KR20140041042A - 근접 영역용 900ＭＨｚ대역 ＲＦＩＤ 리더기 안테나 - Google Patents

근접 영역용 900ＭＨｚ대역 ＲＦＩＤ 리더기 안테나 Download PDF

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KR20140041042A
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Abstract

본 발명은 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나에 관한 것으로, 수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 형성된 방사체 패턴의 두께(L1, 임피던스 정합 기준에 따름)를 가진 복수 개의 안테나 패턴과, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(f)를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 수직 방향의 방사체의 중간 지점에서 수평방향의 50Ω 급전선과 연결되고, RFID 리더기의 신호를 태그 방향으로 방사(radiation)하는 방사체; 상기 RFID 리더기의 신호를 안테나의 수직방향의 방사체를 연결하는 상기 50Ω 급전선를 접지시키는 면인 급전부 접지면; 및 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 상쇄시키는 반사판을 포함하고, 상기 방사체를 유전체 기판(FR4)을 다층 구조로 만들어 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 최소화하여 RFID 리더기가 태그의 오인식률을 줄이는 것을 특징으로 한다.

Description

근접 영역용 900ＭＨｚ대역 ＲＦＩＤ 리더기 안테나{The near-field reader antenna for 900MHz band RFID}
본 발명은 근접 영역에 적용할 수 있는 900 MHz 대역 RFID 리더기 안테나에 관한 것으로, 특히 주기성을 가지는 마이크로 스트립 안테나 구조를 사용하여 태그와 거리가 R2 거리 이내의 근접영역에서 균일한 전계 분포를 가지는 안테나의 성능과 안테나의 이득이 -2 dBi 이고 하트 모양의 빔 패턴을 형성하고, RFID 리더기 안테나의 송신출력이 17d Bm에서 23 dBm까지 송신출력의 범위의 안테나를 설계하여 금속면 위에 태그(tag)가 선적될 때 태그의 금속성분으로 인한 반사전력을 최소화하고 외부로 방사되는 전력을 최소화하여 오 인식을 최소화하는, 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나에 관한 것이다.
RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템은 예를들면, 제품에 부착된 고유의 정보를 포함하는 RFID 태그(tag), 13.56MHz 또는 900MHz RFID 주파수 대역의 무선 통신 기술을 사용하여 제품에 부착된 태그 정보를 읽어들이는 RFID 리더기, RFID 리더기로 인식된 정보를 RFID 미들웨어를 통해 호스트 컴퓨터의 애플케이션으로 전송하는 시스템이다.
제품 관리용 RFID 기술은 ISO/IEC JTC1 SC31에서 표준화를 하고 있으며, RFID 리더기와 태그 사이의 각 주파수별로 에어 인터페이스 프로토콜을 ISO/IEC 18000 시리즈에서 정의하고 있으며, EPCGlobal은 900MHz 대역을 사용하는 유통 및 물류 분야에서 B2B2C 서비스를 제공하고 있다
RFID 주파수는 135kHz, 13.56MHz, 433 MHz, 860~960MHz. 2.45 GHz 대역을 사용한다. 저주파 13.56MHz RFID 시스템은 제품에 부착된 태그 인식에 사용하는데 인식거리가 수 cm에 불과하며, 900MHz UHF RFID 시스템의 인식거리는 100m 원거리까지 인식이 가능하며 유통 및 물류, 항만의 컨테이너 등에 사용된다.
RFID 리더기와 태그는 정보의 전송 방향에 따라 순방향 링크(forward link) 및 역방향 링크(reverse link)로 구성된다. 순방향 링크는 RFID 리더기로부터 태그로 태그의 고유한 정보를 얻기 위해 명령 신호 및 태그로 전원을 공급하는 CW(Continuous Wave) 신호를 전송한다. 역방향 링크는 태그가 RFID 리더기로부터 수신한 CW 신호를 바탕으로 역산란 과정을 거쳐 RFID 리더기로 태그 신호를 도달할 때까지의 과정이다.
