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KR101026965B1 - 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치 - Google Patents

직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치 Download PDF

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Publication number
KR101026965B1
KR101026965B1 KR1020090082681A KR20090082681A KR101026965B1 KR 101026965 B1 KR101026965 B1 KR 101026965B1 KR 1020090082681 A KR1020090082681 A KR 1020090082681A KR 20090082681 A KR20090082681 A KR 20090082681A KR 101026965 B1 KR101026965 B1 KR 101026965B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
inductance element
electrode
transmitter
ground
receiver
Prior art date
Application number
KR1020090082681A
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English (en)
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KR20110024611A (ko
Inventor
유회준
배준성
Original Assignee
한국과학기술원
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Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020090082681A priority Critical patent/KR101026965B1/ko
Publication of KR20110024611A publication Critical patent/KR20110024611A/ko
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Publication of KR101026965B1 publication Critical patent/KR101026965B1/ko

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/005—Transmission systems in which the medium consists of the human body
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks
    • H03H7/0115—Frequency selective two-port networks comprising only inductors and capacitors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 데이터 무선통신장치는 제1 송신전극, 제1 인덕턴스 소자, 송신기, 제2 인덕턴스 소자 및 제2 송신전극을 포함하고, 제1 인덕턴스 소자는 제1 송신전극과 송신기 사이에 연결되고, 제2 인덕턴스 소자는 송신기와 제2 송신전극 사이에 연결된 송신부 및, 제1 수신전극, 제3 인덕턴스 소자, 수신기, 제4 인덕턴스 소자 및 제2 수신전극을 포함하고, 제3 인덕턴스 소자는 제1 수신전극과 수신기 사이에 연결되고, 제4 인덕턴스 소자는 수신기와 제2 수신전극 사이에 연결된 수신부를 포함하고, 제1 인덕턴스 소자 및 제2 인덕턴스 소자는 가변 인덕터이다.
본 발명에 따르면, 인체 통신 시스템에서 외부 환경 요인에 따른 민감한 채널 특성을 개선하고 보상 할 수 있다. 이에 따라, 인체 영역 네트워크를 구성하는데 있어서 에너지 효율을 높일 수 있다.
인체통신, 무선통신, 인체영역네트워크(Body Area Network), 전기장 통신(Electrical Field Communication), 근접장 통신(Near-Field Communication), 저에너지, 저전력, 채널 보상, LC 직렬공진, 가변 인덕터

Description

직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치{APPARATUS FOR A WIRELESS COMMUNICATION USING SERIES RESONANCE}
본 발명은 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치에 관한 것이다.
기존의 무선 송수신기가 공기를 매질로 하여 전자장의 변화를 감지하는 방식으로 정보를 주고받았다면, 인체통신 시스템에서의 무선 송수신기는 인체를 매질로 하여 전기장의 변화를 감지하는 방식으로 정보를 주고받기 때문에, 기존의 방식에 비해 신호 감쇄 정도가 적어 저전력으로 송수신기를 구현할 수 있는 장점을 갖는다.
그러나, 기존의 인체 통신 시스템에서의 무선 송수신기는 채널 특성이 외부 환경에 굉장히 민감하기 때문에 안정적인통신 채널을 제공하기 어렵다는 단점을 지니고 있다. 이는, 현재 기존의 인체 통신 시스템이 그 동안 실용화되지 못한 가장 큰 이유가 되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 인체 통신에 있어서 외부 환경에 따른 민감한 채널 특성을 개선하고 보상할 수 있는 데이터 무선통신장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 데이터 무선통신장치는 송신전극, 송신기, 제1 인덕턴스 소자 및 제1 접지를 포함하고, 송신기는 송신전극과 제1 인덕턴스 소자 사이에 연결되고, 제1 인덕턴스 소자는 송신기와 제1 접지 사이에 연결된 송신부 및, 수신전극, 수신기, 제2 인덕턴스 소자 및 제2 접지를 포함하고, 수신기는 수신전극과 제2 인덕턴스 소자 사이에 연결되고, 제2 인덕턴스 소자는 수신기와 제2 접지 사이에 연결된 수신부를 포함한다.
