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KR102446465B1 - Wireless power transmission system using a small quad-band antenna - Google Patents

Wireless power transmission system using a small quad-band antenna Download PDF

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KR102446465B1
KR102446465B1 KR1020200089378A KR20200089378A KR102446465B1 KR 102446465 B1 KR102446465 B1 KR 102446465B1 KR 1020200089378 A KR1020200089378 A KR 1020200089378A KR 20200089378 A KR20200089378 A KR 20200089378A KR 102446465 B1 KR102446465 B1 KR 102446465B1
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wireless
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유형석
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 신체 조직의 외부에 위치하는 WPT(Wireless Power Transfer) 트랜스미터; 및 상기 신체 조직의 내부에 이식될 수 있는 무선 신체이식 장치를 포함하되, 상기 무선 신체이식 장치는 상기 WPT 트랜스미터에서 방사된 무선 주파수 전력을 수신하는 쿼드 밴드 임플란트 안테나; 및 상기 수신된 무선 주파수 전력을 사용 가능한 직류로 변환하기 위한 2단계 전압 더블러를 포함하는 정류기를 포함하고, 상기 쿼드 밴드 임플란트 안테나는 슬롯 접지면과, 서브스트레이트 층과, 방사 패치와, 슈퍼스트레이트 층이 계층화된 구조를 가지며, 상기 슬롯 접지면의 개방 단부에는 션트 커패시터(shunt capacitor)가 사용되는 것을 특징으로 한다. A wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention includes a WPT (Wireless Power Transfer) transmitter located outside of a body tissue; and a wireless body transplant device capable of being implanted inside the body tissue, wherein the wireless body transplant device includes: a quad band implant antenna for receiving radio frequency power radiated from the WPT transmitter; and a rectifier comprising a two-step voltage doubler for converting the received radio frequency power into usable direct current, wherein the quad band implant antenna has a slot ground plane, a substrate layer, a radiating patch, and a superstrate. It has a layered structure, and a shunt capacitor is used at the open end of the slot ground plane.

Description

소형 쿼드 밴드 안테나를 이용한 무선 전력 전송 시스템{EFFICIENT WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM WITH A MINIATURIZED QUAD-BAND IMPLANTABLE ANTENNA}Wireless power transmission system using a small quad-band antenna {EFFICIENT WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM WITH A MINIATURIZED QUAD-BAND IMPLANTABLE ANTENNA}

본 발명은 소형 쿼드 밴드 안테나를 이용한 신체 이식형 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소형화된 쿼드 밴드 안테나와 무선 전력 전송 트랜스미터, 높은 변환 효율을 갖는 전압 더블러를 통해 효율적인 전력 전송이 가능한 인체 이식형 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a body-implantable wireless power transmission system using a small quad-band antenna, and more particularly, it is possible to efficiently transmit power through a miniaturized quad-band antenna, a wireless power transmission transmitter, and a voltage doubler having high conversion efficiency. It relates to an implantable wireless power transmission system.

4차 산업혁명 시대에 이르러 자율 무선 이식 의료기기는 인간 생활의 빠른 속도로 자리잡고 있다. 이는 실생활에서 스마트폰 어플리케이션을 통해 무선 의료기기 블루투스 주파수 활용이 범용화 되면서 더욱 빠른 속도로 발전하고 있다. 최근 개인들도 시간적, 공간적 제약 없이 무선 의료기기 제어 및 데이터 확인이 가능해짐에 따라 무선 의료기기에 대한 수요는 더욱 증가하는 추세이다. 종래, 무선 의료기기는 신체에 삽입되는 것이 아니라, 신체 패치 또는 부착을 통해서 기능을 수행하였다. 그러나, 무선 의료기기의 생체 적합성이 보장됨에 따라, 신체에 직접 삽입이 가능한 신체 이식형 의료기기도 등장하게 되었다.In the era of the 4th industrial revolution, autonomous wireless implantable medical devices are taking place at a rapid pace in human life. This is developing at a faster rate as the use of Bluetooth frequency for wireless medical devices has become commonplace through smartphone applications in real life. Recently, as individuals can control wireless medical devices and check data without temporal and spatial restrictions, the demand for wireless medical devices is increasing. Conventionally, wireless medical devices perform functions through body patches or attachments, rather than being inserted into the body. However, as the biocompatibility of the wireless medical device is ensured, a body implantable medical device that can be directly inserted into the body has also emerged.

신체 이식형 의료기기의 경우, 신체 내부에서 원활한 작동 및 효율적인 무선 전력 공급이 가장 중요하다. 따라서 다각적인 조직 환경에서의 운영 가능성이 신체 이식형 의료기기의 성능을 좌우한다. For implantable medical devices, smooth operation inside the body and efficient wireless power supply are of the utmost importance. Therefore, the operability in a multifaceted tissue environment determines the performance of implantable medical devices.

전력 공급과 관련하여, 종래 무선 이식 의료기기는 리튬 이온 배터리를 통해 전력을 공급받았다. 그러나, 리튬 이온 배터리의 경우 크기가 크고, 그 용량이 크기에 의존하며, 배터리 교체 시 수술이 필요한 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 해결하기 위해서는 효율적이며, 신체 삽입이 가능한 소형화된 무선 전력 전송 시스템이 필요하다. 나아가, 인간의 신체라는 특수한 조직 환경에 의해, 최소한의 이식으로 다양한 기능을 수행할 수 있는 신체 삽입형 무선 의료기기의 개발이 필요하다.Regarding power supply, conventional wireless implantable medical devices are powered by a lithium ion battery. However, in the case of lithium ion batteries, there are disadvantages in that the size is large, the capacity is dependent on the size, and surgery is required to replace the battery. Therefore, in order to solve these shortcomings, there is a need for an efficient and miniaturized wireless power transmission system that can be inserted into the body. Furthermore, it is necessary to develop an implantable wireless medical device capable of performing various functions with minimal implantation due to the special tissue environment of the human body.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 403 및 915MHz에서 원격측정, 1470MHz의 중간 대역에서 무선 전력 전송, 2.4GHz에서 제어 신호 등의 쿼드 밴드 작동이 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, and to provide a wireless power transmission device capable of quad-band operation such as telemetry at 403 and 915 MHz, wireless power transmission in an intermediate band of 1470 MHz, and a control signal at 2.4 GHz. do.

본 발명은 신체 조직 내부에 이식 가능한 임플란트 안테나를 이용하여, 작동 주파수 대역이 하나가 아닌, 복수 개를 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a wireless power transmission device that uses an implantable antenna implantable inside a body tissue, not one, but a plurality of operating frequency bands.

본 발명은 신체 조직 내부에서 전력 집중화를 위해, 무선 전력 전송 트랜스미터를 이용한 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a wireless power transmission device using a wireless power transmission transmitter for power concentration in body tissues.

본 발명은 1470MHz에서 작동 가능한 WPT 트랜스미터를 통해, 높은 전력 효율을 제공하는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a wireless power transmission system that provides high power efficiency through a WPT transmitter operable at 1470 MHz.

본 발명은 1470MHz에서 작동 가능한 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 트랜스미터를 통해, 높은 전력 효율을 제공하는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a wireless power transfer system that provides high power efficiency through a wireless power transfer (WPT) transmitter capable of operating at 1470 MHz.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 신체 조직의 외부에 위치하는 WPT(Wireless Power Transfer) 트랜스미터; 및 상기 신체 조직의 내부에 이식될 수 있는 무선 신체이식 장치를 포함하되, 상기 무선 신체이식 장치는 상기 WPT 트랜스미터에서 방사된 무선 주파수 전력을 수신하는 쿼드 밴드 임플란트 안테나; 및 상기 수신된 무선 주파수 전력을 사용 가능한 직류로 변환하기 위한 2단계 전압 더블러를 포함하는 정류기를 포함하고, 상기 쿼드 밴드 임플란트 안테나는 슬롯 접지면과, 서브스트레이트 층과, 방사 패치와, 슈퍼스트레이트 층이 계층화된 구조를 가지며, 상기 슬롯 접지면의 개방 단부에는 션트 커패시터(shunt capacitor)가 사용되는 것을 특징으로 한다. A wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention includes a WPT (Wireless Power Transfer) transmitter located outside of a body tissue; and a wireless body transplant device capable of being implanted inside the body tissue, wherein the wireless body transplant device includes: a quad band implant antenna for receiving radio frequency power radiated from the WPT transmitter; and a rectifier comprising a two-step voltage doubler for converting the received radio frequency power into usable direct current, wherein the quad band implant antenna has a slot ground plane, a substrate layer, a radiating patch, and a superstrate. It has a layered structure, and a shunt capacitor is used at the open end of the slot ground plane.

본 발명의 실시 예를 따르면, 403, 915, 1470, 2400MHz 내역에서 모두 작동이 가능한 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 제공함으로서, 4개 대역에서 모두 작동 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, by providing a quad-band implant antenna that can be operated in all of 403, 915, 1470, and 2400 MHz, it is possible to provide a wireless power transmission system that can be operated in all four bands.

본 발명의 실시 예를 따르면, WPT 트랜스미터를 통해, 인간 신체 내부의 이식된 의료기기의 충전 시간 단축과 높은 전력 전달 효율(Power Transfer Efficiency, PTE)을 유지하여, 신체 조직 환경에서 효율적으로 운영 가능한 신체 이식형 의료기기를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a body capable of efficiently operating in a body tissue environment by reducing the charging time of an implanted medical device inside the human body and maintaining high power transfer efficiency (PTE) through the WPT transmitter An implantable medical device may be provided.

