KR100684148B1 - 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는무선주파수 식별 리더 - Google Patents

디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는무선주파수 식별 리더 Download PDF

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KR100684148B1
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박경환
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Abstract

본 발명은 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더에 관한 것으로, 집중정수소자들을 이용하여 전력분배기를 구성하고 스위칭 수단을 이용하여 디지털 방식으로 상기 소자들의 값을 가변시키되, 송신 및 수신 상태에 따라 신호의 전달손실이 제어되도록 한다. 따라서 손실을 최소화할 수 있으며 집적회로 반도체 공정으로 소형화 및 저가격화가 가능하고 휴대폰과 같은 소형의 휴대용 단말에 실장이 가능해진다.
서큘레이터, 가변 인덕터, 가변 캐패시터, 스위칭 수단, RFID 리더

Description

디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별 리더 {Digital-controlled circulator and radio frequency identification reader having the same}
도 1a 및 도 1b는 종래의 무선주파수 식별(RFID) 리더를 설명하기 위한 블록도.
도 2a 및 도 2b는 종래의 서큘레이터를 설명하기 위한 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터를 설명하기 위한 회로도.
도 4a는 도 3에 도시된 가변 인덕터를 설명하기 위한 회로도.
도 4b는 도 3에 도시된 가변 저항을 설명하기 위한 회로도.
도 4c는 도 3에 도시된 가변 캐패시터를 설명하기 위한 회로도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 서큘레이터의 S-파라메터 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
도 6은 무선주파수 식별(RFID) 시스템에서 리더와 태그 사이의 링크 형성 및 데이터 교환시 시간에 따른 상태 변화도.
도 7은 본 발명의 서큘레이터를 구비한 무선주파수 식별(RFID) 리더를 설명하기 위한 블록도.
도 8은 본 발명의 서큘레이터를 구비한 무선주파수 식별(RFID) 리더의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100, 130, 503: 처리부
101, 131: 마이크로 프로세서
102, 132, 360: 메모리
103, 133: 버스라인
104, 134, 504: 모뎀
105, 135, 501: 송신부
106, 136, 502: 수신부
110, 140, 141, 340, 505: 안테나
120: 서큘레이터
201, 202, 230, 231: 마이크로 스트립 전송선로
210, 220: 매칭 네트워크
300: 서큘레이터
311, 312, 313, 314: 제 1 내지 제 4 가변 인덕터
320: 가변 저항
331, 332, 333: 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터
350: 논리 제어부
700: 리더
본 발명은 무선주파수(Radio Frequency) 송수신 시스템에 적용되는 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별(Radio Frequency Identification; RFID) 리더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휴대폰과 같은 소형의 휴대용 단말기에 실장이 가능한 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더에 관한 것이다.
일반적으로 무선주파수 식별(RFID)은 무선주파수(RF)를 이용하여 태그(tag)가 가지고 있는 정보를 독출하거나 태그에 정보를 기록하는 기술로서, 태그가 부착된 물건이나 동물, 사람 등을 식별, 추적 및 관리하는 데 이용된다. 이러한 무선주파수 식별(RFID) 시스템은 고유한 식별정보를 가지고 있으며 물건이나 사람 등에 부착되는 태그 또는 트랜스폰더(transponder), 태그가 가지고 있는 식별정보를 읽거나 태그에 정보를 쓰기 위한 리더(reader), 데이터베이스(object database), 네트워크(network) 등으로 이루어진다.
최근들어 UHF(Ultra High Frequency) 대역 무선주파수 식별(RFID) 시스템이 물류의 유통 관리 등에 활용되고 있으며, 무선주파수 식별(RFID)의 Air-interface 표준으로 Auto-ID center를 중심으로 모든 사물에 일관된 고유 코드를 부여하여 관리하는 것을 목적으로 하는 EPC(Electronic Product Code) global generation-2 규격(참고: EPC Gen-2 규격서) 및 ISO 국제 표준 규격이 제정되면서 무선주파수 식별 (RFID) 시스템의 광범위한 확산과 활용이 예상되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 무선주파수 식별(RFID) 시스템에 적용되는 무선주파수 식별(RFID) 리더를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1a를 참조하면, 마이크로 프로세서(101)와 메모리(102)로 구성된 처리부(100)로부터 태그 정보를 수신하기 위한 신호가 버스라인(103)을 통해 모뎀(104)으로 전달되고, 상기 모뎀(104)에 의해 송신부(105)로 전달된 무선주파수 신호는 안테나(110)를 통해 태그로 송신된다. 또한, 상기 안테나(110)를 통해 수신된 태그 정보는 수신부(106)로 전달되고, 상기 모뎀(104)에 의해 버스라인(103)을 통해 상기 처리부(100)로 전달된다.
