KR100998821B1 - 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실시간 위치추적시스템에서 리더기로부터 송신되는 신호를 모든 방향에서 균일하게 수신할 수 있는 등방성 방사패턴을 가지는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치에 관한 것으로, 이를 위하여 회로기판 상에 도금 형성되어 일방향성의 방사패턴을 형성하는 제1 안테나와, 상기 회로기판 상에서 상기 제1 안테나와는 다른 위치에 도금 형성되며, 상기 제1 안테나와는 다른 방향으로 방사패턴을 형성하는 제2 안테나, 및 외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작되어 상기 제1 안테나와 제2 안테나를 교대로 연결하여 등방성의 방사패턴이 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 형성되도록 하는 스위칭수단을 구비한다.

RTLS, 태그, 내장 안테나, 다이버시티, 스위치

Description

위치추적시스템의 태그용 안테나 장치{INTERNAL ANTENNA FOR TAG OF REAL TIME LOCATION SYSTEM}

본 발명은 위치추적시스템의 태그에 관한 것으로, 특히 실시간 위치추적시스템에서 리더기로부터 송신되는 신호를 모든 방향에서 균일하게 수신할 수 있는 등방성 방사패턴을 가지는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치에 관한 것이다.

실시간 위치추적시스템(Real Time Location System; 이하 'RTLS'라 함)은 공장이나 사무실 같은 실내(Indoor)와, 야적장, 공원 및 건설현장과 같은 제한적인 범위의 실외(Outdoor)에서 특정 사물 및 사람의 위치를 찾아주거나 이를 기반으로 부가적인 기능을 제공하는 서비스를 일컫는다.

현재 일반적으로는 무선랜에 사용되는 Wi-Fi 기술을 사용하고 있지만, 향후에는 RTLS의 태그로부터 전송된 신호들을 수신하여 RTLS의 서버로 송신해 주는 RTLS의 리더기 개발 및 UWB 적용과 같은 차세대 기술의 개발이 계속 진행되고 있다.

RTLS는 위치를 추정할 때, GPS 및 LBS에서와 마찬가지로 삼각측량법(Triangulation)과, Presence 기능으로 알려져 있는 인접법(Proximity), 및 공간을 작은 셀로 나누어 개체가 존재하는 셀의 위치를 확인하여 현재 위치를 추정하는 셀(Cell) 방식을 이용한다. 이 중에서 삼각측량법에 의한 위치 추적이 가장 보편적인 위치 추정 방법이며, 삼각측량법에 의한 위치 추정은 RSSI나 TDOA 기술을 바탕으로 이루어진다.

삼각측량법은 기하학적인 방법으로 2차원 평면상에서 이동하는 개체(RTLS 태그)의 실시간 위치를 추정하는데 있어 리더기들로부터 태그에 도달한 신호의 세기(RSSI)의 정확성 및 균일성이 매우 중요한 요인이 된다.

도 1은 종래의 RTLS용 태그의 외형도를 나타낸 것이다.

종래의 개발된 태그(1)의 안테나(5)는 외장형 안테나의 형태이며, 이 안테나(5)의 방사패턴은 도 2와 같이 나타낸다. 도 2를 보면 전,후방은 비교적 등방성을 보이고 있으나, 양측면의 방사패턴은 편향(Tilt)되거나 음영지역(Null)이 발생하는 것을 볼 수 있다.

이는 RTLS의 실시간 위치를 추정하는데 있어 태그(1)의 안테나(5)가 등방성이 아닌 것에 의해 리더기로부터 태그로 수신되는 모든 방향간 신호의 세기가 일정하지 않아 위치추정에 대한 오차가 증가할 수 있다.

도 3과 같은 삼각측량법은 기하하적인 방법으로, RTLS 시스템에서는 2차원 평면상에서 이동하는 개체(태그)의 실시간 위치를 추정하는데 가장 보편적으로 사용되는 방법이다. 2차원 평면상에서 이동하는 개체의 실시간 위치를 추정하기 위해 서는 최소 3개 이상의 기준점이 필요하다.

도 3에서는 3개의 기준점으로부터 위치를 측정하기 위한 거리를 d1, d2, d3으로 표현하였다. 각 기준점으로부터 위치 측정을 위한 목표점까지의 거리는 아래 수학식 1의 피타고라스 정리에 의해 계산할 수 있다.

RSSI를 이용한 삼각측량법 수신신호세기(RSSI; Radio Signal Strength Information)를 이용하는 경우 이동 개체로부터 기준점 사이의 거리는 아래 수학식 2의 Friis 공식을 통해 구할 수 있다.

