KR101065651B1 - 알에프아이디 태그 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전체 사이즈의 변화없이 임피던스를 용이하게 정합시키는 RFID 태그 안테나에 관한 것이다. 상기 태그 안테나는 적어도 하나의 방사 패턴부, 태그 칩과 전기적으로 연결되며 루프 형태를 가지는 적어도 하나의 정합 패턴부, 및 상기 방사 패턴부와 해당 정합 패턴부를 전기적으로 연결시키는 적어도 하나의 연결 패턴부를 포함한다. 여기서, 상기 태그 안테나는 2개의 방사 패턴부들 및 2개의 정합 패턴부들을 가지고, 상기 정합 패턴부들은 상기 태그 칩과 각기 전기적으로 연결되며, 상기 정합 패턴부들의 사이즈에 따라 상기 태그 안테나의 리액턴스가 달라진다.
태그, TAG, 안테나, 임피던스 정합

Description

알에프아이디 태그 안테나{RFID TAG ANTENNA}
본 발명은 RFID 시스템에 사용되는 RFID 태그 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전체 사이즈 변화없이 태그 칩과의 임피던스 정합을 용이하게 수행시키는 RFID 태그 안테나에 관한 것이다.
RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 특정 물체에 부착된 태그를 통하여 상기 물체의 정보(Identification) 및 주변 환경 정보를 인식하여 측위, 원격 처리, 관리 및 사물간 정보 교환 등 다양한 서비스를 제공할 수 있는 시스템이다.
이러한 RFID 시스템은 태그 칩(Tag chip), 태그, 리더기(Tag reader), 미들웨어 및 응용 서비스 플랫폼으로 구성되며, 저주파(125㎑, 135㎑), 고주파(13.56㎒), 극초단파(433㎒, 860 내지 960㎒, UHF), 마이크로파(2.45㎓) 등 여러 주파수 대역에서 이용되고 있다. 다만, 상기 RFID 시스템의 사용 방법이나 활용 범위는 주파수 대역에 따라 다르다.
상기 주파수 대역 중 UHF 대역은 중장거리 신호 전송이 가능하고 비교적 고속 전송이 가능하기 때문에 유통, 물류 등과 같은 분야에서 널리 활용되고 있다. 현재, 전 세계적으로는 유통 및 물류 관리를 위한 가장 적합한 대역으로 860㎒ 내지 960㎒ 대역이 설정되었으며, 우리 나라에서는 908.5㎒ 내지 914㎒ 대역으로 설정되었다.
이하, 일반적인 RFID 시스템에 사용되는 태그의 구조를 살펴보겠다.
도 1은 태그가 금속 물체에 부착되는 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 태그는 기판(100) 상에 형성된 태그 안테나(102)와 부착된 물체(106)의 고유 정보를 저장하며 태그 안테나(102)와 연결된 태그 칩(104)으로 구성된다.
상기 태그는 물체(106), 특히 금속 물체에 일정 간격 이격되어 결합되고, 태그 칩(104)은 전자기적 커플링(electromagnetic coupling)을 통하여 소정 전력을 급전받는다. 이 경우, 금속 물체(106)의 표면에서의 전자파 경계 조건에 의해 태그 칩(104) 구동에 필요한 충분한 전력을 얻지 못할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 물체(106)와 태그 안테나(102) 사이에 기생 캐패시턴스 성분이 발생하므로, 공진 주파수, 임피던스 등과 같은 상기 태그의 파라미터가 변화될 수 있다.
따라서, 이러한 물체의 특성에 따른 변화를 고려하여 태그를 설계하여야 한다. 특히, 상기 태그의 임피던스 정합 설계가 중요하다.
종래 기술에서는, 상기 물체의 특성 또는 상기 태그의 매질이 변화에 따라 상기 태그를 다시 설계하여야 할 경우, 상기 태그에 포함된 태그 안테나와 태그 칩의 임피던스 정합을 위하여 상기 태그의 정합 회로 및 스터브의 크기를 가변시키는 방법 등을 사용하였다.
