KR102247170B1 - Uhf rfid를 위한 편파 다이버시티 안테나 - Google Patents

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Abstract

제안기술은 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UHF RFID reader에 적용되는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 관한 발명이다.

Description

UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나{Polarization diversity antenna for UHF RFID}
제안기술은 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UHF RFID reader에 적용되는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 관한 발명이다.
일반적으로, RFID(Radio Frequency Identification, 이하 'RFID'로 통칭함)는 인식 정보를 저장하는 태그 및 태그의 정보를 읽는 리더로 구성된다. 태그와 리더는 각각 구비하는 안테나를 통해 전자기파를 매개로 정보를 교환한다.
RFID는 HF(High Frequency, 고주파) 대역(13.56 MHz), UHF(Ultra High Frequency, 극초단파) 대역(860 MHz ~ 960 MHz), ISM(Industrial Scientific Medical band) 대역(2.4 GHz) 등과 같이 여러 대역에서 실현되고 있다. 여기서, HF 대역의 RFID는 주로 자계 결합 방식을 사용함에 따라 안테나의 인식 영역이 매우 협소하다는 단점이 있다. 그리고 ISM 대역의 RFID의 경우에는 주변 환경에 민감하여 전체 RFID 시스템의 성능이 가변적이라는 단점이 있다.
반면, UHF 대역의 RFID는 수동 태그의 인식률 및 인식거리가 뛰어날 뿐만 아니라 전자파 방사 방식을 사용해서 다량의 태그를 동시에 빠른 속도로 인식할 수 있는 장점이 있으며, 또한 주변 환경에도 매우 안정적이고 태그와 태그 칩의 저가 생산이 가능하여 현재 RFID의 사용 대역 중 가장 각광받고 있는 대역으로 알려져 있다. 최근 동향에 따르면 전파 특성이 우수한 UHF 대역에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 UHF 대역의 RFID 시스템에서는 리더와 태그를 연결하는 안테나의 역할이 중요하다. 특히, 전원을 리더 안테나의 전파로 공급받는 수동형 RFID는 리더 안테나의 특성에 따라 시스템의 통신 효율이 결정되기 때문이다. 즉, 효과적인 RFID 리더의 안테나는 동작 주파수 대역에서 반사 손실이 거의 없어야 한다.
상용화 중인 종래의 안테나는 일반적으로 태그 안테나는 선형 편파를 사용하므로 리더 안테나를 원형 편파로 구현하여 태그 안테나의 방향성과 무관하게 리더기와 태그의 원활한 통신을 하기 위해서는 리더 안테나의 원형 편파 특성 중 우수한 축비(Axial Ratio)를 갖도록 설계되었다. 그러나 주로 세라믹 소자를 사용하므로, 가격 상승 요인이 발생한다.
또한, 원형 편파를 사용하는 리더 안테나의 경우, 선형 안테나로 전파를 전송할 때 편파 손실(Polarization Loss)이 발생한다.
이를 극복하기 위한 안테나의 개발이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-1470914호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 고 이득과, 광대역 특성과, 빔 폭의 조절 및 저렴한 소재로 제작이 가능한 RFID 리더용 편파 다이버시티 안테나를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 있어서,
유전체 기판;
유전체 기판의 상면에 형성된 피드라인(feedline);
유전체 기판의 하면에 형성된 구동 소자인 다이폴(dipole);
유전체 기판의 하면에 형성되며, 다이폴의 일측으로부터 연장되어 형성된 반사기(reflector); 및
유전체 기판의 하면에 형성되며, 다이폴의 타측에 형성된 도파기(director);를 포함하여 구성되는 지향성 안테나를 포함하고,
지향성 안테나는 복수 개 구비되며,
복수 개의 지향성 안테나는 서로 60도 간격의 삼각형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
복수 개의 지향성 안테나는 급전(feed)에 의해 교대로 동작되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고 이득과, 광대역 특성과, 빔 폭의 조절 및 저렴한 FR-4 소재로 제작이 가능한 RFID 리더용 편파 다이버시티 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지향성 안테나의 인쇄 구조.
도 2는 본 발명에 따른 지향성 안테나를 복수 개 결합한 편파 다이버시티 안테나의 구조.
도 3은 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 지향성 안테나에 인쇄된 integrated Balun.