여기서, λ는 전파의 파장이고, c는 전파의 속도이고, f는 주파수이며, L은 이동 개체가 송신한 신호의 전송 손실로 나타낸다.

상기 송신한 신호의 전송 손실은 이동 개체의 신호전송세기와 기준점에서의 수신신호의 세기의 차에 의해서 구해진다.

이와 같이 RTLS는 무선랜에 사용되는 Wi-Fi 기술을 사용하여 RTLS의 태그가 RTLS의 서버로 송신해 주거나, RTLS의 태그로부터 전송된 신호들을 수신한 RTLS의 리더기가 RTLS의 서버로 송신해 주는 시스템으로 구성되어 사용자의 위치 및 사용자 정보를 제공하게 된다.

여기에서 특히 삼각측량법은 기하학적인 방법으로 2차원 평면상에서 이동하는 개체(RTLS 태그)의 실시간 위치를 추정하는데 있어 리더기들로부터 태그에 도달한 신호의 세기(RSSI)의 정확성 및 균일성이 매우 중요한 요인이 되며, 이에 안테나의 방사패턴이 등방성인지 아닌지에 따라 큰 영향을 미친다.

본 발명의 목적은 실시간 위치추적시스템에서 리더기로부터 송신되는 신호를 모든 방향에서 균일하게 수신할 수 있는 등방성(Isotropic) 방사패턴을 가지는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 태그용 안테나를 소형화 및 저가화를 위해 내장형 도금 안테나로 구현하고, 등방성을 가지는 방사패턴을 위해 스위칭소자에 의해 급전이 교차되는 다이버시티 안테나로 구현함으로써, 소형화와 위치추정의 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 일방향성의 방사패턴을 형성하는 제1 안테나; 상기 제1 안테나와는 다른 방향으로 방사패턴을 형성하는 제2 안테나; 및 외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작되어 상기 제1 안테나와 제2 안테나를 교대로 연결하여 등방성의 방사패턴이 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 형성되도록 하는 스위칭수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 제1 및 제2 안테나는 회로기판 상의 서로 다른 위치에 도금 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 안테나는 회로기판의 상단측 가장자리에 도금 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 제2 안테나는 회로기판의 좌측 가장자리에 형성되며, 상기 제1 안테나와는 서로 다른 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 안테나와 제2 안테나는 서로 대략 90°각도로 배치되는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 및 제2 안테나는 대략 'Ｆ' 또는 'Ｌ'자 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 제1 및 제2 안테나는 내장형 안테나, 모노폴 안테나, 루프 안테나, 다이폴 안테나 및 칩 안테나 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭수단은 DPDT(Double Port Double Through) 타입의 스위치인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 위치추적시스템의 태그용 안테나를 등 방성 다이버시티 방식으로 구현함에 따라 리더기로부터 송신되는 신호를 모든 방향에서 균일하게 수신할 수 있어 위치 추정의 신뢰성을 확보할 수 있고, 또한 태그용 안테나를 내장형 안테나로 구현함으로써 소형화 및 저가화가 가능하여 휴대성과 경제성 측면에서 우수한 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치를 나타낸 도면으로서, 안테나 장치(10)는 제1 안테나(11)와 제2 안테나(12), 제1 필터(13), 제2 필터(14) 및 스위칭수단(15)을 포함하여 이루어져 있다.

제1 및 제2 안테나(11, 12)는 대기 중의 전자기파와 도선 상의 전기적 신호를 상호 연동하여 변환하도록 구성되어 있다.

제1 및 제2 필터(13, 14)는 수신 및 송신되는 RF신호에 포함된 불요 주파수를 제거하고 필요한 주파수 대역의 신호만을 통과시키도록 구성되어 있다.

스위칭수단(15)은 상기 제1 및 제2 안테나(11, 12)와 제1 및 제2 필터(13, 14) 사이에 설치되어 외부에서 인가된 제어신호에 따라 스위칭 동작하여 RF신호의 전송경로를 제어하도록 구성되어 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 안테나(11, 12)와 스위칭수단(15) 사이에 고주파를 제거하고 저주파를 통과시키는 R,C 필터(R, C)가 형성되어 있다.

아울러, 상기 스위칭수단(15)의 경우 DPDT(Double Port Double Through) 타입의 스위치로서, 복수의 제어신호(Control_1, Control_2)에 따라 송/수신포트(Tx, Rx)와 제1 및 제2 안테나(11, 12) 간의 스위칭 동작을 하여 응용특성의 요구에 맞게 RF신호의 전송경로를 제어 및 연결하게 된다.