상기 송신부(105)로부터 태그로 무선주파수 신호가 송신될 때 상기 송신부(105) 및 수신부(106)와 상기 안테나(110) 사이에 설치된 서큘레이터(circulator)(120)는 상기 수신부(106)를 보호하기 위해 상기 송신부(105)와 수신부(106)를 분리시킨다.
도 1b를 참조하면, 무선주파수 신호를 송신하는 안테나(140)와 수신하는 안테나(141)가 분리된 구조로서, 마이크로 프로세서(131)와 메모리(132)로 구성된 처리부(130)로부터 태그 정보를 수신하기 위한 신호가 버스라인(133)을 통해 모뎀(134)으로 전달되고, 상기 모뎀(134)에 의해 송신부(135)로 전달된 무선주파수 신호는 안테나(140)를 통해 태그로 송신된다. 또한, 안테나(141)를 통해 수신된 태그 정보는 수신부(136)로 전달되고, 상기 모뎀(134)에 의해 버스라인(133)을 통해 상기 처리부(130)로 전달된다.
상기와 같이 동작되는 페라이트(ferrite) 서큘레이터(120)는 전기적으로 우수한 성능을 가진다. 그러나 크기가 상당히 크고 일반적인 집적회로 반도체 공정으로 제작할 수 없는 자성체 물질로 구성되기 때문에 리더의 소형화, 고집적화 및 저가격화에 적합하지 않다.
또한, 상기와 같이 두 개의 안테나(140, 141)를 사용하는 구조는 UHF 대역의 시스템에 적용될 경우 안테나가 차지하는 면적이 커지기 때문에 휴대폰 등과 같은 소형 기기에 실장하기 어렵다.
그래서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 트랜지스터(Transistor)로 구성한 능동형(active) 서큘레이터와, 윌킨슨(Wilkinson) 전력분배기(power splitter)에 기초한 수동형(passive) 서큘레이터가 제안되었다.
도 2a는 트랜지스터를 이용한 종래 능동형 서큘레이터의 일 예로서, 안테나는 전력분배기의 제 1 단자(P1)에 연결되며, 태그에서 반사되어 안테나로 입사된 신호는 송신부와 연결된 제 2 단자(P2)와 수신부와 연결된 제 3 단자(P3)로 균등하게 분배된다. 이 때 상기 제 2 단자(P2) 및 제 3 단자(P3)에는 매칭 네트워크(210 및 220)가 각각 연결되고, 상기 매칭 네트워크(210 및 22)와 상기 제 1 단자(P1) 사이에는 트랜지스터(T1 및 T2)가 각각 연결된다. 상기 트랜지스터(T1)의 드레인은 마이크로 스트립 전송선로(microstrip transmission line)(201)를 통해 상기 제 1 단자(P1)에 연결되고, 상기 트랜지스터(T1)의 소오스는 마이크로 스트립 전송선로(202)를 통해 상기 트랜지스터(T2)의 게이트에 연결되며, 상기 트랜지스터(T2)의 게이트는 마이크로 스트립 전송선로(203)를 통해 접지와 연결된다.
도 2b는 윌킨슨 전력분배기에 기초한 종래 수동형 서큘레이터의 일 예로서, 윌킨슨 전력분배기의 원리에 기초하여 마이크로 스트립 전송선로로 구성된 쿼시 서큘레이터(quasi- circulator) 구조이다.
안테나는 전력분배기의 제 1 단자(P1)에 연결되며, 태그에서 반사되어 안테나로 입사된 신호는 송신부와 연결된 제 2 단자(P2)와 수신부와 연결된 제 3 단자(P3)로 균등하게 분배되어 전송된다. 이 때 상기 제 1 단자(P1)와 제 2 단자(P2) 사이에는 마이크로 스트립 전송선로(230)가 연결되고, 상기 제 1 단자(P1)와 제 3 단자(P3) 사이에는 마이크로 스트립 전송선로(231)가 연결된다.
상기와 같이 전자 소자만으로 구성되는 서큘레이터는 MMIC(Monolithic Microwave Integrate Circuit) 또는 고주파 집적회로(RFIC) 형태로 집적이 용이하다. 그러나 트랜지스터를 이용한 서큘레이터는 트랜지스터(T1 및 T2)에서 발생하는 잡음으로 인해 수신부의 감도(sensitivity) 특성이 열화되고, 비선형성(non-linearity) 특성에 의해 송신부에서 20dBm 이상의 높은 출력 신호를 왜곡이 없이 처리하기 어렵다. 일반적으로 능동형 서큘레이터를 사용하면 손실이 없는 전력 전송이 가능하지만, 잡음지수(Noise Figure; NF)가 매우 높아 수동형 서큘레이터에 비해 특성이 나쁜 것으로 알려져 있다(G. Carchon and B. Nauwelaers, IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., Vol. 48, No. 2, pp. 316-319, 2000 참조).
