KR100702204B1

KR100702204B1 - 신호반사포트를 구비한 ｒｆｉｄ용 방향성 결합기

Info

Publication number: KR100702204B1
Application number: KR1020060011189A
Authority: KR
Inventors: 이문규
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-04-03

Abstract

본 발명은 신호반사포트를 구비한 RFID에 순환기(circulator)로 이용되는 방향성 결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RFID에 순환기로 동작하는 4포트 방향성 결합기에서 송신포트, 수신포트, 안테나포트 이외의 또 다른 포트(Idle port)에 신호반사포트를 형성함으로써 송신포트(TX)에서 누설되는 신호에 의해 안테나를 통해 입력받은 태그 신호가 왜곡되는 것을 방지하는 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 매우 간단한 구성과 저렴한 비용으로 높은 TX-RX 분리(isolation) 특성을 얻는 효과가 있다.

순환기, RFID, 방향성 결합기, 분리도, Circulator, High Isolation, High Directivity, Directional Coupler

Description

신호반사포트를 구비한 ＲＦＩＤ용 방향성 결합기{Directional coupler for RFID with signal-reflective port}

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도2는 종래의 RFID용 방향성 결합기의 각 포트의 입력신호와 출력신호를 나타낸 도면,

도3은 본 발명의 일실시예에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기의 구성에서 신호반사포트의 물리적인 구성예를 나타낸 도면,

도4는 종래의 방향성 결합기와 본 발명의 일실시예에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기에 있어서, 주파수의 변화에 따른 분리도(Isolation)와 결합도(Coupling)를 서로 비교하여 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 송신포트 2 : 안테나포트

3 : 수신포트 4 : 신호반사포트

5 : 제1 전송선로 6 : 제2 전송선로

본 발명은 신호반사포트를 구비한 RFID에 순환기로 이용되는 방향성 결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RFID에 순환기로 동작하는 4포트 방향성 결합기에서 송신포트, 수신포트, 안테나포트 이외의 또 다른 포트(Idle port)에 신호반사포트를 형성함으로써 송신포트(TX)에서 누설되는 신호에 의해 안테나를 통해 입력받은 태그 신호가 왜곡되는 것을 방지하는 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기에 관한 것이다.

근래 들어서 제품의 바코드, 위치 센싱, 전자 결제를 위한 스마트 카드 등을 대체하는 수단으로 RFID 시스템의 사용이 증가하고 있다. 하지만, RFID 시스템이 좀 더 많은 분야에 응용되기 위해서는 비용이 적게 들고, 원거리에서도 안정적인 감지가 가능해야 한다.

그런데, RFID 리더는 연속적인 신호 파형을 내보내는 동시에 태그로부터 데이터를 입력받으므로 TX-RX 누설이 발생하는 문제점이 있다. 강한 TX 누설 신호가 수신단에 인가되면 수신 감도가 떨어지고 태그의 감지 범위가 좁아지는 등 RFID 동작 성능이 저하된다. 보다 자세하게는 수신단의 LNA(low noise amplifier, 저잡음 증폭기)가 TX 누설에 의해 포화되어 LNA의 동작 범위가 감소하게 된다. 또한 수신단의 믹서에 의한 셀프-믹싱 현상이 발생하여 DC 오프셋(offset) 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, TX의 강한 누설신호를 RX 신호로부터 분 리해야 하는데, 이러한 가장 간단한 해결책은 TX와 RX 각각에 별도의 안테나를 설치하는 것이다. 하지만 이러한 해결책은 비용과 크기가 배로 드는 문제점이 있다.

또한 페라이트 재료로 구성된 서큘레이터나 CMOS 능동 순환기(circulator)를 사용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있으나, 역시 비용이 많이 들고 순환기의 분리도(isolation)가 충분히 만족스럽지 못하다는 문제점이 있다.

이러한 순환기를 이용하는 것에 비해서 보다 나은 해결책으로서 방향성 결합기를 이용할 수 있는데, 구성이 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 현재까지 RFID 시스템의 TX와 RX의 분리하는 해결책으로서 방향성 결합기가 널리 쓰이고 있다.