그러나, 이러한 종래의 방법은 임피던스를 정합시키는 게 용이하지 않았을 뿐만 아니라 임피던스 정합을 위한 회로 설계가 복잡하였다. 또한, 상기 임피던스 정합을 위한 설계 변경에 따라 태그의 전체 사이즈가 증가되는 문제점이 발생하였다.
본 발명의 목적은 전체 사이즈(dimension) 변화없이 용이하게 임피던스 정합을 수행시킬 수 있는 RFID 시스템의 태그 안테나를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그 안테나는 적어도 하나의 방사 패턴부; 태그 칩과 전기적으로 연결되며 루프 형태를 가지는 적어도 하나의 정합 패턴부; 및 상기 방사 패턴부와 해당 정합 패턴부를 전기적으로 연결시키는 적어도 하나의 연결 패턴부를 포함한다. 여기서, 상기 태그 안테나는 2개의 방사 패턴부들 및 2개의 정합 패턴부들을 가지고, 상기 정합 패턴부들은 상기 태그 칩과 각기 전기적으로 연결되며, 상기 정합 패턴부들의 사이즈에 따라 상기 태그 안테나의 리액턴스가 달라진다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 용량성 성분을 가지는 태그 칩과 전기적으로 연결된 태그 안테나는 상기 태그 칩과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 정합 패턴부; 및 상기 정합 패턴부와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 방사 패턴부를 포함한다. 여기서, 상기 정합 패턴부의 사이즈에 따라 상기 태그 칩과 상기 태그 안테나의 리액 턴스가 정합되고, 상기 방사 패턴부의 사이즈에 따라 상기 태그 칩과 상기 태그 안테나의 레지스턴스가 정합되며, 상기 태그 안테나는 상기 태그 칩과 연결된 상태로 루프 형태를 가지는 2개의 정합 패턴부들 및 2개의 방사 패턴부들을 포함한다.
본 발명에 따른 태그 안테나는 정합 패턴부를 조정하여 태그 칩과의 리액턴스를 정합시키고 방사 패턴부를 조정하여 상기 태그 칩과의 레지스턴스를 정합시키므로, 상기 태그 안테나가 용이하게 구현될 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 태그 안테나와 상기 태그 칩의 임피던스를 정합시킬 때 방사 패 턴부의 외부 반지름의 크기는 변화되지 않으므로, 임피던스 정합시 상기 태그 안테나의 전체 사이즈가 일정하게 유지될 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징 들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 태그 안테나와 태그 칩의 임피던스 정합을 설명하기 위한 등가 회로를 도시한 도면이다.
본 실시예의 RFID 시스템에 사용되는 태그는 각 사물의 고유 정보를 가지고 있는 태그 칩(Tag chip)과 상기 고유 정보를 태그 리더기(Tag reader)로 전송하는 태그 안테나를 포함하며, 다양한 주파수 대역에 사용될 수 있다. 다만, 상기 RFID 시스템은 특히 UHF 대역에서 유용하게 활용될 수 있다.
고유 정보 인식 과정을 살펴보면, 상기 태그 리더기는 RF 신호(전파)를 상기 태그로 전송하며, 상기 태그는 상기 전파를 산란시키는 방법을 통하여 상기 태그 칩에 저장된 물체의 고유 정보를 상기 태그 리더기로 전송한다. 이러한 방식을 후방산란방식(Backscatter)라 한다. 여기서, 상기 태그는 그의 임피던스를 달리하여 산란되는 전력량을 조절하며, 상기 태그 리더기는 상기 조절된 전력량의 크기를 통하여 상기 고유 정보를 인식한다. 즉, 상기 태그 칩에 저장된 고유 정보는 상기 태그 칩의 임피던스 변화에 따른 RCS(Radar Cross Section, 산란 단면적)의 변화를 통하여 상기 태그 리더기로 전송된다.