한편, 윌킨슨 전력분배기에 기초한 수동형 서큘레이터는 전기적 특성이 등가 인덕터 및 캐패시터 값에 의해 고정될 수 있다. 그러나 안테나로 입사된 신호가 송신부와 수신부로 균등하게 분배되기 때문에 3dB의 삽입손실(Insertion loss)이 발 생된다. 따라서 삽입손실에 의해 잡음지수(NF)가 증가되어 수신감도가 열화되고, 비트 오류율(Bit Error Rate; BER)이 증가하여 매우 낮은 비트 오류율(BER)을 요구하는 무선주파수 식별(RFID) 시스템에는 적용이 어렵다.
본 발명의 목적은 무선주파수 신호의 송신 및 수신시 손실이 적으며 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 집적회로 반도체 공정을 이용하여 소형화 및 저가격화가 가능하며 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터는 제 1 단자 및 제 2 단자 사이에 직렬 연결된 제 1 및 제 2 가변 인덕터, 상기 제 1 단자 및 제 3 단자 사이에 직렬 연결된 제 3 및 제 4 가변 인덕터, 상기 제 1 및 제 2 가변 인덕터의 접속점인 제 1 노드 및 상기 제 3 및 제 4 가변 인덕터의 접속점인 제 2 노드 사이에 접속된 가변 저항, 상기 제 1 단자, 상기 제 1 노드 및 제 2 노드와 접지 사이에 각각 접속된 제 1, 제 2 및 제 3 가변 캐패시터, 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터, 상기 가변 저항 및 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터 각각의 값을 가변시키기 위한 제어 값들을 제공하는 논리 제어부, 상기 제어 값들이 저장된 메모리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 서큘레이터를 구비하는 무선 주파수 식별 리더는 상기 서큘레이터의 상기 제 1 단자에 연결된 안테나, 상기 서큘레이터의 상기 제 2 단자에 연결되며 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 상기 안테나를 통해 송신하는 송신부, 상기 서큘레이터의 상기 제 3 단자에 연결되며 상기 안테나를 통해 태그 정보를 수신하는 수신부, 상기 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 생성하고, 상기 수신된 태그 정보를 처리하며, 상기 서큘레이터의 논리 제어부와 연결된 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터는 입력단에 직렬 접속된 다수의 인턱터, 상기 다수의 인덕터 및 출력단 사이에 병렬 접속되며, 상기 논리 제어부로부터 제공되는 제어 값들에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가변 저항은 입력단 및 출력단 사이에 직렬 접속된 다수의 저항, 상기 다수의 저항 및 출력단 사이에 병렬 접속되며, 상기 논리 제어부로부터 제공되는 제어 값들에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터는 입력단에 병렬 접속된 다수의 캐패시터, 상기 다수의 캐패시터 및 접지 사이에 직렬 접속되며, 상기 논리 제어부로부터 제공되는 제어 값들에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 리더가 송신 상태이면 상기 제 2 단자(P2)에서 상기 제 1 단자(P1)로의 전달손실이 상기 제 1 단자(P1)에서 제 3 단자(P3)로의 전달손실보다 작고, 상기 리더가 수신 상태이면 상기 제 1 단자(P1)에서 상기 제 3 단자(P3)로의 전달손실이 상기 제 1 단자(P1)에서 상기 제 2 단자(P2)로의 전달손실보다 작게 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터, 상기 가변 저항 및 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터의 값들이 세팅되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터를 설명하기 위한 회로도이다.
본 발명의 서큘레이터(300)는 안테나에 연결되는 제 1 단자(P1), 송신기에 연결되는 제 2 단자(P2) 및 수신기에 연결되는 제 3 단자(P3)를 구비한다. 상기 제 1 단자(P1) 및 제 2 단자(P2) 사이에는 제 1 및 제 2 가변 인덕터(311 및 312)가 직렬 연결되고, 상기 제 1 단자(P1) 및 제 3 단자(P3) 사이에는 제 3 및 제 4 가변 인덕터(313 및 314)가 직렬 연결된다. 상기 제 1 및 제 2 가변 인덕터(311 및 312)의 접속점인 노드(N1) 및 상기 제 3 및 제 4 가변 인덕터(313 및 314)의 접속점인 노드(N2) 사이에는 가변 저항(320)이 연결되고, 상기 제 1 단자(P1), 상기 노드(N1) 및 노드(N2)와 접지 사이에는 제 1, 제 2 및 제 3 가변 캐패시터(331, 332 및 333)가 각각 연결된다.
