As wireless communication technologies are developed, various wireless technologies are used in a cellular phone, a WLAN (Wireless Local Area Network), a GPS (Global Positioning Sys-tem), and a wireless energy transfer system. Owing to these wireless technologies, the life has become more convenient and more efficient. For example, wireless technologies used in medical equipments contribute to extend the human life expectancy. In bio-implantable applications, an implantable antenna can provide a wireless communication link from inside of the body to out-side of the body.
In this thesis, antennas for a 5.8 GHz wireless transmitter system have been designed and fabricated. Using a PCB (Printed Circuit Board) substrate, a microstrip rectangular patch antenna and a CPW-fed loop slot antenna have been fabricated for a system-on-package (SOP) wireless transmitter module. The fabricated microstrip patch antenna on the PCB substrate shows a radiation frequency of 5.79 GHz, an antenna gain of 1.9 dBi, and a -10 dB bandwidth of 70 MHz. The fabricated CPW-fed loop slot antenna has a radiation frequency of 5.84 GHz and an antenna gain of 2.32 dBi, with a broad bandwidth of 960 MHz. Both antennas have the size of 20 x 20 x 0.5 mm3.
On-wafer antennas have been also designed and fabricated on an InP substrate wafer for a system-on-chip (SOC) wireless transmitter system. The performance comparison of 3 types of CPW-fed slot antennas has been performed. A CPW-fed one-wavelength slot antenna with a 25 x 13 x 0.6 mm3 antenna size shows a radiation frequency of 5.66 GHz, an antenna gain of 3.46 dBi, and a bandwidth of 890 MHz. The CPW-fed loop slot antenna radiated at 5.76 GHz has a broad bandwidth of 2660 MHz. It also shows an antenna gain of 2.45 dBi and an antenna size of 14 x 16 x 0.6 mm3. Among 3 types of antennas, the CPW-fed folded slot antenna has the smallest antenna size, 11 x 13 x 0.6 mm3. It shows a radiation frequency of 5.67 GHz, an antenna gain of 1.44 dBi, and a bandwidth of 720 MHz.
Consequently, PCB substrate antennas and on-wafer antennas have been designed and fabricated. The target characteristics of antennas are a small size and a broad bandwidth to be used in a bio-implantable system. The fabricated CPW-fed loop slot antenna shows both target characteristics of a small size and a broad bandwidth. The fabricated CWP-fed loop slot antenna on an InP substrate wafer is satisfied with a target specification for a 5.8 GHz wireless transmitter system.
무선 통신 기술이 발전하면서 다양한 무선 기기들이 등장하게 되었다. 기존에 무선 기술이 가장 많이 사용되고 있었던 휴대전화를 비롯하여 무선 데이터 전송에 사용되고 있는 WLAN(Wireless Local Area Network), 차량용 네비게이션과 스마트폰에 사용되어 위성에서 오는 신호를 받아 어느 곳에서든지 현재 위치를 알 수 있게 해주는 GPS(Global Positioning System), 그리고 최근에는 무선으로 에너지를 전달하도록 해주는 무선 전력 전송 기술까지 등장해 다양한 무선 기술이 인류의 편의를 위해 사용되고 있다. 이 뿐만 아니라 의료 기기에도 무선 기술이 사용되어 사람의 수명을 늘리는데 큰 역할을 하고 있다.
사람들의 기대 수명이 늘어나고 의학 및 공학이 발전함에 따라 건강과 관련된 의료장비에 대한 수요 또한 늘어나고 있다. 그 중에서 bio-implantable system, 즉 체내에 삽입이 가능한 의료 기기들도 점점 다양해 지고 있다[1]. 무선 기술을 이용한 체내 삽입형 의료 기기에는 난청이거나 청력을 잃은 사람들에게 전기적으로 자극을 주어 청각을 제공해주는 인공와우(Cochlear Implant), 현재 기술이 개발단계에 있는 인공망막(Retinal Prosthesis), 심장 관련 질환자들에게 심박의 안정성을 제공해주는 이식형 심장박동기(Cardiac Pacemaker), 이식형 심장제세동기(Implantable Cardioverter Defibrillators) 등이 있으며 사람의 건강과 관련이 있어 더 안정성 있는 작동을 필요로 한다.
System-on-package 모듈 제작을 위해 PCB 기판의 안테나를 제작하였으며 방향성이 높은 microstrip patch antenna, broad bandwidth 특성을 보이는 CPW-fed loop slot antenna 가 제작되었다. 제작된 결과로 microstrip patch antenna 는 5.79 GHz 의 radiation frequency 와 1.9 dBi 의 안테나 gain, 70 MHz 의 bandwidth 특성을 얻을 수 있었다. CPW-fed loop slot antenna 는 5.84 GHz 의 radiation frequency, 2.32 dBi 의 gain, 960 MHz 의 bandwidth 특성을 확인하였다.
InP 기반 MMIC 와의 system-on-chip 모듈 구성을 위하여 InP wafer 상에서 CPW 급전 방식의 안테나가 구현되었다. CPW-fed one-wavelength slot antenna, CPW-fed loop slot antenna, CPW-fed folded slot antenna 의 세가지 종류의 안테나가 설계, 제작되었다. 측정 결과로 CPW-fed one-wavelength slot antenna 는 5.66 GHz 의 radiation frequency, 3.46 dBi 의 gain, 890 MHz 의 bandwidth 특성을 가지며 안테나의 크기는 25 X 13 X 0.6 mm3 였다. CPW-fed loop slot antenna 는 5.76 GHz 의 center radiation frequency, 2.45 dBi 의 안테나 gain, 2660 MHz 의 broad bandwidth 특성을 보이고 14 X 16 X 0.6 mm3 로 작은 크기의 안테나로 구현이 되었다. 마지막으로 CPW-fed folded slot antenna 는 5.67 GHz 의 radiation frequen-cy, 1.44 dBi 의 안테나 gain, 720 MHz 의 bandwidth 특성을 보였으며 안테나의 크기는 11 X 13 X 0.6 mm3 로 세가지 안테나 중에서 가장 작은 크기를 보였다.
제작된 안테나들의 특성을 처음 목표로 한 안테나 목표 성능과 비교하였을 때, InP 기판 위에서 제작된 CPW-fed loop slot antenna 가 radiation frequency, gain, bandwidth, size 를 만족하였다.
본 연구를 통해 5.8 GHz 무선 전송 시스템 모듈에 사용될 PCB, InP wafer 형태의 안테나를 구현함으로써 추후 system-on-package 또는 system-on-chip 형태의 무선 전송 시스템 모듈에 사용될 small size, broad bandwidth 특성을 가지는 안테나를 제작할 수 있었다.