이러한 태그의 특성을 고려할 때, 상기 태그 안테나는 상대적으로 큰 산란 대면적 특성, 전 방향성 산란 특성, 유전율, 도전율 등과 같은 부착 물체의 전자기적 특성에 대한 둔감성, 상기 태그 칩과의 임피던스 정합 및 간단한 구조 특성 등이 요구된다.
본 발명의 태그는 상기 요구되는 특성들을 만족시키며, 특히 간단한 방법으로 임피던스 정합을 용이하게 수행시킬 수 있다.
우선, 상기 태그 안테나와 상기 태그 칩의 임피던스 정합 원리를 살펴보겠다.
도 2를 참조하면, 태그 칩(200)의 임피던스(impedance)는 레지스턴스(resistance, Rc)와 캐패시턴스(capacitance, C)로 표현될 수 있다. 여기서, 태그 칩(200)에 포함된 RF 프론트 엔드(RF front-end)가 태그 리더기로부터 태그 안테나(202)를 통하여 전송된 전파를 소정 DC 전압으로 변화시키는 정류 회로를 포함하므로, 특히 상기 정류 회로가 다이오드(Diode)와 커패시터로 이루어지므로, 태그 칩(200)의 리액턴스(reactance)는 큰 음의 값, 즉 용량성 성분을 가진다.
따라서, 임피던스 정합을 위하여, 태그 안테나(202)의 리액턴스는 도 2에 도시된 바와 같이 유도성 성분을 가져야 한다. 바람직하게는, 상기 태그 리더기로부 터 전송된 전력이 태그 칩(200)으로 최대로 전달되도록 태그 안테나(202)의 리액턴스는 태그 칩(200)의 리액턴스의 켤레복소수가 되어야 한다.
이하, 상기 임피던스 정합을 용이하게 구현할 수 있는 본 발명의 태그 안테나의 구조를 살펴보겠다. 특히, 상기 태그 안테나는 상기 태그가 부착되는 물체의 특성에 따라 용이하게 조정될 수 있는 구조를 가진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 안테나의 구조를 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5는 도 3의 태그 안테나에서 반지름(R1)에 따른 임피던스 변화를 도시한 도면이고, 도 6은 도 3의 태그 안테나에서 반지름(R4)에 따른 임피던스 변화를 도시한 도면이며, 도 7은 도 3의 태그 안테나의 방사 패턴부의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 태그 안테나는 태그 칩(302)과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 정합 패턴부(310), 하나 이상의 방사 패턴부(312) 및 적어도 하나의 연결 패턴부(314)를 포함한다. 여기서, 정합 패턴부(310) 방사 패턴부(312) 및 연결 패턴부(314)는 기판(300) 위에 인쇄(Printing) 방법을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 기판(300)은 소정 유전율을 가지는 유전체 물질로 이루어지며, 예를 들어 PCB, FR4 기판 등이 기판(300)으로서 사용될 수 있다.
정합 패턴부(310)는 도체로서 기판(300) 위에서 태그 칩(302)과 전기적으로 연결되도록 구현되며, 특히 상기 태그 안테나의 임피던스 중 리액턴스 성분을 조절하는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 태그 안테나는 2개의 정합 패턴부들(310a 및 310b)을 포함할 수 있다. 여기서, 각 정합 패턴부들(310a 및 310b)은 도 3에 도시된 바와 같이 태그 칩(302)과 전기적으로 연결된 상태 하에서 루프(Loop) 형태로 구현된다. 즉, 상기 태그 안테나는 더블 루프(Double Loop) 구조의 정합 패턴부들(310a 및 310b)을 포함한다. 또한, 정합 패턴부들(310a 및 310b)은 각기 부채꼴 형상을 가지고 구현될 수 있으며, 태그 칩(302)을 기준으로 상호 대칭적으로 배열된다.
