높은 성능을 위한 소형 광대역 MIMO 안테나

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14290(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

최근 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라의 발전으로 무선 캡슐 내시경에서도 고해상도의 영상과 영상 전송이 가능해졌습니다. 이러한 데이터에는 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output) 안테나를 사용하여 가능한 고속 데이터 통신이 필요합니다. 본 논문에서는 무선 캡슐 내시경을 위해 2.45GHz에서 큰 대역폭을 갖는 소형, 고속, 고절연 2요소 MIMO 안테나를 제안했습니다. 안테나의 기하학적 구조(\(5\times 4.2 \times 0.12\,\hbox {mm}^{3}\))는 구불구불한 기하학적 구조, 결함이 있는 접지 구조 및 기판의 높은 유전율을 사용하여 작게 유지됩니다. 결함 있는 접지 구조를 사용하여 안테나의 이중 모드를 여기함으로써 620MHz(2.15–2.77GHz)의 더 넓은 대역폭이 달성됩니다. 또한, 결함 있는 접지 구조와 I자형 스터브의 조합을 사용하여 0.5mm의 작은 가장자리 간 간격에도 불구하고 안테나 간의 낮은 상호 결합(2.45GHz에서 30.1dB)이 실현되었습니다. 시스템 수준 구성을 염두에 두고 이 안테나는 다른 구성 요소와 장치 자체의 영향을 고려하여 캡슐 장치 내부에서 시뮬레이션되고 측정됩니다. 실제 측정은 다진 고기 안에 캡슐 장치(MIMO 안테나 포함)를 삽입하여 수행됩니다. 제안된 MIMO 안테나의 안전성과 효율성을 확인하기 위해 SAR(전자파 흡수율)과 링크 버짓을 계산하고 검증한다. 또한 \(2\times 2\) 채널 사양도 확인되어 만족스러운 성능을 보여줍니다. 이 안테나는 단일 입력-단일 안테나보다 \(\hbox {SNR} = 20\,\hbox {dB}\)에서 높은 채널 용량(\(\about 8.2\,\hbox {bps/Hz}\))을 갖습니다. 따라서 출력(SISO) 안테나는 고속 데이터 속도 캡슐 내시경 장치에 적합한 선택입니다. 저자가 아는 한, 이것은 지금까지 보고된 이렇게 낮은 차원과 더 넓은 대역폭을 갖춘 최초의 이식형 MIMO 안테나입니다.

내부 장기와 관련된 질병을 앓고 있는 환자의 경우 상태를 지속적으로 모니터링하려면 병원에 장기간 물리적으로 있어야 합니다. 그러한 환자와 비슷한 상태의 다른 사람들을 돕기 위해 최근 연구 노력은 병원에 갈 필요 없이 집에서 편안하게 환자로부터 필요한 데이터를 수집하는 무선 환자 모니터링 시스템의 개발을 목표로 했습니다. 이러한 시스템에는 의료 감지 장치가 신체 내부에 삽입되어야 하며(이식 가능 또는 섭취 가능), 이 장치에는 데이터를 외부 장치에 무선으로 전송하는 송신기가 포함되어 있습니다. 다음으로, 수신된 정보는 실시간 분석 및 응급 상황 보고를 위해 쉽게 병원으로 전송될 수 있습니다. 이 개념은 장 질환 환자를 모니터링하는 데 사용되는 감지 장치로서 섭취 가능한 캡슐에 대해 그림 1에 나와 있습니다. 이 유형의 캡슐은 필수 센서, 카메라, 안테나, 배터리 및 PCB로 구성된 통합 시스템입니다. 이러한 캡슐 및 유사한 의료 감지 장치의 디자인은 다양한 의료 응용 분야에 대한 최근 연구에서 다루어졌습니다. 예를 들어, 녹내장 안압에 대한 모니터링 시스템은1,2, 포도당 수준은3,4에 제시되었습니다.

섭취 가능한 캡슐을 이용한 무선 환자 모니터링 시스템의 개념.