상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314), 상기 가변 저항(320) 및 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333) 각각의 값들은 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S1 내지 S8)에 의해 가변된다. 상기 각각의 값들은 사전에 준비되어 메모리(360)에 저장된다. 예를 들어, 각 주파수 대역에서의 서큘레이터의 성능을 측정하고 여러 가지의 동작 상태에 적합한 최적의 스위치 제어 값들을 산출하여 메모리(360)에 저장한다.
상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 입력단에 직렬 접속된 다수의 인덕터(L1 내지 Nn)와, 상기 다수의 인덕터(L1 내지 Nn) 및 출력단 사이에 병렬 접속되며 상기 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S1, S2, S3, S4)에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단(SW1 내지 SWn)으로 구성된다.
상기 가변 저항(320)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 입력단 및 출력단 사이에 직렬 접속된 다수의 저항(R1 내지 Rn)과, 상기 다수의 저항(R1 내지 Rn) 및 출력단 사이에 병렬 접속되며 상기 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S8)에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단(SW11 내지 SW1n)으로 구성된다.
상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333)는 입력단에 병렬 접속된 다수의 캐패시터(C1 내지 Cn)와, 상기 다수의 캐패시터(C1 내지 Cn) 및 접지 사이에 직렬 접속되며 상기 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S5, S6, S7)에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단(SW21 내지 SW2n)으로 구성된다.
본 발명의 서큘레이터(300)를 구성할 때 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터 (311 내지 314)의 인덕터(L1 내지 Ln), 상기 가변 저항(320)의 저항(R1 내지 Rn) 및 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333)의 캐패시터(C1 내지 Cn) 값들은 다음과 같이 결정될 수 있다.
먼저, 윌킨슨 전력분배기를 설계하고, 전력분배기의 λ/4 전송선로를 특정 주파수 대역에서의 인덕터, 저항 및 캐패시터로 구성된 등가회로로 대체한다. 제 1 단자(P1)에서 제 2 단자(P2)와 제 3 단자(P3)로 전력이 균등하게 분배되는 윌킨슨 커플러(Wilkinson coupler) 구조에서 동작 주파수 f0, 특성 임피던스 Z0인 전송선로에 대해 파이 등가회로의 병렬 캐패시터 및 직렬 인덕터 값은 하기의 수학식 1 및 2와 같이 주어진다.
Figure 112005063314411-pat00001
여기서, Cp2는 제 2 가변 캐패시터(332)의 캐패시터 값이고, Cp3는 제 3 가변 캐패시터(333)의 캐패시터 값이다.
Figure 112005063314411-pat00002
여기서, Ls1은 제 1 가변 인덕터(311)의 인덕터 값이고, Ls3는 제 3 가변 인덕터(313)의 인덕터 값이다.
상기한 값을 중심으로 인덕터 값과 캐패시터 값을 조절하여 제 2 단자(P2)와 제 3 단자(P3)가 비대칭적인 전력(unequal power splitter) 특성을 갖도록 한다. 상기 제 2 단자(P2)와 제 3 단자(P3) 사이의 전력분배비(power split ratio)(K)는 하기의 수학식 3과 같이 정의된다.
Figure 112005063314411-pat00003
여기서, S31 및 S21은 각각 제 1 내지 제 3 단자(P1 내지 P3) S 파라메터 중 제 1 단자(P1)에서 제 3 단자(P3)로의 전송계수(transmission coefficient) 및 제 1 단자(P1)에서 제 2 단자(P2)로의 전송계수를 나타낸다. 비대칭 전력분배기를 집중정수소자(L, R, C)의 등가회로로 변환하려면 제 1 가변 인덕터(311)의 인덕터 값(Ls1), 제 3 가변 인덕터(313)의 인덕터 값(Ls3) 외에 제 2 가변 인덕터(312)의 인덕터 값(Ls2)과 제 4 가변 인덕터(314)의 인덕터 값(Ls4)이 추가로 필요하다. 전력분배비(K)가 0보다 큰 경우 제 3 단자(P3)와 연결된 수신부와 안테나 사이의 전송계수가 증가하여 수신 경로에 대한 서큘레이터(300)의 삽입손실과 잡음지수를 낮출 수 있다. 그러나 이 경우 송신 경로에 대해서는 손실이 증가하므로 신호를 수신하는 시간 구간에만 전력분배비(K) > 0이 되도록 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314) 값들과 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333) 값들을 선택하고, 이외에는 전력분배비(K) < 0 상태를 유지하여 송신부의 손실을 더 낮추어야 한다.