이러한 구조의 정합 패턴부들(310a 및 310b)의 사이즈, 예를 들어 내부 반지름(R1)을 변화시키면 도 5에 도시된 바와 같이 상기 태그 안테나의 레지스턴스와 임피던스가 변화된다. 상세하게는, 상기 태그 안테나의 리액턴스는 도 5(A)에 도시된 바와 같이 정합 패턴부들(310a 및 310b)의 반지름(R1)이 증가함에 따라 커지며, 상기 태그 안테나의 레지스턴스 또한 도 5(B)에 도시된 바와 같이 정합 패턴부들(310a 및 310b)의 반지름(R1)이 증가함에 따라 커진다. 다만, 정합 패턴부들(310a 및 310b)은 후술하는 바와 같이 상기 태그 안테나의 임피던스 중 상기 태그 칩과의 리액턴스를 정합시키는 데 주로 사용된다. 즉, 정합 패턴부들(310a 및 310b)를 적절하게 설계함에 따라 상기 태그 안테나와 상기 태그 칩의 리액턴스가 정합될 수 있다.
방사 패턴부(312)는 도체로서 정합 패턴부(310)에 전기적으로 연결되며, 예를 들어 연결 패턴부(314)를 통하여 정합 패턴부(310)에 연결된다.
이러한 방사 패턴부(312)는 태그 칩(302)으로부터 소정 전력을 급전받으며, 상기 급전에 따라 특정 방사 패턴을 출력시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태그 칩(302)은 태그 리더기(400)로부터 전송된 전파를 이용하여 방사 패턴부(312)로 소정 전력을 공급한다.
상세하게는, 도 4에 도시된 바와 같이 태그 칩(302)의 RF 프론트 엔드(RF front-end, 410)는 태그 안테나(404)를 통하여 태그 리더기(400)로부터 전송된 전파를 수신한다.
이어서, RF 프론트 엔드(410)는 다이오드와 캐패시터 등으로 이루어진 정류 회로를 이용하여 상기 전송된 전파를 소정 직류 전압으로 변화시키고, 상기 직류 전압을 신호 처리부(412)로 제공한다. 이 과정에서, 태그 리더기(400)로부터 전송된 전파가 RF 프론트 엔드(410)로 손실없이 전달되어야 하므로, 태그(402)는 태그 리더기(400)의 반송 주파수에서 공진 특성을 가져야 하고, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 임피던스가 공액 정합(conjugate matching) 되어야 한다.
계속하여, 태그 칩(302)은 상기 직류 전압을 이용하여 태그 안테나(404)로 소정 전력을 급전하며, 그 결과 방사 패턴부(312)로부터 소정 방사 패턴이 출력된다. 상기 방사 패턴 출력시의 전류 분포는 도 7에 도시되었으며, 도 7의 전류 분포를 통하여 방사 패턴부(312)가 다이폴로서 동작함을 확인된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 실시예의 태그 안테나(404)는 부채꼴 형상의 2개의 방사 패턴부들(312a 및 312b)을 포함한다. 여기서, 방사 패턴부들(312a 및 312b)은 태그 칩(302)을 기준으로 대칭적으로 배열될 수 있으며, 해당 연결 패턴부(314a 또는 314b)를 통하여 해당 정합 패턴부(310a 또는 310b)에 전기적으로 연결된다.
이러한 구조의 방사 패턴부들(312a 및 312b)의 사이즈를 변화시키면, 태그 안테나(404)의 임피던스가 변화된다. 상세하게는, 태그 안테나(404)의 레지스턴스는 도 6(B)에 도시된 바와 같이 방사 패턴부들(312a 및 312b)의 반지름(R4)이 증가함에 따라 커진다. 또한, 태그 안테나(404)의 리액턴스는 도 6(A)에 도시된 바와 같이 방사 패턴부들(312a 및 312b)의 반지름(R4)에 따라 변화된다.
