KR20160149439A

KR20160149439A - 빔포밍을 이용한 rfid 신호 송/수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160149439A
Application number: KR1020150086384A
Authority: KR
Inventors: 정재영; 박찬원; 최원규
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-28
Also published as: US20160371515A1

Abstract

빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치는 RFID 리더로부터 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 수신부; 상기 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들 각각에 상응하는 스위치들을 개폐 주기를 조절하여 상기 경로들을 제어하는 제어부; 및 상기 경로들 각각 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 상기 스위치들의 개폐 주기에 기반하여 변환하여, 상기 RF 데이터 신호에 상응하는 빔의 패턴을 변환하면서, 상기 빔을 송신하는 송신부를 포함한다.

Description

빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치 및 방법{APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING RFID SIGNAL USING BEAMFORMING AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 빔포밍을 이용한 RFID 신호를 송/수신하는 장치에 관한 것으로, 특히 RFID 리더의 고출력 신호의 손실을 최소화 할 수 있는 위상 변환기를 이용하여 빔포밍을 생성하여 RFID 신호를 송/수신하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 RFID 기술은, 각 사물에 태그를 부착하고, 사물의 고유 식별자(ID)를 무선으로 인식하여, 해당 정보를 수집, 저장, 가공, 추적함으로써 사물에 대한 측위, 원격처리, 관리 및 사물간 정보교환의 서비스를 제공하는 기술이다. 이러한 기술은 기존의 바코드처럼 직접 접촉하거나 가시대역 안에서 스캐닝 할 필요가 없다. 이 같은 장점 때문에 바코드를 대체할 기술로 평가 받으며, 활용범위도 확대되고 있다.

UHF대역 900MHz RFID 시스템은 수동형(Passive) 타입이며, 데이터 전송방식은 역산란 변조를 사용한다. 여기서 역산란 변조란 리더로부터 송출된 연속파(CW: Continuous Wave)를 태그가 산란시켜 리더에게 되돌려 보낼 때, 그 산란되는 전자파의 크기를 변환시켜서 태그의 정보를 보내는 방법이다.

도 1을 참조하여 종래의 UHF대역 900MHz RFID 시스템에 대해 설명한다. 도 1은 종래의 일반적인 UHF대역 900MHz RFID 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, UHF대역 900MHz RFID 시스템은 RFID 리더 및 태그를 포함한다. RFID 리더는 리더 송신기와 리더 수신기 및 변복조 주파수 발생기를 포함한다.

리더 송신기는 디지털 형태의 리더 명령어 신호를 아날로그로 변환하는 디지털-아날로그 변환기, 저역통과필터, 아날로그로 변환된 신호를 무선 주파수 신호로 상향 변환시키는 변조기, 태그에 충분한 에너지를 공급하기 위해 이득을 올려주는 구동 증폭기, 전력 증폭기, 대역통과필터 및 송신 안테나를 포함한다. 리더 수신기는 수신 안테나, 태그로부터 수신되는 응답 신호의 잡음을 억압하는 대역통과필터, 저잡음 증폭기, 수신된 응답 신호를 기저대역 신호로 변환하는 복조기, 기저대역필터, 기저대역 증폭기 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 변복조 주파수 발생기는 변조기와 복조기에 각각 입력되는 주파수를 생성한다.

수동형 RFID 시스템의 통신규약에 따르면, 리더 송신부기 디지털부, 예컨대 모뎀으로부터 기저대역 신호를 입력 받으면, 변조신호와 연속파 신호를 번갈아 송신한다. 리더 송신기가 변조신호를 송신할 경우에, 태그는 수신만 하고 그에 대한 응답 신호를 보내지 않기 때문에 리더 수신기에 수신되는 신호는 없다. 반면에, 리더 송신기가 연속파를 송신할 경우에는 태그로부터의 응답 신호가 있기 때문에 리더 수신기는 응답신호를 수신하여 처리한다.

태그는 리더로부터의 연속파 신호 중에서 일부는 흡수하고 일부는 반사시킨다. 이와 같이 반사된 신호가 태그로부터의 응답 신호이며, 반사율에 변화를 줌으로써 태그 정보를 싣게 된다. 리더는 연속파 신호를 송신하는 동안에 수신도 동시에 하게 된다. 이러한 결과, 리더에서는 송신과 수신이 동일한 주파수를 사용하게 되는 것이다.