본 발명의 실시 예를 따르면, 2단계 전압 더블러를 포함하는 정류기를 통해서 입력 전력에서 높은 효율의 전력 변환 효과를 갖는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.According to an embodiment of the present invention, an object of the present invention is to provide a wireless power transmission system having a high-efficiency power conversion effect from input power through a rectifier including a two-step voltage doubler.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 안테나를 포함한 무선 신체이식 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 WPT 트랜스미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 WPT 트랜스미터에 대한 실험 설계 및 결과에 대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 정류기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 성능에 관한 실험 설계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 설계에 따른 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 임플란트 안테나 시스템의 전류 분포를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 WPT 트랜스미터 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 ML에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 2단계 전압 더블러의 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 WPT 트랜스미터와 2단계 전압 더블러를 포함한 정류기의 실험 설계 및 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 생체 안전성을 확인하기 위한 도면이다.
도 16는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram for explaining a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining a wireless body transplantation apparatus including a quad-band antenna according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a quad-band implant antenna according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a WPT transmitter of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing experimental design and results for a WPT transmitter according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a rectifier of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram for explaining an experimental design related to the performance of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining an experimental result according to the design of the quad-band implant antenna according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a current distribution of a quad-band implant antenna system according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining an experimental result of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram for explaining an experimental result on the WPT transmitter performance of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing experimental results for ML according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram showing experimental results on the performance of a two-stage voltage doubler of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
14 is a view showing experimental design and results of a rectifier including a WPT transmitter and a two-stage voltage doubler according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram for confirming the biosafety of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram for explaining the performance of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요 하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.The above-described objects, features and advantages will be described below in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용되며, 명세서 및 특허청구의 범위에 기재된 모든 조합은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 그리고 다른 식으로 규정하지 않는 한, 단수에 대한 언급은 하나 이상을 포함할 수 있고, 단수 표현에 대한 언급은 또한 복수 표현을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.In the drawings, the same reference numerals are used to refer to the same or similar elements, and all combinations described in the specification and claims may be combined in any manner. And unless otherwise specified, it is to be understood that references to the singular may include one or more, and references to the singular may also include the plural.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 예시적 실시 예들을 설명할 목적을 가지고 있으며 한정할 의도로 사용되는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 단수적 표현들은 또한, 해당 문장에서 명확하게 달리 표시하지 않는 한, 복수의 의미를 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 "및/또는," "그리고/또는"은 그 관련되어 나열되는 항목들의 모든 조합들 및 어느 하나를 포함한다. 용어 "포함한다", "포함하는", "포함하고 있는", "구비하는", "갖는", "가지고 있는" 등은 내포적 의미를 갖는 바, 이에 따라 이러한 용어들은 그 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 혹은 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 단계들, 프로세스들, 동작들은, 체적으로 그 수행 순서가 확정되는 경우가 아니라면, 이들의 수행을 논의된 혹은 예시된 그러한 특정 순서로 반드시 해야 하는 것으로 해석돼서는 안 된다. 추가적인 혹은 대안적인 단계들이 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing specific exemplary embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, singular expressions may also be intended to include plural meanings unless the sentence clearly indicates otherwise. The term “and/or,” “and/or” includes any and all combinations of the items listed therewith. The terms "comprises", "comprising", "comprising", "comprising", "having", "having" and the like have an implicit meaning, so that these terms refer to their described features, integers, It specifies steps, operations, elements, and/or components and does not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and/or groups thereof. The steps, processes, and acts of the method described herein should not be construed as necessarily performing their performance in such a specific order as discussed or exemplified, unless the order of performance thereof is physically determined. . It should also be understood that additional or alternative steps may be used.

또한, 각각의 구성요소는 각각 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있고, 위 구성요소들이 통합되어 하나의 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있으며, 또는 위 구성요소들이 서로 조합되어 복수 개의 하드웨어 프로세서로 구현될 수도 있다.In addition, each component may be implemented as a hardware processor, respectively, the above components may be integrated into one hardware processor, or the above components may be combined with each other and implemented as a plurality of hardware processors.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템(100)은 무선 신체이식 장치(110), WPT 트랜스미터(300) 및 정류기(400)를 포함할 수 있다. WPT 트랜스미터(300)는 6cm x 6cm 크기로 1470MHz에서 전력을 집중할 수 있도록 최적화될 수 있다. 정류기(400)는 2단계 전압 더블러를 포함할 수 있고, 2단계 전압 더블러는 무선 주파수 입력 전력을 사용 가능한 직류로 변환하는 기능을 할 수 있다. 2단계 전압 더블러는 그 변환효율이 2-dBm에서 90%의 높은 효율을 가질 수 있다. 무선 신체인식 장치(110)는 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 포함할 수 있다. 쿼드 밴드 임플란트 안테나는 8.43mm3 소량의 크기를 가질 수 있고, 403 및 915MHz에서 원격 측정, 1470MHz의 대역에서 무선 전력 전송, 2.4GHz에서 제어 신호 등 쿼드 밴드 작동을 지원할 수 있다. 나아가 본 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 작동 대역은 전술한 주파수 대역에 한정되어 해석되지 아니하고, 무선 신체이식 장치의 기능 및 목적에 따라 작동 대역은 4개 이상이 될 수도 있다. Referring to FIG. 1 , a wireless power transmission system 100 according to an embodiment of the present invention may include a wireless body transplant device 110 , a WPT transmitter 300 , and a rectifier 400 . The WPT transmitter 300 can be optimized to focus power at 1470 MHz with a size of 6 cm x 6 cm. The rectifier 400 may include a two-stage voltage doubler, and the two-stage voltage doubler may function to convert radio frequency input power into usable direct current. The two-stage voltage doubler can have a high efficiency of 90% at a conversion efficiency of 2-dBm. The wireless body recognition device 110 may include a quad-band implant antenna. The quad-band implant antenna can have a small size of 8.43mm 3 and can support quad-band operation such as telemetry at 403 and 915MHz, wireless power transfer in the band of 1470MHz, and control signals at 2.4GHz. Furthermore, the operating band of the quad-band implant antenna of the present invention is not interpreted as being limited to the aforementioned frequency band, and the operating band may be four or more depending on the function and purpose of the wireless body transplant device.

무선 신체 이식 장치에 대한 설명은 후술되는 도 2를 통해 자세하게 설명하도록 한다.The description of the wireless body implantation device will be described in detail with reference to FIG. 2 to be described later.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 안테나를 포함한 무선 신체이식 장치를 설명하기 위한 도면이다. 무선 신체이식 장치(110)는 무선 전력 전송 시스템의 활용 분야에 따라 캡슐형과 플랫형 2가지 타입으로 나눌 수 있다. 도 2(a)는 캡슐형 무선 신체이식 장치를, 도 2(b)의 경우 플랫형 무선 신체이식 장치를 나타낸다. 캡슐형의 경우, 캡슐 내시경 또는 맥박 조정기에 광범위하게 적용될 수 있다. 플랫형의 경우 기존의 맥박 조정기 심부뇌 자극기(DBS), SCS에 사용될 수 있다. 2 is a diagram for explaining a wireless body transplantation apparatus including a quad-band antenna according to an embodiment of the present invention. The wireless body transplant device 110 can be divided into two types, a capsule type and a flat type, depending on the field of application of the wireless power transmission system. FIG. 2(a) shows a capsule type wireless body transplant device, and FIG. 2(b) shows a flat type wireless body transplant device. In the case of the capsule type, it can be widely applied to capsule endoscopes or pacemakers. In the case of a flat type, it can be used for existing pacemaker deep brain stimulators (DBS) and SCS.

이하에서는 도 2(a)와 (b)를 참조하여 무선 신체이식 장치의 내부 장치를 설명하도록 한다. Hereinafter, the internal device of the wireless body transplant device will be described with reference to FIGS. 2A and 2B .

캡슐형 무선 신체이식 장치는 직경 8mm, 길이, 18mm에 해당될 수 있다. 플랫형 무선 신체이식 장치의 경우 길이 18mm, 폭이 7.5mm, 높이가 4mm에 해당될 수 있다. 캡슐형 무선 신체이식 장치와 플랫형 무선 신체이식 장치 모두 403, 915, 1470MHz, 2.4Ghz에서 작동 가능한 쿼드 밴드 임플란트 안테나(200), 전자 집적 회로(electronic Integrated Circuit, 이하 '전자 IC'라 함)(113)가 장착된 인쇄 회로 보드(Printed Circuit Board, 이하 'PCB'라 함), 2개의 배터리(111), 배터리 홀더(112)를 포함할 수 있다. The capsule-type wireless body transplant device may have a diameter of 8 mm, a length of 18 mm. In the case of a flat-type wireless body transplant device, the length may correspond to 18 mm, the width is 7.5 mm, and the height is 4 mm. A quad-band implant antenna 200 that can operate at 403, 915, 1470 MHz, and 2.4Ghz for both the capsule-type wireless body transplant device and the flat-type wireless body transplant device, an electronic integrated circuit (hereinafter referred to as 'electronic IC') ( 113 ) may include a mounted printed circuit board (Printed Circuit Board, hereinafter referred to as 'PCB'), two batteries 111 , and a battery holder 112 .

캡슐형 무선 신체이식 장치의 경우, LED를 장착한 렌즈(114)를 더 포함할 수 있다.In the case of the capsule-type wireless body transplant device, it may further include a lens 114 equipped with an LED.

플랫형 무선 신체이식 장치의 경우 도 2(b)를 참조하면, 센서(116)를 더 포함할 수 있다. 캡슐형과 플랫형 모두에 들어가는 배터리(111)는 직경 4.8mm, 높이 1.65mm에 해당될 수 있다. In the case of a flat-type wireless body transplant device, referring to FIG. 2B , a sensor 116 may be further included. The battery 111 that fits into both the capsule type and the flat type may have a diameter of 4.8 mm and a height of 1.65 mm.

무선 신체이식 장치는 신체 내부에 이식되어야 하는 바, 이식되는 신체 조직에 적합한 생체 적합성 소재를 갖어야 한다. 따라서, 캡슐형과 플랫형 무선 신체이식 장치 모두 유전 상수=9.8 및 탄젠트 손실인, tanδ= 0.006 인 0.25 mm의 두께를 갖는 생체 적합성 알루미나에 의해 외부를 패킹할 수 있다. 캡슐형의 경우 외부를 캡(117)을 통해서 패킹할 수 있다.Since the wireless body transplant device needs to be implanted inside the body, it must have a biocompatible material suitable for the transplanted body tissue. Therefore, both the capsule type and the flat type wireless transplant device can be encapsulated outside by biocompatible alumina with a thickness of 0.25 mm with dielectric constant = 9.8 and tangent loss, tan δ = 0.006. In the case of the capsule type, the outside may be packed through the cap 117 .

캡슐형 무선 신체이식 장치와 플랫형 무선 신체이식 장치는 각각 770.74 mm3, 521.71mm3 의 부피를 가질 수 있다. The capsule type wireless body transplant device and the flat type wireless body transplant device may have volumes of 770.74 mm 3 and 521.71 mm 3 , respectively.

캡슐형 무선 신체이식 장치와 플랫형 무선 신체이식 장치 모두, 무선 전력 전송 관련하여 쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)의 기능이 중추적인 바, 이하에서 도 3을 통해 자세히 설명하도록 한다.The function of the quad-band implant antenna 200 in relation to wireless power transmission is pivotal for both the capsule type wireless body transplant device and the flat type wireless body transplant device, and will be described in detail below with reference to FIG. 3 .

