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KR101331409B1 - Ｒｆｉｄ 근접장 안테나 시스템 - Google Patents

Ｒｆｉｄ 근접장 안테나 시스템 Download PDF

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KR101331409B1
KR101331409B1 KR1020120034942A KR20120034942A KR101331409B1 KR 101331409 B1 KR101331409 B1 KR 101331409B1 KR 1020120034942 A KR1020120034942 A KR 1020120034942A KR 20120034942 A KR20120034942 A KR 20120034942A KR 101331409 B1 KR101331409 B1 KR 101331409B1
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KR
South Korea
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signal
antenna
near field
transmission line
phase
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이문규
박동훈
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 RFID 근접장 안테나 시스템에 관한 것으로서, RFID 리더기로부터 입력되는 신호를 공급하는 신호 공급부; 상기 신호 공급부로부터 상기 신호를 입력받아 근접장을 형성하는 안테나부; 및 상기 안테나부에 연결되어 상기 안테나부에 입력된 신호의 반사조건을 변화시키는 가변 반사포트를 포함한다. 이에 의해, 근접장 안테나의 종단의 반사조건을 동적으로 제어하여 근접장의 음영영역이 이동하도록 함으로써 근접장 안테나에서 발생하는 음영지역을 제거할 수 있다.

Description

ＲＦＩＤ 근접장 안테나 시스템{RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION NEAR-FIELD ANTENNA SYSTEM}
본 발명은 RFID 근접장 안테나 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 근접장 안테나의 종단의 반사조건을 동적으로 제어하여 근접장의 음영영역이 이동하도록 함으로써 근접장 안테나에서 발생하는 음영지역을 제거할 수 있도록 한 RFID 근접장 안테나 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 알에프아이디(이하, 'RFID'라 한다) 기술이란 무선 주파수 신호를 이용하여 소형 반도체 칩이 내장된 태그(Tag), 라벨(Label), 카드(Card) 등에 저장된 데이터를 비접촉으로 읽어내어 대상을 식별하는 기술을 말한다.
이와 같은 RFID 기술은 무선 주파수 신호를 이용하여 물품에 부착된 태그로부터 물품의 정보 및 주변 환경을 인식하여 각 물품의 정보를 수집, 저장, 가공 및 추적할 수 있게 함으로써, 물품에 대한 측위, 원격처리, 관리 및 물품 간 정보 교환 등 다양한 서비스의 제공을 가능하게 하고 있다.
현재 사용되는 초고주파(UHF) 대역(300MHz ~ 3GHz)의 RFID 시스템은 유효 인식거리 5m 이상의 원거리에서도 태그인식이 가능하고, 또한 50cm 미만의 근거리에서도 HF 대역에 비하여 매우 높은 인식속도와 인식률을 갖는 장점이 있다.
이와 같은 UHF 대역의 RFID 시스템에서 원거리장(Farfield)은 먼 거리에 있는 태그를 오류 없이 읽을 수 있는 특성이 중요하지만 근거리장 응용에서는 근거리에 있는 태그를 빠짐없이 읽는 특성이 매우 중요하다.
UHF 대역의 RFID 시스템에서 근접장(Nearfield)은 주로 자기장으로 형성되며 커플링에 의해 동작되므로, 물 또는 금속체 등 높은 유전율을 갖는 물질에 의한 영향이 거의 미치지 않기 때문에 RFID 리더기의 태그 인식률이 높고 또한 인식속도가 빠르다는 장점이 있다.
이러한 근접장을 이용한 RFID 근접장 안테나는 방사가 없는 스트립 라인 형태의 전송선로를 이용하며, 전송선로와 태그간의 자기장의 결합을 이용하여 태그를 인식한다. 그러나, 전송선로의 길이가 길어지면 주기적으로 자기장의 세기가 변화하여 태그를 인식하지 못하는 음영지역이 발생할 수 있다. 도 1은 종래의 두 전송선로로 구성된 RFID 근접장 안테나의 자기장(H-Field)세기에 대한 시뮬레이션 상태도이다. 도 1의 시뮬레이션에 사용된 RFID 안테나는 총 길이 50cm의 마이크로스트립 커플 전송선로(Microstrip Coupled Transmission Line)를 적용하고 있다. 여기서, 전송선로의 두께는 18mm, 간격은 10mm 이며 기판은 FR-4 0.8mm 이고, 그라운드(ground) 층은 FR4 기판의 100mm 아래에 위치한다. 그리고, 두 전송선로의 차동 임피던스(Differential impedance)는 100Ω으로 설계되었다.