상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314) 값들과 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333) 값들은 인덕터 배열(L1 내지 Ln) 및 캐패시터 배열(C1 내지 Cn)과 스위치 배열(SW1 내지 SWn 및 SW21 내지 SW2n)의 상태에 의해 결정된다. 일 예로서, 캐패시터 배열(C1 내지 Cn)을 구성하는 단위 캐패시터(C1 내지 Cn)는 100fF, 200fF, 400fF, 800fF, 1.6pF, ... 와 같은 방식으로 기본 값 즉, 첫번째 배열의 캐패시터(C1)에 대해 나머지 배열의 캐패시터(C2 내지 Cn)가 2의 지수 값을 가지도록 배열하고, 이들의 조합으로 임의의 캐패시터 값을 만들 수 있다. 인덕터 배열(L1 내지 Ln)을 구성하는 인덕터(L1 내지 Ln)도 이들의 조합으로 임의의 인덕터 값을 만들 수 있다. 실제 MMIC 또는 RFIC 형태로 구현할 경우 인덕터의 크기가 다른 소자에 비해 상대적으로 매우 크기 때문에 고정된 값을 갖는 두 개의 송신용 인덕터와 수신용 인덕터로 구성할 수 있다.
본 발명에 따라 MMIC 형태의 원 칩(on-chip) 서큘레이터를 구현할 경우 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)의 성능 확보는 매우 중요하다. 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)은 집적도를 높일 수 있는 MOS 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)나 다이오드(diode)를 이용하거나, 또는 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 소자를 이용하여 구현할 수 있다. 트랜지스터를 이용하면 SoC(System-on-Chip)로 집적하기 유리하나, UHF 대역에서 잡음지수, 삽입손실, 선형성 등의 고주파(RF) 특성이 낮아질 수 있다.
일 예로서, MEMS 소자를 이용하여 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 구현하면 성능은 우수하지만 크기가 커진다. 그러므로 스위치의 수를 가능한 줄이는 것이 바람직하다. 따라서 캐패시터 배열(C1 내지 Cn)은 송신 상태에서의 캐패시터 값(Cpt)과 수신 상태에서의 캐패시터 값(Cpr)을 중심으로 공정변수(process variation)를 보상하기 위한 소수의 캐패시터를 포함하여 4 내지 6개 정도로 구성하는 것이 바람직하다.
다른 예로서, PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 다이오드를 이용하여 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 구성할 수 있다. 스위치가 많을 경우 스위치의 기생 캐패시터 값의 증가로 인해 고주파(RF) 성능이 저하될 수 있다. 그러므로 전술한 바와 같이 송신 상태에서의 캐패시터 값(Cpt)과 수신 상태에서의 캐패시터 값(Cpr)을 중심으로 공정변수 및 온도에 따른 특성 변화를 보정할 수 있는 2 내지 3개 정도의 보상(Compensation) 캐패시터를 포함하도록 하여 스위치의 수를 최소화시키는 것이 바람직하다.
이상적인 서큘레이터는 신호의 전달이 제 2 단자(P2) → 제 1 단자(P1) → 제 3 단자(P3)의 방향으로만 이루어지며, 역방향으로의 신호 전달은 이루어지지 않는다. 그러나 본 발명의 서큘레이터는 신호의 전달 과정에서 발생되는 손실이 최소화되도록 설계하면 역방향으로의 신호 전달도 가능해진다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 서큘레이터의 성능을 나타내는 S 파라메터 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프로서, 전력분배비(K)가 -3dB 즉, 제 2 단자(P2)의 출력 전력이 제 3 단자(P3)보다 2배 높게 설계된 서큘레이터의 경우이다.
제 2 단자(P2)와 연결된 송신부로부터 안테나로 출력되는 신호의 손실이 900MHz에서 약 1.8dB이고, 안테나에서 제 3 단자(P3)와 연결된 수신부로 입력되는 신호의 손실이 약 4.8dB로서, 송신 경로와 수신 경로 간에 3dB 정도의 차이가 있음을 확인할 수 있다. 본 발명의 서큘레이터를 무선주파수 식별(RFID) 시스템의 리더에 적용한 경우 리더가 송신 상태에 있을 때 즉, 리더에서 태그로 명령을 보내거나, 태그에서 리더로 정보를 보내기 전, 후의 CW(Continuous Wave) 신호를 보내는 시간 구간에 해당된다. 수동형 무선주파수 식별(RFID) 시스템에서는 태그의 구동을 위해서 리더에서 충분한 전력을 공급해야 하고, 통신 거리가 리더의 수신 감도에 의해서 보다는 태그가 리더로부터 전력을 공급받을 수 있는 거리에 의해 결정되므로 송신 경로의 손실을 낮출 필요가 있다.