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a quad-band implant antenna according to an embodiment of the present invention.

종래 임플란트 안테나는 광대역 나선형 안테나로서, 915MHz에서 원격 측정 목적으로만 사용되었다. 또한 맥박 조정기와 같은 현대의 소형 무선 신체이식 장치에 적합하지 않았다. 본원 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)는 무선 신체이식 장치가 양방향 데이터 통신, 제어 신호, 무선 전력 공급의 다중 작업 처리가 가능하도록 기능을 수행할 수 있다.The conventional implant antenna is a broadband helical antenna, which is used only for telemetry at 915 MHz. It was also unsuitable for modern small wireless implants such as pacemakers. The quad-band implant antenna 200 of the present invention may perform a function so that the wireless body transplant device can perform multi-task processing of two-way data communication, control signals, and wireless power supply.

도 3(a)는 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 정면도를, 도 3(b)는 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 투시도를 도 3(c)는 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 측면도를, 도 3(d)는 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 구조 전개도를 나타낸다.Figure 3 (a) is a front view of the quad band implant antenna, Figure 3 (b) is a perspective view of the quad band implant antenna, Figure 3 (c) is a side view of the quad band implant antenna, Figure 3 (d) is a quad band implant A schematic diagram of the structure of the antenna is shown.

쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)는 세그먼트-컷 원형 사행선 방사 패치(201)와 슬롯 접지면(202)을 포함할 수 있다. 슬롯 접지면(202)과 방사 패치(201) 사이에 서브스트레이트 층(204)이 위치할 수 있다. 방사 패치(201) 위에는 슈퍼스트레이트 층(203)이 위치할 수 있다. 따라서, 슬롯 접지면(202)과 서브스트레이트 층(204), 방사 패치(201), 슈퍼스트레이트 층(203)이 계층화되어 구조를 이룰 수 있다. The quad band implant antenna 200 may include a segment-cut circular meander radiating patch 201 and a slotted ground plane 202 . A substrate layer 204 may be positioned between the slot ground plane 202 and the radiating patch 201 . A superstrate layer 203 may be positioned on the radiation patch 201 . Accordingly, the slot ground plane 202, the substrate layer 204, the radiation patch 201, and the superstrate layer 203 may be layered to form a structure.

서브스트레이트 층(204)은 유전 상수가 10.2에 해당하고, 손실 탄젠트인 tangent loss가 0.0035인 Rogers 기판 RO3010일 수 있다. 서브스트레이트 층(204)은 방사 패치(201)와 슬롯 접지면(202) 사이에 끼울 수 있고, 그 두께는 0.25mm 일 수 있다. 방사 패치(201)는 평면 헬리코이드 모양(Planar helicoid structure)을 가질 수 있다. 평면 헬리코이드 모양은 전기 길이와 전류 경로를 연장하여 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 크기를 소형화 할 수 있다. The substrate layer 204 may be a Rogers substrate RO3010 having a dielectric constant of 10.2 and a tangent loss of 0.0035 loss tangent. A substrate layer 204 may be sandwiched between the radiating patch 201 and the slot ground plane 202, and the thickness may be 0.25 mm. The radiation patch 201 may have a planar helicoid structure. The planar helicoid shape can extend the electrical length and current path, thereby reducing the size of the quad-band implant antenna.

방사 패치(201)와 슬롯 접지면(202) 사이에 단락 핀인 비아(205)와 동축 피드(206)가 사용되어 전류 경로는 더욱 길어지고 작동 주파수는 낮아질 수 있다. A shorting pin via 205 and a coaxial feed 206 are used between the radiating patch 201 and the slot ground plane 202 so that the current path can be longer and the operating frequency can be lowered.

또한 2개의 S1 슬롯(208)과 S2 슬롯(209)의 조합인 개방형 접지 슬롯(open-end ground slot)이 추가되어 쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)의 소형화 및 추가 공명 생성 효과를 제공할 수 있다. In addition, an open-end ground slot, which is a combination of two S1 slots 208 and S2 slots 209 , is added to provide a miniaturization and additional resonance generation effect of the quad-band implant antenna 200 .

슬롯 접지면(201)에 개방형 단부에 션트 커패시터(shunt capacitor)(207)가 사용될 수 있다. 션트 커패시터(207)는 슬롯 접지면(201)의 개방 단부에 사용되어 공진 주파수 대역에서 임피던스를 안정화시키고, 임피던스 대역폭을 향상시키며 추가적인 크기 소형화 효과를 제공할 수 있다. A shunt capacitor 207 may be used at the open end of the slot ground plane 201 . The shunt capacitor 207 may be used at the open end of the slot ground plane 201 to stabilize the impedance in the resonant frequency band, improve the impedance bandwidth, and provide an additional size reduction effect.

방사 패치(201)의 경우 유전율은 4.3, 손실 탄젠트는 0.004를 갖는 0.025mm 두께의 생체 적합성 슈퍼 스트레이트 폴리 아미드 층으로 패킹 되어 주변 조직으로부터 안테나를 단열시키고, 안테나의 소형화에 기여한다.In the case of the radiating patch 201, it is packed with a 0.025 mm thick biocompatible super straight polyamide layer with a dielectric constant of 4.3 and a loss tangent of 0.004 to insulate the antenna from the surrounding tissue and contribute to the miniaturization of the antenna.

이하에서는 방사 패치(201)의 여러 파라미터 값을 표(210)을 통해 설명하도록 한다.Hereinafter, various parameter values of the radiation patch 201 will be described with reference to the table 210 .

방사 패치(201)는 평면 헬리코이드 구조에서 W1, W2, W3, l1, l2, l3, l4, l5 파라미터 값을 가질 수 있다. W1, W2, W3, l1, l2, l3, l4, l5 파라미터 값은 표(210)을 참조하여 확인할 수 있다. The radiating patch 201 may have W 1 , W 2 , W 3 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , and 1 5 parameter values in a planar helicoid structure. W 1 , W 2 , W 3 , l 1 , l 2 , l 3 , l 4 , l 5 parameter values may be confirmed with reference to the table 210 .

도 3(b)에서 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 슬롯 접지면(202)는 반경 D와 l6, l7, l8, l9, l10, l11, l12, l13, l14, l15, l16, l17, 파라미터 값을 가질 수 있다. 파라미터 값은 표(210)을 참조하여 확인할 수 있다. In Fig. 3(b), the slot ground plane 202 of the quad-band implant antenna has a radius D and l 6 , l 7 , l 8 , l 9 , l 10 , l 11 , l 12 , l 13 , l 14 , l 15 , l 16 , l 17 , can have parameter values. The parameter value may be confirmed with reference to the table 210 .

도 3(c)의 측면도를 살펴보면, h1, h2 값은 파라미터 값을 더해서 h 값이 될 수 있다. Referring to the side view of FIG. 3C , the values of h 1 and h 2 may be the values of h by adding parameter values.

h1, h2 값과 h 값 역시 표(201)을 참조하여 확인할 수 있다. The values of h 1 , h 2 and h values may also be confirmed with reference to the table 201 .

따라서, 쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)는 가로 길이 7mm, 그 두께가 0.275mm 길이를 가질 수 있다. Accordingly, the quad-band implant antenna 200 may have a horizontal length of 7 mm and a thickness of 0.275 mm.

쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)는 동축 피드(206) 및 단락 핀인 비아(205)의 위치, 슬롯 길이 및 디자인, 션트 커패시터(207) 값의 적절한 설계, 방사 패치(201) 디자인 등을 통해 최적화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나(200)는 403, 915, 1470MHz, 2.4GHz 대역에서 작동할 수 있다. 여기서 403MHz 대역은 의료 임플란트 통신 시스템 대역에 해당하고, 산업 과학 및 의료 대역은 915MHz, 2.4GHz에 해당하며, 1470MHz는 중형 대역에 해당된다. 나아가, 본 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 작동 주파수 대역은 한정되어 해석되지 아니하고, 무선 신체이식 장치의 종류 및 목적에 따라 변경될 수 있다. 또한, 본 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 작동 주파수 대역은 4개로 한정되어 해석되지 아니하고 그 이상일 수 있다. The quad band implant antenna 200 can be optimized through the location, slot length and design of the coaxial feed 206 and the via 205 that is the shorting pin, proper design of the shunt capacitor 207 value, the radiating patch 201 design, etc. have. Therefore, the quad-band implant antenna 200 of the present invention can operate in the 403, 915, 1470 MHz, 2.4 GHz bands. Here, the 403 MHz band corresponds to the medical implant communication system band, the industrial scientific and medical bands correspond to 915 MHz and 2.4 GHz, and 1470 MHz corresponds to the medium band. Furthermore, the operating frequency band of the quad-band implant antenna of the present invention is not limited and interpreted, and may be changed according to the type and purpose of the wireless body transplant device. In addition, the operating frequency band of the quad-band implant antenna of the present invention is limited to four and may not be interpreted and may be more.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 WPT 트랜스미터를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining a WPT transmitter of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

WPT 트랜스미터(300)는 의료기기를 추적하고, 대부분의 힘을 조직으로 방출하는 기능을 수행한다. The WPT transmitter 300 performs the function of tracking the medical device and releasing most of the force to the tissue.

도 4(a)는 WPT 트랜스 미터의 정면도를, 도 4(b)는 WPT 트랜스미터의 후면도를, 도 4(c)는 WPT 트랜스미터의 측면도를 나타낸다. 4(a) is a front view of the WPT transmitter, FIG. 4(b) is a rear view of the WPT transmitter, and FIG. 4(c) is a side view of the WPT transmitter.

WPT 트랜스미터는 4개의 패턴를 갖는 패치(301)를 가지고 있으며, 그 뒷면은 완전한 접지면(302)을 가지고 있을 수 있다. 나아가 4개의 방향을 가진 포트(port)로 전력이 집중될 수 있다. 도 4(b)는 접지면(302)이 2개의 포트(P1, P2)를 포함하는 경우를 도시하고 있다. 또한, 4개의 패턴 패치(301)의 중심에는 중심원(304)이 위치할 수 있다.The WPT transmitter has a patch 301 with four patterns, and its backside may have a complete ground plane 302 . Furthermore, power may be concentrated to a port having four directions. FIG. 4(b) shows a case in which the ground plane 302 includes two ports P1 and P2. In addition, a center circle 304 may be positioned at the center of the four pattern patches 301 .

패턴 패치(301)와 접지면(302) 사이에는 서브스트레이트 층(303)이 위치할 수 있다.A substrate layer 303 may be positioned between the pattern patch 301 and the ground plane 302 .