그러나 방향성 결합기를 구성하는 전송선로의 우(even) 모드와 기(odd) 모드 사이의 위상 속도의 불일치로 인해 현재 일반적으로 쓰이는 방향성 결합기의 분리(isolation) 특성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 RFID용 방향성 결합기의 수신측 전송선로 일측단에 해당되는 포트(Idle port)에 신호반사포트를 형성함으로써 안테나를 통해 입력받은 신호가 수신포트(RX)로 인가되는 과정에서 송신포트(TX)에서 출력하는 신호로부터 생겨나는 TX-RX 누설을 상쇄하며, 따라서 TX-RX 누설에 의한 성능 저하가 거의 없이 안테나를 통해 전송받은 본래의 신호에 가까운 신호를 수신할 수 있게 하는 신호반 사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기는,

일측단에 송신포트가 형성되며, 타측단에 안테나가 위치하는 제1 전송선로; 및

상기 제1 전송선로와 소정의 간격을 두고 배치되며, 일측단에 상기 제1 전송선로의 안테나로부터 전송받은 신호를 출력하는 수신포트가 형성되며, 타측단에 상기 제1 전송선로의 송신포트에서 상기 수신포트로 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 생성하여 상기 수신포트로 출력하는 신호반사포트가 형성된 제2 전송선로를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 일실시예에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

제1 전송선로(5)의 양단에 송신포트(1)와 안테나(2)가 위치하며, 제2 전송선로(6)가 제1 전송선로(5)와 소정 간격 떨어져서 길이 방향으로 나란히 배치된다. 제2 전송선로(6)의 양단에는 신호반사포트(4)와 수신포트(3)가 제1 전송선로(5)의 송신포트(1), 안테나(2)와 나란히 마주보도록 형성된다.

안테나(2)는 외부 전자기파의 입력을 감지하여 수신포트(3)로 출력하는 역할을 한다. 또한 안테나(2)는 송신포트(1)에서 생성된 신호를 외부로 내보내는 역할도 한다. 이때 송신포트(1)에서 생성된 신호가 안테나(2)를 통해서 외부로 전송되는 동시에 일부 신호가 수신포트(3)로 흘러들어가는 현상이 발생하며, 이로 인해서 수신포트(3)에서는 안테나(2)를 통해 전송받은 순수한 외부 신호외에 송신포트(1)에서 누설되는 신호의 일부를 동시에 수신하게 된다.

신호반사포트(4)는 제2 전송선로(6)의 수신포트(3)의 반대쪽 일측에 형성되며, 송신포트(1)에서 수신포트(3)로 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 수신포트(3)로 전송하는 역할을 한다. 그러면 수신포트(3)에서는 송신포트(1)에서 누설된 신호뿐만 아니라 송신포트(1)에서 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 동시에 전송받게 되므로, 두 신호는 서로 상쇄되어 송신 신호가 제거되는 효과를 가져오게 된다. 따라서 수신포트(3)에서는 송신포트(1)로부터 누설된 신호의 영향없이 안테나(2)를 통해 감지된 신호를 수신할 수 있게 된다. 이때, 안테나(2)로부터 감지된 신호의 입력 손실을 복구하기 위하여 LNA(low noise amplifier, 저잡음 증폭기)를 사용하기도 한다.

도2는 종래의 RFID용 방향성 결합기의 각 포트의 입력신호와 출력신호를 나타낸 도면이다.

a1, a2, a3, a4는 각각 Port1, Port2, Port3, Port4를 통해 입력된 신호를 나타내며, 여기서 각 포트는 순서대로 송신포트(1), 안테나(2), 수신포트(3), 신호 반사포트(4)를 나타낸다. 그리고 b1, b2, b3, b4는 각 포트에서 출력되는 신호를 나타낸다.

이때, 각 포트의 입력 신호가 주어졌을 때, 각 포트의 출력 신호를 계산하는 방법이 하기의 [수학식1]에 제시되어 있다.