본 발명에 따른 서큘레이터에서 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 제어하여 전력분배비(K)를 변화시키는 시점은 무선주파수 식별(RFID) 시스템 규격서에 규정된 타이밍 도에 의해 결정될 수 있으며, 이러한 타이밍 도의 일 예는 다음과 같다.
도 6은 무선주파수 식별(RFID) 시스템에서 리더와 태그 사이의 링크 형성 및 데이터 교환시 시간에 따른 상태 변화를 도시한 것으로, UHF 대역의 RFID 규격을 제정하고 있는 EPC Global의 Generation-2 규격서를 참조하여 리더의 링크모드(Link mode)에서의 동작 상태를 나타낸다(Specification for RFID Air Interface, EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocols for Communications at 860 MHz - 960 MHz 참조).
리더가 태그로부터 신호를 수신하는 동안에도 리더는 태그에 에너지를 공급 하기 위해 지속적으로 CW 신호를 방사해야 하며, 이 기간 동안 상기 서큘레이터의 논리 제어부(350)는 메모리(360)에 저장된 스위치 제어 값들을 이용하여 전력분배비(K)가 약 3dB가 되도록 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 상기와 같이 디지털 방식으로 제어한다.
그러면 본 발명에 따른 서큘레이터(300)를 무선주파수 식별(RFID) 시스템의 리더에 적용한 예를 도 7을 통해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터(300)를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더(700)를 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 서큘레이터(300)의 제 1 단자(P1)에는 안테나(340)가 연결되며, 제 2 단자(P2)에는 송신부(501)가 연결되고, 제 3 단자(P3)에는 수신부(502)가 연결된다. 상기 송신부(501)는 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 일정한 규격에 맞게 변조 및 증폭하여 상기 안테나(340)를 통해 태그로 송신하고, 상기 수신부(502)는 태그로부터 반사된 후 상기 안테나(340)를 통해 수신된 태그 정보를 증폭 및 필터링한다. 처리부(503)는 리더(700)의 동작을 전체적으로 제어하며 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 생성하고 수신된 태그 정보를 처리한다. 또한, 수신한 태그 정보를 휴대폰과 같은 휴대용 단말기에 실장된 모뎀(504)으로 전달하여 안테나(505)를 통해 외부의 정보처리장치(도시안됨) 등으로 전송되도록 한다.
상기 서큘레이터(300)는 상기 송신부(501)의 출력신호를 안테나(340)로 전달하고, 상기 안테나(340)를 통해 수신된 신호를 수신부(502)로 전달한다. 즉, 방향성을 갖고 신호를 전달하는 과정에서 전송계수(transmission coefficient, S21) 만 큼 신호의 크기를 증폭 또는 감쇄시킨다. 상기 서큘레이터(300)의 각 단자(P1, P2, P3) 간의 전송계수는 캐패시터 및 인덕터 배열 값에 의해 결정된다. 일 예로서, 태그에서 리더(700)로 데이터를 백스케터링(backscattering)하는 시간 동안에는 안테나(340)와 수신부(502) 사이의 전송계수를 높임으로서 수신감도를 일시적으로 높일 수 있다.
상기 논리 제어부(350)는 해당 주파수 대역에서의 리더의 동작 상태에 따라 상기 메모리(360)에 저장된 스위치 제어 값들 중 적절한 스위치 제어 값들을 가져와 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 제어함으로써 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314), 가변 저항(320) 및 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333)가 최적의 값으로 세팅되도록 한다.
예를들어, 도 4a를 참조하면, 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314)는 상기 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S1, S2, S3, S4)에 의해 각각의 스위칭 수단(SW1 내지 SWn)이 선택적으로 온(On)되도록 함으로써 직렬로 연결되는 인덕터(L1 내지 Ln)에 의해 인덕터 값이 세팅된다.
도 4b를 참조하면, 상기 가변 저항(320)은 상기 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S8)에 의해 각각의 스위칭 수단(SW11 내지 SW1n)이 선택적으로 온(On)되도록 함으로써 직렬로 연결되는 저항(R1 내지 Rn)에 의해 저항 값이 세팅된다.