도 5는 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 구동을 위한 구조도.
도 6은 본 발명에 따른 지향성 안테나의 피드포인트 단락 시 개념도.
도 7은 RF MUX의 Functional Diagram.
도 8은 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 좌표계 및 방사 패턴.
도 9는 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 Smith Chart.
도 10은 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 주파수 그래프.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UHF RFID reader에 적용되는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나에 관한 발명이다.
도 1에는 본 발명에 따른 지향성 안테나의 인쇄 구조가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 지향성 안테나를 복수 개 결합한 편파 다이버시티 안테나의 구조가 도시되어 있다.
본 발명의 편파 다이버시티 안테나는 복수 개의 지향성 안테나의 결합으로 형성되는 것으로, 각각의 지향성 안테나는 유전체 기판(2)과, 상기 유전체 기판(2)의 상면에 인쇄되어 형성되는 피드라인(feedline)(4)과, 상기 유전체 기판(2)의 하면에 인쇄되어 형성되는 구동 소자인 다이폴(dipole)(6)과, 상기 유전체 기판(2)의 하면에 인쇄되며, 상기 다이폴(6)의 일측으로부터 연장되어 형성된 반사기(reflector)(8)와, 상기 유전체 기판(2)의 하면에 인쇄되며, 상기 다이폴(6)의 타측에 형성된 도파기(director)(10)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 상기 지향성 안테나를 1장의 PCB(printed circuit board)로 구성하기 위해 상기 유전체 기판(2) 사이로 balun을 구성하고, 상기 balun을 통해서 급전하는 구조로 형성된다.
상기 유전체 기판(2)으로는 비교적 저렴한 FR-4 소재가 적용될 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 상기 다이폴(6)의 두 암(arm) 사이에 형성된 슬롯(slot)과 상기 피드라인(4)은 상기 유전체 기판에 인쇄된 integrated balun을 형성한다.
상기 슬롯의 길이는 0.25 lambda 정도이며, 상기 피드라인(4)의 한쪽 끝은 오픈(open)되어 있고, 다른 한쪽에는 급전을 위한 피드포인트(feed point)(12)가 위치한다.
상기 반사기(8)는 상기 다이폴(6)에서 복사된 전자파를 반대쪽을 향해 반사하고, 상기 도파기(10)는 상기 다이폴(6)에서 복사된 전자파를 자기쪽으로 유도한다.
복수 개의 상기 지향성 안테나는 제1지향성 안테나(14), 제2지향성 안테나(16) 및 제3지향성 안테나(18)를 포함하며, 서로 60도(degree) 간격의 삼각형상이 되도록 배치되어 상기 편파 다이버시티 안테나를 구성하게 된다.
각각의 상기 지향성 안테나는 선형 편파(linear polarization)를 가지므로, 상호 간 60도가 되도록 배치된 3개의 상기 지향성 안테나가 급전(feed)에 의해 교대로 동작함으로써 편파 다이버시티 효과를 얻을 수 있다.
그러나 상기와 같이 구성되는 경우, 3개의 상기 지향성 안테나 사이의 강한 전자기적 상호결합이 발생하여 큰 결합 손실이 발생하게 되고, 이로 인해 안테나 이득이 크게 저하되는 문제가 발생하게 된다.
하기에서는 상기의 문제를 해결하기 위한 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3에는 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 회로도가 도시되어 있다.
상기의 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 하기의 식을 사용한다.
Figure 112020045721241-pat00001
Figure 112020045721241-pat00002
Figure 112020045721241-pat00003
Figure 112020045721241-pat00004
상기의 식에서, V1은 상기 제1지향성 안테나(14)의 전압, V2는 상기 제2지향성 안테나(16)의 전압, Vg1은 상기 제1지향성 안테나(14)의 source voltage, Vg2는 상기 제2지향성 안테나(16)의 source voltage, Zg1은 상기 제1지향성 안테나(14)의 source impedance, Zg2는 상기 제2지향성 안테나(16)의 source impedance, V11은 상기 제1안테나의 피드 포인트에서의 voltage, V22는 상기 제2지향성 안테나(16)의 피드 포인트에서의 voltage, Z11은 상기 제1지향성 안테나(14)의 임피던스(impedance), Z22는 상기 제2지향성 안테나(16)의 임피던스(impedance), I1은 상기 제1지향성 안테나(14)의 source voltage에 의해 발생하는 전류, I2은 상기 제2지향성 안테나(16)의 source voltage에 의해 발생하는 전류, Z12은 상기 제2지향성 안테나(16)로부터 상기 제1지향성 안테나(14)로 향하는 상기 제1지향성 안테나(14)와 상기 제2지향성 안테나(16) 사이의 임피던스, Z21은 상기 제1지향성 안테나(14)로부터 상기 제2지향성 안테나(16)로 향하는 상기 제1지향성 안테나(14)와 상기 제2지향성 안테나(16) 사이의 임피던스가 된다.