제1 인덕턴스 소자는,
제1 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
제2 인덕턴스 소자는,
제2 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하는 것이 바람직하다.
제1 인덕턴스 소자 및 제2 인덕턴스 소자는 가변 인덕터인 것이 바람직하다.
제1 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제1 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제1 제어부 및 제2 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제2 인덕턴스 소 자의 인덕턴스 값을 조절하는 제2 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 데이터 무선통신장치는 제1 송신전극, 제1 인덕턴스 소자, 송신기, 제2 인덕턴스 소자 및 제2 송신전극을 포함하고, 제1 인덕턴스 소자는 제1 송신전극과 송신기 사이에 연결되고, 제2 인덕턴스 소자는 송신기와 제2 송신전극 사이에 연결된 송신부 및, 제1 수신전극, 제3 인덕턴스 소자, 수신기, 제4 인덕턴스 소자 및 제2 수신전극을 포함하고, 제3 인덕턴스 소자는 제1 수신전극과 수신기 사이에 연결되고, 제4 인덕턴스 소자는 수신기와 제2 수신전극 사이에 연결된 수신부를 포함한다.
송신부는 제1 송신전극과 제2 송신전극을 통해 차동 신호를 송신하고,
수신부는 제1 수신전극과 제2 수신전극을 통해 차동 신호를 수신하는 것이 바람직하다.
제1 인덕턴스 소자는,
제1 송신전극과 인체 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
제2 인덕턴스 소자는,
제2 송신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
제3 인덕턴스 소자는,
제1 수신전극과 인체 사이에서 형성되는 제3 커패시턴스 성분과 함께 LC 직 렬 공진 회로를 형성하고,
제4 인덕턴스 소자는,
제2 수신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제4 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하는 것이 바람직하다.
제1 인덕턴스 소자, 제2 인덕턴스 소자, 제3 인덕턴스 소자 및 제4 인덕턴스 소자는 가변 인덕터인 것이 바람직하다.
제1 송신전극과 인체 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제1 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제1 제어부, 제2 송신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제2 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제2 제어부, 제1 수신전극과 인체 사이에서 형성되는 제3 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제3 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제3 제어부 및 제2 수신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제4 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제4 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제4 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 인체 통신 시스템에서 외부 환경 요인에 따른 민감한 채널 특성을 개선하고 보상 할 수 있다. 이에 따라, 인체 영역 네트워크를 구성하는데 있어서 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1a는 기존의 인체 통신이 이루어지는 기작(mechanism)에 대한 개념도를 나타낸 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 기존의 데이터 무선통신장치는 송신부(100a) 및 수신부(100b)로 구성된다. 여기서 송신부(100a)는 송신기(110), 송신기 전극(111) 및 송신기 접지(113)를 포함 할 수 있다. 수신부(100b)는 수신기(120), 수신기 전극(121) 및 수신기 접지(123)를 포함 할 수 있다.
송신기(110)는 송신기 전극(111)을 통해 전기장에 데이터를 실어서 인체에 신호를 인가하는 방식으로 데이터를 송신한다. 이러한 경우, B 경로를 통해 데이터 신호가 송신될 수 있다. 수신기(120)는 수신기 전극(121)을 통해 전기장의 변화를 감지하여 송신기(110)를 통해 송신된 데이터 신호를 감지할 수 있다. 이러한 경우, E 경로를 통해 데이터 신호가 수신될 수 있다. 이때, 인체는 인체 통신에 사용되는 주파수 영역에서 낮은 임피던스를 갖는다. 이에 따라, 인체는 전기적 등가회로 상에서 완전 도체로 가정하여 표시될 수 있으며, 또한, 인체를 반드시 도체로 가정하지 않더라도 그 일반성을 유지할 수 있다.
송신부(100a)와 수신기(100b)는 무선통신방식으로 동작이 이루어지므로, 서로 무선으로 연결되어 있다. 이에 따라, 송신부(100a)와 수신부(100b)는 각각의 배터리로부터 생성되는 개별적인 접지상태를 가지고 있기 때문에, 외부의 절대적인 접지상태를 간접적으로 참조하여 전기장의 변화를 감지하게 된다. 이러한 경우, A 및 F 경로를 통하여 송신된 데이터 신호를 감지하여 참조하게 된다. 이외의 데이터 전송 경로로서, C 경로로 나타낸 송신기 접지(113)와 인체 사이에서 형성되는 전기장에 의한 데이터 전송 경로, 그리고 D 경로로 나타낸 외부접지와 인체 사이에 형성되는 전기장에 의한 데이터 전송 경로가 있다.