이러한 조건에서 자기장(H-Field)의 세기를 시뮬레이션 하면, 도 1에 도시된 바와 같이 자기장(H-Field)의 세기가 λ/4의 주기로 크기가 변화한다. 따라서, RFID 근접장 안테나의 자기장(H-Field)가 작아지는 구간에서는 자기장의 결합이 약해서 태그를 인식하지 못하는 음영지역이 발생할 확률이 증가하는 문제점이 있다.
한국특허출원 제2008-0007081호 : 인식 오류를 방지하는 RFID 시스템 및 그 통신 방법
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 근접장 안테나의 종단의 반사조건을 동적으로 제어하여 근접장의 음영영역이 이동하도록 함으로써 근접장 안테나에서 발생하는 음영지역을 제거할 수 있도록 한 RFID 근접장 안테나 시스템을 제공하는데 그 기술적 과제가 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, RFID 리더기로부터 입력되는 신호를 공급하는 신호 공급부; 상기 신호 공급부로부터 상기 신호를 입력받아 근접장을 형성하는 안테나부; 및 상기 안테나부에 연결되어 상기 안테나부에 입력된 신호의 반사조건을 변화시키는 가변 반사포트를 포함하는 RFID 근접장 안테나 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 안테나부는, 제1전송선로와 제2전송선로를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 가변 반사포트는, 외부로부터 입력되는 위상제어 전압의 크기에 따라 상기 안테나부에 입력된 신호의 위상의 크기가 제어되도록 상기 반사조건을 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 가변 반사포트는, 상기 위상제어 전압의 크기에 따라 상기 안테나부에 입력된 신호의 위상의 크기를 제어하는 위상 천이기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가변 반사포트는, 상기 위상제어 전압의 전압 크기를 조절하는 바렉터 다이오드; 및 상기 안테나부의 종단에 연결되며, 상기 바렉터 다이오드로부터 입력되는 상기 위상제어 전압의 크기에 따라 커패시턴스가 변화하는 위상제어 커패시터를 포함할 수 있다.
한편, 상기 신호 공급부의 송신부와 접속된 제1포트, 상기 제1전송선로와 접속된 제2포트, 상기 제2전송선로와 접속된 제3포트 및 상기 신호 공급부의 수신부와 접속된 제4포트를 포함하는 링 하이브리드(Ring-Hybrid)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 RFID 근접장 안테나 시스템은 근접장 안테나의 종단의 반사조건을 동적으로 제어하여 근접장의 음영영역이 이동하도록 함으로써 근접장 안테나에서 발생하는 음영지역을 제거하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 RFID 근접장 안테나의 자기장 패턴 시뮬레이션 상태도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템의 제어블럭도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템의 제어블럭도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템의 제어블럭도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 근접장 안테나의 자기장 패턴 시뮬레이션 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있으며, 이하에서 "상" 또는 "위"라는 용어는 어떤 층 위에 직접 접촉되어 배치된 경우뿐만 아니라 접촉되지 않고 떨어져 위에 배치되는 경우, 다른 층을 사이에 두고 위에 배치되는 경우 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템의 제어블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, RFID 근접장 안테나 시스템은, 안테나에 입력신호를 공급하는 신호 공급부(10)와, 신호 공급부(10)로부터 신호를 입력받아 근접장을 형성하는 안테나부(30) 및 안테나부(30)에 입력된 신호의 반사조건을 변화시키는 가변 반사포트(40)를 포함한다.신호 공급부(10) RFID 리더기로부터 입력되는 신호를 안테나부(30)에 공급한다.