상기 수학식 3에 상기 수학식 1을 대입하면 상기 수학식 4를 얻을 수 있다.
상기 수학식 4에서 복수 개의 상기 지향성 안테나 중 상기 제1지향성 안테나(14)에만 급전하는 경우, 상기 제2지향성 안테나(16)의 source voltage인 Vg2 = 0 이 되고, 따라서 상기 제2지향성 안테나(16)의 source impedance인 Zg2가 커질수록 상기 제2지향성 안테나(16)로부터 상기 제1지향성 안테나(14)로 향하는 상기 제1지향성 안테나(14)와 상기 제2지향성 안테나(16) 사이의 임피던스인 Z12의 영향을 줄일 수 있게 된다.
도 4에는 본 발명에 따른 지향성 안테나에 인쇄된 integrated Balun이 도시되어 있다.
상기 integrated balun은 상기 지향성 안테나의 source impedance를 증폭시키게 된다.
상기 Zg2를 극대화하기 위해서는 상기 제2지향성 안테나(16)의 피드포인트(Zin, 12)를 단락(short)시키게 된다. 상기 제2지향성 안테나(16)의 피드포인트(12)가 단락되면, 급전에 의해 상기 제1지향성 안테나(14)에 인가된 신호는 전송선로를 따라서 임피던스가 오픈(open) 쪽으로 변화하고, 상기 integrated balun 및 변압기(transformer)를 통해 Zg2가 극대화된다.
상기에서는 복수 개의 상기 지향성 안테나 중 상기 제1지향성 안테나(14)와 상기 제2지향성 안테나(16)에 대해서만 설명하였으나, 상기의 수학식 1 내지 수학식 4는 상기 제3지향성 안테나(18)에도 동일하게 적용된다.
도 5에는 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 구동을 위한 구조도가 도시되어 있다.
상기의 수학식 1 내지 수학식 4를 보면, 복수 개의 지향성 안테나를 교대로 동작시킬 때, 복수 개의 지향성 안테나 중 어느 하나의 지향성 안테나의 동작 시 동작하지 않는 나머지 지향성 안테나의 피드포인트(12)를 단락시킴으로써 편파 다이버시키 안테나의 결합 손실(impedance)을 최소화하는 것을 확인할 수 있다.
상기 피드포인트(12)의 단락은 각각의 지향성 안테나의 피드포인트(12)에 RF MUX(SP3T 등)를 부착하여 구현된다.
도 6에는 본 발명에 따른 지향성 안테나의 피드포인트 단락 시 개념도가 도시되어 있고, 도 7에는 RF MUX의 Functional Diagram이 도시되어 있다.
상기 MUX는 사용하지 않는 지향성 안테나의 피드포인트(12)를 단락시키는 기능을 포함한다.
도 7을 참조하여 보면, V1, V2, V3의 신호에 따라서 입력인 RFC와 출력인 RF1, RF2, RF3을 연결해주게 된다.
V1 = 1, V2 = 0, V3 = 0 일 경우, RF1이 RFC와 연결되고, RF2, RF3은 ground로 단락되는 회로를 구성한다.
RF1, RF2, RF3은 각각 어느 하나의 지향성 안테나로 연결되고, RFC는 RFID reader에 출력된다.
만약, MCU에서 V1 = 1, V2 = 0, V3 = 0 신호를 RF MUX에 인가하면, RF1에 연결된 제1지향성 안테나(14)를 통해서 신호가 방사된다. 나머지 제2지향성 안테나(16)와 제3지향성 안테나(18)의 피드포인트(12)는 단락되어 있으므로, 제1지향성 안테나(14)에서 제2지향성 안테나(16)와 제3지향성 안테나(18)를 바라볼 때는 오픈(open)으로 보이게 된다.