다만, 태그 안테나(404)의 리액턴스는 도 6(A)에 도시된 바와 같이 특정 주파수, 예를 들어 공진 주파수인 0.91㎓에서는 방사 패턴부들(312a 및 312b)의 반지름(R4)의 변화에 관계없이 일정한 값을 가질 수 있다.
이러한 특성을 이용하여 본 실시예의 태그 안테나(404)를 용이하게 구현할 수 있다.
상세하게는, 사용자는 정합 패턴부(310)의 사이즈를 조정하여 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스를 정합시킨다. 이 경우, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 레지스턴스가 정합될 수도 있지만, 일반적으로는 정합되지 않는다.
이어서, 특정 주파수, 바람직하게는 공진 주파수에서 태그 안테나(404)의 리액턴스가 방사 패턴부(312)의 사이즈(반지름(R4))에 관계없이 일정하다는 특성을 이용하여, 상기 사용자는 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 레지스턴스를 정합시키기 위하여 방사 패턴부(312)의 사이즈를 조정한다. 이 경우, 상기 주파수에서는 방사 패턴부(312)의 사이즈가 변화되어도 태그 안테나(404)의 리액턴스는 변화되지 않으므로, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스는 정합된 상태를 유지할 것이다. 결과적으로, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 임피던스(레지스턴스와 리액턴스)가 정합될 수 있다.
즉, 상기 사용자는 정합 패턴부(310)의 사이즈를 조정하여 리액턴스를 정합시키고, 그런 후 방사 패턴부(312)의 사이즈를 조정하여 레지스턴스를 정합시킨다.
요컨대, 본 실시예의 태그(402)는 예를 들어 더블 루프 구조의 정합 패턴부들(310a 및 310b)과 방사 패턴부들(312a 및 312b)을 이용하여 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 임피던스를 정합시킨다.
특히, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스와 레지스턴스를 정합 패턴부(310)와 방사 패턴부(312)의 사이즈를 각기 조정하여 정합시키므로, 태그(402)를 설계하기가 용이하다.
또한, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 임피던스를 정합시킬 때, 방사 패턴부(312)의 외부 반지름(R3)은 일정하게 유지시킨 채로 내부 반지름(R4)만을 조정할 수 있으므로, 태그 안테나(404)의 사이즈가 임피던스 정합시 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 임피던스 정합시 태그 안테나의 사이즈가 커져야 했던 종래 기술과 달리, 본 발명의 태그 안테나(404)는 임피던스 정합시 사이즈가 증가되지 않는다. 다시 말하면, 본 발명의 태그 안테나(404)의 사이즈가 종래의 태그 안테나에 비하여 감소할 수 있다. 따라서, 태그 안테나(404)를 사용하는 태그(402)의 사이즈 또한 감소할 수 있다.
위에서는, 본 실시예의 태그(402)가 2개의 정합 패턴부들(310a 및 310b) 및 2개의 방사 패턴부들(312a 및 312b)을 포함하였지만, 태그(402)는 1개의 정합 패턴 부와 1개의 방사 패턴부로 이루어질 수도 있다. 또한, 태그(402)는 3개 이상의 정합 패턴부들과 3개 이상의 방사 패턴부들로 이루어질 수도 있다. 즉, 본 발명의 태그(402)는 적어도 하나의 정합 패턴부와 적어도 하나의 방사 패턴부로 이루어질 수 있다.
또한, 도 3에서 정합 패턴부들(310a 및 310b)이 태그 칩(302)을 기준으로 대칭적으로 배열되었지만, 비대칭적으로 배열될 수도 있다. 물론, 방사 패턴부들(312a 및 312b) 또한 비대칭적으로 배열될 수 있다.
게다가, 정합 패턴부들(310a 및 310b) 및 방사 패턴부들(312a 및 312b)이 각기 부채꼴 형상을 가졌지만, 부채꼴 외의 다른 형상을 가질 수도 있다.