[수학식1]

여기서, T, I, C는 주어진 방향성 결합기의 특성을 나타내는 값들로서 각각 투과도(Through 값), 결합도(Coupling 값), 분리도(Isolation 값)를 나타낸다. 또한, 입력단(a1 ~ a4)과 출력단(b1 ~ b4) 사이의 전력비가 4×4 행렬의 형태로 나타나며, 이 행렬의 각 구성요소를 S파라미터라고 부른다. 여기에 제시된 S파라미터는 일반적인 방향성 결합기의 입출력단간의 전력비를 나타낸다.

도1에 제시된 것과 같이 Port4에 반사계수Γ를 갖는 신호반사포트(4)가 형성되어, Port4로부터 출력되는 b4에 일정한 반사계수Γ가 적용된 a4를 반사 입력하는 조건이 추가된다. 따라서 하기의 [수학식2]와 같은 조건이 부가된다.

[수학식2]

여기서, Γ는 포트4, 즉 신호반사포트(4)의 반사계수이다.

[수학식2]의 내용을 [수학식1]에 대입하여 얻어낸 결과가 하기의 [수학식3]에 해당된다. S파라미터가 3×3으로 축소되었음을 알 수 있다.

[수학식3]

이때, 최종적으로 수신포트(3) 즉, Port3를 통해 출력되는 신호 b3는 송신포트(1)에서 생성된 신호 a1의 영향을 받지 않도록 하는 것이 본 발명의 목적이다. 따라서 위의 S파라미터 중에서 3행 1열에 해당되는 S31의 값이 0이 되어야 하며, 이를 수식으로 나타내면 하기의 [수학식4]와 같다.

[수학식4]

그리고, [수학식4]의 내용을 Γ에 대하여 정리하면, 최종적으로 하기의 [수학식5]와 같은 반사계수Γ를 얻게 된다.

[수학식5]

따라서, 수신포트(3)로 누설된 송신포트(1)의 신호를 상쇄하기 위해서, Port4에 위치하는 신호반사포트(4)의 회로는 [수학식5]의 반사계수를 갖도록 구현되며, 여기서 I는 종래의 RFID용 방향성 결합기의 분리도(Isolation 값), T는 RFID용 방향성 결합기의 투과도(Through 값), C는 RFID용 방향성 결합기의 결합도(Coupling 값)를 나타낸다.

도3은 본 발명의 일실시예에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기의 구성에서 신호반사포트의 물리적인 구성예를 나타낸 도면이다.

신호반사포트(4)는 저항을 통해 접지되며 보통 50Ω의 값을 갖는다. 그리고, 신호반사포트(4)의 반사계수Γ가 [수학식5]를 만족하게 하는 임피던스 값을 갖는 회로로 이루어진다. 도3에서는 저항과 병렬로 연결된 회로가 단순한 도선으로 구성되었으며, 고주파 회로에서는 도선의 길이가 길어지면 인덕턴스를 갖는 특성을 이용하여 이와 같이 단순한 구성으로도 원하는 결과를 얻어낼 수가 있다. 이와 같은 회로구성 외에도 [수학식5]로부터 얻어진 반사계수를 갖는 신호반사포트(4)는 인덕터(L)와 커패시터(C) 등의 수동소자로 구성된 다양한 회로구성이 가능하다.

도4a는 종래의 방향성 결합기의 특성을 나타낸 그래프로서, 주파수 910 MHz에서 분리도(isolation)가 25.1 dB를 나타내며, 결합도(Coupling)가 13.7 dB를 나타낸다. 분리도와 결합도 사이의 차를 방향성(directivity)이라 정의하면, 종래의 방향성 결합기의 방향성은 11.4 dB에 해당된다.