도 1b는 도 1a에 도시된 개념도를 전기적인 등가 모델로 나타낸 도면이다.
도 1a의 송신기 전극(111), 송신기 접지(113), 수신기 전극(121), 수신기 접지(123), 인체, 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로 즉, 도 1a의 A, B, C, D, E, F 경로를 각각 커패시터 CA, CB, CC, CD, CE, CF로 모델링하여 나타내었다.
여기서, 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 신호 전달 특성에 가장 큰 영향을 미치는 것은 커패시터 CA, CB, CE, CF이다. CB/CE의 커패시턴스 값은 송신기/수신기 전극(111, 121)과 인체 사이에 형성되는 커패시턴스에 따라 결정될 수 있다. 또한, CA/CF의 커패시턴스 값은 송신기/수신기 접지(113, 123)와 외부접지 사이에 형성되는 커패시턴스에 따라 결정될 수 있다. 여기서 각 커패시턴스는 송/수신기 전극(111, 121) 혹은 접지(113, 123)면의 크기에 비례하며, 두 전극 혹은 접지면 사이의 거리에 반비례한다.
일반적인 상황에서 송/수신기의 접지(113, 123)면의 크기가 작고, 각 접지(113, 123)면과 외부 접지면 사이의 거리가 가장 멀기 때문에, CA, CF의 커패시턴스 값은 인체 근처에서 형성되는 CB, CE 값에 비해 상당히 작은 값을 갖게 된다. 따라서 CA, CF가 갖는 값은 인체 통신에 있어 신호 감쇄의 주요 원인이 될 수 있다. 또한, 인체와 송/수신기 전극(111, 121) 사이에서 형성되는 CB, CE와는 달리, 외부 환경으로부터 치부될 수 있는 외부접지와 송/수신기 접지(113, 123)면 사이에 형성되는 CA, CF의 값은 외부 환경에 따라서 그 값이 항상 변화하게 된다. 결과적으로, 인체 통신에 있어서 신호 감쇄의 가장 큰 원인이 되는 CA, CF 값은 외부 환경에 따라 그 값이 수시로 변하게 되므로, 이는 인체 통신이 실용화되지 못하는 가장 큰 이유가 될 수 있다. 그러나, 인체 통신에 대한 기존의 연구에서는 이와 같은 문제점의 근본적인 해결 방안을 제시하지 않은 채, 제한된 상황에서 채널 특성만을 기술하는 수준에 그치고 있다.
따라서 이하에는, 인체 통신 시스템에 있어서 채널 특성을 개선하고 보상함으로써 상술한 바와 같은 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 데이터 무선통신장치에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 원리에 대하여 간략하게 설명한다.
인체 영역 네트워크를 구성하기 위한 기존의 무선 송/수신기가 공기를 매질로 하여 전자장의 변화를 감지하는 방식을 통해 데이터를 주고받았다면, 본 발명에 따른 데이터 무선통신장치는 인체 및 공기를 매질로 하여 전기장의 변화를 감지함으로써 데이터를 주고받는 방식으로 동작한다고 할 수 있다. 여기서, 인체는 주 매질 공기는 부 매질로 볼 수 있다.
외부 환경에 민감한 채널 특성을 개선하고 보상하기 위하여, 본 발명에서는 채널 특성이 전기장에 의해 형성되는 커패시턴스에 의해 결정된다는 점을 착안하 여, 인덕턴스 성분의 추가를 통해 인덕턴스와 커패시턴스로 인해 발생되는 LC 직렬 공진을 이용함으로써 채널 특성을 개선하고 보상할 수 있다. 일반적으로, 직렬로 구성된 LC 탱크는
Figure 112009054178323-pat00001
로 결정되는 특정 주파수에서 낮은 임피던스를 갖는 특성을 가지고 있다.