안테나부(30)는 신호 공급부(10)로부터 신호를 입력받아 통전되며, 이에, 안테나부(30)에는 자기장(H-Field)이 여기되어 근접장 안테나의 기능을 수행할 수 있다. 이러한 안테나부(30)는 마이크로스트립 선로, 코플레너스트립 선로, 패치 등, 송수신하고자 하는 주파수 대역의 신호에 적용할 수 있는 모든 종류의 패턴을 포함할 수 있다.
가변 반사포트(40)는 안테나부(30)와 연결되어 안테나부(30)에 입력된 신호의 반사조건을 변화시킨다. 가변 반사포트(40)에 의해 반사조건이 변화하면 안테나부(30)에 입력된 신호의 위상이 변화하게 된다. 이에, 안테나부(30)의 근접장에 존재하는 음영지역이 변화된 위상에 따라 이동하게 되므로 근접장 안테나의 음영지역이 제거되는 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 가변 반사포트(40)의 반사조건을 변화시키는 방법으로는 인덕터, 커패시터와 같은 집중소자(lumped element)를 이용하는 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 RFID 근접장 안테나에서 자기장(H-Field)의 크기가 작아지는 음영지역을 제거하기 위해, 안테나부(30)의 종단에 반사조건을 변화시키는 가변포트(40)를 추가하여 안테나부(30)에 입력되는 신호의 위상을 변화시키고 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템의 제어블럭도로서, 두 개의 전송선로를 이용하여 RFID 근접장 안테나를 구성한 경우를 예시한 것이다..
도 3에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템은 신호 공급부(10)인 RFID 리더(100)와, RFID 리더(100)에서 출력된 신호를 상호 위상 차이를 갖는 제1신호와 제2신호로 분배하고 수신된 태그신호를 RFID 리더(100)로 입력하는 신호 분배부(200), 신호 분배부(200)에 의해 분배된 제1신호와 제2신호를 공급받는 제1전송선로(300) 및 제2전송선로(310)와, 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)의 종단에 연결되어 상기 제1신호와 제2신호의 위상을 변화시키는 위상 천이부(400)와, 위상 천이부(400)에 위상 제어신호를 공급하는 위상 제어부(500)를 포함한다.
RFID 리더(100)는 RFID 리더신호를 송신하는 송신부(Tx)(110)와 안테나에 수신된 RFID 태그 신호를 수신하는 수신부(Rx)(120)를 포함한다.
신호 분배부(200)는 발룬(Balun)(210)과 전력 결합기(power combiner)(220)를 포함하는 합차 하이브리드(Sum-difference Hybrid)의 형태로 구성된다. 발룬(210)은 송신부(Tx)(110)에서 출력된 RFID 리더신호를 동일한 진폭의 두 신호로 분리하고, 파워 컴바이너(220)는 수신된 신호를 증폭 출력하여 수신부(Rx)(120)로 입력한다. 발룬(210)은 트랜시버와 전력증폭기 사이의 변환기호 흔히 사용되는 수동 소자로서, Balance 신호를 Unbalance 신호로, Unbalance 신호를 Balance 신호로 출력한다. 신호 분배부(200)의 발룬(210)은 송신부(Tx)(110)에서 출력된 RFID 리더신호를 동일한 진폭에 각각 A 위상과 B 위상을 갖는 제1신호와 제2신호로 분배한다.
제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)는 신호 분배부(200)에서 출력된 제1신호와 제2신호를 각각 입력받는 마이크로스트립 커플 전송선로(Microstrip Coupled Transmission Line)의 형태로 구현될 수 있다. 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)는 UHF 대역의 신호를 수신하기 위해 50cm의 길이로 설계될 수 있다.
위상 천이부(400)는 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)의 종단에 각각 접속되어 제1신호와 제2신호에 전기적으로 위상(Phase) 차이를 발생시킨다. 위상 천이부(400)는 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)의 종단에 각각 접속되어 신호의 위상을 천이하는 제1 위상 천이기(410) 및 제2 위상 천이기(420)를 포함한다. 위상 천이기(410, 420)는 예컨대, 인덕터, 커패시터와 같은 집중소자(lumped element)를 이용하여 전기적으로 위상 차이를 발생시킬 수 있다. 이러한 위상 천이기(410, 420)는 위상 제어부(500)로부터 인가되는 전압에 따라 위상을 90°이상 변화시킬 수 있다.