본 발명의 WPT 트랜스미터(300)는 손실이 적은 테플론 재료로 형성될 수 있다. 테플론 재료는 그 두께가 1.6mm에 해당할 수 있고, 유전율은 2.1, 탄젠트 손실은 0.001일 수 있다.The WPT transmitter 300 of the present invention may be formed of a low-loss Teflon material. The Teflon material may have a thickness of 1.6 mm, a dielectric constant of 2.1, and a tangent loss of 0.001.

복사 전력의 집중은 각 포트(301)의 위상을 적절히 할당하여 조절할 수 있다. The concentration of radiated power can be adjusted by appropriately allocating the phase of each port 301 .

무선 신체 이식장치가 캡슐화 되어 이동이 많은 경우에는 4개의 포트의 다양한 위상 조합을 동시에 고려하여 전력 추적에 사용할 수 있다. 또는 무선 신체 이식장치의 이동성이 적은 경우 2개의 180도 위상 시프트가 있는 포트만 고려할 수도 있다. When the wireless body implant device is encapsulated and moves a lot, it can be used for power tracking by considering various phase combinations of the four ports at the same time. Alternatively, only ports with two 180 degree phase shifts may be considered if the mobility of the wireless body implant is low.

본 발명의 WPT 트랜스미터(300)는 방사 전력을 조직에 집중화할 수 있다. 이는 WPT 트랜스미터(300)의 패턴화 된 패치(301)가 중앙에 좁은 경로를 제공하여, 전류 흐름을 가속화할 수 있고, 자기장을 그 위치에 제한하는 것을 통해 가능할 수 있다. The WPT transmitter 300 of the present invention can focus radiated power to tissue. This may be possible through the patterned patch 301 of the WPT transmitter 300 providing a narrow path in the center, thereby accelerating current flow, and confining the magnetic field to that location.

도 4(d)를 참조하면, 뒤쪽 접지면(302)으로 인해, 안테나의 중심과 최대 방사는 패치의 중심에서 발생할 수 있다. Referring to FIG. 4(d), due to the rear ground plane 302, the center of the antenna and maximum radiation may occur at the center of the patch.

나아가, 안테나가 시스템화 되어 있지 않는 것과 비교하면, WPT 트랜스미터(300)는 유전율이 높은 조직 근처에서 작동이 가능할 수 있다.Furthermore, compared to the case in which the antenna is not systemized, the WPT transmitter 300 may be able to operate near tissue having a high dielectric constant.

다만, 실제로 신체 내부 환경에서 WPT 트랜스미터 성능을 확인할 수 있는 시뮬레이션 실험이 필요하다.However, it is necessary to conduct a simulation experiment that can actually confirm the performance of the WPT transmitter in the internal environment of the body.

이하에서는 도 5을 참조하여, WPT 트랜스미터의 시뮬레이션 실험에 관한 설명을 후술하도록 한다. Hereinafter, with reference to FIG. 5, a description of the simulation experiment of the WPT transmitter will be described later.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 WPT 트랜스미터에 대한 실험 설계 및 결과에 대한 도면이다.5 is a diagram showing experimental design and results for a WPT transmitter according to an embodiment of the present invention.

WPT 트랜스미터는 인간의 이식되었을 때 그 성능이 검증되어야 한다. 따라서, 도 5을 참조하여, WPT 트랜스미터를 포함한 무선 전력 전송 시스템 내부에서 WPT 트랜스미터를 무선 신체이식 장치와 바라보는 위치인 근육 상자 5mm 떨어진 거리에 위치하여 실험을 설계한다. 실험은 1470MHz에서 광범위하게 분석될 수 있다. WPT transmitters should be verified for their performance when implanted in humans. Therefore, referring to FIG. 5 , an experiment is designed by positioning the WPT transmitter at a distance of 5 mm from the muscle box, which is a position where the WPT transmitter is viewed from the wireless body transplantation device, within the wireless power transmission system including the WPT transmitter. Experiments can be broadly analyzed at 1470 MHz.

실험 결과를 살펴보면, WPT 트랜스미터의 패치 중심원 반경이 커질수록 공명 주파수 대역이 더 높아짐을 알 수 있다. 따라서 WPT 트랜스미터의 중심원 반경 값에 따라 1.3~2.5GHz 범위의 모든 주파수에서 작동이 가능함을 알 수 있다. Looking at the experimental results, it can be seen that the larger the radius of the patch center circle of the WPT transmitter, the higher the resonant frequency band. Therefore, it can be seen that operation is possible at all frequencies in the range of 1.3 to 2.5 GHz depending on the value of the radius of the center circle of the WPT transmitter.

따라서 이러한 WPT 트랜스미터는 광대역 작동 기능을 수행할 수 있고, 다른 무선 전력 전송 시스템과도 함께 사용이 가능할 수 있다. Therefore, such a WPT transmitter can perform a wideband operation function and can be used with other wireless power transmission systems.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 정류기를 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram for explaining a rectifier of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

정류기(400)는 무선 전력 전송 시스템에 전원을 공급하거나, 배터리를 충전하기 위해 RF에너지를 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 간단한 정류기는 저전력 어플리케이션에 적합하지 않으며, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템이 작동하기 위해서는 특정 수준 전압을 가진 정류기를 필요할 수 있다. The rectifier 400 performs a function of converting RF energy into DC voltage to supply power to a wireless power transmission system or to charge a battery. A simple rectifier is not suitable for low-power applications, and a rectifier with a certain level of voltage may be required for the wireless power transfer system of the present invention to operate.

본 발명의 정류기(400)는 수정된 2단계 전압 더블러 모델(402)을 사용할 수 있다. 도 6을 참조하면 수정된 2단계 전압 더블러 모델(402)을 확인할 수 있다.The rectifier 400 of the present invention may use a modified two-stage voltage doubler model 402 . Referring to FIG. 6 , a modified two-step voltage doubler model 402 can be identified.

수정된 2단계 전압 더블러 모델(402)에는 한 쌍의 상용 RF 쇼트키 다이오드인 SMS7630이 사용될 수 있다. 다이오드는 Rs 값이 20 옴, Cy 값은 0.18pF, Bv 값은 2V로 설정될 수 있다. A pair of commercial RF Schottky diodes, SMS7630, may be used for the modified two-stage voltage doubler model 402 . The diode may have an Rs value of 20 ohms, a Cy value of 0.18pF, and a Bv value of 2V.

DICKSON 모델인 1단계 전압 더블러(401)의 경우 두 개의 다이오드(D1, D2), 두개의 커패시터 (C3, C4)로 회로로 이루어질 수 있다.In the case of the DICKSON model, the one-step voltage doubler 401, the circuit may be composed of two diodes D1 and D2 and two capacitors C3 and C4.

2단계 전압 더블러(402)의 경우 인덕터(L4), 두개의 추가 커패시터 (C2, C5), 다이오드(D3, D4)로 이루어진 회로로 구성될 수 있다. In the case of the two-step voltage doubler 402, the circuit may be composed of an inductor L4, two additional capacitors C2 and C5, and diodes D3 and D4.

1단계 전압 더블러(401)의 작동 원리는 음의 반주기 다이오드 D2 가 순방향 바이어스이며, C3를 충전할 수 있다. 이 때, 양의 반주기 다이오드 D2는 순방향 바이어스를 갖고, D1이 역방향 바이어스를 가져 C3의 방전을 차단하고, 음의 반주기로 완전히 충전될 수 있다. The working principle of the one-step voltage doubler 401 is that the negative half-period diode D2 is forward biased and can charge C3. At this time, the positive half-cycle diode D2 has a forward bias, and D1 has a reverse bias to block the discharge of C3, and can be fully charged with a negative half-cycle.

완전히 충전된 C3로 인해, 같은 양의 전압이 C4로 입력되고, 충전될 수 있다. 이를 통해 출력 전압이 더블러 되는 효과를 가질 수 있다. With C3 fully charged, the same amount of voltage is input to C4 and can be charged. This may have the effect that the output voltage is doubled.

2단계 전압 더블러(402)의 경우, 더블러된 출력 전압이 커패시터 C2를 충전하기 위해 다음 단계로 전달될 수 있다. 나아가, 다음 단계로 넘어간 더블러된 출력 전압은 정류 전압의 피크를 더욱 증가시키고, 이를 필요한 수준까지 끌어 올릴 수 있다.In the case of a two-stage voltage doubler 402, the doubled output voltage may be passed to the next stage to charge the capacitor C2. Furthermore, the doubled output voltage passed to the next stage can further increase the peak of the rectified voltage and raise it to the required level.

RF에너지가 DC 전압으로 변환되는 효율은 입력 전력, 입력 임피던스, 출력 부하에 의해 결정될 수 있다. The efficiency of converting RF energy into DC voltage can be determined by input power, input impedance, and output load.

정류기(400)의 입력 임피던스와 안테나의 입력 임피던스를 일치시키기 위해, 정류 회로가 필요할 수 있다. 종래 간단한 인덕터를 이용하여 안테나의 입력 임피던스를 공액시키고, 정류기의 입력 임피던스의 허수 부분을 제거하는 방법을 일반적으로 사용하였다. In order to match the input impedance of the rectifier 400 and the input impedance of the antenna, a rectifying circuit may be required. Conventionally, a method of conjugating the input impedance of the antenna using a simple inductor and removing the imaginary part of the input impedance of the rectifier has been generally used.

그러나, 앞에서 언급한 대로 RF에너지가 DC 전압으로 변환되는 효율은 입력 전력에 매우 민감하다. 따라서, 본 발명의 정류기(400)에서는 2단계 전압 더블러(402)를 사용하여 정류 회로 기능을 수행할 수 있다. 이를 통해, 정류기(400)의 효율을 입력 전력의 변화로부터 격리시킬 수 있는 효과가 있다. However, as mentioned above, the efficiency of converting RF energy into DC voltage is very sensitive to the input power. Accordingly, in the rectifier 400 of the present invention, a rectifier circuit function may be performed using the two-step voltage doubler 402 . Through this, there is an effect that the efficiency of the rectifier 400 can be isolated from a change in input power.

본 발명의 2단계 전압 더블러(402)를 사용한 정류기(400)의 경우 2dBm에서 RF에너지가 DC 전압으로 변환되는 효율이 90% 달성되고, 광범위한 입력 전력에서 본 발명의 정류기의 기능이 수행될 수 있다. In the case of the rectifier 400 using the two-stage voltage doubler 402 of the present invention, the efficiency of converting RF energy to DC voltage at 2 dBm is achieved 90%, and the function of the rectifier of the present invention can be performed in a wide range of input power. have.

