can easily obtain the enough electrical length and broadband was designed for WBAN. Besides, the specific measurement system considering the characteristic of body medium was realized and the intercommunication between the in- and on-body antennas is confirmed in this paper.
WBAN(Wireless Body Area Network) 은 인체 내부 혹은 인체와 근접한 공간에서 구현되는 시스템으로, 기존의 시스템과 달리 인체 매질이라는 특수한 공간에서 구현된다. 대표적인 WBAN 시스템은 캡슐형 내시경으로 국내 외적으로 활발한 연구가 진행되고 있는데, 기존의 캡슐 내시경 시스템은 MICs(402~405MHz) 대역에서 동작하며 소화기관의 영상 정보를 저속으로 전송 및 처리하였다. 본 논문에서는 MICs보다 전파 손실이 적은 저주파 대역(250~310MHz)에서 동작하는 광대역 체내 이식형 안테나를 설계하고, 인체 매질을 고려한 특수한 측정 환경을 구현하여 정확한 안테나의 성능을 분석하였다. 또한 체외 부착형 안테나를 설계하여 체내 이식형 안테나와의 상호 통신 유무를 확인하였다.
본 연구에서 제안하는 체내 이식형 안테나는 인체의 전기적 성질을 적용한 매질 내에서 안테나의 소형화와 광대역 특성을 얻기 위해 다양한 기법을 적용하였다. 적은 부피 내에서도 충분한 전기적 길이를 보장하고 광대역 특성을 갖는 스파이럴 구조를 변형하였는고 마이크로 스트립 라인간의 간격을 조절하여 설계자의 임의대로 안테나의 물리적인 길이를 확보하였다. 이는 안테나의 대역폭(38%)을 개선하여 기존의 대수 주기형(Archimedean) 스파이럴 보다 광대역 특성을 얻을 수 있었다.
안테나의 정확한 최대 방사 이득(Gain)과 방사 패턴(Radiation Pattern)을 측정하기 위해 무반사 챔버(Anechoic Chamber)가 아닌 특수한 측정 환경에서 안테나의 특성을 확인하였다. Reference gain 안테나의 부재로 임의의 3개의 안테나를 사용하였고, 제약된 측정 공간에서 Extrapolation technique을 적용하였다. 본 안테나의 방사 패턴은 무방향성(Omni-direction)을 갖는데 이는 자세제어가 불가능한 캡슐 내시경에 적용되므로 적합한 특성이다. 또한 소형 안테나이기 때문에 이득은 높지 않지만 정확한 이득을 추출함으로써, RF 시스템 구현시 송-수신단의 정확한 Link Budget을 계산이 가능하다.
본 연구에서는 협대역 체외 부착형 안테나를 설계하여, 두 안테나간의 수신감도를 확인하여 본 안테나와 통신 가능 유무를 판단하였다. 동작 주파수 내에서 두 안테나간 원활한 통신이 이루어졌다.
결론적으로, 이번 연구를 통해 인체 매질 내에서 동작하는 광대역 안테나의 적합한 구조를 설계하였고 체내외 통신 가능 여부를 확인하였다. 제한된 공간에서 충분한 전기적 길이를 확보하고 광대역 특성을 갖는 non-uniform one-arm spiral 안테나를 설계하였고, 인체 매질을 고려한 측정환경을 구현하여 안테나의 성능을 확인하고 체내외간에 상호통신 여부를 확인하였다.