태그는 고유의 제품 정보를 포함하는 태그 칩과 안테나로 구성되고, 전원 공급 방식에 따라 능동형 태그(active tag)와 수동형 태그(passive tag)로 분류된다.
RFID 시스템은 제약산업, 의료산업, 국방산업 및 제품의 유통망관리(Supply chain)등 광범위한 응용분야에 사용된다. RFID 시스템이 적용되는 응용분야는 IT 기반의 무선통신 기술과 SW 응용분야의 기술이 접목된 IT 융합 시스템이다. RFID 시스템은 많은 응용분야에서 시스템에 대한 이해 부족과 더불어 하드웨어와 소프트웨어의 기술적인 접근방법이 어렵다. 특히, 기존 바코드 시스템(Bar code system)과 같이 보이는 환경에서 보이지 않는 무선 환경으로 변하기 때문에 기술적인 접근이 더욱 더 어렵다. 이제까지의 RFID 시스템은 원거리 영역에서 인식거리 위주의 기술이 발전하였다.
그러나, 최근 근거리 영역에서 인식을 할 수 있는 RFID 시스템이 각광을 받고 있다. 근거리 영역에서의 RFID 응용분야는 스마트 책장과 스마트 선반이 대표적인 시스템이다. 이런 근거리 영역(near field)에서는 인식하고자하는 내용물과 외부적인 기구 그리고 태그의 성능과 RFID 리더기 안테나의 성능에 따라 태그의 오인식이 발생하여 인식률 저하가 발생하게 된다. 이런 인식률 저하는 제품을 대량으로 생산하는 현장에서 막대한 인력손실과 작업의 생산성을 저하시키는 문제점이 있었다.
도 1은 근접 영역과 원거리 영역을 구분하는 안테나의 전계영역을 나타낸 도면이다. 안테나 주위의 공간은 보통 3종류로 구분되고, a) 리액티브 근거리 전계(R1: Reactive near-field region), b) 방사 근거리 전계(R1~R2: Radiating near-field(Fresnel) region), c) 원거리 전계(R2 거리 이상, Fraunhofer) 역역으로 구분된다. 대부분의 안테나는 보통 안테나 표면으로부터
Figure pat00001
인 리액티브 근거리 영역에 존재한다.
여기서, λ는 파장(c=fλ, c=3x108m/sec, ex) 안테나의 공진주파수 f = 900MHz), D는 안테나의 가장 큰 길이, 미소 다이폴 안테나와 이와 동등한 방사체에서의 경계는 안테나의 표면으로부터 λ/2π의 거리에 있다.
안테나의 근접 영역(근거리 영역)은 안테나를 중심으로
Figure pat00002
거리 미만의 영역을 의미하며, 안테나의 원거리 영역은 안테나를 중심으로 R2 거리 이상의 영역을 의미한다.