이하에서는 도 7 내지 도 16를 참조하여, 무선 전력 전송 시스템의 성능, 쿼드 밴드 임플란트 안테나 시스템의 성능, 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 포함한 무선 전력 전송 시스템의 성능, WPT 트랜스미터의 성능에 대한 실험 설계와 그 결과를 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 7 to 16, experimental design and results for the performance of the wireless power transmission system, the performance of the quad-band implanted antenna system, the performance of the wireless power transmission system including the quad-band implanted antenna, and the performance of the WPT transmitter to explain

도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 성능에 관한 실험 설계를 설명하기 위한 도면이다. 7 is a diagram for explaining an experimental design related to the performance of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 장치화 하여 무선 신체이식 장치 프로토 타입을 설계하고, 프로토 타입을 ANSYS 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)를 사용하여 인간 피부조직과 동일한 내에서 실험을 진행할 수 있다. The quad-band implant antenna of the present invention can be deviced to design a wireless body transplantation device prototype, and the prototype can be tested within the same human skin tissue using the ANSYS high-frequency structure simulator (HFSS).

나아가, 현실적 DUKE 인간 모델에서 유한 차분 시간 도메인(FDTD) 기반의 Sim4Life를 사용하여 실험 진행할 수 있다. Furthermore, experiments can be conducted using Sim4Life based on finite differential time domain (FDTD) in realistic DUKE human models.

도 7(a)를 참조하면, 400mm x 400mm x 400mm 로 구성된 방사 박스내에서 인간 피부조직 환경은 100mm x 100mm x 100mm 균질 근육 박스가 존재하고, 균질 근육 박스 내에서 실험 진행할 수 있다. Referring to FIG. 7( a ), in the radiation box composed of 400 mm x 400 mm x 400 mm, a 100 mm x 100 mm x 100 mm homogeneous muscle box exists in the human skin tissue environment, and experiments can be carried out in the homogeneous muscle box.

균질 근육 박스는 전기적 특성이 주파수에 의존될 수 있도록 설정될 수 있다. 이러한 균질 근육 조직 내에서 무선 신체이식 장치 프로토 타입을 이식하고, HFSS를 사용하여 실험 진행한다. A homogeneous muscle box can be set up so that its electrical properties can be frequency dependent. In this homogeneous muscle tissue, a wireless body transplantation device prototype is implanted, and the experiment is carried out using HFSS.

도 7(b)를 참조하면 현실적 DUKE 인간 모델에서 FDTD 기반으로 실험 수행하는 것을 나타내고 있다. 프로토 타입(501)은 캡슐 타입과 플랫 타입으로 2가지로 만들 수 있다. Referring to FIG. 7(b), it is shown that an experiment is performed based on FDTD in a realistic DUKE human model. The prototype 501 can be made into two types: a capsule type and a flat type.

캡슐 타입의 경우, 소장에 이식되어 실험 진행할 수 있고, 플랫 타입의 경우 머리와 심장에 이식되어 실험 진행할 수 있다. In the case of the capsule type, it may be implanted in the small intestine to proceed with the experiment, and in the case of the flat type, it may be implanted in the head and heart to proceed with the experiment.

실제 실험 측정값을 위해 제작된 프로토 타입(501)은 성능을 측정하기 위해 초소형 커넥터를 이용하여 벡터 네트워크 분석기(VNA) 연결될 수 있다. 실험 환경으로는 식염수 용액으로 채워진 ASTM 모델과 다진 돼지고기 근육 조직(504)을 이용할 수 있다. A prototype 501 manufactured for actual experimental measurements may be connected to a vector network analyzer (VNA) using a micro connector to measure performance. As the experimental environment, an ASTM model filled with a saline solution and minced pork muscle tissue 504 may be used.

또한, WPT 트랜스미터의 성능을 측정하기 위해 180° 위상 시프트 및 전력 분배기로 작동하는 하이브리드 커플러의 2개의 출력 포트에 WPT 트랜스미터의 2개의 포트를 연결할 수 있다(502).It is also possible to connect the two ports of the WPT transmitter to the two output ports of the hybrid coupler operating as a 180° phase shift and power divider to measure the performance of the WPT transmitter (502).

VNA 포트 1은 하이브리드 커플러의 D 포트에 연결되어 입사 전력을 진폭이 동일하지만 위상이 180° 두 가지로 나눠질 수 있다. 도 7에 도시 된 바와 같이, WPT 트랜스미터는 다진 돼지고기 근육 조직으로 채워진 용기와 식염수로 채워진 3D 헤드 모델 옆에 배치되며 S- 파라미터는 측정될 수 있다(504). VNA port 1 is connected to the D port of the hybrid coupler so that the incident power can be split into two equal amplitudes but 180° phase. As shown in Figure 7, the WPT transmitter is placed next to a container filled with minced pork muscle tissue and a 3D head model filled with saline and S-parameters can be measured (504).

WPT 트랜스미터의 PTE를 추정하기 위해 무선 신체 이식장치 프로토 타입을 만들고, 프로토 타입과 WPT 트랜스미터를 함께 무선 전력 전송 시스템화하고, 상자 안 식염수 용액(506)과 다진 돼지고기 조직으로 채운 상자에 삽입할 수 있다. To estimate the PTE of a WPT transmitter, a wireless body implant prototype can be built, the prototype and the WPT transmitter can be combined into a wireless power transfer system and inserted into a box filled with saline solution (506) and minced pork tissue in the box. .

VNA의 포트 1에 연결할 수 있다. WPT 트랜스미터 설정은 도 7과 같이 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 조직 벽에 부착되고 VNA의 포트 2에 연결할 수 있다(503).It can be connected to port 1 of the VNA. The WPT transmitter setup can attach a quad band implant antenna to the tissue wall and connect to port 2 of the VNA as shown in FIG. 7 (503).

WPT 트랜스미터와 프로토 타입 사이의 거리는 5cm이고 투과 계수 S21 및 반사 계수 S11를 측정할 수 있다.The distance between the WPT transmitter and the prototype is 5 cm, and the transmission coefficient S21 and reflection coefficient S11 can be measured.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 설계에 따른 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining an experimental result according to the design of the quad-band implant antenna according to an embodiment of the present invention.

쿼드 밴드 임플란트 안테나를 설계하기 위해 여러 단계를 거칠 수 있다. 안테나 설계를 위한 단계는 도 8(a)를 참조할 수 있고, 도 8(b)를 통해, 안테나 설계 단계에 따른 안테나의 공진 주파수 대역을 확인하는 실험 결과를 알 수 있다.Several steps can be taken to design a quad-band implant antenna. For the step for designing the antenna, reference may be made to FIG. 8( a ), and through FIG. 8( b ), the experimental result of confirming the resonant frequency band of the antenna according to the step of designing the antenna can be seen.

단계 1에서는 나선형 모양의 방사 패치를 7mm 지름을 갖는 세그먼트 절단의 원통 모양의 접지면에 위치시킨다. 단계 1을 거친 안테나 시스템의 경우 2.3GHz, 895MHz 주파수에서 공진함을 확인할 수 있다. In step 1, a spiral-shaped radiating patch is placed on the cylindrical ground plane of a segment cut with a diameter of 7 mm. It can be seen that the antenna system that has gone through step 1 resonates at frequencies of 2.3 GHz and 895 MHz.

이에, 단계 2에서, 슬롯 S2를 접지면 가장자리에서 절단하여 위치시킬 수 있다. 슬롯 S2로 인해 2.4GHz, 895MHz에서 임피던스가 개선되며 1.45GHz에서 추가적으로 공진함을 확인할 수 있다. Accordingly, in step 2, the slot S2 may be cut and positioned at the edge of the ground plane. It can be seen that the impedance is improved at 2.4GHz and 895MHz due to slot S2 and additionally resonates at 1.45GHz.

단계 3에서, S1 슬롯을 통해, 403MHz 주파수에서 공진을 생성할 수 있다. 추가적으로 950, 1470MHz, 2.4GHz에서 공진함을 확인할 수 있다. In step 3, a resonance may be generated at a frequency of 403 MHz through the S1 slot. Additionally, it can be seen that resonance occurs at 950, 1470 MHz, and 2.4 GHz.

단계 4에서 S1 슬롯과 S2 슬롯을 조합하여, 수정된 슬롯을 형성할 수 있다. 이를 통해 403MHz 주파수 대역과 403, 915MHz 대역에서 양호한 임피던스 정합을 나타낸다. 그러나, 미드 필드 밴드 내와 더 높은 주파수 대역에서의 주파수 공진이 양호하지 않았다. 또한, 2.7GHz 대역에서의 공명 효과를 나타내고, 더 낮은 주파수 대역에서 양호한 임피던스 정합을 나타내기 위할 필요가 있다.In step 4, a modified slot may be formed by combining the S1 slot and the S2 slot. This shows good impedance matching in the 403 MHz frequency band and the 403 and 915 MHz bands. However, the frequency resonance in the midfield band and in the higher frequency band was not good. In addition, it is necessary to exhibit a resonance effect in the 2.7 GHz band and to exhibit good impedance matching in a lower frequency band.

따라서, 단계 5에서 단계1의 방사 패치를 단계 4의 S1 슬롯과 S2 슬롯 조합에 같이 위치시켜 최종적인 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 설계할 수 있다. Therefore, by placing the radiation patch of step 1 in step 5 in the S1 slot and S2 slot combination of step 4 together, it is possible to design a final quad-band implant antenna.

나아가, 도 8(c)를 참조하면, 션트 커패시터의 값에 따른 공진 주파수 대역 실험 결과를 확인할 수 있다. Furthermore, referring to FIG. 8(c) , the results of the resonance frequency band experiment according to the value of the shunt capacitor can be confirmed.

본 발명의 쿼드 밴드 임플란트 안테나에는 공진의 하향 이동과 추가적인 임피던스 정합의 양호성을 개선을 위해, 션트 커패시터를 접지면의 연결하여 설계할 수 있다.The quad-band implant antenna of the present invention may be designed by connecting a shunt capacitor to the ground plane in order to improve the downward movement of resonance and additionally improve impedance matching.