즉, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스와 레지스턴스를 각기 정합시킬 수 있는 한, 정합 패턴부(310)와 방사 패턴부(312)의 형태, 수 및 배열 등은 다양하게 변형될 수 있다.
위에서, 태그(402)는 태그 리더기(400)로부터 전송된 전파를 이용하여 동작하였으나, 태그(402) 그 자체에 별도의 전원이 있어서 구동 전력을 제공받을 수도 있다. 이 경우, 태그(402)는 상기 전원으로부터 직접 공급받거나 커플링 방식으로 공급받을 수 있다.
위에 설명하지 않았지만, 태그 칩(302)과 정합 패턴부(310)는 유도 결합(Inductive coupling) 방식으로 결합될 수 있다. 이렇게 유도 결합 방식을 사용하면, 유도성 성분이 증가되므로 방사 패턴부(312)의 전체 길이는 태그(402)의 주파수에 해당하는 파장(λ)의 절반, 즉 반파장에 해당하는 길이 보다 작은 길이로 구현될 수 있다. 다만, 이러한 유도 결합 방식은 도 3의 도면을 참조하여 당업자가 용이하게 구현할 수 있으므로, 도면 및 자세한 설명은 생략한다.
이하, 이러한 구조의 태그 안테나(404)를 사용하는 태그의 임피던스 정합에 대한 실험 결과를 살펴보겠다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그의 임피던스 정합에 대한 실험 결과를 도시한 도면이다.
실험을 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이 67㎜×47㎜ 사이즈를 가지는 태그 안테나(404)가 사용되었고, 기판(300)으로서 FR 기판(εr=4.6, tanδ=0.02)이 사용되었다. 또한, 0.91㎓에서 33-112j의 임피던스를 가지는 태그 칩(302)이 사용되었고, 방사 패턴부(312)의 외부 반지름(R3)을 33.5㎜로 설정되었으며, 연결 패턴부(314)의 두께(W2)를 1㎜로 설정되었다.
이러한 조건에서 태그 칩(302)과 임피던스 정합될 수 있는 태그 안테나(404)를 설계하였다.
우선적으로, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스를 정합시키기 위하여, 정합 패턴부(310)의 내부 반지름(R2) 및 두께(W1 및 S)를 각기 10㎜ 및 1㎜로 설정하였다. 이렇게 설정한 후 태그 안테나(404)의 리액턴스를 측정해본 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 +112j의 리액턴스가 측정되었다. 즉, 태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스가 정합되었다.
태그 안테나(404)와 태그 칩(302)의 리액턴스를 정합시킨 후, 태그 안테 나(404)와 태그 칩(302)의 레지스턴스를 정합시키기 위하여 방사 패턴부(312)의 내부 반지름(R4)을 18㎜로 설정하였다. 즉, 방사 패턴부(312)의 외부 반지름(R3)을 33.5㎜로 유지시킨 상태 하에서 내부 반지름(R4)만을 18㎜로 설정하여 태그 안테나(404)의 레지스턴스를 조정하였다. 이 경우, 태그 안테나(404)의 레지스턴스를 측정해본 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 +33Ω이 측정되었다. 여기서, 태그 안테나(404)의 리액턴스는 방사 패턴부(312)의 조정에도 불구하고 일정하게 유지되었다.
즉, 태그 칩(302)의 임피던스(33-112j)와 정합되는 임피던스(33+112j)를 가지는 태그 안테나(404)가 설계되었다.
이하, 이렇게 설계된 태그 안테나(404)의 성능을 측정하였으며, 아래의 표 1과 같은 결과를 얻었다.