따라서 본 발명에서는 LC 직렬 공진을 이용하여, 인체 통신 시스템에 있어서의 주된 신호 감쇄 요인이자 외부 환경에 대하여 의존적인 특성을 갖는 커패시턴스 성분에 의한 채널 특성을 개선하고 보상할 수 있는 데이터 무선통신장치를 제안한다.
[제1 실시예]
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인체통신 시스템에서의 데이터 무선통신장치를 전기적 등가 모델로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 데이터 무선통신장치는 송신부(200a), 제1 제어부(215), 수신부(200b) 및 제2 제어부(225)를 포함한다.
도 2에 도시된 데이터 무선통신장치는 송신전극(211)과 인체 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 Cs1으로, 수신전극(221)과 인체 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 CS2로, 제1 접지(213)와 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 Ce1으로, 제2 접지(223)와 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 Ce2로, 인체와 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로 를 커패시터 CP로 각각 모델링하여 전기적인 등가 모델로 근사화 하였다.
송신부(200a)는 송신전극(211), 송신기(210), 제1 인덕턴스 소자(LC1) 및 제1 접지(213)를 포함 할 수 있다.
송신기(210)는 송신전극(211)과 제1 인덕턴스 소자(LC1) 사이에 연결되며, 제1 인덕턴스 소자(LC1)는 송신기(210)와 제1 접지(213) 사이에 연결될 수 있다. 여기서, 송신전극(211)은 인체에 가까운 쪽을 향하고, 제1 접지(213)는 외부접지와 가까운 쪽을 향하도록 구성될 수 있다. 송신기(210)는 송신전극(211)을 통해 인체로 신호를 인가하여 통신이 이루어 지도록 한다. 즉, 송신전극(211)을 통해 인체 쪽으로만 신호를 인가하고 제1 접지(213)에는 신호를 인가하지 않는 방식의 취하게 된다. 그러나 이러한 경우, 제1 접지(213)는 일종의 전극 역할을 하게 되고 이에 따라, 제1 접지(213)와 외부접지 사이에도 결합이 일어남으로써 통신이 일어나게 된다.
제1 인덕턴스 소자(LC1)는 송신기(210)와 제1 접지(213) 사이에 연결되며, 제1 접지(213)와 외부접지 사이의 전기장에 의해 형성되는 제1 커패시턴스 성분(이하, Ce1 이라고 함)과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다. 여기서, 제1 인덕턴스 소자(LC1)는 가변 인덕터 일 수 있다. 또한, 제1 인덕턴스 소자(LC1)는 디스크릿 인덕터, 인덕터 어레이, 능동 인덕터, 도파관 인덕터, 플레너 인덕터 등의 형태로서 상황에 따라 인덕턴스가 가변 될 수 있는 소자이면채택 가능하다.
제1 제어부(215)는 Ce1의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제1 인덕턴스 소자(LC1)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. Ce1의 커패시턴스 값은 외부 환경에 따라 변화하기 때문에, 제1 제어부(215)를 통해 실시간으로 변화하는 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제1 인덕턴스 소자(LC1)의 인덕턴스 값을 조절해 줌으로써, 제1 인덕턴스 소자(LC1)와 Ce1이 이루는 LC 직렬 공진 회로가 특정 주파수에서 공진 현상이 일어나도록 하여, 낮은 임피던스를 갖게 할 수 있다. 이에 따라 제1 접지(213)와 외부접지 사이의 임피던스는 특정 주파수에서 낮아지게 되어 제1 접지(213)와 외부접지 사이에서 형성된 전기장을 통해 전송되는 신호의 감쇄 정도를 현저하게 줄일 수 있게 되며, 이에 따라 송신부(200a) 측에서의 안정적인 채널 특성을 얻을 수 있게 된다.
수신부(200b)는 수신전극(221), 수신기(220), 및 제2 인덕턴스 소자(LC2), 제2 접지(223)를 포함 할 수 있다.
수신기(220)는 수신전극(221)과 제2 인덕턴스 소자(Lc2) 사이에 연결되며, 제2 인덕턴스 소자(LC2)는 수신기(220)와 제2 접지(223) 사이에 연결될 수 있다. 여기서 수신기(220)는 송신부(210, 211, 213, Lc1)로부터 송신된 데이터 신호를 수신전극(221)과 제2 접지(223)를 통해 수신할 수 있다. 여기서 수신전극(221)는 인체와 가까운 쪽을 향하고, 제2 접지(223)는 외부접지와 가까운 쪽을 향하도록 구성될 수 있다.