이런 문제점을 개선하는 근거리 영역에서 동작하는 RFID 리더기 안테나를 연구하고 있다. 현재까지 근거리 영역에서 동작되는 RFID 리더기 안테나는 분리된 링 공진기 원리(Split Ring Resonator)를 이용한 분리된 마이크로 스트립 루프 안테나(segment microstrip loop antenna) 기술과 전송파(traveling wave) 원리를 이용한 격자형 마이크로스트립 라인용 안테나(folded microstrip line antenna) 기술 등이 있다. 또한, 근거리 영역과 원거리 영역에서 동시에 사용되는 다층 마이크로 스트립 안테나(multi layer microstrip antenna) 기술이 있다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 태그와 근접 영역에서 동작하는 RFID 리더기 안테나를 연구하여 반도체 생산라인에서 R2 거리 이내의 안테나의 근접 영역에서 선적된 다중태그의 일괄 인식과 외부 기구물의 오 인식에 대한 원인을 분석하고 근접영역에서 사용가능한 RFID 리더기 안테나를 설계하여 13 mm x 152 mm x 14 mm 크기의 주기성을 가지는 마이크로 스트립 안테나 구조를 사용하여 RFID 리더기 안테나와 태그와 거리가 근접영역에서 균일한 전계 분포를 가지는 RFID 리더기 안테나의 성능과 안테나의 이득이 -2 dBi 이고 하트 모양의 빔 패턴을 형성하고, RFID 리더기 안테나의 송신출력이 17d Bm에서 23 dBm까지 송신출력의 범위의 RFID 리더기 안테나를 설계하여 금속면 위에 태그(tag)가 선적될 때 태그의 금속성분으로 인한 반사전력을 최소화하고 외부로 방사되는 전력을 최소화하여 오 인식을 최소화하는, 근접 영역용 900MHz RFID 리더기 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나는 수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 형성된 방사체 패턴의 두께(L1, 임피던스 정합 기준에 따름)를 가진 복수 개의 안테나 패턴과, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(f)를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 수직 방향의 방사체의 중간 지점에서 수평방향의 급전선과 연결되고, RFID 리더기의 신호를 태그 방향으로 방사(radiation)하는 방사체; 상기 RFID 리더기의 신호를 안테나의 수직방향의 방사체를 연결하는 상기 급전선을 접지시키는 면인 급전부 접지면; 및 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 상쇄시키는 반사판을 포함하고, 상기 방사체를 유전체 기판(FR4)을 다층 구조로 만들어 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 최소화하여 RFID 리더기가 태그의 오인식률을 줄이는 것을 특징으로 한다.
상기 방사체 및 반사판은, FR4(유전율,εr=4.7) 또는 알루미나(εr=10)로 된 유전체 기판(PCB 기판)을 사용하고, 상기 반사판은 금속으로 구성되고 상기 반사판을 FR4 또는 알루미나로 된 유전체 기판으로 구현하여 후방 방사를 줄이는 것을 특징으로 한다.
상기 방사체는 수직방향으로 상하로 방사(radiation)되며, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(
Figure pat00003
, c= 3x108m/sec, L1은 방사체 패턴의 두께, εr은 유전율(permittivity))를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 반사판의 높이(H)를 λ/4로 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 RFID 리더기 안테나는 상기 방사체와 상기 급전부 접지면 그리고 상기 반사판으로 구성되며, 상기 RFID 리더기 안테나의 크기(L x W x H)는 313 mm x 152 mm x 14 mm, 상기 방사체는 유전체 기판(FR4) 위에 구현되고, 단일 방사체의 크기(L1 x W1)는 5 mm x 116 mm, 상기 방사체의 간격(L2)은 25 mm, 반사판의 높이(H)는 18 mm인 것을 특징으로 한다.
상기 급전선은 50 ohm 급전선(feeding)을 사용하고 임피던스 매칭을 위해 λ/4 전력 분배기를 사용하며, 수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)마다 형성된 방사체들과 중앙 지점으로 연결되며, 하단의 급전부(20)와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 방사체는 900MHz 대역의 근접영역용 RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 안테나의 방사체를 'ㄹ' 자 모양의 meander 구조로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나는 근접영역에서 발생하는 900 MHz RFID 시스템의 문제점을 확인하고, 금속면 위의 태그(tag)가 수직 및 수평방향으로 있을 때 태그의 수신감도가 2~5dB 낮아짐을 확인하였고, 태그의 선적 시 태그의 금속성분(안테나)으로 인한 반사전력이 발생하여 오 인식이 발생함을 확인하였으며, 이런 오 인식을 최소화할 수 있는 방법을 제공하는 RFID 리더기 안테나를 개발하였다. 본 발명에 따른 주기성을 가지는 마이크로 스트립 안테나는 R2 거리 이내의 근접영역에서 사용 가능하다. RFID 리더기 안테나의 성능은 근접영역에서 균일한 전류 분포를 가지고 R2 거리 이상의 원거리 영역에서 하트모양의 빔 모양을 가진다. 또한, RFID 리더기 안테나의 이득은 -2 dBi 이고 빔 폭은 160°이며, 실제 환경에 제안된 RFID 리더기 안테나의 송신출력이 17 dBm에서 23 dBm까지 송신출력의 범위를 가지는 것을 확인하였다. 결과적으로, 본 발명의 RFID 리더기 안테나는 금속면 위에 태그가 선적될 때 태그(tag)의 금속성분으로 인한 반사전력을 최소화하고, 외부로 방사되는 전력을 최소화하여 태그의 오 인식을 최소화하였다. 향후 태그의 편차를 최소화 하여 생산 공정에서 오 인식을 0%로 줄여 생산효율을 향상시키게 된다.