도4b는 본 발명에 따른 방향성 결합기의 특성을 나타낸 그래프로서, 주파수 910 MHz에서 분리도가 64.6 dB를 나타내며, 결합도(Coupling)가 14.9 dB를 나타낸다. 이때의 방향성은 49.7 dB에 해당된다. 종래의 방향성 결합기와 본 발명에 따른 방향성 결합기를 비교해 보았을 때, 본 발명의 방향성 결합기의 분리도가 월등히 향상되어 이에 따른 방향성이 높아졌음을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 방향성 결합기에 안테나의 반사계수를 적용시키면 송신포트(1)에서 안테나에서 반사된 송신신호가 수신포트(3)로 누설되는 것을 상쇄시킬 수 있어, 수신포트(3)에서의 송신신호의 누설에 의한 영향을 더욱 줄일 수 있다. 상기에 유도된 [수학식3]에 하기의 [수학식6]의 조건을 대입할 수 있다.

[수학식6]

여기서, Γ_A는 안테나의 반사계수이다.

[수학식3]에 [수학식6]을 대입하여 얻어낸 결과가 하기의 [수학식7]에 해당된다. S파라미터가 2×2로 더 축소되었음을 알 수 있다.

[수학식7]

[수학식4]의 유도와 마찬가지로 송신포트(1)의 신호가 수신포트(3)로 새어나가는 것을 막기 위해서는 S파라미터의 S21이 0이 되어야 한다. 하지만 상기의 [수학식7]의 S21을 이용하여 신호반사포트(4)의 반사계수를 구하는 것은 다소 까다롭고 복잡하다. 따라서 근사화가 가능하며 이렇게 근사화된 반사계수 Γ의 조건은 하 기의 [수학식8]과 같다.

[수학식8]

그리고 [수학식8]을 정리하면 하기의 [수학식9]에 나타낸 바와 같이 안테나의 반사도 함께 고려해 송신신호가 수신포트로 새어나가는 것을 막기 위한 신호반사포트(4)의 반사계수Γ를 얻게 된다.

[수학식9]

이상에서 몇 가지의 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결 합기에 의하면, RFID용 방향성 결합기의 수신측 전송선로의 일측단의 접지된 포트(Idle port)에 송신포트(TX)로부터 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 생성하는 신호반사포트를 형성함으로써, 안테나를 통해 입력받은 신호가 수신포트(RX)로 출력될 때 송신포트(TX)로부터 누설된 신호에 의해 왜곡되는 것을 방지하게 되는 효과가 있으며, 매우 간단한 구성과 저렴한 비용으로 높은 TX-RX 분리(isolation) 특성을 개선하는 효과가 있다.

Claims

일측단에 송신포트가 형성되며, 타측단에 안테나가 위치하는 제1 전송선로; 및

상기 제1 전송선로와 소정의 간격을 두고 배치되며, 일측단에 상기 제1 전송선로의 안테나로부터 전송받은 신호를 출력하는 수신포트가 형성되며, 타측단에 상기 제1 전송선로의 송신포트에서 상기 수신포트로 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 생성하여 상기 수신포트로 출력하는 신호반사포트가 형성된 제2 전송선로를 포함하여 이루어지는 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기.
제1항에 있어서,

상기 신호반사포트의 반사계수는 [수학식10]을 만족하는 것을 특징으로 하는 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기.

[수학식10]

여기서, Γ는 상기 신호반사포트의 반사계수, I는 상기 RFID용 방향성 결합기의 분리도(Isolation 값), T는 상기 RFID용 방향성 결합기의 투과도(Through 값 ), C는 상기 RFID용 방향성 결합기의 결합도(Coupling 값), Γ_A는 상기 RFID용 방향성 결합기의 안테나포트에 연결된 안테나의 반사계수이다.
제2항에 있어서,

상기 신호반사포트는 저항을 통해 접지되며, 상기 신호반사포트의 반사계수가 [수학식10]을 만족하게 하는 임피던스 값을 갖는 회로가 상기 저항과 병렬로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기.
제2항에 있어서,

상기 신호반사포트는 저항을 통해 접지되며, 상기 신호반사포트의 반사계수가 [수학식10]을 만족하도록 길이가 조정된 도선이 상기 저항과 병렬로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 신호반사포트를 구비한 RFID용 방향성 결합기.