제2 인덕턴스 소자(LC2)는 수신기(220)와 제2 접지(223) 사이에 연결되며, 제2 접지(223)와 외부접지 사이의 전기장에 의해 형성되는 제2 커패시턴스 성분(이하, Ce2 라고 함)과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다. 여기서, 제2 인덕턴스 소자(LC2)는 가변 인덕터 일 수 있다. 또한, 제2 인덕턴스 소자(LC2)는 디스크릿 인덕터, 인덕터 어레이, 능동 인덕터, 도파관 인덕터, 플레너 인덕터 등의 형태로서 상황에 따라 인덕턴스가 가변 될 수 있는 소자이면채택 가능하다.
제2 제어부(225)는 Ce2의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 제2 인덕턴스 소자(LC2)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. Ce2의 커패시턴스 값 또한 외부 환경에 따라 변화하기 때문에, 제2 제어부(225)를 통해 실시간으로 변화하는 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제2 인덕턴스 소자(LC2)의 인덕턴스 값을 조절해 줌으로써, 제2 인덕턴스 소자(LC2)와 Ce2가 이루는 LC 직렬 공진 회로가 특정 주파수에서 직렬 공진 현상이 일어나도록 하여 낮은 임피던스를 갖게 할 수 있다. 이에 따라 제2 접지(223)와 외부접지 사이의 임피던스는 특정 주파수에서 낮아지게 되어 제2 접지(223)와 외부접지 사이에서 형성된 전기장을 통해 전송되는 신호의 감쇄 정도를 현저하게 줄일 수 있게 되며, 이에 따라 수신부(200b) 측에서의 안정적인 채널 특성을 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 송수신부 회로를 접지와 연결하기 전에 인덕턴스 성분을 갖는 LC1과 LC2를 각각 연결해 줌으로써, 외부접지와의 신호 결합 강 도가 더욱 강화되며, 이에 따라 외부 환경에 의존적인 Ce1과 Ce2에 따라 결정되는 데이터 무선통신장치의 채널 특성은 더욱 향상될 수 있게 된다.
[제2 실시예]
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 데이터 무선통신장치의 전기적 등가 모델을 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 데이터 무선통신장치는 송신부(300a), 제1 제어부(315), 제2 제어부(317), 수신부(300b), 제3 제어부(325) 및 제4 제어부(327)를 포함한다.
도 3a에 도시된 데이터 무선통신장치는 제1 송신전극(311)과 인체 사이에서전기장이 형성되는 경로를 커패시터 CS1으로, 제1 수신전극(321)과 인체 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 CS2로, 제2 송신전극(313)과 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 Ce1으로, 제2 수신전극(323)과 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 Ce2로, 인체와 외부접지 사이에서 전기장이 형성되는 경로를 커패시터 CP로 각각 모델링하여 전기적인 등가 모델로 근사화 하였다.
송신부(300a)는 제1 송신전극(311), 제1 인덕턴스 소자(LC1), 송신기(310), 제2 인덕턴스 소자(LC2) 및 제2 송신전극(313)을 포함 할 수 있다.
제1 인덕턴스 소자(LC1)는 제1 송신전극(311)과 송신기(310) 사이에 연결되며, 제1 송신전극(311)과 인체 사이의 전기장에 의해 형성되는 제1 커패시턴스 성분(이하, CS1 이라고 함)과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다.
제2 인덕턴스 소자(LC2)는 송신기(310)와 제2 송신전극(313) 사이에 연결되며, 제2 송신전극(313)과 외부접지 사이의 전기장에 의해 형성되는 제2 커패시턴스 성분(이하, Ce1 이라고 함)과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다.
제1 인덕턴스 소자(LC1)와 제2 인덕턴스 소자(LC2)는 가변 인덕터일 수 있다. 또한, 제1 인덕턴스 소자(LC1)와 제2 인덕턴스 소자(LC2)는 디스크릿 인덕터, 인덕터 어레이, 능동 인덕터, 도파관 인덕터, 플레너 인덕터 등의 형태로서 상황에 따라 인덕턴스가 가변 될 수 있는 소자이면채택 가능하다.