또한, 도 4c를 참조하면, 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333)는 상기 논리 제어부(350)로부터 제공되는 스위치 제어 값(S5, S6, S7)에 의해 각 각의 스위칭 수단(SW21 내지 SW2n)이 선택적으로 온(On)되도록 함으로써 병렬로 연결되는 캐패시터(C1 내지 Cn)에 의해 캐패시터 값이 세팅된다.
상기와 같이 본 발명에 따라 리더(700)를 구성하면 초기화 단계에서 서큘레이터(300)의 성능을 측정하여 여러 가지 동작 상태에 적합한 스위치 배열을 위한 스위치 제어 값들을 산출하여 메모리(360)에 저장한다. 이 때 각 스위치 제어 값(S1 내지 S8)은 상기 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)에 대응되는 비트 수를 가지는 값으로서, 디지털 방식의 제어를 위해 각 비트가 0 또는 1이나 로우(Low) 또는 하이(High) 레벨의 값을 가지면 된다.
대부분의 리더(700) 동작 시간 동안에는 송신부(501)와 안테나(340) 간의 손실이 최소화될 수 있는 스위치 제어 값들을 메모리(360)로부터 가져와 서큘레이터(300)를 세팅하고, 태그에서 리더(700)로 정보가 전송되는 시간 동안에는 수신 감도를 향상시키기 위해 안테나(340)와 수신부(502) 간의 전송계수를 높일 수 있는 스위치 제어 값들을 메모리(360)로부터 가져와 서큘레이터(300)를 세팅한다.
그러면 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 서큘레이터(300)를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더(700)의 동작을 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
전원을 공급하여 리더(700)를 동작시키면(단계 S101) 처리부(503)는 서큘레이터(300)를 최적의 상태로 세팅하기 위한 튜닝 과정을 진행한다(단계 S102 내지 S104).
상기 튜닝 과정은 상기 서큘레이터(300)의 특성 변화(variation)를 보상하기 위한 과정으로서, 송신부(501)에서 수신부(502)로 전송된 신호의 누설전력(leakage power)을 측정하여 제 2 단자(P2)와 제 3 단자(P3) 간의 격리도(isolation)를 구하는 과정(단계 S102)과, 상기 격리도와 기준치(I_th)(예를 들어, 20dB)를 비교하는 과정(단계 S103)과, 상기 격리도가 기준치(I_th)보다 작은 경우 누설전력이 최소가 되도록 즉, 상기 송신부(501)와 수신부(502) 간의 격리도가 최대가 되도록 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 제어하여 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314), 가변 저항(320) 및 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333) 값들을 세팅하는 과정(단계 S103)으로 이루어진다. 즉, 상기 처리부(503)는 소정의 신호를 생성하고, 상기 신호를 상기 송신부(501)를 통해 상기 수신부(502)로 전달되도록 하며 상기 제 2 단자(P2)와 제 3 단자(P3) 간의 격리도를 측정하는 과정(단계 S102 및 S103)을 반복 실시하며, 상기 격리도가 기준치(I_th)보다 커질 때까지 상기 논리 제어부(350)가 상기 메모리(360)로부터 저장된 스위치 제어 값들을 가져와 상기 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 제어하도록 한다(단계 S104).
상기와 같은 과정을 통해 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터(311 내지 314), 가변 저항(320) 및 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터(331 내지 333) 값들이 세팅되면 상기 처리부(503)는 리더(700)의 동작 모드 및 상태를 검출한다(단계 S105).
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 리더(700)가 Select 및 Query 명령을 태그로 전송하는 구간과 CW를 방사하는 구간인 송신 상태이면 상기 논리 제어부(350)는 메모리(360)로부터 송신 상태에 해당하는 스위치 제어 값(Tx parameter)들을 가져와 상기 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 제어하고(단 계 S106), 태그로부터 백스케터링(backscattering)된 정보를 수신하는 구간인 수신 상태이면 상기 논리 제어부(350)는 메모리(360)로부터 수신 상태에 해당하는 스위치 제어 값(Rx parameter)들을 가져와 상기 스위치 배열(SW1 내지 SWn, SW11 내지 SW1n, SW21 내지 SW2n)을 제어한다(단계 S108). 즉, 송신 상태이면 제 2 단자(P2)에서 제 1 단자(P1)로의 신호의 전달손실은 작고, 제 1 단자(P1)에서 제 3 단자(P3)로의 신호의 전달손실은 크게 서큘레이터(300)를 세팅하고, 수신 상태이면 제 1 단자(P1)에서 제 3 단자(P3)로의 신호의 전달손실은 작고, 제 1 단자(P1)에서 제 2 단자(P2)로의 신호의 전달손실은 크게 서큘레이터(300)를 세팅한다.