도 1은 안테나의 근접 영역과 원거리 영역을 구분하는 안테나의 전계영역을 나타낸 도면이다.
도 2는 900MHz 대역 RFID 리더기와 태그의 전자기 역산란 방식의 동작원리를 나타낸 도면이다,
도 3은 근접 영역의 900MHz 대역 RFID 시스템의 환경을 나타낸 도면이다.
도 4는 이상적인 RFID 리더기 안테나의 방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 근접영역용 900MHz RFID 리더기 안테나로 설계된 주기성을 가지는 마이크로스트립 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 안테나의 방사체를 meander 구조로 형성된 근접영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나로 설계된 주기성을 가지는 마이크로스트립 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 제작된 RFID 리더기 안테나와 태그와 근접했을때 주파수 특성을 나타낸다.
도 7은 RFID 리더기 안테나의 방사특성을 나타내며, (a) 5cm일 때의 전계분포, (b)원거리 영역에서의 전계분포이며, RFID 리더기 안테나의 근접영역의 전류 분포 특성을 나타낸다.
도 8은 근접영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나의 인식률과 오인식률을 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 2는 900Mz 대역 RFID 리더기와 태그의 전자기 역산란 방식의 동작원리를 나타낸 도면이다.
본 발명에서 제안된 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나의 구조는 주기성을 가지는 마이크로 스트립 안테나 구조를 사용하였다. RFID 리더기 안테나는 313 mm x 152 mm x 14 mm 크기이다. RFID 리더기 안테나의 성능은 R2 거리 이내의 근접영역에서 균일한 전계 분포를 이루고, RFID 리더기 안테나의 이득은 -2 dBi 이고 하트 모양의 빔 패턴을 형성한다. 제안된 RFID 리더기 안테나는 RFID 리더기의 송신출력이 17d Bm에서 23 dBm까지 송신출력의 범위이다. 본 발명에서 제안된 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나는 금속면 위에 태그(tag)가 선적될 때 태그의 금속성분으로 인한 반사전력을 최소화하고, 태그 방향의 외부로 방사(radiation)되는 전력을 최소화하여 오 인식을 최소화하였다.
900 MHz RFID 시스템은 전자기 역산란 방식을 사용한다. 도 2는 900Mz 대역 RFID 리더기와 태그의 전자기 역산란 방식의 동작원리를 나타낸다. 전자기 역산란 방식에서 태그의 인식은 RFID 리더기의 송신전력(P1)과 RFID 리더기 안테나의 이득(G1)과 태그 안테나의 이득(G2)과 태그의 수신감도와 관계가 있다.
RFID 리더기 안테나로부터 송신되는 전력은 태그로 전달되는 전력과 태그 이외의 지역으로 전달이 되는 전력으로 나눈다. 태그로 전달이 되는 전력(PEIRP)은 태그의 정보를 포함하고 되돌아오는 전력(P3)과 태그 안테나에서 반사되어 되돌아오는 전력(PS)이 있다. 여기에서 태그 이외에 전달되는 전력과 태그 안테나에서 반사되어 되돌아오는 전력은 태그의 오 인식에 영향을 미친다. 특히, 태그 안테나의 금속성분으로 반사되는 전력(PS)은 R2 거리 이내의 근거리 영역에서 RFID 시스템의 인식률 저하에 영향을 끼친다.