태그-리더 간 데이터 전송 방식을 살펴보면 무선 통신 채널을 통해 리더로부터 송신된 전자파 신호는 태그의 임피던스 부정합을 통해 동일한 주파수의 역산란신호가 되돌아온다. 이때 되돌아오는 역산란 신호는 주변 환경의 다중경로 페이딩의 영향으로 인해 신호의 크기 및 위상이 심하게 왜곡(distortion)되는 현상이 발생되며, 이로 인해 리더의 수신기에서는 태그로부터의 태그 응답 신호를 복원하기가 힘들다는 문제점이 있다. 여기서 다중경로 페이딩이란 서로 다른 경로를 따라 수신되는 전파들이 여러 물체에 의한 다중반사로 인하여 서로 상호작용을 일으켜 특정장소에서 진폭 및 위상 등이 불규칙하게 변하는 현상을 말한다.

본 발명의 목적은 RFID 리더가 송신하는 빔의 방향을 주기적으로 변경함으로써, 태그 인식률을 획기적으로 개선하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 RFID 리더가 송신하는 빔의 방향을 주기적으로 변경함으로써, 전자파 환경에 취약한 금속, 액체 등에 부착된 태그 인식률을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치에 부착되는 전원을 최소화 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 좀 더 넓은 범위에 위치하는 RFID 태그를 인식할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치는 RFID 리더로부터 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 수신부; 상기 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들 각각에 상응하는 스위치들을 개폐 주기를 조절하여 상기 경로들을 제어하는 제어부; 및 상기 경로들 각각 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 상기 스위치들의 개폐 주기에 기반하여 변환하여, 상기 RF 데이터 신호에 상응하는 빔의 패턴을 변환하면서, 상기 빔을 송신하는 송신부를 포함한다.

이 때, 상기 수신부는 상기 연속파 신호를 정류하여 직류 전력으로 변환하여 상기 전력을 수신할 수 있다.

이 때, 상기 수신부는 상기 RFID 리더로부터 수신한 구동 전원 신호를 직류 정류 회로를 이용하여 변환한 전력을 수신할 수 있다.

이 때, 상기 제어부는 구형파들에 기반하여 상기 스위치들을 제어하는 스위치 제어부; 및 상기 전력을 균등하게 상기 경로들에 분배하는 전력 분배부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 스위치 제어부는 비안정 멀티 바이브레이터들(Astable Multi Vibrator)을 이용하여 상기 구형파를 생성할 수 있다.

이 때, 상기 제어부는 상기 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 상기 구형파의 주기를 조절하고, 상기 구형파의 주기에 기반하여 상기 스위치들의 개폐 시간을 제어할 수 있다.

이 때, 상기 송신부는 상기 경로들 각각으로 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 위상 변환부; 상기 변환된 RF 데이터 신호를 합성하여 배열 안테나의 빔 패턴을 변환하는 빔 패턴 변환부; 및 상기 빔을 전송하는 전송부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 위상 변환부는 집중 소자들로 구성된 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법은 RFID 리더로부터 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 단계; 상기 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들 각각에 상응하는 스위치들의 개폐 주기를 조절하여 상기 경로들을 제어하는 단계; 및 상기 경로들 각각 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 상기 개폐 주기에 기반하여 변환하여 상기 RF 데이터 신호에 상응하는 빔의 패턴을 변환시켜 상기 빔을 전송하는 단계를 포함한다.

이 때, 상기 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 단계는 연속파 신호를 정류하여 직류 전력으로 변환한 후, 상기 전력을 수신할 수 있다.

이 때, 상기 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 단계는 상기 RFID 리더로부터 수신한 구동 전원 신호를 직류 정류 회로를 이용하여 변환한 전력을 수신할 수 있다.

이 때, 상기 경로들을 제어하는 단계는 구형파들에 기반하여 상기 스위치들을 제어하는 단계; 및 상기 전력을 균등하게 상기 경로들에 분배하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 스위치들을 제어하는 단계는 비안정 멀티 바이브레이터들(Astable Multi Vibrator)을 이용하여 상기 구형파를 생성할 수 있다.

