웨어러블 애플리케이션을 위한 면직물 소재의 모노폴 안테나

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7315(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 기사에서는 웨어러블 통신 시스템을 위해 2.45GHz에서 작동하고 인공 자기 전도체(AMC)가 내장된 모노폴 안테나를 조사했습니다. 제안된 안테나는 면직물 기판에 부착된 동일 평면 도파관 마이크로스트립 급전선을 갖춘 금속 루프 라디에이터로 구성됩니다. 또한 면 기반 AMC 표면을 사용하여 신체의 흡수된 방사선을 제거하고 안테나의 이득을 향상시킵니다. I자형 슬롯이 식각된 5×5 어레이 단위 셀로 구성된다. 시뮬레이션에서는 이 구성을 사용하여 SAR(전자파 흡수율) 수준이 크게 감소한 것으로 나타났습니다. 편평한 신체 부위와 둥근 신체 부위를 고려하면, 조직 모델로부터 1mm 떨어진 거리에서 10g 이상의 평균 SAR 값은 각각 0.18W/kg, 0.371W/kg에 불과한 것으로 나타났습니다. 또한 안테나 이득은 최대 7.2dBi, 평균 방사 효율은 72% 향상되었습니다. 다양한 작동 시나리오에 대한 면 기반 안테나의 실험 측정을 통한 자세한 분석이 소개됩니다. 측정된 데이터는 전자기 시뮬레이션 결과와 좋은 상관관계를 보여줍니다.

요즘 WBAN은 의료 및 의료 애플리케이션1,2,3에 적용됩니다. WBAN 시스템에서 웨어러블 안테나는 인체 근처의 통신에 사용되는 필수 구성 요소입니다4,5,6. 이러한 어려운 역할은 이러한 유형의 안테나를 설계할 때 고려해야 할 사항에 반영됩니다. 이러한 고려 사항 중 하나는 높은 유전율 신체 조직7,8의 부하 효과로 인한 안테나 공진 동작에 대한 영향입니다. 반면, 안테나 설계에서는 유연한 소재를 선택하는 것이 인체의 둥근 부분에 가깝게 활용되도록 고려해야 합니다. 유연한 재료를 기반으로 한 여러 종류의 웨어러블 안테나는 직물9, 유연한 기판10, 유전체 공진기11, 폴리이미드12, 폴리디메틸실록산13, 종이14 및 Kapton15과 같은 연구자에 의해 연구되고 조사되었습니다. 이러한 소재 중에서 섬유는 가볍고 의류와 결합할 때 유연성이 높기 때문에 선호됩니다16. 그러나 섬유 직물을 기판으로 사용하는 웨어러블 안테나의 구현 과정은 기존 기판을 사용하는 것에 비해 더 어렵습니다.

웨어러블 안테나는 인체 근처에서 작동하기 때문에 안테나의 방사선은 신체 조직에 손상을 줄 수 있습니다. 이 효과는 인체의 특정 부위를 고려하여 SAR 수준을 평가함으로써 검증됩니다. 웨어러블 안테나로 인한 건강 위험을 줄이려면 SAR 값이 규제 수준보다 낮아야 합니다18,19. 문헌에서는 신체에 흡수된 방사선을 감소시켜 결과적으로 SAR 수준을 최소화하는 여러 기술이 보고되었습니다20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34,35,36. 일반적인 기술 중 하나는 안테나 아래에 반사경을 사용하는 것입니다. 고임피던스 표면(HIS)20, 전자기 밴드갭(EBG) 구조21,22,23,24,25,26 및 인공 자기 전도체(AMC) 표면27,28,29,30,31과 같은 다양한 구조가 반사판으로 활용되었습니다. ,32,33,34,35,36. 이러한 구조는 기존 PEC(완벽한 전기 전도체) 구조를 사용하는 것에 비해 안테나 이득을 높이고 전체 프로파일을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.

보고된 반사체 구조 중에서 AMC 표면은 웨어러블 안테나를 뒷받침하는 데 널리 사용되었습니다. In27에서는 2.4/3.3GHz에서 작동하는 AMC 표면을 지원하는 유연하고 재구성 가능한 안테나가 도입되었습니다. 인간의 다리 모델을 고려하면 평가된 SAR 값은 두 작동 대역 모두에서 0.29W/kg을 초과하지 않으며 안테나 이득은 각각 3.6dB 및 2.4dB씩 증가합니다. In28에서는 라텍스 기판 위에 제작되고 AMC 표면과 결합된 Yagi-Uda 안테나가 2.4GHz에서 작동하는 것으로 나타났습니다. 단일층 및 이중층 AMC 표면을 사용하여 피크 SAR 수준을 0.714W/kg으로 최소화하고 피크 게인을 최대 1.8dBi로 높였습니다. In30에서는 신축성 전도성 직물을 사용하여 AMC 표면에 대한 웨어러블 안테나의 성능을 조사했습니다. 이 설계를 통해 안테나는 WiFi와 4G LTE(롱텀 에볼루션) 주파수 대역을 모두 커버할 수 있습니다.