상기 리더(700)와 태그 간의 명령어 및 정보 송신(단계 S107) 또는 수신(단계 S109) 과정이 완료되었는 지를 판단하여(단계 S110), 정보 송신 또는 수신이 완료되었으면 전원 소모가 최소화되도록 리더(700)를 대기 상태로 유지시키거나 동작을 중지시키고(단계 S111), 정보 교환이 완료되지 않았으면 리더(700)의 동작 모드 및 상태를 검출하는 상기 과정(단계 S105)으로 진행한다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 서큘레이터는 인덕터, 저항 및 캐패시터 등과 같은 집중정수소자들로 구성되기 때문에 MMIC 또는 고주파 집적회로(RFIC) 형태로 고집적화가 용이하고 제조 비용이 낮다. 또한, 본 발명의 서큘레이터를 구비하는 리더는 제작 과정이나 운용 중에 발생하는 소자의 특성 변화를 디지털 방식으로 쉽게 보정할 수 있기 때문에 모듈의 양산 비용을 크게 낮출 수 있다. 따라서 본 발명의 서큘레이터 및 그를 구비하는 무선주파수 식별(RFID) 리더는 기존의 반도체 공정으로 디지털 회로 및 마이크로프로세서 등과 통합된 SoC(System-on-Chip) 구현이 용이하므로 휴대폰, PDA 등과 같은 소형의 휴대 단말기에 실장이 적합하다.

Claims (9)

  1. 제 1 단자 및 제 2 단자 사이에 직렬 연결된 제 1 및 제 2 가변 인덕터,
    상기 제 1 단자 및 제 3 단자 사이에 직렬 연결된 제 3 및 제 4 가변 인덕터,
    상기 제 1 및 제 2 가변 인덕터의 접속점인 제 1 노드 및 상기 제 3 및 제 4 가변 인덕터의 접속점인 제 2 노드 사이에 접속된 가변 저항,
    상기 제 1 단자, 상기 제 1 노드 및 제 2 노드와 접지 사이에 각각 접속된 제 1, 제 2 및 제 3 가변 캐패시터,
    상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터, 상기 가변 저항 및 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터 각각의 값을 가변시키기 위한 제어 값들을 제공하는 논리 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터는 입력단에 직렬 접속된 다수의 인턱터,
    상기 다수의 인덕터 및 출력단 사이에 병렬 접속되며, 상기 논리 제어부로부터 제공되는 제어 값들에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 저항은 입력단 및 출력단 사이에 직렬 접속된 다수의 저항,
    상기 다수의 저항 및 출력단 사이에 병렬 접속되며, 상기 논리 제어부로부터 제공되는 제어 값들에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터는 입력단에 병렬 접속된 다수의 캐패시터,
    상기 다수의 캐패시터 및 접지 사이에 직렬 접속되며, 상기 논리 제어부로부터 제공되는 제어 값들에 따라 각각 동작되는 다수의 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다수의 캐패시터는 첫번째 배열의 캐패시터에 대해 나머지 배열의 캐패시터들이 2의 지수 값을 가지도록 배열된 것을 특징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 스위칭 수단이 PIN 다이오드 또는 MEMS 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 값들이 저장된 메모리를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 디지털 방식으로 제어되는 서큘레이터.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 중 어느 한 항의 서큘레이터,
    상기 서큘레이터의 상기 제 1 단자에 연결된 안테나,
    상기 서큘레이터의 상기 제 2 단자에 연결되며 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 상기 안테나를 통해 송신하는 송신부,
    상기 서큘레이터의 상기 제 3 단자에 연결되며 상기 안테나를 통해 태그 정보를 수신하는 수신부,
    상기 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 생성하고, 상기 수신된 태그 정보를 처리하며, 상기 서큘레이터의 논리 제어부와 연결된 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선주파수 식별 리더.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 리더가 송신 상태이면 상기 제 2 단자(P2)에서 상기 제 1 단자(P1)로의 전달손실이 상기 제 1 단자(P1)에서 제 3 단자(P3)로의 전달손실보다 작고, 상기 리더가 수신 상태이면 상기 제 1 단자(P1)에서 상기 제 3 단자(P3)로의 전달손실이 상기 제 1 단자(P1)에서 상기 제 2 단자(P2)로의 전달손실보다 작게 상기 제 1 내지 제 4 가변 인덕터, 상기 가변 저항 및 상기 제 1 내지 제 3 가변 캐패시터의 값들이 세팅되는 것을 특징으로 하는 무선주파수 식별 리더.
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