이 때, 상기 경로들을 제어하는 단계는 상기 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 상기 구형파의 주기를 조절하고, 상기 구형파의 주기에 기반하여 상기 스위치들의 개폐 시간을 제어할 수 있다.

이 때, 상기 빔을 전송하는 단계는 상기 경로들 각각에 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 단계; 상기 변환된 RF 데이터 신호들을 합성하여 배열 안테나의 빔 패턴을 변환하는 단계; 및 상기 빔을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 위상을 변환하는 단계는 집중 소자들로 구성된 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터를 이용하여 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변환할 수 있다.

본 발명은 빔포밍을 이용한 RFID 송/수신 장치를 RFID 리더에 부착하여 빔 방향을 주기적으로 변경함으로써, 태그 인식률을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은 빔포밍을 이용한 RFID 송/수신 장치를 RFID 리더에 부착하여 빔 방향을 주기적으로 변경함으로써, 전자파 환경에 취약한 금속, 액체 등에 부착된 태그 인식률을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 전원 장치 없이 RFID 리더의 송신 전력을 이용하여 필요한 전원을 공급하여 별도의 전력이 필요없다.

또한, 본 발명은 RFID 리더의 고출력 신호에 대한 저손실 특성을 가지는 위상 변환기를 이용하여 좀 더 넓은 범위의 RFID 태그를 인식할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어부를 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전송부를 나타낸 블록도이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 전원을 정류하는 것을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 제어부가 이용하는 구형파의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 이용하는 비안정 멀티바이브레이터의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 상용 위상 변환기를 이용하였을 때 입력 신호에 대한 손실값을 그래프로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 이용하는 위상 변환기의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 배열 안테나를 구성하는 안테나들의 위상 변화에 따른 빔 패턴을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 방법을 나타낸 동작흐름도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치를 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치는 수신부(201), 제어부(202) 및 전송부(203)로 구성되어 있다.

수신부(201)은 RFID 리더로부터 전력 및 RF 데이터 신호를 수신한다.

이 때, RF 데이터 신호는 RFID 태그와의 통신 신호 또는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치의 제어 신호를 포함할 수 있다.

이 때, RFID 리더로부터 전력을 수신함에 있어, 직류 정류 회로를 이용하여RFID 리더로부터 수신한 구동 전원 신호를 직류 전원으로 변환하여 수신할 수 있다.

이 때, RFID 리더로부터 전력을 수신함에 있어, RFID 리더로부터 공급받는 연속파(Continuous Wave) 신호를 RF 정류 회로를 통해 정류하여 수신할 수도 있다. 통상 900MHz RFID 리더에서 1W의 전력을 송출할 수 있고, 1W의 전력은 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치를 구동할 수 있다.

이 때, 연속파 신호를 RF 정류 회로를 통해 전류한 전력은 직류 전력이 될 수도 있다.

제어부(202)는 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들 각각에 상응하는 스위치들을 제어하여 경로들을 제어한다.

이 때, 제어부(202)가 스위치를 제어하는 방법에는 제한이 없다. 예를 들면, 디지털 제어 소자를 이용하여 스위칭 시간을 변경할 수 있다. 또 예를 들면, 구형파들에 기반하여 스위치를 제어할 수도 있다.

이 때, 구형파를 만드는 방법에는 제한이 없다. 도 9 내지 도 10에 도시된 비안정 멀티바이브레이터를 이용하여 구형파를 생성할 수 있다. 구형파를 이용하여 스위치를 제어하는 방법에 대해서는 도 8에서 서술한다.

이 때, 제어부(202)는 수신부(201)에서 수신한 전력을 경로들 각각에 균등하게 분배할 수 있다.

이 때, 제어부(202)는 구형파의 주기에 기반하여 스위치들의 개폐 시간을 제어함으로써, 스위치들을 제어할 수 있다.

이 때, 구형파의 주기를 조절할 수도 있다. 예를 들면, 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 구형파들의 주기를 조절할 수 있다.

송신부(203)는 경로들 각각으로 전송된 RF 데이터 신호의 위상을 변환하여 RF 데이터 신호에 상응하는 빔의 패턴을 변화시켜 빔을 전송한다.