송신기(310)는 제1 인덕턴스 소자(LC1)와 제2 인덕턴스 소자(LC2) 사이에 연결되며, 제1 송신전극(311)과 제2 송신전극(313)을 통해 데이터 신호를 송신할 수 있다. 여기서 제1 송신전극(311)은 인체와 가까운 쪽을 향하고, 제2 송신전극(313)은 외부접지와 가까운 쪽을 향하도록구성될 수 있다.
제1 제어부(315)는 CS1의 제1 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제1 인덕턴스 소자(LC1)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다.
제2 제어부(317)는 Ce1의 제2 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제2 인덕턴스 소자(LC2)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예의 송신부(300a)는 제1 송신전극(311)을 통해 인체로 신호를 인가 할 수 있을 뿐만 아니라, 전술한 제1 실시예의 송신부(300a)와 달리 제2 송신전극(313)을 통해 외부접지에도 신호를 인가 할 수 있다. 이러한 경우, 송신부(300a)는 제1 송신전극(311)과 제2 송신전극(313)을 통해 차동 신호를 송신할 수 있으며, 이 신호를 수신부(300b)에서 수신할 수 있게 되므로, 수신부(300b) 측에서 보았을 때 2배의 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다.
이때, 송신기(310)와 제1 송신전극(311) 사이에 제1 인덕턴스 소자(LC1) 즉, 인덕턴스가 가변 될 수 있는 소자를 연결해 줌으로써, 제1 송신전극(311)과 인체 사이의 커패시턴스(CS1)와의 LC 직렬 공진 그리고, 제2 송신전극(313)과 외부접지 사이의 커패시턴스(Ce1)와의 LC 직렬 공진을 이용하여 신호가 전달되는 임피던스를 낮출 수 있게 된다. 이에 따라 송신측에서의 채널 특성을 개선시키는 효과를 얻을 수 있다.
수신부(300b)는 제1 수신전극(321), 제3 인덕턴스 소자(LC3), 수신기(320), 제4 인덕턴스 소자(Lc4) 및 제2 수신전극(323)을 포함 할 수 있다.
제3 인덕턴스 소자(LC3)는 제1 수신전극(321)과 수신기(320) 사이에 연결되며, 제1 수신전극(321)과 인체 사이에서 형성되는 제3 커패시턴스 성분(이하, CS2 라고 함)과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다.
제4 인덕턴스 소자(LC4)는 수신기(320)와 제2 수신전극(323) 사이에 연결되며, 제2 수신전극(323)과 외부접지 사이에서 형성되는 제4 커패시턴스 성분(이하, Ce2 라고 함)과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다.
제3 인덕턴스 소자(LC3)와 제4 인덕턴스 소자(LC4)는 가변 인덕터 일 수 있다. 또한, 제3 인덕턴스 소자(LC3)와 제4 인덕턴스 소자(LC4)는 디스크릿 인덕터, 가변 인덕터, 인덕터 어레이, 능동 인덕터, 도파관 인덕터, 플레너 인덕터 등의 형태로서 상황에 따라 인덕턴스가 가변 될 수 있는 소자이면 채택 가능하다.
수신기(320)는 제3 인덕턴스 소자(LC3)와 제4 인덕턴스 소자(LC4) 사이에 연결되며, 제1 수신전극(321)과 제2 수신전극(323)을 통해 송신부(300a)로부터 송신된 데이터 신호를 수신할 수 있다. 여기서 제1 수신전극(321)은 인체와 가까운 쪽을 향하고, 제2 수신전극(323)은 외부접지와 가까운 쪽을 향하도록 구성될 수 있다. 수신부(300b)는 제1 수신전극(321)과 제2 수신전극(323)을 통해 송신부(300a)의 제1 송신전극(311)과 제2 송신전극(313)을 통해 송신된 차동 신호를 수신할 수 있다.
제3 제어부(325)는 CS2의 제3 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제3 인덕턴스 소자(LC3)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다.