이러한 구성에 따라, 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)에 의해 형성된 근접장 안테나의 전기적인 길이는 위상 천이기(410, 420)의 위상값에 따라 변화하게 되며, 결과적으로 자기장이 약하여 음영지역이 되는 부분이 이동하게 된다. 따라서 근접장 RFID 사용시 음영지역이 되는 부분이 이동하게 되므로 음영지역이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템의 제어블럭도로서, 제2실시예에 따른 RFID 근접장 안테나 시스템에서 신호 분배부(200)의 구성을 링 하이브리드(ring hybrid)로 대체한 경우 그 구성을 예시한 것이다.
본 발명의 제3실시예는 신호 분배부(200)에 링 하이브리드(Ring-Hybrid)를 적용하여 합차 하이브리드(Sum-difference Hybrid)를 구현한 경우를 예시하고 있다.
링 하이브리드는 안테나 급전 회로에 사용되는 마이크로웨이브 소자로서 동일 진폭에 위상 차를 갖는 신호를 출력할 수 있다. 본 실시예에서 링 하이브리드는 RFID 리더(100)의 송신부(Tx)(110)와 접속된 제1포트(251), 제1전송선로(300)와 접속된 제2포트(257), 제2전송선로(310)와 접속된 제3포트(253) 및 RFID 리더(100)의 수신부(Rx)(120)와 접속된 제4포트(255)를 포함할 수 있다.
링 하이브리드는 제1포트(251)로 입력된 신호를 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)에 공급한다. 링 하이브리드는 신호가 입력되는 제1포트(251)를 기준으로 링(250) 상에서의 위치에 따라 각기 다른 위상의 신호가 출력된다. 이러한 합차 하이브리드 형태의 안테나 전치단은 방향성 커플러(Directional Coupler)를 사용할 때 보다 향상된 수신 감도를 얻을 수 있다.
본 발명의 제3실시예는 근접장 안테나의 종단에 반사형 위상 천이기(430, 440)를 적용한다. 반사형 위상 천이기(430, 440)는 신호 반사단자의 커패시턴스의 값에 따라 위상이 변한다. 이에, 위상 제어부(500)로부터 위상 제어전압을 입력받아 커패시턴스가 변화하는 바렉터 다이오드(432, 434)를 이용하여 반사형 위상 천이기(430, 440)를 구성할 수 있다.
이러한 구성에 따라, 제1전송선로(300)의 종단에는 제1반사형 위상 천이기(430)가 연결되고 제2전송선로(310)의 종단에는 제2반사형 위상 천이기(440)가 각각 연결되며, 각각의 반사형 위상 천이기(430, 440)는 커패시턴스 값을 조절하여 제1전송선로(300)와 제2전송선로(310)에 여기된 근접장 안테나의 위상을 변화시킨다.
50cm의 길이 마이크로스트립 커플 전송선로에서 위상 제어전압이 0~5V 사이의 삼각파형으로 공급될 때, 위상은 약 120°변하며, 신호의 감쇄는 약 1dB 정도이다. 즉 0~5V로 입력 전압이 변하면 전체 전송선로의 특성이 λ/4 이상 바뀌게 되므로, 자기장(H-Field)이 강해지는 지점과 약해지는 지점이 변하게 된다. 이에, 1Hz 간격으로 근접장 안테나의 자기장(H-Field)의 세기가 주기적으로 바뀌게 되므로 결과적으로 음영지역이 사라지게 된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 근접장 안테나의 자기장 패턴 시뮬레이션 상태도로서, 자기장(H-Field)을 결합 선로 사이의 중간에서 수직으로 본 모양이다.
본 발명의 시뮬레이션에 사용된 RFID 근접장 안테나는 총 길이 50cm의 마이크로스트립 커플 전송선로(Microstrip Coupled Transmission Line)를 적용하고 있다. 여기서, 전송선로의 두께는 18mm, 간격은 10mm 이며 기판은 FR-4 0.8mm 이고, 그라운드(ground) 층은 FR4 기판의 100mm 아래에 위치한다. 그리고, 두 전송선로의 차동 임피던스(Differential impedance)는 100Ω으로 설계되었다.