이 때, 송신부(203)는 경로들 각각으로 전송된 RF 데이터 신호의 위상을 변환하고, RF 데이터 신호들을 합성하여 배열 안테나의 빔 패턴을 변환하여, 빔을 전송할 수도 있다.

이 때, 송신부(203)가 RF 데이터 신호의 위상을 변화시키는 방법에 대해서는 제한이 없다. 예를 들면, 도 12에 도시된 집중 소자들로 구성된 위상 변환 장치를 이용하여 RF 데이터 신호들 각각의 위상을 변화시킬 수도 있다.

도 3은 도 2에 도시된 제어부(202)를 나타낸 블록도이다.

도 3을 참조하면, 제어부(202)는 스위치 제어부(301) 및 전력 분배부(302)로 구성되어 있다.

스위치 제어부(301)는 구형파에 기반하여 스위치들을 제어한다.

이 때, 스위치의 종류에는 제한이 없다. 예를 들면, N개의 경로가 존재하는 경우, SPNT(Single Pole N Throw) 스위치를 이용할 수도 있다.

이 때, 스위치 제어부(301)가 스위치를 제어하는 방법에는 제한이 없다. 예를 들면, 디지털 제어 소자를 이용하여 스위칭 시간을 변경할 수 있다. 또 예를 들면, 구형파들에 기반하여 스위치를 제어할 수도 있다.

이 때, 스위치 제어부(301)는 구형파의 주기에 기반하여 스위치들의 개폐 시간을 제어함으로써, 스위치들을 제어할 수 있다.

전력 분배부(302)는 전력을 균등하게 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들에 분배한다.

이 때, 전력을 균등하게 분배하는 것은 빔포밍을 수행함에 있어, 경로들 각각마다 다른 전력을 분배하게 되면, RF 데이터 신호들 각각이 안테나에서 출력되는 전력의 크기가 달라지게 되고, 빔포밍 수행할 때 오차가 커지기 때문이다.

이 때, 전력 분배부(302)가 전력을 균등하게 분배하는 방법에는 제한이 없다. 예를 들어, 경로가 N개인 경우, N-분기 전력 분배기를 이용하여 전력을 균등하게 분배할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 전송부를 나타낸 블록도이다.

도 4를 참조하면, 전송부(203)은 위상 변환부(401), 빔패턴 변환부(402) 및 전송부(403)로 구성되어 있다.

위상 변환부(401)는 경로들 각각으로 나뉘어 전송된 RF 데이터 신호의 위상을 변환한다.

이 때, 위상 변환부(401)이 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 방법에 대해서는 제한이 없다. 예를 들면, RF 데이터 신호가 통과하는 전송 선로의 물리적인 길이를 변환하여 위상을 변환하는 방법이 있다. 하지만, UHF 대역(900MHz)의 전파를 이용하는 RFID 신호의 경우, 파장의 길이가 약 30cm 정도로 상대적으로 긴 파장을 가지고 있어, 위상 변환부의 크기가 커지는 단점이 있다. 또 예를 들면, 아날로그 방식의 버랙터 다이오드를 이용한 위상을 변환하는 방법이 있다. 하지만, 고출력 입력 신호에 대한 손실이 큰 방법으로 상대적으로 넓은 범위에 존재하는 RFID 태그를 이용한 RFID 신호 전송 장치의 경우, 버랙터 다이오드를 이용한 위상을 변환하는 방법을 이용하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 도 13에 도시된 집중 소자를 이용한 위상 변환기를 이용하고자 한다. 집중 소자를 이용한 위상 변환기에 대한 설명은 도 13에서 서술한다.

빔 패턴 변환부(402)는 위상 변환된 RF 데이터 신호를 합성하여 배열 안테나가 전송하는 빔 패턴을 변환한다.

이 때, 배열 안테나는 다수개의 안테나들이 배열된 집합을 의미할 수 있다. 안테나의 배열된 모양에 대해나는 제한이 없다. 예를 들면, 안테나들이 일렬로 배열될 수도 있으며, 원형 모양으로 배열될 수도 있다.

이 때, 빔 패턴은 RF 데이터 신호가 합성되어 배열 안테나가 전송하는 전파의 전달 범위의 모양을 의미할 수 있다. 빔 패턴에 대한 예시는 도 13에 도시되어 있다.