우리는 실제 반도체 생산공정에서, RFID 리더기 안테나가 이런 오 인식을 최소화할 수 있는 방법을 연구하였다.
도 3은 근접 영역의 900MHz RFID 시스템의 환경을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 근접영역에서 동작하는 900MHz RFID 시스템의 환경적인 모습과 실제 환경에서 적용 가능한 RFID 리더기 안테나의 이상적인 빔의 모양을 나타낸다. 태그의 크기는 45 mm x 10 mm x 3 mm 이다. 태그는 패키징에 수직방향으로 패키징 가운데에 위치한다. 태그를 포함하는 패키징은 400 mm x 370 mm x 13 mm 이다. RFID 리더기 안테나와 외부 기구와의 거리(d1)는 500 mm이고, RFID 리더기 안테나와 태그영역 1과의 거리(d2)는 최대 500 mm이며, 태그는 수직방향으로 30 단을 선적이 된다. 태그 영역 1과 태그 영역 2와의 거리(d4)는 500 mm이다. 태그를 포함한 패키지는 금속면의 가로방향으로 놓이고 태그 영역1을 모두 인식한 후 태그영역 3으로 이동체(운송로봇)를 통해 이동하게 된다. 이런 환경에서 처음으로 고려할 사항은 RFID 리더기의 송신 전력과 태그의 수신감도 및 안테나의 방사패턴 관련한 인식거리이다. 즉, RFID 리더기 안테나에서 방사되는 전력은 태그 영역 1만 인식을 해야 하고 태그영역 2와 태그영역 3은 인식하지 않아야 한다.
다음은 금속면 위에 태그 선적 시에 태그간의 발생하는 문제점을 분석하였다. 금속면 위에 태그가 놓이게 되면, 금속면의 금속 성분에 의해 태그의 수신감도는 줄어든다. 그 이유는 금속 물체와 태그 안테나 사이의 기생 캐패시턴스(parasitic capacitive) 성분으로 인해 공진 주파수와 안테나의 임피던스 방사패턴 등의 특성이 변하기 때문이다. 이런 현상은 실제 환경에서 마찬가지로, 금속면과 밀접한 태그와 다른 위치에 있는 태그간의 수신감도는 2~5 dB 차이를 확인하였다. 또한, 태그 선적 시 태그 안테나의 금속 성분으로 인해 부분적으로 인식되지 않는 태그가 발생한다. 그 이유는 태그 안테나의 금속 성분이 여러 개가 모임으로 인해 하나의 큰 금속성분으로 되고, 이런 금속면은 태그의 정보를 포함하고 되돌아오는 전력(P3)보다 태그 안테나에서 반사되어 되돌아오는 전력(PS)을 크게 만든다. 이런 현상으로 인해 태그 오 인식에 영향을 미친다. 이런 실제 환경에서 동작하는 리더기 안테나의 방사패턴은 도 3에 도시된 바와 같이 RFID 리더기 안테나의 방사패턴이 이상적인 빔 모양을 가져야 한다.
도 4는 이상적인 RFID 리더기 안테나의 방사패턴을 나타낸 도면이다.
따라서, 50cm 이내의 수평방향과 수직방향에서 이런 이상적인 빔 모양과 유사한 R2 거리 이내의 근접영역의 RFID 리더기 안테나의 개발이 요구된다.
도 4(a)는 수평방향의 이상적인 빔 모양을 나타내고, 도 4(b)는 수직방향의 이상적인 빔 모양을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 태그를 포함하는 패키징이 선적될 때 수직방향으로 넓은 인식 범위가 생긴다. 그리고, 수평방향의 빔은 단일 안테나의 성능이 되고, 수평방향의 빔은 배열 안테나의 성능을 띤다. RFID 리더기 안테나의 이득은 안테나의 성능과 관련된다. 본 발명에서는 범용적으로 사용되는 2종류의 RFID 리더기 안테나를 사용하여 환경적인 부분을 확인하였다.