물론, 스위칭수단(15)을 DPDT 타입의 스위치가 아니라 SPDT(Single Port Double Through) 타입의 스위치를 응용 적용하는 것도 가능하다. 또한, 이러한 스위칭수단(15)을 상용 칩이 아닌 인쇄회로기판 상에 핀(Pin) 다이오드와 마이크로 스트립라인을 적용하여 구현하는 것도 가능하다.

상기 스위칭수단(15)이 복수의 제어신호에 따라 동작되는 예를 나타내면 아래 표 1과 같다.

Control_1	Control_2	Ant1-Rx	Ant1-Tx	Ant2-Tx	Ant2-Rx
1	0	On	Off	On	Off
0	1	Off	On	Off	On
1	1	Off	Off	Off	Off
0	0	Off	Off	Off	Off

상기 표 1에서 보는 바와 같이 DPDT 타입의 스위칭수단(15)은 입력된 복수의 제어신호(Control_1, Control_2)가 서로 다를 경우에 적어도 어느 하나의 전송채널(Tx, Rx)을 온시키게 되고, 입력된 복수의 제어신호(Control_1, Control_2)가 서로 동일할 경우에는 모든 전송채널(Tx, Rx)을 오프시키게 된다. 상기에서 제1 제어신호(Control_1)가 '하이'신호이고 제2 제어신호(Control_2)가 '로우'신호일 경우 제1 안테나(11)와 수신채널(Rx)이 연결되어 온되고, 제2 안테나(12)와 송신채널(Tx)이 연결되어 온된다. 한편, 상기에서 제1 제어신호(Control_1)가 '로우'신호이고 제2 제어신호(Control_2)가 '하이'신호일 경우 제1 안테나(11)와 송신채널(Tx)이 연결되어 온되고, 제2 안테나(12)와 수신채널(Rx)이 연결되어 온된다.

즉, 본 발명에 의한 태그용 안테나 장치(10)는 복수의 안테나(11, 12)를 이용한 다이버시티 방식으로 구현하였다.

상기 제1 및 제2 안테나(11, 12)는 도 5와 같은 구조로 형성되어 있는데, 도 1과 같은 종래기술과는 다르게 인쇄회로기판 상에 프린팅하여 태그 내에 내장한 것이다. 물론, 실시예에서는 제1 및 제2 안테나를 인쇄회로기판 상에 도금한 예를 나타내었으나, 모노폴 안테나, 루프 안테나, 다이폴 안테나 및 칩안테나로도 적용이 가능하다.

일반적으로 회로기판 내에 안테나의 위치를 결정할 때에는, 그라운드(회로기판의 전체 보드)의 길이에 따른 위치와, 기구와의 거리 및 위치, 노이즈 발생원과의 이격거리, 및 인체 부착시 인체로부터의 이격거리 등에 따라 본 발명과 같은 소형 내장안테나의 방사패턴 특성은 큰 영향을 받으므로 이를 고려하여야 한다.

그러므로, 본 발명에서는 도 5와 같이 제1 및 제2 안테나(11, 12)의 설계 및 성능구현 뿐만 아니라 회로기판내 장착 위치에 따른 등방성 특성을 갖도록 구현하였다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 안테나(11)는 회로기판의 최상단측 가장자리에 대략 'Ｆ'자 형태로 도금 형성되며, 제2 안테나(12)는 회로기판의 좌측 가장자리에 대략 'Ｆ'자 형태로 도금 형성된다.

상기 제1 안테나(11)와 제2 안테나(12)는 서로 다른 방향으로 형성되게 되는데, 도시된 바와 같이 대략 90°방향으로 배치되어 있다. 물론, 실시예에서 제1 및 제2 안테나(11, 12)를 상호 90°각도로 배치하였지만, 0° 내지 180°각도 범위내에서 배치하는 것도 가능하다.

상기 제1 안테나(11)의 최대 길이(L1)는 대략 23mm 내지 26mm 정도이고, 그 최대 폭(W1)은 5mm 내지 6mm 정도이다. 그리고, 제2 안테나(12)의 최대 길이(L2)는 대략 24.5mm 내지 27.5mm 정도이고, 그 최대 폭(W2)은 5mm 내지 6mm 정도이다. 상기 제2 안테나(12)의 최대 길이(L2)는 제1 안테나(11)의 최대 길이(L1)보다 대략 5% 내지 8% 정도 더 길게 형성하는 것이 바람직하다.

도 6a는 제1 안테나(11)의 방사패턴 특성을 나타낸 것이고, 도 6b는 제2 안테나(12)의 방사패턴 특성을 나타낸 것이다.