전송부(403)는 빔을 전송한다.

이 때, 전송부(403)는 빔 패턴 변환부(402)에서 변환된 빔 패턴에 상응하는 빔을 전송한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치의 일실시예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치(500)는 전원부(501, 502), 통신부(503), 제어부(504), 전력 분배부(505), 스위치 제어부(506, 508), 위상 변환부(507) 및 안테나(509)로 구성되어 있다.

RFID 신호 전송 장치(500)는 RFID 리더에 내장될 수도 있고, 모듈 타입으로 제작도 될 수 있다. 모듈 타입인 경우, RFID 신호 전송 장치는 RF 케이블 또는 커넥터를 이용하여 RFID 리더와 연결될 수 있다.

전원부(501)는 RFID 리더로부터 받은 신호를 직류 정류 회로를 통해서 안정적인 전원으로 변환하여, RFID 신호 전송 장치(500)에 공급할 수 있다. 또한, RFID 리더와 RFID 태그간에 통신하는 경우, RFID 리더에서 전달하는 연속파(Continuous Wave) 신호에 직류 신호를 합성하여 전달할 수도 있다.

전원부(502)는 RFID 리더로부터 공급받는 연속파 신호를 RF 정류 회로를 통해 정류한 뒤, RFID 신호 전송 장치(500)에 공급할 수 있다.

이 때, 전원부(501) 또는 전원부(502)는 선택적으로 사용 가능하다.

통신부(503)은 RFID 리더와 RFID 신호 전송 장치(500)간의 통신하는 경우에 이용되며, 도 5에 도시되지 않았으나, 통신부(503)은 신호 송신부와 신호 수신부로 구성되어 있다.

이 때, 신호 수신부는 RFID 리더로부터 전송된 RFID 신호 전송 장치 제어 신호를 수신하고, 제어부(504)에 전달할 수 있다.

이 때, RFID 신호 전송 장치 제어 신호는 하이(High) 또는 로우(Low) 형태로 이루어진 신호일 수 있으며, RF 신호에 변조되지 않은 기저대역(Baseband) 신호의 형태로 제어부(504)에 전달될 수 있다.

이 때, 신호 송신부는 RFID 신호 전송 장치 상태 정보 신호를 RFID 리더에 전달할 수 있다.

이 때, RFID 신호 전송 장치 상태 정보는 제어 신호 수신 여부, 정상 동작 여부 또는 구동 전원 레벨 정보를 포함할 수 있다.

제어부(504)는 전원부(501, 502)로부터 전원 공급이 이루어진 뒤 정상 상태(Steady state)로 동작할 수 있다.

이 때, 제어부(504)는 통신부(503)을 통하여 수신된 RFID 리더의 명령어를 수행하는 장치로, 스위칭 제어부(506, 508)의 제어를 수행할 수 있다.

이 때, 전력 분배부(505)는 2개 이상의 경로에 동일한 전력을 분배할 수 있다.

이 때, 전력 분배부(505)가 전력을 균등하게 분배하는 방법에는 제한이 없다. 예를 들어, 경로가 N개인 경우, N-분기 전력 분배기를 이용하여 전력을 균등하게 분배할 수 있다.

스위치 제어부(506, 508)는 RF 데이터 신호가 지정된 경로를 지나도록 경로 설정을 하는 곳으로, 복수 개의 경로를 지정하기 위해 N-분기 스위치를 이용할 수 있다.

위상 변환부(507)는 전력 분배부를 통해 나오는 RF 데이터 신호에 대해서 위상을 변환하는 기능을 수행한다.