션트 커패시터의 경우 4개 대역에서 모두 임피던스 정합을 개선할 뿐만 아니라, 더 높은 공진 주파수 대역으로 공진 대역을 이동시킬 수 있다. 쿼드 밴드 임플란트 안테나 시스템의 성능을 위해 션트 커패시터의 적절한 배치 및 적절한 값을 고려할 수 있다. In the case of a shunt capacitor, it is possible not only to improve impedance matching in all four bands, but also to shift the resonance band to a higher resonant frequency band. For the performance of the quad-band implanted antenna system, proper placement and appropriate value of the shunt capacitor can be considered.

도 8(c)를 살펴보면, 션트 커패시터의 값에 따라 실험 분석이 수행됨을 알 수 있다. 션트 커패시터의 값이 증가함에 따라, 주파수 대역에서의 임피던스 정합이 개선되고, 임피던스 BW가 향상됨을 확인할 수 있다. 션트 커패시터의 값이 4.2pF로 증가할 때까지 주파수 대역의 임피던스 정합 개선 효과는 유지되나, 4.2pF 이상의 값을 가지는 경우, 1470MHz, 403MHz 대역에서 주파수 공진 대역의 왼쪽 이동이 확인되었다. Referring to FIG. 8(c) , it can be seen that the experimental analysis is performed according to the value of the shunt capacitor. As the value of the shunt capacitor increases, it can be seen that the impedance matching in the frequency band is improved and the impedance BW is improved. The impedance matching improvement effect of the frequency band is maintained until the value of the shunt capacitor is increased to 4.2pF, but when the value is 4.2pF or higher, the left shift of the frequency resonance band is confirmed in the 1470MHz and 403MHz bands.

이하에서는 도 9를 참조하여, 쿼드 밴드 임플란트 안테나 시스템의 전류 분포를 설명하도록 한다.Hereinafter, the current distribution of the quad-band implant antenna system will be described with reference to FIG. 9 .

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드 밴드 임플란트 안테나 시스템의 전류 분포를 나타낸 도면이다. 도 9는 403, 915, 1470, 2400MHz에서 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 패치 및 접지면에 전류 분포를 나타낸다. 도 9(a)에서 낮은 주파수인 403MHz에서 전류는 패치와 접지면에서 같은 전류 방향을 가질 수 있다. 이로 인해 안테나 시스템은 모노폴 모드가 될 수 있다. 도 9(c)에서는 전류가 패치에서 한 번 반전됨을 나타낸다. 이는 1470MHz에서 반 파장 모노폴 모드가 될 수 있음을 나타낸다.9 is a diagram illustrating a current distribution of a quad-band implant antenna system according to an embodiment of the present invention. 9 shows the current distribution in the patch and the ground plane of the quad-band implant antenna at 403, 915, 1470, and 2400 MHz. At 403 MHz, which is a low frequency in FIG. 9( a ), the current may have the same current direction in the patch and the ground plane. This allows the antenna system to be in monopole mode. Fig. 9(c) shows that the current is reversed once in the patch. This indicates that it can be in half-wave monopole mode at 1470 MHz.

도 9(b)와 (d)는 전류가 그 방향을 여러 번 반전함을 나타낸다. 이는 915MHz와 2.4GHz에서 전 파장 안테나 모드로 공진됨을 나타낸다.9(b) and (d) show that the current reverses its direction several times. This indicates that it resonates in full-wavelength antenna mode at 915 MHz and 2.4 GHz.

이하에서는 도 10 내지 도 16를 통하여, 무선 전력 전송 시스템 및 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 성능에 관한 실험 설계 및 그 결과를 설명하도록 한다.Hereinafter, an experimental design and results regarding the performance of the wireless power transmission system and the quad-band implant antenna will be described with reference to FIGS. 10 to 16 .

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다. 인간 피부조직 환경에서 HFSS를 이용한 시뮬레이션 모델과, DUKE 인간 모델에서 시뮬레이션 한 모델, 식염수 용액으로 채워진 ASTM 모델 및 다진 돼지고기 근육 조직에서 실제로 시스템을 측정한 값을 비교할 수 있다. 즉, 4가지 케이스에 대한 결과값을 도 10을 통해서 확인할 수 있다.10 is a diagram for explaining an experimental result of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention. The simulation model using HFSS in the human skin tissue environment, the model simulated in the DUKE human model, the ASTM model filled with saline solution, and the actual system measurement values in minced pork muscle tissue can be compared. That is, the result values for the four cases can be confirmed through FIG. 10 .

도 10(a)의 실험 결과를 살펴보면, 4가지 케이스 모두 4개의 주파수 대역에서 충분한 대역폭을 가짐을 확인할 수 있다. 나아가, 다진 돼지고기 근육 조직에서 방사선 패턴을 확인할 수 있다. 4개의 주파수 대역은 403, 915, 1470, 2400MHz 주파수 대역이 된다. 도 10(b)의 표는 측정된 실제 값과 시뮬레이션 된 프로토 타입 간의 비교 결과를 나타낸 것이다. 도 10(c)는 HFSS 시뮬레이션과 Sim4Life 시뮬레이션, 실제 측정값을 비교한 그래프이다. 측정된 실제 값은 403, 915, 1470, 2400MHz에서 각각 -34, -29.6, -28.2, -22.4dBi에 해당된다. Looking at the experimental results of FIG. 10( a ), it can be confirmed that all four cases have sufficient bandwidth in four frequency bands. Furthermore, radiation patterns can be identified in the minced pork muscle tissue. The four frequency bands are 403, 915, 1470, and 2400 MHz frequency bands. The table of Fig. 10(b) shows the comparison result between the measured actual value and the simulated prototype. 10( c ) is a graph comparing HFSS simulation, Sim4Life simulation, and actual measured values. The measured actual values correspond to -34, -29.6, -28.2, and -22.4dBi at 403, 915, 1470, and 2400 MHz, respectively.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 WPT 트랜스미터 성능에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 11(a)는 WPT 트랜스미터의 성능을 DUKE 인간 모델에서 시뮬레이션 한 실험 결과를 나타낸다. 도 11(b)는 WPT 트랜스미터의 성능을 식염수 용액으로 채워진 ASTM 모델 및 다진 돼지고기 근육 조직 환경에서 실험한 결과를 나타낸다. WPT 트랜스미터와 임플란트 안테나는 모두 일치하고, 1470 MHz에서 공명하며, 이는 Gihahertz 하위 미드 필드 무선 범위에 있음을 보여준다. 최대 PTE 값은 측정된 투과 계수(S21) 및 반사 계수 (S11)을 이용하여 계산될 수 있다. 반사 계수는 1470 MHz에서 -25 dB 미만으로 나타내고, 이는 PTE 값이 99 % 이상을 의미한다. WPT 트랜스미터에 부여된 전력은 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 향해 방사된다. 매우 작은 힘으로 인해 다시 WPT 트랜스미터에 반영되면 반사 계수 S11은 무시됩니다. WPT 트랜스미터의 측정된 투과 계수 S21은 -36dB에 해당된다. 11 is a diagram for explaining an experimental result on the WPT transmitter performance of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention. Figure 11 (a) shows the experimental results of the simulation of the performance of the WPT transmitter in the DUKE human model. 11(b) shows the results of testing the performance of the WPT transmitter in an ASTM model filled with saline solution and minced pork muscle tissue environment. Both the WPT transmitter and implant antenna are matched, resonating at 1470 MHz, indicating that they are in the Gihahertz sub-midfield radio range. The maximum PTE value may be calculated using the measured transmission coefficient S21 and reflection coefficient S11. The reflection coefficient is less than -25 dB at 1470 MHz, which means that the PTE value is greater than 99%. The power given to the WPT transmitter is radiated towards the quad band implant antenna. When reflected back to the WPT transmitter due to a very small force, the reflection coefficient S11 is ignored. The measured transmission coefficient S21 of the WPT transmitter corresponds to -36 dB.

다만, 조직의 유전율 값이 55이고, 공기의 유전율 값이 1인 바, 그 불일치로 인해 PTE는 감소될 수 있다. 유전체 불일치로 인해 주요 복사 전력의 일부는 WPT 트랜스미터로 다시 반사될 수 있다. 이는 PTE에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이를 해결하기 위해 무선 전력 전송 시스템은 유전율이 높은 매칭 레이어(Matching Layer, 이하 'ML'이라 함)를 사용할 수 있다. 유전율이 높은 ML에 대한 실험 결과는 도 12를 참조하여 설명하도록 한다. However, since the permittivity value of the tissue is 55 and the permittivity value of air is 1, the PTE may be reduced due to the discrepancy. Due to dielectric mismatch, some of the main radiated power may be reflected back to the WPT transmitter. This can negatively affect PTE. To solve this problem, the wireless power transmission system may use a matching layer having a high dielectric constant (Matching Layer, hereinafter referred to as 'ML'). Experimental results for ML having a high dielectric constant will be described with reference to FIG. 12 .

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 ML에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 도 12(a)는 유전율이 높은 ML를 사용하지 않는 실험 결과를, 도 12(b)는 유전율이 높은 ML을 사용한 실험 결과를 나타낸다. 유전체 불일치를 최소화하기 위해 조직의 전자장이 크게 증가함에 따라, ML을 사용할 수 있다. ML은 유전율이 78이고, 탄젠트 손실 값이 0.0004일 수 있다. 이를 통해 S21의 값은 -21.7dB 값이 될 수 있고, ML의 유무에 따라 최대 PTE 각각 0.2 % 및 0.67 % 인 것으로 실험 결과가 확인되었다.12 is a diagram showing experimental results for ML according to an embodiment of the present invention. Fig. 12(a) shows the experimental results without using ML having a high permittivity, and Fig. 12(b) shows the experimental results using ML having a high permittivity. As the tissue's electromagnetic field is greatly increased to minimize dielectric mismatch, ML can be used. ML may have a dielectric constant of 78 and a tangent loss value of 0.0004. Through this, the value of S21 can be -21.7dB, and the experimental results confirmed that the maximum PTE was 0.2% and 0.67%, respectively, depending on the presence or absence of ML.