이와 마찬가지로, V1 = 0, V2 = 1, V3 = 0 신호를 RF MUX에 인가하면, RF2에 연결된 제2지향성 안테나(16)를 통해서 신호가 방사된다. 나머지 제1지향성 안테나(14)와 제3지향성 안테나(18)의 피드포인트(12)는 단락되어 있으므로, 제2지향성 안테나(16)에서 제1지향성 안테나(14)와 제3지향성 안테나(18)를 바라볼 때는 오픈(open)으로 보이게 된다.
또한, V1 = 0, V2 = 0, V3 = 1 신호를 RF MUX에 인가하면, RF3에 연결된 제3지향성 안테나(18)를 통해서 신호가 방사된다. 나머지 제1지향성 안테나(14)와 제2지향성 안테나(16)의 피드포인트(12)는 단락되어 있으므로, 제3지향성 안테나(18)에서 제1지향성 안테나(14)와 제2지향성 안테나(16)를 바라볼 때는 오픈(open)으로 보이게 된다.
본 발명의 편파 다이버시티 안테나에는 현재 동작하는 안테나를 선택하기 위해 방향성 결합기로부터 신호의 크기를 감지하고, 감지된 신호가 없을 경우 다른 안테나를 선택하는 회로가 구비된다.
즉, MCU에서는 RFID reader에서 출력되는 신호를 Directional Coupler로coupling 후, envelop Detector에 의해 감지하여 RFID reader의 출력이 없는 경우, 현재 연결되어 있는 어느 하나의 지향성 안테나의 피드포인트(12)를 단락시키고, 다른 하나의 지향성 안테나의 피드포인트(12)와 연결하여 급전하게 된다.
상기의 방식을 통해 순차적으로 각각의 지향성 안테나에 신호를 급전하여 편파 다이버시티를 얻을 수 있다.
도 8에는 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 좌표계 및 방사 패턴이 도시되어 있다.
x, y, z는 본 발명의 편파 다이버시티 안테나의 방사 방향을 표시하기 위한 좌표계이며, 전파는 +x 방향으로 방사된다. 붉은 공이 2개 겹쳐진 모양이 방사 패턴이 된다.
도 9는 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 Smith Chart로, 본 발명의 편파 다이버시티 안테나의 임피던스 정합 상태를 표시하며, 920MHz 근처에서 50 ohm 임피던스 정합이 되었다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 편파 다이버시티 안테나의 주파수 그래프로, 편파 다이버시티 안테나의 중심 주파수가 920MHz 근처에 있다는 것을 알 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 유전체 기판
4 : 피드라인
6 : 다이폴
8 : 반사기
10 : 도파기
12 : 피드포인트
14 : 제1지향성 안테나
16 : 제2지향성 안테나
18 : 제3지향성 안테나

Claims (7)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면에 형성된 피드라인(feedline);
    상기 유전체 기판의 하면에 형성된 구동 소자인 다이폴(dipole);
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되며, 상기 다이폴의 일측으로부터 연장되어 형성된 반사기(reflector); 및
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되며, 상기 다이폴의 타측에 형성된 도파기(director);를 포함하여 구성되는 지향성 안테나를 포함하고,
    상기 지향성 안테나는 복수 개 구비되며,
    복수 개의 상기 지향성 안테나는 서로 60도 간격의 삼각형상을 이루는 것
    을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피드라인은 일단이 오픈(open)되며, 타단에는 피드포인트(feed point)가 형성되는 것을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 지향성 안테나는 급전(feed)에 의해 교대로 동작되는 것을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 지향성 안테나 중 어느 하나의 지향성 안테나의 동작 시, 동작하지 않는 나머지 지향성 안테나의 피드포인트는 단락되는 것을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다이폴은 두 개의 암(arm)을 가지며, 상기 두 개의 암 사이에는 슬롯(slot)이 형성되는 것을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 슬롯과 상기 피드라인은 상기 유전체 기판에 인쇄된 integrated balun을 형성하는 것을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 integrated balun을 통해 각각의 상기 지향성 안테나의 source impedance를 증폭시키는 것을 특징으로 하는 UHF RFID를 위한 편파 다이버시티 안테나.
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