표 1는 범용적으로 사용되는 두 개의 RFID 리더기 안테나에 대한 규격과 개발에 필요한 RFID 리더기 안테나 규격을 나타낸다.
항목
 안테나 규격 비 고
sample 1 sample 2 개발 규격
주파수 902~928MHz 902~928MHz 902~928MHz
정재파 비 1.5 : 1 1.5 : 1 1.5 : 1
이득 6 dBi 이상 1 dBi 이상 -1 dBi 이상
방사패턴 60도 100도 160도
편파 원형편파 선형편파(수평) 선형편파(수평)
임피던스 50ohm 50ohm 50ohm
크기 200x230x40mm 88x108x40mm 160x320x20mm
인식거리 10 m 3 m 1 m 원거리 영역
2. 근접 영역 마이크로 스트립 안테나 설계
R2 거리 이내의 근거리 영역에서 동작하는 RFID 리더기 안테나는 균일한 전류분포와 이상적인 방사패턴의 특성을 만족해야 한다. 이런 특성을 만족하기 위해 본 발명에서는 주기성을 가지는 마이크로 스트립 안테나 구조를 연구하였다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 근접영역용 900MHz RFID 리더기 안테나로 설계된 주기성을 가지는 마이크로스트립 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
R2 거리 이내의 근접 영역용 900MHz RFID 리더기 안테나는 수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 방사체(10)를 형성하며, 방사체 패턴의 두께(L1, 임피던스 정합 기준에 따름)를 가진 복수 개의 안테나 패턴과, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(f)를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 수직 방향의 방사체의 중간 지점에서 수평방향의 50Ω 급전선과 연결되고, RFID 리더기의 신호를 태그 방향으로 방사(radiation)하는 방사체(10); 상기 RFID 리더기의 신호를 안테나의 상기 방사체(10)로 연결해주는 급전부를 접지시키는 면인 급전부 접지면(20); 및 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 상쇄시키는 반사판(30)을 포함하고, 상기 방사체(10)를 유전체 기판(FR4)을 다층 구조로 만들어 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 최소화하여 RFID 리더기가 태그의 오인식률을 줄이는 것을 특징으로 한다.
방사체(10) 및 반사판(30)은 FR4(유전율,εr=4.7) 또는 알루미나(유전율,εr=10)로 된 유전체 기판(PCB 기판)을 사용한다.
방사체(10)는 수직방향으로 상하로 방사(radiation)되며, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(
Figure pat00004
, c= 3x108m/sec, L1은 방사체 패턴의 두께, εr은 유전율(permittivity))를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 반사판의 높이(H)를 λ/4로 설정한다.
상기 급전선은 50 ohm 급전선(feeding)을 사용하고 임피던스 매칭을 위해 λ/4 전력 분배기를 사용하며, 수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)마다 형성된 방사체들과 중앙 지점으로 연결되며, 하단의 급전부(20)와 연결된다.
반사판(30)은 금속으로 구성되고, 반사판(30)을 FR4 또는 알루미나로 된 유전체 기판으로 구현하여 후방 방사를 줄이며, 반사판의 높이(H)를 λ/4로 설정한다.
RFID 리더기 안테나는 방사체(10)와 급전부 접지면(20) 그리고 반사판(30)으로 구성된다. RFID 리더기 안테나의 크기(L x W x H)는 313 mm x 152 mm x 14 mm 이다. 방사체(10)는 유전체 기판(FR4 PCB 기판) 위에 구현되고, 단일 방사체의 크기(L1 x W1)는 5 mm x 116 mm이다. 방사체의 간격(L2)은 25 mm이다. 급전부는 50 ohm을 사용하고 임피던스 매칭을 위해 λ/4 전력 분배기를 사용하였다. 반사판(30)의 높이(H)는 18 mm이다.