도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 2단계 전압 더블러의 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 2단계 전압 더블러의 경우, 50 서브 미니어처A(SMA) 커넥터가 제작된 프로토 타입 입력에 연결될 수 있다. 1470 MHz에서 서로 다른 전력 레벨에서의 효율을 측정할 수 있다. 도 13(a)를 살펴보면, 1470 MHz에서 서로 다른 전력 레벨에 대한 시뮬레이션 및 측정된 RF-DC 변환 효율의 비교를 보여줄 수 있다. 피크 변환 효율은 시뮬레이션 및 측정에서 각각 3dBm에서 90 %, 2dBm에서 90 %에 해당됨을 알 수 있다. 이를 통해, 2단계 전압 더블러는 종래 RF 정류기와 비교하여 높은 효율을 제공하며 비교적 넓은 입력 파워 레벨을 제공할 수 있다. 13 is a diagram showing experimental results on the performance of a two-stage voltage doubler of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention. For a two-stage voltage doubler, a 50 sub-miniature A (SMA) connector can be connected to the manufactured prototype input. Efficiency at different power levels can be measured at 1470 MHz. Referring to FIG. 13( a ), a comparison of simulated and measured RF-DC conversion efficiencies for different power levels at 1470 MHz may be shown. It can be seen that the peak conversion efficiency corresponds to 90% at 3dBm and 90% at 2dBm in simulation and measurement, respectively. Through this, the two-stage voltage doubler can provide high efficiency and a relatively wide input power level compared to the conventional RF rectifier.

무선 전력 전송 시스템에는 마이크로 프로세서 및 기타 IC가 포함될 수 있다. 이러한 전자 장치의 원활한 작동을 위해서는 높은 전압이 필요할 수 있다. 예를 들어, 높은 전압은 3 내지 5V DC 전압일 수 있다. 그러나, 간단한 다이오드 정류기 토폴로지는 저전력에서 이러한 전압 범위를 제공하지 않는 문제가 있다. 본 발명의 2단계 전압 더블러는 0dBm에서 3V보다 큰 전압을 제공할 수 있는 효과가 있다. 도 13(b)는 서로 다른 전력 레벨(-20~10dBm)에서 정류기의 시뮬레이션 및 측정된 출력 전압을 보여준다. 본 발명의 2단게 전압 더블러는 시뮬레이션 값과 측정값 모두에서 밀리 와트 범위에서 3V보다 큰 밀리 와트 범위를 제공할 수 있다. 각 구성 요소를 개별적으로 측정한 후 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 장착한 무선 신체이식 장치와 통합하여 시스템 성능을 입증하고 확인할 수 있다. Wireless power transfer systems may include microprocessors and other ICs. A high voltage may be required for smooth operation of these electronic devices. For example, the high voltage may be 3-5V DC voltage. However, a simple diode rectifier topology is problematic in that it does not provide this voltage range at low power. The two-stage voltage doubler of the present invention has the effect of providing a voltage greater than 3V at 0dBm. Figure 13(b) shows the simulated and measured output voltage of the rectifier at different power levels (-20 to 10 dBm). The two-stage voltage doubler of the present invention can provide a milliwatt range greater than 3V in the milliwatt range in both simulated and measured values. After measuring each component individually, it can be integrated with a wireless body transplant equipped with a quad-band implant antenna to demonstrate and verify system performance.

추가적으로 WPT 트랜스미터와 2단계 전압 더블러를 포함한 정류기의 성능을 확인하기 위한 실험 설계 및 결과를 도 14를 통해 설명하도록 한다. In addition, the experimental design and results for confirming the performance of the rectifier including the WPT transmitter and the two-stage voltage doubler will be described with reference to FIG. 14 .

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 WPT 트랜스미터와 2단계 전압 더블러를 포함한 정류기의 실험 설계 및 결과를 나타낸 도면이다. WPT 트랜스미터는 하이브리드 커플러와 함께 RF 전력 증폭기에 연결되고 RF 신호 발생기(MS2830A, Anritsu)에 의해 전원이 공급된다. 도 14(a)를 참조하면, 실험을 위해, WPT 트랜스미터는 다진 돼지고기 근육 조직에 무선 전력 전송 시스템과 이식될 수 있다. 출력 전압과 전류를 측정하기 위해 디지털 멀티 미터(Hioki3239 Digital HiTester, Hioki)를 전선을 통해 정류기의 부하 저항에 연결할 수 있다. WPT 트랜스미터는 1W로 주어졌으며, 도시 된 바와 같이 렉테나의 출력에서 3.14V의 전압이 측정되었다. 14 is a view showing experimental design and results of a rectifier including a WPT transmitter and a two-stage voltage doubler according to an embodiment of the present invention. The WPT transmitter is connected to an RF power amplifier with a hybrid coupler and is powered by an RF signal generator (MS2830A, Anritsu). Referring to FIG. 14( a ), for the experiment, the WPT transmitter can be implanted with a wireless power transmission system in minced pork muscle tissue. To measure the output voltage and current, a digital multimeter (Hioki3239 Digital HiTester, Hioki) can be connected through a wire to the load resistance of the rectifier. The WPT transmitter was given 1W, and a voltage of 3.14V was measured at the output of the rectenna as shown.

도 14(b)는 WPT 트랜스미터 설정(안테나+하이브리드 커플러)을 나타낸다. 도 14(c)에 도시 된 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템에서 렉테나의 렉테나의 부하 저항(RL)을 녹색 LED로 교체하고 식염수 용액으로 채워진 용기에 4-5cm깊이로 배치할 수 있다. LED가 켜지기 위해서는 최소 2.1 V가 필요함에 따라, 정류기의 출력 전압이 3V보다 크다면, LED는 녹색으로 켜지는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 WPT 트랜스미터는 1W가 주어진 경우에, LED에서 좋은 강도로 빛을 낼 수 있음을 확인할 수 있다. 무선 전력 전송 시스템은 조직에서 5cm 이상의 깊이에서 4-6.7mW 전력을 전달하고, 3V 이상의 전압을 제공할 수 있음을 알 수 있다. 4-6.7mW 전력 및 3V 배터리 없이도 장치를 작동하기에 충분한 전압이 될 수 있다. Fig. 14(b) shows the WPT transmitter setup (antenna + hybrid coupler). As shown in Fig. 14(c), in the wireless power transmission system, the load resistance (RL) of the rectenna of the rectenna may be replaced with a green LED, and it can be placed in a container filled with a saline solution to a depth of 4-5 cm. At least 2.1V is required to turn on the LED, so if the output voltage of the rectifier is greater than 3V, you can see that the LED turns green. It can be confirmed that the WPT transmitter of the present invention can emit light with good intensity from the LED when 1W is given. It can be seen that the wireless power transmission system can deliver 4-6.7 mW power at a depth of 5 cm or more in the tissue, and provide a voltage of 3 V or more. Even without 4-6.7mW power and a 3V battery, this could be enough voltage to run the device.

도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 생체 안전성을 확인하기 위한 도면이다. 15 is a view for confirming the biosafety of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

무선 전력 전송 시스템이 FCC(Federal Communications Commission) 및 ICNIRP(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) 안전 가이드 라인을 준수하는지 평가하기 위해 WPT 트랜스미터를 실제 인간 듀크 모델의 Sim4Life을 이용하여 가슴에 5mm 이상 배치하고 실험 수행한다. WPT 트랜스미터의 각 포트에는 1W 전력이 공급되고, 특정 흡수율(SAR)에 대한 분석이 수행될 수 있다. WPT 트랜스미터의 최고 SAR 값 평균 1 및 10 g의 조직에 대해 각각 0.187 및 0.15 W/kg이었다. 표준화 된 1-g / 10-g SAR 분포는 도 15의 (a) 및 (b)에 확인할 수 있다. To evaluate the compliance of the wireless power transfer system with Federal Communications Commission (FCC) and International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) safety guidelines, the WPT transmitter was placed at least 5 mm on the chest using Sim4Life of a real human Duke model and Conduct an experiment. Each port of the WPT transmitter is supplied with 1W power, and analysis for a specific absorption rate (SAR) can be performed. The highest SAR values of the WPT transmitter averaged 0.187 and 0.15 W/kg for 1 and 10 g of tissue, respectively. The normalized 1-g / 10-g SAR distribution can be seen in Figure 15 (a) and (b).

도 15(a)에서 시뮬레이션 된 1g SAR 분포는 1.6 W/kg으로 정규화 되고, 도 15(b)에서 10-g SAR 분포는 2 W/kg으로 정규화 된다. 1W의 입력 전력에서 시뮬레이션 된 최대 SAR 값(1g의 경우 0.187W/kg 및 10g의 경우 0.15W/kg)을 기반으로 8.6 및 13.3W의 최대 허용 전력 값이 계산된다.The simulated 1g SAR distribution in FIG. 15(a) is normalized to 1.6 W/kg, and the 10-g SAR distribution in FIG. 15(b) is normalized to 2 W/kg. Based on the simulated maximum SAR values (0.187 W/kg for 1 g and 0.15 W/kg for 10 g) at an input power of 1 W, the maximum allowable power values of 8.6 and 13.3 W are calculated.

본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 최대 허용 전력 값은 안전한 수치임을 확인할 수 있다. WPT 트랜스미터에 최대 8.6 및 13.3W의 전원이 공급되는 경우에도 안전함을 유지할 수 있다. 현재 무연 맥박 조정기는 120mAh 배터리를 사용하며 배터리 수명은 7-10 년이다. 캡슐 내시경은 55-mAh 배터리를 사용하며 수명은 8-10시간에 해당된다. 캡슐과 같은 임플란트에는 6.7mW의 수신 전력으로 충분할 수 있다. It can be confirmed that the maximum allowable power value of the wireless power transmission system of the present invention is a safe value. Even when the WPT transmitter is powered up to 8.6 and 13.3W, it remains safe. Current lead-free pacemakers use a 120mAh battery and have a battery life of 7-10 years. The capsule endoscope uses a 55-mAh battery and has a lifespan of 8-10 hours. For implants such as capsules, a receive power of 6.7 mW may be sufficient.

도 16는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 성능을 설명하기 위한 도면이다.16 is a diagram for explaining the performance of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 16의 표를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 403, 915, 1470, 2400MHz에서 작작동 가능한 쿼드 밴드 임플란트 안테나를 포함할 수 있다. 임플란트 안테나의 크기는 8.43mm3 부피를 가질 수 있고, 임플란트 안테나의 패치는 구불구불한 선 모양을 가질 수 있다. Referring to the table of Figure 16, the wireless power transmission system of the present invention may include a quad-band implant antenna that can operate at 403, 915, 1470, 2400 MHz. The size of the implant antenna may have a volume of 8.43 mm 3 , and the patch of the implant antenna may have a serpentine line shape.

본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 WPT 트랜스미터는 1470MHz에서 작동 가능할 수 있고, PTE 효율은 0.67% 값을 가질 수 있다. 본 발명의 정류기는 수정된 2단계 전압 더블러를 가질 수 있고, 정류기의 효율은 2dBm에서 약 90% 변환 효율을 가질 수 있다. The WPT transmitter of the wireless power transmission system of the present invention may be operable at 1470 MHz, and the PTE efficiency may have a value of 0.67%. The rectifier of the present invention may have a modified two-stage voltage doubler, and the efficiency of the rectifier may have a conversion efficiency of about 90% at 2dBm.