도 6a에서와 같이 제1 안테나(11)는 우측으로 주방사가 일어나며, 좌측은 편향(tilt)되거나 음영지역(Null)이 발생하는 것을 볼 수 있으며, 도 6b에서와 같이 제2 안테나(12)는 제1 안테나(11)와는 반대로 좌측으로 주방사가 일어나는 것을 볼 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 안테나(11, 12)는 스위칭수단(15)을 이용하여 각각 교차하면서 급전을 인가하면, 태그의 안테나 장치(10)가 소정의 리더기와 RF 송수신시 도 6a와 도 6b의 방사패턴이 합성되어 등방성의 방사패턴을 구현할 수가 있다.

즉, 본 발명에 의한 제1 안테나(11)는 회로기판 상의 상단측에 도금 형성되어 일방향성의 방사패턴을 형성하게 되고, 제2 안테나(12)는 회로기판 상의 좌측에 상기 제1 안테나(11)와는 다른 방향으로 도금 형성되며 상기 제1 안테나(11)와는 다른 방향으로 방사패턴을 형성하도록 구성되어 있다. 그리고, 스위칭수단(15)은 외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작되어 상기 제1 안테나(11)와 제2 안테나(12)를 교대로 연결하여 등방성의 방사패턴이 제1 안테나(11)와 제2 안테나(12)를 통해 형성되도록 한다.

일반적으로 다이버시티(diversity) 안테나는 지향성이 다른 수신 안테나를 이용하는 방식으로 다중파 수신 방향의 폭이 넓은 이동국 수신에 적합한 방식이지만, 본 발명에 의한 제1 및 제2 안테나(11, 12)는 지향성이 아닌 등방성을 구현하기 위한 등방성 다이버시티(Isotropic diversity) 방식이므로 일반적인 다이버시티 안테나와는 상이하다.

아울러, 상기 제1 및 제2 안테나(11, 12)는 도 5와 같이 등방성의 방사패턴을 구현하기 위해 대략 'F'자 형태로 구성하였지만, 도 7a와 같이 대략 'L'자 형태로 구성하는 것도 가능하다. 그 외 다른 타입으로 모노폴 안테나, 루프 안테나, 다이폴 안테나 및 칩안테나로도 적용이 가능하다.

그리고, 도 7b와 같이 2개의 안테나가 아니라 안테나를 4개로 구성한 후 4개의 안테나를 교차로 급전을 인가해서도 구현이 가능하다. 물론, 안테나를 4개로 구성할 경우 도 4에 도시된 스위칭수단(15)은 복수개로 구성될 것이다.

이와 같이 구성된 안테나 장치는 안테나가 태그에 내장됨에 따라 건설현장용 안전모에 장착하기가 용이하고, 또한 인체에 벤딩 타입으로 장착하는 것도 가능해 사용이 편리하다.

상기의 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이다. 그러므로, 이러한 수정, 변경 및 부가는 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 RTLS용 태그의 외형도를 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 태그 안테나에 의한 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 3은 일반적인 위치추적 및 계산을 위한 삼각측량법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 도 4의 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 도 4의 제1 안테나와 제2 안테나에 의해 각각 생성되는 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 안테나의 구조를 각각 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 태그용 안테나 장치 11: 제1 안테나

12: 제2 안테나 15: 스위칭수단

Claims (8)

1. 일방향성의 방사패턴을 형성하는 제1 안테나;

   상기 제1 안테나와는 다른 방향으로 방사패턴을 형성하는 제2 안테나; 및

   외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작되어 상기 제1 안테나와 제2 안테나를 교대로 연결하여 등방성의 방사패턴이 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 형성되도록 DPDT(Double Port Double Through) 타입의 스위치로 구성된 스위칭수단;을 포함하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 및 제2 안테나는 회로기판 상의 서로 다른 위치에 도금 형성되는 것을 특징으로 하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 안테나는 회로기판의 상단측 가장자리에 도금 형성되는 것을 특징으로 하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 제2 안테나는 회로기판의 좌측 가장자리에 형성되며, 상기 제1 안테나와는 서로 다른 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 안테나와 제2 안테나는 서로 0°내지 180°각도 범위 내에서 배치되는 것을 특징으로 하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 및 제2 안테나는 내장형 안테나, 모노폴 안테나, 루프 안테나, 다이폴 안테나 및 칩 안테나 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 및 제2 안테나는 'Ｆ' 또는 'Ｌ'자 형태인 것을 특징으로 하는 위치추적시스템의 태그용 안테나 장치.
8. 삭제

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