주파수(㎒) 웨이크업 민감도(wakeup sensitivity, ㏈m) 통신 거리(m)
860 -8.2 3.19
870 -9.9 3.87
880 -11.9 4.77
890 -12.9 5.29
900 -12.7 5.11
910 -12.5 4.94
920 -11.7 4.88
930 -11.5 4.31
940 -10.5 3.80
950 -9.6 3.39
960 -8.8 3.06
위 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 890㎒ 내지 920㎒ 대역에서 약 5m 전후의 통신 거리가 확보되었다. 일반적으로, UHF 대역(908.5㎒ 내지 914㎒)에서 5m 통신 거리가 확보되는 경우 물류 시스템 등에 적합하게 사용될 수 있으며, 따라서 본 실시예의 태그 안테나(404)가 UHF 대역(908.5㎒ 내지 914㎒)에서 물류 시스템 등에 사용될 수 있음이 확인된다.
이하에서는, 정합 패턴부(310)가 더블 루프 구조를 가질 때와 싱글 루프 구조를 가졌을 때의 대역폭을 비교하겠다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 안테나의 구조에 따른 대역폭을 도시한 도면이다. 도 9(A)는 싱글 루프 구조의 정합 패턴부를 포함하는 태그를 개략적으로 도시하였고, 도 9(B)는 정합 패턴부(310)가 싱글 루프(Single loop) 구조를 가졌을 때의 반사 손실(return loss)을 도시하였으며, 도 9(C)는 정합 패턴부(310)가 더블 루프(Double loop) 구조를 가졌을 때의 반사 손실을 도시하였다. 여기서, 태그 리더기(400)의 파워를 27㏈m로 가정하였다.
본 실시예의 태그 안테나(404)는 더블 루프 구조를 가질 수도 있지만, 도 9(A)에 도시된 바와 같이 싱글 루프 구조를 가질 수도 있다.
이러한 싱글 루프 구조의 정합 패턴부를 사용할 때의 태그 안테나(404)의 -10㏈ 대역폭을 살펴보면, 도 9(B)에 도시된 바와 같이 30㎒의 대역폭이 획득되었다.
반면에, 더블 루프 구조의 정합 패턴부(310)를 사용할 때의 태그 안테나(404)의 -10㏈ 대역폭을 살펴보면, 도 9(C)에 도시된 바와 같이 40㎒의 대역폭이 획득되었다.
다시 말하면, 정합 패턴부(310)가 싱글 루프 구조를 가질 경우 890㎒ 내지 920㎒의 대역폭이 확보되는 반면에, 정합 패턴부(310)가 더블 루프 구조를 가질 경우 890㎒ 내지 930㎒의 대역폭이 확보되었다. 즉, 정합 패턴부(310)를 더블 루프 구조로 설계함에 의해, 태그 안테나(404)는 UHF 전대역을 만족시킬 수 있다.
이러한 대역폭의 차이는 정합 패턴부(310)를 싱글 루프 구조로 설계하면 더블 루프 구조로 설계했을 때보다 레지스턴스 변화폭이 크기 때문에 발생한다.
요컨대, 대역폭을 고려할 때 정합 패턴부(310)를 싱글 루프 구조로 하는 것보다는 더블 루프 구조로 구현하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 태그가 금속 물체에 부착되는 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 태그 안테나와 태그 칩의 임피던스 정합을 설명하기 위한 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 안테나의 구조를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 태그 안테나에서 반지름(R1)에 따른 임피던스 변화를 도시한 도면이다.
도 6은 도 3의 태그 안테나에서 반지름(R4)에 따른 임피던스 변화를 도시한 도면이다.
도 7은 도 3의 태그 안테나의 방사 패턴부의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그의 임피던스 정합에 대한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 안테나의 구조에 따른 대역폭을 도시한 도면이다.