여기서, L1은 방사체 패턴의 두께, L2는 방사체의 간격, W는 접지면의 가로 (W1= λ/2), L는 접지면의 세로, H는 반사판의 높이(H= λ/4)를 나타낸다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 안테나의 방사체를 meander 구조로 형성된 근접영역용 900MHz 대역의 RFID 리더기 안테나로 설계된 주기성을 가지는 마이크로스트립 안테나 구조를 나타낸 도면이다. 상기 방사체는 900MHz 대역의 근접영역용 RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 안테나의 방사체를 'ㄹ' 자 모양의 meander 구조로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 형성한 것이다.
도 5b의 근접영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나는 RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 도 5a의 안테나의 방사체 구조에서 RFID 리더기의 안테나의 방사체를 meander 구조로 형성한 것이다. 도 5b의 'ㄹ' 자 모양의 meander 구조로 형성된 안테나의 방사체(10)는 길이를 쭉 펼치면 도 5a의 일자형 방사체 길이와 동일하다. RFID 리더기의 안테나의 방사체를 meander 구조로 형성함으로써, RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이게 된다.
▣ 근거리 영역 안테나 설계 및 측정
하기에는, 주기성을 가지는 RFID 리더기 안테나의 설계에 대한 주파수 특성 및 방사패턴 특성 그리고 인식률과 인식거리를 나타낸다. RFID 리더기 안테나의 구조적인 치수는 안테나의 방사패턴을 시뮬레이션하는 EM 시뮬레이션 툴(IE3D)을 사용하여 치수를 확인하였고, 실제 제작을 통해 최적화 작업을 하였다.
도 6은 제작된 RFID 리더기 안테나와 태그와 근접했을때, 제작된 안테나의 주파수 특성을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 주파수는 917~923MHz이고 대역폭은 6MHz이고 900MHz RFID 대역폭을 만족하였다. 또한 RFID 리더기를 태그 근접했을 때, 주파수 특성은 큰 변화가 없음을 확인하였다.
도 7은 RFID 리더기 안테나의 방사특성을 나타내며, (a) 5cm일 때의 전계분포, (b)원거리 영역에서의 전계분포이며, RFID 리더기 안테나의 근접영역의 전류 분포 특성을 나타낸다.
도 7(a)는 RFID 리더기 안테나에서 5cm 지점에서의 전계분포를 나타낸다. RFID 리더기 안테나의 전계는 균일한 전계분포를 나타내고 있다.
도 7(b)는 R2거리 이상의 원거리 지점에서의 방사패턴을 나타낸다. RFID 리더기 안테나의 방사패턴은 하트모양의 빔을 나타낸다.
도 8은 근접영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나의 인식률과 오인식률을 나타낸다.
도 8은 RFID 리더기 안테나의 송신 출력에 대한 선적된 태그의 인식률과 오 인식률(난반사로 인한 인접태그 인식률)을 나타내고 있다. 측정방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 선적된 태그(tag)를 두고 세 가지의 안테나를 비교 측정 하였다. 세 가지 안테나의 특성은 표 1에서 나타내고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, sample 1은 RFID 리더기 안테나의 송신출력을 높여도 인식률은 100 %가 되지 않고 오 인식률만 증가됨을 알 수 있다. sample 2는 RFID 리더기 안테나의 송신출력이 25 dBm 이상일 때 100 %의 인식률을 확보할 수가 있으나 오 인식률이 점차적으로 증가함을 알 수 있다. 본 발명에서 제안된 RFID 리더기 안테나(NEW)는 17 dBm이상의 송신출력에서 100 %의 인식률이 되며, 오 인식률은 23 dBm 이상에서 오 인식률이 발생한다. 그러므로, 제안된 RFID 리더기 안테나는 송신출력이 17d Bm에서 23 dBm까지 사용 가능함을 확인하였다.