종래 의료기기 관련하여, 캡슐 내시경 및 무연 맥박 조정기를 배터리를 사용하여 충전하면, 충전 시간은 각각 25시간, 54 시간에 해당된다. 무연 맥박 조정기의 경우, 7년 동안 54시간 30분만 충전하면 수명을 두 배로 늘릴 수 있고, 캡슐 내시경을 배터리를 사용하면서, 6.7mW로 배터리를 8시간 동안 재충전하면 장치 수명이 32 % 증가할 수 있다. In relation to conventional medical devices, when the capsule endoscope and the lead-free pacemaker are charged using a battery, the charging times correspond to 25 hours and 54 hours, respectively. For a lead-free pacemaker, charging for 54 hours and 30 minutes over 7 years could double the lifespan, and while using the capsule endoscope on battery, recharging the battery at 6.7 mW for 8 hours could increase device life by 32% .

그러나, 의료기기가 인체에 삽입되는 경우에는 충전 시간에 제약이 존재할 수 있다. 인체에 삽입된 의료기기에 대한 충전 시간이 길어질수록, 환자의 생명에 중대한 영향 줄 가능성이 높아질 수 있다. 나아가 온도 측면에서, 1시간의 노출 시간 동안 조직의 온도는 37.565C로 증가한다. 신체 조직의 무해한 온도 증가 범위는 2C에 해당된다. 신체 조직의 온도가 37 ℃에서 37.565 ℃로 상승하면, 노출의 처음 4분동안, 온도 상승이 있고, 4분이 지난 후에는 더 이상 그 온도에서 증가가 발생하지 않는다. However, when the medical device is inserted into the human body, there may be restrictions on the charging time. The longer the charging time for a medical device inserted into the human body, the more likely it is to have a significant impact on a patient's life. Further, in terms of temperature, the temperature of the tissue increases to 37.565C during the exposure time of 1 hour. The harmless range of temperature increases in body tissues corresponds to 2C. When the body tissue temperature rises from 37° C. to 37.565° C., during the first 4 minutes of exposure, there is a temperature rise, and after 4 minutes, no further increase in temperature occurs.

본 발명의 WPT 트랜스미터는 전송된 전력을 안전하게 제공할 수 있다. FCC에 따르면 안전 표준을 충족하면서 최대 유효 등방성 복사 전력 (EIRP) 근거리, 포인트-투-포인트 링크를 36 dBm으로 증가시킬 수 있다. The WPT transmitter of the present invention can safely provide transmitted power. According to the FCC, the maximum effective isotropic radiated power (EIRP) near-field, point-to-point link can be increased to 36 dBm while meeting safety standards.

나아가, WPT 트랜스미터의 성능을 높이면 충전 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다. WPT 트랜스미터의 전력을 3 배 증가시키고(3W) 충전 전압을 3.1V로 유지하면, 충전 시간은 캡슐 내시경의 경우 8시간 30분, 무연 맥박 조정기의 경우 18시간 30분에 해당된다. 종래 의료기기에서 배터리 충전시간이 캡슐 내시경의 경우 25시간, 무연 맥박 조정기의 경우 54시간에 비하면, 본 발명의 WPT 트랜스미터의 성능을 효과적임을 알 수 있다. Furthermore, increasing the performance of the WPT transmitter has the effect of reducing the charging time. If the power of the WPT transmitter is tripled (3W) and the charging voltage is maintained at 3.1V, the charging time is 8 hours 30 minutes for the capsule endoscope and 18 hours 30 minutes for the lead-free pacemaker. It can be seen that the performance of the WPT transmitter of the present invention is effective compared to the battery charging time of 25 hours for a capsule endoscope and 54 hours for a lead-free pacemaker in conventional medical devices.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely provided for specific examples in order to easily explain the technical contents of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (11)

신체 조직의 외부에 위치하는 WPT(Wireless Power Transfer) 트랜스미터; 및
상기 신체 조직의 내부에 이식될 수 있는 무선 신체이식 장치를 포함하되,
상기 무선 신체이식 장치는
상기 WPT 트랜스미터에서 방사된 무선 주파수 전력을 수신하는 쿼드 밴드 임플란트 안테나; 및
상기 수신된 무선 주파수 전력을 사용 가능한 직류로 변환하기 위한 2단계 전압 더블러를 포함하는 정류기를 포함하고,
상기 쿼드 밴드 임플란트 안테나는
슬롯 접지면과, 서브스트레이트 층과, 방사 패치와, 슈퍼스트레이트 층이 계층화된 구조를 가지며,
상기 슬롯 접지면의 개방 단부에는 션트 커패시터(shunt capacitor)가 사용되는
무선 전력 전송 시스템.
Wireless Power Transfer (WPT) transmitters located outside of body tissue; and
a wireless body transplant device capable of being implanted inside the body tissue;
The wireless body transplant device
a quad-band implant antenna for receiving radio frequency power radiated from the WPT transmitter; and
A rectifier comprising a two-step voltage doubler for converting the received radio frequency power into usable direct current,
The quad band implant antenna is
A slot ground plane, a substrate layer, a radiation patch, and a superstrate layer have a layered structure,
A shunt capacitor is used at the open end of the slot ground plane.
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서,
상기 무선 신체이식 장치는 캡슐형 또는 플랫형이고,
상기 무선 신체이식 장치는 하나 이상의 전자 IC가 탑재된 PCB(Printed Circuit Board), 하나 이상의 배터리, 배터리 홀더, LED를 장착한 렌즈, 및 센서 중 하나 이상을 포함하는
무선 전력 전송 시스템.
The method of claim 1,
The wireless body transplant device is a capsule type or a flat type,
The wireless body transplant device includes at least one of a printed circuit board (PCB) on which one or more electronic ICs are mounted, one or more batteries, a battery holder, a lens equipped with an LED, and a sensor
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서,
상기 쿼드 밴드 임플란트 안테나는
양방향 데이터 통신, 제어 신호, 무선 전력 공급 기능을 지원하고, 작동 대역이 복수 개인
무선 전력 전송 시스템.
The method of claim 1,
The quad band implant antenna is
It supports two-way data communication, control signal, wireless power supply function, and has multiple operating bands.
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서
상기 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 상기 방사 패치는 평면 헬리코이드 모양(Planar helicoid structure)을 갖는
무선 전력 전송 시스템.
2. The method of claim 1
The radiation patch of the quad-band implant antenna has a planar helicoid structure.
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서
상기 쿼드 밴드 임플란트 안테나의 상기 슬롯 접지면은
상기 슬롯 접지면의 내부에 형성된 제1 슬롯과, 상기 슬롯 접지면의 외곽을 따라 형성된 제2 슬롯이 조합된 개방형 접지 슬롯이고,
상기 션트 커패시터는 상기 제1 슬롯과 상기 제2 슬롯이 만나는 위치에 배치되는
무선 전력 전송 시스템.
2. The method of claim 1
The slot ground plane of the quad-band implant antenna is
It is an open ground slot in which a first slot formed inside the slot ground plane and a second slot formed along the periphery of the slot ground plane are combined,
wherein the shunt capacitor is disposed at a position where the first slot and the second slot meet.
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서,
상기 WPT 트랜스미터는
4개의 포트(Port)를 포함하는 접지면과, 서브스트레이트 층과, 4개의 패턴 패치가 차례로 적층된 구조를 가지는
무선 전력 전송 시스템.
The method of claim 1,
The WPT transmitter is
It has a structure in which a ground plane including four ports, a substrate layer, and four pattern patches are sequentially stacked.
wireless power transfer system.
제 6항에 있어서,
상기 4개의 패턴 패치의 중심에는 중심원이 위치하며,
상기 4개의 패턴 패치는 상기 중심원에 가까워질수록 폭이 좁아지는 모양을 가지고,
상기 4개의 포트는 상기 4개의 패턴 패치의 사이에 각각 위치하고,
상기 4개의 포트로 전력이 집중되는
무선 전력 전송 시스템.
7. The method of claim 6,
A central circle is located at the center of the four pattern patches,
The four pattern patches have a shape that becomes narrower as it approaches the central circle,
The four ports are respectively located between the four pattern patches,
Power is concentrated to the four ports
wireless power transfer system.
제 7항에 있어서,
상기 중심원의 반경 값을 조정하여 공진하는 주파수 대역을 이동시키는
무선 전력 전송 시스템.
8. The method of claim 7,
Adjusting the radius value of the center circle to move the resonant frequency band
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서
상기 조직의 유전율 값과 공기의 유전율 값의 불일치로 인해 전력 전달 효율(Power Transfer Efficiency, PTE)이 감소되는 것을 방지하기 위하여, 상기 WPT 트랜스미터와 상기 조직의 사이에 배치되는 매칭 레이어(Matchin layer)를 더 포함하되,
상기 매칭 레이어의 유전율 값은 상기 조직의 유전율 값보다 높은 값을 갖는
무선 전력 전송 시스템.
2. The method of claim 1
In order to prevent a decrease in power transfer efficiency (PTE) due to a mismatch between the permittivity value of the tissue and the permittivity value of air, a matching layer disposed between the WPT transmitter and the tissue including more,
The permittivity value of the matching layer is higher than the permittivity value of the tissue.
wireless power transfer system.
제 1항에 있어서
상기 2단계 전압 더블러는
두 개의 다이오드와 두 개의 커패시터를 이용한 회로로 구성되어 있는 1단계 전압 더블러; 및
두 개의 추가 다이오드와 2개의 추가 커패시터를 이용하여 상기 1단계 전압 더블러와 연결되어 있는 회로로 구성되는
무선 전력 전송 시스템.
2. The method of claim 1
The two-stage voltage doubler is
a one-step voltage doubler consisting of a circuit using two diodes and two capacitors; and
It consists of a circuit connected to the first stage voltage doubler using two additional diodes and two additional capacitors.
wireless power transfer system.
제 10항에 있어서,
상기 2단계 전압 더블러는 상기 1단계 전압 더블러의 임의의 커패시터가 전압이 충전되고
충전된 전압이 1단계 전압 더블러와 연결되어 있는 회로의 다른 커패시터의 입력 전압으로 하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.
11. The method of claim 10,
In the second-stage voltage doubler, any capacitor of the first-stage voltage doubler is charged with voltage and
Characterized in that the charged voltage is the input voltage of the other capacitor of the circuit connected to the first-stage voltage doubler
wireless power transfer system.
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