제4 제어부(327)는 Ce2의 제4 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 값에 따라 제4 인덕턴스 소자(LC4)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신부(300a)의 구성 예를 나타낸 도면이다. 도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수신부(300b)의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 송신부(300a)는 차동 출력을 통해 데이터 신호를 송신할 수 있도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 PCB 기판의 상면에 제1 송신전극(311)을, 그 하면에 제2 송신전극(313)이 각각 구성되며, 제1 송신전극(311)을 인체와 가까운 쪽으로 향하게 하고, 제2 송신전극(313)을 외부접지와 가까운 쪽으로 향하도록 구성될 수 있다. 또한, LC 직렬 공진 회로를 형성하기 위한 제1 인덕턴스 소자(LC1)가 제1 송신전극(311)과 송신기(310) 사이에 연결되어 있으며, 제2 인덕턴스 소자(LC2)가 제2 송신전극(313)과 송신기(310) 사이에 연결되어 있다.
수신부(300b) 또한 도 3c에 도시된 바와 같이, 도 3b에 도시된 송신부(300a)의 구성과 같은 방식으로 구현 될 수 있다.
이와 같이, 도 3b 및 도 3c는 인체 통신 모듈을 이용하였을 경우에 대한 사용 예를 나타낸 것이며, 송신부(300a)의 차동 출력, 그리고 수신부(300b)측의 차동 입력을 통해 CS1과 LC1과의 직렬 공진, Ce1과 LC2와의 직렬 공진, CS2와 LC3와의 직렬 공진, Ce2와 LC4와의 직렬 공진을 이용하여 송신전극과 인체, 그리고 수신전극과 외 부접지 사이의 결합 정도를 보다 강화시켜 줌으로써, 효과적으로 채널 특성을 개선시킬 수 있게 된다. 특히, 주된 신호 감쇄 요인이자 외부 환경에 따라 수시로 변화하는 Ce1과 Ce2 성분은 가변적인 LC2와 LC4를 통해 채널 특성을 보상해 줄 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 인체 주변에서 이루어지는 인체 영역 네트워크를 구성하는데 있어서, 인체 통신을 이용한 무선 송수신기는 인체를 매질로 하여 전기장의 변화를 감지하여 정보를 주고받는 방식으로, 기존의 공기를 매질로 하는 무선 통신 방식에 비해 신호의 감쇄 정도가 적다는 장점이 있다. 이는, 인체 영역 네트워크를 구성하는 송수신기에서 요구하는 수신 감도를 높이지 않아도 되며, 근거리 전기장 결합 방식을 이용하기 때문에 일반적인 무선통신방식에 비해서 낮은 주파수 대역을 사용할 수 있음을 의미한다. 이에 따라 송수신기를 저전력으로 구성 할 수 있다.
또한, 무선 통신에서 요구되는 50ohm 안테나를 구동 할 필요 없이 전극 자체를 구동하면 되므로, 송신기의 출력단에서 요구되는 파워 소모량도 현저히 줄어들게 된다. 이로 인해, 인체 통신을 이용한 방식이 기존의 무선 통신 방식에 비해 에너지 효율 측면에서 더 나은 효과가 있음을 의미한다.
또한, 기존의 인체 통신 시스템에서 가장 큰 문제점으로 지적된 외부 환경 요인에 따른 민감한 채널 특성을 LC 직렬 공진 방식을 이용하여 개선하고 보상할 수 있게 된다. 이에 따라, 인체 영역 네트워크를 구성하는데 있어서 에너지 효율적 인 구현이 가능하게 된다.
이상에서 보는 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a는 기존의 인체 통신이 이루어지는 기작에 대한 개념도를 나타낸 도면.
도 1b는 도1a에 도시된 개념도를 전기적인 등가 모델로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 데이터 무선통신장치의 전기적 등가 모델을 나타낸 도면.
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 데이터 무선통신장치의 전기적 등가 모델을 나타낸 도면.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신부 측의 구성 예를 나타낸 도면.
도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수신부 측의 구성 예를 나타낸 도면.