이 때, 위상 변환부(507)이 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 방법에 대해서는 제한이 없다. 예를 들면, RF 데이터 신호가 통과하는 전송 선로의 물리적인 길이를 변환하여 위상을 변환하는 방법이 있다. 하지만, UHF 대역(900MHz)의 전파를 이용하는 RFID 신호의 경우, 파장의 길이가 약 30cm 정도로 상대적으로 긴 파장을 가지고 있어, 위상 변환부의 크기가 커지는 단점이 있다. 또 예를 들면, 아날로그 방식의 버랙터 다이오드를 이용한 위상을 변환하는 방법이 있다. 하지만, 고출력 입력 신호에 대한 손실이 큰 방법으로 상대적으로 넓은 범위에 존재하는 RFID 태그를 이용한 RFID 신호 전송 장치의 경우, 버랙터 다이오드를 이용한 위상을 변환하는 방법을 이용하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 도 13에 도시된 집중 소자를 이용한 위상 변환기를 이용하고자 한다. 집중 소자를 이용한 위상 변환기에 대한 설명은 도 13에서 서술한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 특히, 도 6은 RF 데이터 신호가 4개의 경로를 통해 나누어져서 4개의 안테나로 구성된 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 하여 RF 데이터 신호를 전송하는 것을 도시하였다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치는 전원부(601), 제어부(602), 4분기 전력 분배기(603), SPNT(604, 606), 위상 변환부(605)로 구성되어 있다.

전원부(601)은 RFID 신호 전송 장치가 동작하기 위하여 필요한 전력을 얻기 위하여 RFID 리더로부터 송출되는 연속파(Continuous wave)신호를 정류하여 직류 전력으로 변환하여 사용할 수 있다.

이 때, 전원부(601)는 에너지 변환 효율을 상승시키기 위해서 도 7에 도시된 쇼트키 다이오드 및 대용량 캐패시터를 이용한 다단 전압 체배기(Voltage Multiplier) 구조를 이용하여 직류 전원으로 변환할 수 있다.

제어부(602)는 4분기 전력 분배기(603)로부터 분기된 RF 데이터 신호의 경로 설정을 수행할 수 있다.

이 때, RF 데이터 신호의 경로 설정을 위해 SPNT 스위치의 설정 값을 지정할 수도 있다.

이 때, SPNT 스위치의 설정 값을 지정하는 것은 스위치의 개폐 여부를 결정하는 것을 의미할 수 있다.

이 때, 스위치의 개폐 여부를 결정함에 있어 구형파들에 기반하여 스위치를 제어할 수 있다.

도 8을 이용하여 구형파들에 기반하여 스위치들을 제어하는 방법에 대하여 설명한다. 구형파로 생성된 제어 신호들 각각 중 큰 값을 H, 낮은 값을 L로 두고, 첫 번째 제어 신호와 두 번째 제어 신호를 순서대로 표시하면 (H,H), (H,L), (H,H), (H,L), (L,H), (L,L), (L,H), (L,L)로 총 4가지 종류의 신호가 생성될 수 있다. 도 8에 도시된 제어 신호들을 이용하면 4분기 스위치들의 개폐에 관한 신호를 제어부가 생성할 수 있다. 도 8에서는 두 가지의 제어 신호를 이용하여 4 개의 스위치를 제어하는 방법에 대하여 도시하였으나, 스위치의 개수가 꼭 4개일 필요는 없다. N개의 비안정 멀티 바이브레이터를 이용하여 생성한 N개의 제어 신호들을 이용하여 2^N개의 스위치를 제어할 수도 있음은 당업자에게 자명하다.

이 때, 구형파를 만드는 방법에는 제한이 없다. 도 9 내지 도 10에 도시된 비안정 멀티바이브레이터를 이용하여 구형파를 생성할 수 있다.

이 때, 제어부(602)는 구형파의 주기에 기반하여 스위치들의 개폐 시간을 제어함으로써, 스위치들을 제어할 수 있다.

이 때, 구형파의 주기를 조절할 수도 있다. 예를 들면, 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 구형파들의 주기를 조절할 수 있다. 구형파의 주기를 조절함으로써, 스위치들의 개폐시간을 조절할 수 있고, 빔의 패턴의 지속 시간 역시 조절할 수가 있다.

위상 변환부(605)는 배열 안테나의 위상을 조절하여, 안테나의 빔 패턴을 변환한다.