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 방사 패턴부;
    태그 칩과 전기적으로 연결되며 루프 형태를 가지는 적어도 하나의 정합 패턴부; 및
    상기 방사 패턴부와 해당 정합 패턴부를 전기적으로 연결시키는 적어도 하나의 연결 패턴부를 포함하되,
    상기 태그 안테나는 2개의 방사 패턴부들 및 2개의 정합 패턴부들을 가지고, 상기 정합 패턴부들은 상기 태그 칩과 각기 전기적으로 연결되며, 상기 정합 패턴부들의 사이즈에 따라 상기 태그 안테나의 리액턴스가 달라지는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 방사 패턴부들 및 상기 정합 패턴부들은 각기 부채꼴 형상을 가지되,
    상기 정합 패턴부들은 상기 태그 칩을 기준으로 각기 대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 태그 안테나는 상기 방사 패턴부들 중 하나와 상기 정합 패턴부들 중 하나를 전기적으로 연결시키는 제 1 연결 패턴부 및 다른 방사 패턴부와 다른 정합 패턴부를 전기적으로 연결시키는 제 2 연결 패턴부를 포함하되,
    상기 제 1 연결 패턴부 및 이와 연결된 방사 패턴부는 T자 형상을 이루며, 상기 제 2 연결 패턴부와 이와 연결된 방사 패턴부 또한 T자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 방사 패턴부들은 상기 태그 칩을 기준으로 대칭적으로 배열되고, 상기 정합 패턴부들 또한 상기 태그 칩을 기준으로 대칭적으로 배열되되,
    상기 정합 패턴부들은 상기 방사 패턴부들이 이루는 원의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 태그 칩과 상기 태그 안테나의 임피던스 정합시, 상기 정합 패턴부를 조정함에 의해 리액턴스가 정합되고, 상기 방사 패턴부를 조정함에 의해 레지스턴스가 정합되며, 특정 주파수에서 상기 방사 패턴부의 사이즈가 변화됨에도 불구하고 상기 태그 안테나의 리액턴스는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  7. 용량성 성분을 가지는 태그 칩과 전기적으로 연결된 태그 안테나에 있어서,
    상기 태그 칩과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 정합 패턴부; 및
    상기 정합 패턴부와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 방사 패턴부를 포함하되,
    상기 정합 패턴부의 사이즈에 따라 상기 태그 칩과 상기 태그 안테나의 리액 턴스가 정합되고, 상기 방사 패턴부의 사이즈에 따라 상기 태그 칩과 상기 태그 안테나의 레지스턴스가 정합되며, 상기 태그 안테나는 상기 태그 칩과 연결된 상태로 루프 형태를 가지는 2개의 정합 패턴부들 및 2개의 방사 패턴부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 태그 안테나는 상기 태그 칩과 연결된 상태로 루프 형태를 가지는 2개의 정합 패턴부들 및 2개의 방사 패턴부들을 포함하되,
    상기 정합 패턴부들은 상기 태그 칩을 기준으로 대칭적으로 배열되고, 상기 방사 패턴부들은 상기 태그 칩을 기준으로 대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 방사 패턴부들 및 상기 정합 패턴부들은 각기 부채꼴 형상을 가지되,
    상기 정합 패턴부들 중 하나의 반지름 및 폭은 다른 정합 패턴부의 반지름 및 폭과 각기 동일하며, 상기 정합 패턴부들은 상기 방사 패턴부들이 이루는 원의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 태그 안테나는 상기 방사 패턴부들 중 하나와 상기 정합 패턴부들 중 하나를 전기적으로 연결시키는 제 1 연결 패턴부 및 다른 방사 패턴부와 다른 정합 패턴부를 전기적으로 연결시키는 제 2 연결 패턴부를 포함하되,
    상기 제 1 연결 패턴부 및 이와 연결된 방사 패턴부는 T자 형상을 이루며, 상기 제 2 연결 패턴부 및 이와 연결된 방사 패턴부 또한 T자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
  11. 제 7 항에 있어서, 특정 주파수에서 상기 방사 패턴부의 사이즈를 가변시킴에도 불구하고 상기 태그 안테나의 리액턴스는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
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