본 발명에서 제작된 RFID 리더기의 안테나의 크기는 313 mm x 152 mm x 14 mm 이다. RFID 리더기 안테나의 성능은 R2 거리 이내의 근접영역에서 균일한 전류 분포를 이루고, R2 거리 이상의 원거리 영역에서 하트모양의 빔 모양을 가진다. 또한, RFID 리더기 안테나의 이득은 -2 dBi 이고 빔 폭은 160°이다. 실제 환경에 제안된 RFID 리더기 안테나의 송신출력이 17 dBm에서 23 dBm까지 송신출력의 범위를 가지는 것을 확인하였다. 본 발명에서 제안된 RFID 리더기 안테나는 금속면 위에 태그가 선적이 될 때 태그(tag)의 금속성분으로 인한 반사전력을 최소화하고, 외부로 방사되는 전력을 최소화하여 태그의 오 인식을 최소화하였다. 향후 태그의 편차를 최소화 하여 생산 공정에서 오 인식을 0%로 줄여 생산효율을 향상시킬 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
10: 방사체
20: 급전부 접지면
30: 반사판
L1: 방사체 패턴의 두께
L2: 방사체의 간격
W: 접지면의 가로 (W1= λ/2)
L: 접지면의 세로
H: 반사판의 높이 (H= λ/4)

Claims (6)

  1. 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나에 있어서,
    수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 형성된 방사체 패턴의 두께(L1, 임피던스 정합 기준에 따름)를 가진 복수 개의 안테나 패턴과, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(f)를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 수직 방향으로 형성된 방사체의 중간 지점에서 수평방향의 급전선과 연결되고, RFID 리더기의 신호를 태그 방향으로 방사(radiation)하는 방사체;
    상기 RFID 리더기의 신호를 안테나의 수직방향의 방사체를 연결하는 상기 급전선을 접지시키는 면인 급전부 접지면; 및
    백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 상쇄시키는 반사판을 포함하고,
    상기 방사판을 유전체 기판(FR4)을 다층 구조로 만들어 백 로브(back lobe)와 사이드 로브(side lobe)를 최소화하여 RFID 리더기가 태그의 오인식률을 줄이는 것을 특징으로 하는 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사체 및 반사판은,
    FR4(유전율,εr=4.7) 또는 알루미나(εr=10)로 된 유전체 기판(PCB 기판)을 사용하고, 상기 반사판은 금속으로 구성되고 상기 반사판을 FR4 또는 알루미나로 된 유전체 기판으로 구현하여 후방 방사를 줄이는 것을 특징으로 하는 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는
    수직방향으로 상하로 방사(radiation)되며, 상기 일정한 방사체의 간격(L2)을 안테나의 공진주파수(
    Figure pat00005
    , c= 3x108m/sec, L1은 방사체 패턴의 두께, εr은 유전율(permittivity))를 기준으로 λ/2 이하로 하여 균일한 방사패턴을 갖도록 하며, 반사판의 높이(H)를 λ/4로 설정하는 것을 특징으로 하는 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 RFID 리더기 안테나는 상기 방사체와 상기 급전부 접지면 그리고 상기 반사판으로 구성되며, 상기 RFID 리더기 안테나의 크기(L x W x H)는 313 mm x 152 mm x 14 mm, 상기 방사체는 유전체 기판(FR4) 위에 구현되고, 단일 방사체의 크기(L1 x W1)는 5 mm x 116 mm, 상기 방사체의 간격(L2)은 25 mm, 반사판의 높이(H)는 18 mm인 것을 특징으로 하는 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급전선은
    50 ohm 급전선(feeding)을 사용하고 임피던스 매칭을 위해 λ/4 전력 분배기를 사용하며, 수직방향으로 일정한 방사체의 간격(L2)마다 형성된 상기 방사체들과 중앙 지점으로 연결되며, 하단의 급전부와 연결되는 것을 특징으로 하는 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는
    900MHz 대역의 근접영역용 RFID 리더기의 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 안테나의 방사체를 'ㄹ' 자 모양의 meander 구조로 일정한 방사체의 간격(L2)에 따라 반복적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 근접 영역용 900MHz 대역 RFID 리더기 안테나.
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