이 때, 위상 변환부(605)가 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 방법에 대해서는 제한이 없다. 예를 들면, RF 데이터 신호가 통과하는 전송 선로의 물리적인 길이를 변환하여 위상을 변환하는 방법이 있다. 하지만, UHF 대역(900MHz)의 전파를 이용하는 RFID 신호의 경우, 파장의 길이가 약 30cm 정도로 상대적으로 긴 파장을 가지고 있어, 위상 변환부의 크기가 커지는 단점이 있다. 또 예를 들면, 아날로그 방식의 버랙터 다이오드를 이용한 위상을 변환하는 방법이 있다. 하지만, 고출력 입력 신호에 대한 손실이 큰 방법으로 상대적으로 넓은 범위에 존재하는 RFID 태그를 이용한 RFID 신호 전송 장치의 경우, 버랙터 다이오드를 이용한 위상을 변환하는 방법을 이용하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 도 13에 도시된 집중 소자를 이용한 위상 변환기를 이용하고자 한다.

도 9 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 이용하는 비안정 멀티바이브레이터의 일실시예를 도시한 도면이다.

도 9는 Operational Amplifier를 이용하여 구형파를 생성하는 비안정 멀티바이브레이터를 도시한 도면이다.

도 10은 트랜지스터 두 개의 이미터를 상호 결합하여 구형파를 생성하는 비안정 멀티바이브레이터를 도시한 도면으로, 트랜지스터 두 개가 번갈아 가면서 전원이 ON/OFF 상태를 반복하여 구형파를 생성한다.

이 때, 트랜지스터의 종류에는 제한이 없다. 예를 들어, BJT(Bipolar Junction Transistor)를 이용할 수도 있으며, MOSFET을 이용할 수도 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 이용하는 위상 변환기의 일실시예를 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 이용하는 위상 변환기는 캐패시터와 인덕터로 구성된 집중 소자를 이용한 저역 통과 필터(Low Pass Filter)와 고역 통과 필터(High Pass Filter) 및 SP3T(Single Pole 3 Throws)로 구성된다.

이 때, 저역 통과 필터는 RF 데이터 신호의 위상을 지연시킬 수 있다.

이 때, 고역 통과 필터는 RF 데이터 신호의 위상을 앞서게 할 수 있다.

이 때, SP3T 스위치를 이용하여 RF 데이터 신호를 저역 통과 필터 또는 고역 통과 필터를 통과하게 하여 RF 데이터 신호의 위상을 변환할 수 있다.

이 때, 위상 변환기는 비교적 저가의 소재인 캐패시터와 인덕터를 이용하여 구성할 수 있고, 출력 신호의 손실을 측정하면 약 1dB내외의 손실을 갖게 되어, 낮은 손실을 갖게 되는 효과가 있다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 장치에서 배열 안테나를 구성하는 안테나들의 위상 변화에 따른 빔 패턴을 도시한 도면이다.

도 13은 4개의 안테나를 갖는 배열 안테나에서 4개의 안테나의 위상을 각각 변화시켰을 때 생성되는 빔의 패턴을 도시하였다.

이 때, 4개의 안테나의 위상이 동일한 경우와 순차적으로 30도 위상 차이를 나게 한 경우와 순차적으로 60도 위상 차이를 나게 한 경우를 도시하였다.

4개의 안테나의 위상이 모두 동일한 경우, 빔 패턴의 방향이 주엽 0도가 되도록 형성될 수 있다.

또한, 4개의 안테나의 위상이 30도 차이가 나게 한 경우, 빔 패턴의 방향이 주엽 6도가 되도록 형성될 수 있다.

또한, 4개의 안테나의 위상이 60도 차이가 나게 한 경우, 빔 패턴의 방향이 주엽 12도가 되도록 형성될 수 있다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 전송 방법을 나타낸 동작흐름도이다.

도 14를 참조하면, 먼저 RFID 리더로부터 전력, RF 데이터 신호를 수신한다(S1401).

또한, 스위치들을 제어하여 RF 데이터 신호가 통과하는 경로를 제어한다(S1402).

이 때, 스위치를 제어하는 방법에는 제한이 없다. 예를 들면, 디지털 제어 소자를 이용하여 스위칭 시간을 변경할 수 있다. 또 예를 들면, 구형파들에 기반하여 스위치를 제어할 수도 있다.

이 때, 구형파를 만드는 방법에는 제한이 없다. 도 9 내지 도 10에 도시된 비안정 멀티바이브레이터를 이용하여 구형파를 생성할 수 있다. 구형파를 이용하여 스위치를 제어하는 방법에 대해서는 도 8에서 서술하였다.