무선 환자 모니터링 외에도 신경 신호 기록 및 자극5,6,7, 심장 박동 제어8,9, 캡슐 내시경 수행10,11과 같은 다른 의료 응용 분야를 위해 이식형 의료 감지 장치가 개발되었습니다. 앞서 언급한 이식형 시스템의 핵심 구성 요소는 크기와 데이터 속도12라는 두 가지 설계 매개변수가 매우 중요한 송신 안테나입니다. 이식형 안테나의 크기 축소는 데이터 속도와 통신 성능을 저하시키지 않는 방법을 사용하여 접근해야 합니다. 이는 반응성 로딩13, 유전율이 높은 기판14, 서파 구조15, 구불구불한 공진기16 등의 구조와 기술을 사용하여 문헌에서 달성되었습니다. 이식형 안테나를 설계할 때 또 다른 우려 사항은 인체 내부의 다중 경로 왜곡(손실된 인체 조직으로 인해 발생)입니다17. 단일 대역 이식형 안테나에서 왜곡 효과를 완화하는 한 가지 방법은 18,19에 제시된 것과 같은 원형 편파 설계를 사용하는 것입니다. 또 다른 방법은 이중 대역 작동20,21, 삼중 대역 작동24,25, 쿼드 밴드 작동24,25 및 광대역26,27에 보고된 설계와 같은 다중 대역 또는 광대역 이식형 안테나를 배포하는 것입니다. 작업. 그러나 앞서 언급한 기술을 사용하여 달성한 데이터 속도는 실시간 의료 응용 분야에는 바람직하지 않습니다. 이식형 안테나의 데이터 속도를 더욱 향상시키기 위해 단일 입력 단일 출력(SISO) 구성30,31 대신 다중 입력 다중 출력(MIMO) 구성28,29을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 32에서 보고된 MIMO 이식형 안테나는 높은 데이터 속도가 필요한 고해상도 이미징에 사용되었습니다. 무선 캡슐 내시경을 이용해 촬영한 고해상도 영상을 전송하기 위해 2개의 안테나를 사용했다. 이 안테나의 가장 큰 장점은 다른 기존 SISO 안테나에 비해 높은 데이터 전송률이었습니다. 그러나 대역폭이 좁고 격리도가 낮으며 크기가 크다는 단점이 있습니다. 2개 이상의 요소를 가진 MIMO 안테나는 이식형 안테나 의료 응용 분야에 대한 문헌에서도 보고되었습니다. In33은 나선형 방사체와 나선형 라인 접지면을 사용하여 이중 요소 이식형 MIMO 안테나를 설계했습니다. 다른 MIMO 안테나와 마찬가지로 추가 전력 및 주파수 없이 높은 데이터 속도를 지원할 수 있습니다. 그러나 크기가 크고 격리 수준이 낮으며 대역폭이 10dB로 제한된다는 단점이 있습니다. In34는 4요소 MIMO 안테나가 이식형 의료 기기용 2.45GHz ISM 대역에서 설계되었습니다. 안테나는 EBG(전자기 밴드갭) 구조와 부분 접지면을 기반으로 합니다. 이 안테나의 주요 제한 사항은 좁은 대역폭, 큰 크기 및 낮은 격리 수준입니다. In32에서는 고속 데이터 속도의 생체 원격 측정 애플리케이션을 위해 이중 안테나 시스템이 도입되었습니다. 이 안테나는 격리 수준이 높다는 장점이 있지만 대역폭이 좁고 크기가 크다는 단점이 있습니다. In36에서는 체내 이식형 MIMO 안테나의 상호 결합 연구가 수행되었습니다. 다른 안테나에 비해 크기는 비교적 작지만 대역폭이 매우 좁고 크기가 큽니다. 37의 저자는 생체 의학 응용 분야를 위한 고속 데이터 속도 MIMO 안테나를 설계했습니다. 실현 이득은 좋지만 대역폭이 좁고 크기가 크며 격리 수준이 낮다는 문제가 있습니다. In38에서 저자는 심부 이식형 의료 기기용 MIMO 안테나를 설계했습니다. 2.45GHz를 중심으로 320MHz의 대역폭을 커버합니다. 이 안테나는 여러 가지 좋은 기능(높은 데이터 전송률, 좋은 채널 용량, 좋은 피크 이득 등)을 갖고 있지만 크기가 크고 대역폭이 제한되며 격리 수준이 낮다는 문제가 있습니다. MIMO 안테나가 데이터 속도를 높이는 것으로 입증되었지만 이러한 증가는 장치의 부피가 커진다는 대가를 치르게 됩니다36,37,38. 따라서 장치 크기를 줄이기 위해서는 컴팩트한 소자를 사용하는 것이 주요한 접근 방식이다. 그러나 MIMO 안테나의 크기를 줄이는 것은 요소 간의 높은 격리를 유지하는 방식으로 수행되어야 합니다.