**********도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**********
200a, 300a: 송신부
200b, 300b: 수신부
210, 310: 송신기
211: 송신전극
213: 제1 접지
215: 제1 제어부
220, 320: 수신기
221: 수신전극
223: 제2 접지
225: 제2 제어부
311: 제1 송신전극
313: 제2 송신전극
315: 제1 제어부
317: 제2 제어부
321: 제1 수신전극
323: 제2 수신전극
325: 제3 제어부
327: 제4 제어부
LC1: 제1 인덕턴스 소자
LC2: 제2 인덕턴스 소자
LC3: 제3 인덕턴스 소자
LC4: 제4 인덕턴스 소자

Claims (8)

  1. 인체와 공기를 매질로 하여 데이터를 송/수신하는 인체통신 시스템에서의 데이터 무선통신장치로서,
    송신전극, 송신기, 제1 인덕턴스 소자 및 제1 접지를 포함하고, 상기 송신기는 상기 송신전극과 상기 제1 인덕턴스 소자 사이에 연결되고, 상기 제1 인덕턴스 소자는 상기 송신기와 상기 제1 접지 사이에 연결된 송신부; 및
    수신전극, 수신기, 제2 인덕턴스 소자 및 제2 접지를 포함하고, 상기 수신기는 상기 수신전극과 상기 제2 인덕턴스 소자 사이에 연결되고, 상기 제2 인덕턴스 소자는 상기 수신기와 상기 제2 접지 사이에 연결된 수신부
    를 포함하고,
    상기 제1 인덕턴스 소자 및 상기 제2 인덕턴스 소자는 가변 인덕터인, 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕턴스 소자는,
    상기 제1 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
    상기 제2 인덕턴스 소자는,
    상기 제2 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하는, 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 상기 제1 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제1 제어부; 및
    상기 제2 접지와 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 상기 제2 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제2 제어부를 더 포함하는, 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치.
  5. 인체와 공기를 매질로 하여 데이터를 송/수신하는 인체통신 시스템에서의 데이터 무선통신장치로서,
    제1 송신전극, 제1 인덕턴스 소자, 송신기, 제2 인덕턴스 소자 및 제2 송신전극을 포함하고, 상기 제1 인덕턴스 소자는 상기 제1 송신전극과 상기 송신기 사이에 연결되고, 상기 제2 인덕턴스 소자는 상기 송신기와 상기 제2 송신전극 사이에 연결된 송신부; 및
    제1 수신전극, 제3 인덕턴스 소자, 수신기, 제4 인덕턴스 소자 및 제2 수신 전극을 포함하고, 상기 제3 인덕턴스 소자는 상기 제1 수신전극과 상기 수신기 사이에 연결되고, 상기 제4 인덕턴스 소자는 상기 수신기와 상기 제2 수신전극 사이에 연결된 수신부를 포함하고,
    상기 송신부는 상기 제1 송신전극과 상기 제2 송신전극을 통해 차동 신호를 송신하고,
    상기 수신부는 상기 제1 수신전극과 상기 제2 수신전극을 통해 상기차동 신호를 수신하는 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 인덕턴스 소자는,
    상기 제1 송신전극과 인체 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
    상기 제2 인덕턴스 소자는,
    상기 제2 송신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
    상기 제3 인덕턴스 소자는,
    상기 제1 수신전극과 인체 사이에서 형성되는 제3 커패시턴스 성분과 함께 LC 직렬 공진 회로를 형성하고,
    상기 제4 인덕턴스 소자는,
    상기 제2 수신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제4 커패시턴스 성분과 함 께 LC 직렬 공진 회로를 형성하는, 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 인덕턴스 소자, 상기 제2 인덕턴스 소자, 상기 제3 인덕턴스 소자 및 상기 제4 인덕턴스 소자는 가변 인덕터인, 직렬 공진을 이용한 데이터 무선통신장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 송신전극과 인체 사이에서 형성되는 제1 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 상기 제1 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제1 제어부;
    상기 제2 송신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제2 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 상기 제2 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제2 제어부;
    상기 제1 수신전극과 인체 사이에서 형성되는 제3 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 상기 제3 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제3 제어부; 및
    상기 제2 수신전극과 외부접지 사이에서 형성되는 제4 커패시턴스 성분의 커패시턴스 값을 측정하고, 측정된 커패시턴스 값에 따라 상기 제4 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값을 조절하는 제4 제어부를 더 포함하는, 직렬 공진을 이용한 데이터 무 선통신장치.
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