이러한 조건에서 자기장(H-Field)의 세기를 시뮬레이션 하면 자기장(H-Field)의 세기가 λ/4의 주기로 크기가 변화한다. 여기서, 종단이 오픈(open)인 경우 λ/4의 위상 변화가 있으면 종단이 단락으로 보이게 되고, 위상 천이기(430, 440)를 이용하여 주기적으로 종단의 위상을 변화시키면 음영지역이 이동하여 근접장 안테나의 모든 면이 주기적으로 자기장(H-Field)의 세기가 강화되는 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 근접장용 안테나를 50cm길이의 결합 마이크로스트립 전송선로로 구성하고, 전송선로의 종단에 반사조건을 동적으로 제어하기 위해 위상 천이부(400)를 추가하여 안테나에 입력되는 신호의 위상을 90°이상 변화시킬 수 있다. 이에, 근접장 안테나의 전기적인 길이는 위상 천이부(400)의 위상값에 따라 변화하게 되며, 결과적으로 자기장이 약하여 음역지역이 되는 부분이 이동하게 된다. 따라서 근접장 RFID 사용시 음영지역이 되는 부분이 이동하게 되므로 음영지역이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 근접장용 안테나의 음영지역을 이동시켜, 실제 RFID 리더(100)의 동작 시 근접장용 안테나에서의 음영지역이 사라지도록 한 것이다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 근접장 안테나의 종단의 반사조건을 동적으로 제어하여 근접장의 음영영역이 이동하도록 함으로써 근접장 안테나에서 발생하는 음영지역을 제거할 수 있도록 한 RFID 근접장 안테나 시스템에 적용할 수 있다.
10 : 신호 공급부 30 : 안테나부
40 : 가변 반사포트 100 : RFID 리더
110 : 송신부(Tx) 120 : 수신부(Rx)
200 : 신호 분배부 210 : 발룬(Balun)
220 : 전력 결합기 251 : 제1포트
257 : 제2포트 253 : 제3포트
255 : 제4포트 300 : 제1전송선로
310 : 제2전송선로 400 : 위상 천이부
410 : 제1위상천이기 420 : 제2위상천이기
430 : 제1반사형 위상 천이기 440 : 제2반사형 위상 천이기
432, 434 : 바렉터 다이오드 500 : 위상 제어부

Claims (6)

  1. RFID 리더기로부터 입력되는 신호를 공급하는 신호 공급부;
    상기 신호 공급부로부터 상기 신호를 입력받아 근접장을 형성하는 안테나부; 및
    상기 안테나부에 연결되어 상기 안테나부에 입력된 신호의 반사조건을 변화시키는 가변 반사포트를 포함하며,
    상기 가변 반사포트는,
    외부로부터 입력되는 위상제어 전압의 크기에 따라 상기 안테나부에 입력된 신호의 위상의 크기가 제어되도록 상기 반사조건을 변화시키는 것을 특징으로 하는 RFID 근접장 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나부는,
    제1전송선로와 제2전송선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 근접장 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 공급부의 송신부와 접속된 제1포트, 상기 제1전송선로와 접속된 제2포트, 상기 제2전송선로와 접속된 제3포트 및 상기 신호 공급부의 수신부와 접속된 제4포트를 포함하는 링 하이브리드(Ring-Hybrid)를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 안테나 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 반사포트는,
    상기 위상제어 전압의 크기에 따라 상기 안테나부에 입력된 신호의 위상의 크기를 제어하는 위상 천이기를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 근접장 안테나 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 반사포트는,
    상기 위상제어 전압의 전압 크기를 조절하는 바렉터 다이오드; 및
    상기 안테나부의 종단에 연결되며, 상기 바렉터 다이오드로부터 입력되는 상기 위상제어 전압의 크기에 따라 커패시턴스가 변화하는 위상제어 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 근접장 안테나 시스템.
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