이 때, 구형파의 주기에 기반하여 스위치들의 개폐 시간을 제어함으로써, 스위치들을 제어할 수 있다.

이 때, 구형파의 주기를 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 조절할 수 있다.

또한, RF 데이터 신호의 위상을 변환하여 빔의 패턴을 변화시켜 빔을 전송한다(S1403).

이 때, 경로들 각각으로 전송된 RF 데이터 신호의 위상을 변환하고, RF 데이터 신호들을 합성하여 배열 안테나의 빔 패턴을 변환하여, 빔을 전송할 수도 있다.

이 때, RF 데이터 신호의 위상을 변화시키는 방법에 대해서는 제한이 없다. 예를 들면, 도 12에 도시된 집중 소자들로 구성된 위상 변환 장치를 이용하여 RF 데이터 신호들 각각의 위상을 변화시킬 수도 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100: RFID 리더
500, 600: 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.

Claims

RFID 리더로부터 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 수신부;
상기 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들 각각에 상응하는 스위치들을 개폐 주기를 조절하여 상기 경로들을 제어하는 제어부; 및
상기 경로들 각각 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 상기 스위치들의 개폐 주기에 기반하여 변환하여, 상기 RF 데이터 신호에 상응하는 빔의 패턴을 변환하면서, 상기 빔을 송신하는 송신부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수신부는
상기 연속파 신호를 정류하여 직류 전력으로 변환하여 상기 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수신부는
상기 RFID 리더로부터 수신한 구동 전원 신호를 직류 정류 회로를 이용하여 변환한 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는
구형파들에 기반하여 상기 스위치들을 제어하는 스위치 제어부; 및
상기 전력을 균등하게 상기 경로들에 분배하는 전력 분배부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 스위치 제어부는
비안정 멀티 바이브레이터들(Astable Multi Vibrator)을 이용하여 상기 구형파를 생성하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부는
상기 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 상기 구형파의 주기를 조절하고, 상기 구형파의 주기에 기반하여 상기 스위치들의 개폐 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 송신부는
상기 경로들 각각으로 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 위상 변환부;
상기 변환된 RF 데이터 신호를 합성하여 배열 안테나의 빔 패턴을 변환하는 빔 패턴 변환부; 및
상기 빔을 전송하는 전송부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 위상 변환부는
집중 소자들로 구성된 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터로 구성된 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 장치.
RFID 리더로부터 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 단계;
상기 RF 데이터 신호가 통과하는 경로들 각각에 상응하는 스위치들의 개폐 주기를 조절하여 상기 경로들을 제어하는 단계; 및
상기 경로들 각각 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변상기 개폐
주기에 기반하여 변환하여 상기 RF 데이터 신호에 상응하는 빔의 패턴을 변환시켜 상기 빔을 전송하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 단계는
연속파 신호를 정류하여 직류 전력으로 변환한 후, 상기 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 전력 및 RF 데이터 신호를 수신 받는 단계는
상기 RFID 리더로부터 수신한 구동 전원 신호를 직류 정류 회로를 이용하여 변환한 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 경로들을 제어하는 단계는
구형파들에 기반하여 상기 스위치들을 제어하는 단계; 및
상기 전력을 균등하게 상기 경로들에 분배하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 스위치들을 제어하는 단계는
비안정 멀티 바이브레이터들(Astable Multi Vibrator)을 이용하여 상기 구형파를 생성하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 경로들을 제어하는 단계는
상기 비안정 멀티 바이브레이터들 내부의 저항 및 캐패시터 용량에 기반하여 상기 구형파의 주기를 조절하고, 상기 구형파의 주기에 기반하여 상기 스위치들의 개폐 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 빔을 전송하는 단계는
상기 경로들 각각에 나뉘어 전송된 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 단계;
상기 변환된 RF 데이터 신호들을 합성하여 배열 안테나의 빔 패턴을 변환하는 단계; 및
상기 빔을 전송하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 위상을 변환하는 단계는
집중 소자들로 구성된 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터를 이용하여 상기 RF 데이터 신호의 위상을 변환하는 것을 특징으로 하는 빔포밍을 이용한 RFID 신호 송/수신 방법.