KR100721057B1 - 무선주파수 식별 태그를 위한 전압체배기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선주파수 식별(RFID) 태그에서 교류(AC) 전자기파를 직류(DC) 전압신호로 변환하는 전압체배기에 관한 것으로, 교류(AC) 전자기파가 입력되는 단자에 전압이득을 얻을 수 있는 인덕터가 연결된다. 본 발명의 전압체배기는 동일한 입력 전력에 대해 종래의 전압체배기보다 큰 직류(DC) 출력전압을 산출할 수 있다. 따라서 낮은 입력 전력에 대해서도 원하는 직류(DC) 출력전압을 얻을 수 있기 때문에 유효 동작거리가 증가될 수 있으며, CMOS 반도체 공정으로 태그 칩에 집적이 용이하기 때문에 태그의 크기가 증가되지 않고 안테나와 태그 칩의 패키징이 간편하다.
무선주파수 식별(RFID), 태그 전압체배기, 전압이득, 인덕터

Description

무선주파수 식별 태그를 위한 전압체배기 {Voltage multiplier for radio frequency identification tag}
도 1은 종래의 무선주파수 식별(RFID) 태그를 설명하기 위한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 무선주파수 식별(RFID) 태그를 위한 전압체배기의 일 실시예를 설명하기 위한 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 전압체배기의 출력전압 특성을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 안테나
20: 전압체배기
30: 전자회로
40: 태그 칩
50: 전압이득 소자
본 발명은 교류(AC) 전자기파를 직류(DC) 전압신호로 변환하는 전압체배기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선주파수 식별(RFID) 시스템의 태그에 적용될 수 있는 전압체배기에 관한 것이다.
무선주파수 식별(Radio Frequency Identification; RFID)은 무선주파수(RF)를 이용하여 태그(tag)가 가지고 있는 정보를 독출하거나 태그에 정보를 기록하는 기술로서, 태그가 부착된 물건이나 동물, 사람 등을 식별, 추적 및 관리하는 데 이용된다. 이러한 무선주파수 식별(RFID) 시스템은 고유한 식별정보를 가지고 있으며 물건이나 사람 등에 부착되는 태그 또는 트랜스폰더(transponder), 태그가 가지고 있는 식별정보를 읽거나 태그에 정보를 쓰기 위한 리더(reader), 데이터베이스(object database), 네트워크(network) 등으로 이루어진다.
일반적으로 수동형 태그는 도 1에 도시된 바와 같이 리더로부터 방사된 전자기파를 수신하기 위한 안테나(10), 안테나(10)로 수신된 교류(AC) 전자기파를 직류(DC) 전압신호로 변환하는 전압체배기(20), 전압체배기(20)로부터 제공되는 직류(DC) 전압신호를 변조 및 복조하는 전자회로(30), 메모리 등으로 구성되며, 상기 전압체배기(20), 태그 전자회로(30), 메모리 등은 태그 칩(40)으로 제작된다.
이와 같이 구성되는 수동형 태그에서 상기 전압체배기(20)는 대개 캐패시터와 다이오드로 이루어지는 스테이지의 수를 조절하여 태그의 전자회로(30)에서 요구되는 전압을 산출할 수 있도록 구성된다.
그러나 종래의 디지털 CMOS 회로에 사용되는 전압체배기(20)는 주파수 대역이 높아지면 효율이 떨어지는 단점을 가진다. 이를 보완하기 위하여 높은 주파수 대역에서 전압체배기에 가장 큰 영향을 미치는 기생 캐패시턴스에 의한 효과를 상쇄시키거나, 전압체배기를 구성하는 요소인 캐패시터와 다이오드의 레이아웃을 최 적화하여 특성을 향상시키는 기술 등이 개발되고 있으나, 아직 높은 주파수 대역에서 충분한 출력전압을 얻기 어렵고 CMOS 반도체 공정으로 구현이 용이하지 못한 실정이다. 예를 들어, 900MHz 대역과 2.45GHz 대역에서 사용 가능한 무선주파수 식별(RFID) 태그가 개발되었으나, 2.45GHZ 대역에서는 직류(DC) 출력전압의 감소로 인하여 인식거리가 짧다. 또한, 안테나(10)를 통해 수신되는 교류(AC) 전자기파의 입력 전력에 따른 직류(DC) 출력전압이 다이오드와 캐패시터의 제작 방법에 따라 큰 차이를 나타내기 때문에 낮은 입력 전력에 대해 안정된 유효 동작거리를 얻기 어렵다. 그래서 낮은 입력 전력에서도 안정된 유효 동작거리를 얻을 수 있도록 다중 안테나를 이용하여 변환 효율을 높이는 방법이 개발되었으나(미국특허 제6,400,274호 참조), 이와 같이 안테나의 수가 증가되면 태그의 크기가 증가되고 안테나와 태그 칩의 패키징이 복잡해지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 높은 주파수 대역에서도 안정된 효율을 얻을 수 있으며, 낮은 입력 전력에서도 안정된 유효 동작거리를 가질 수 있는 무선주파수 식별(RFID) 태그를 위한 전압체배기를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 교류(AC) 전자기파를 직류(DC) 전압신호로 변환하는 전압체배기는 상기 교류(AC) 전자기파가 입력되는 입력 단자에 전압이득을 얻을 수 있는 인덕터가 연결된 것을 특징으로 한다.
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 무선주파수 식별(RFID) 태그를 위한 전압체배기의 일 실시예를 설명하기 위한 회로도로서, 빌러드(Villard) 형의 전압체배기를 기본으로 하는 구조를 예를 들어 설명한다.
도 1을 참조하면, 안테나(10)로 수신된 교류(AC) 전자기파를 입력받는 단자(Vin)와 직류(DC) 전압신호가 출력되는 단자(Vout) 사이에 커플링 캐패시터(C)와 다이오드(D)로 이루어진 다수의 스테이지가 접속되고, 상기 입력 단자(Vin)에는 전압이득을 얻을 수 있는 소자(50)가 연결된다.
빌러드 형 전압체배기는 단일 출력에서 접지에 대해 2배의 전압을 산출하도록 구성되며, 임의의 출력전압을 얻기 위해 케스케이드(cascade) 형태로 연결될 수 있다. 캐패시터(C1 및 C2)가 각각 1배와 2배로 완전히 충전되면 다이오드(D1 및 D2)를 통해 0과 2배 사이를 진동하는 맥동 직류(DC) 전압이 얻어진다. 이 맥동 직류(DC) 전압은 다음 단의 캐패시터(C4)에 의해 교류(AC)로 변환되고, 변환된 교류(AC) 전압이 다음 스테이지의 입력 교류(AC) 전압으로 제공된다.
N개의 스테이지로 구성된 빌러드 형 전압체배기는 2N배의 출력전압을 산출하므로 스테이지의 수를 적절히 선택하면 임의의 출력전압을 얻을 수 있다. 그러나 이와 같은 전압의 산출은 전류의 흐름이 무시할 수 있을 정도일 때 가능하다. 만약 출력 전류가 있는 경우에는 캐패시터를 통하여 교류(AC) 전류가 생성되고, 이로 인해 하기의 수학식 1과 같이 전압 강하가 나타나기 때문에 다음 스테이지에서의 입력 전압이 낮아진다.
Figure 112005063374686-pat00001
여기서, I는 출력 전류, f는 입력 주파수, C는 캐패시턴스, n는 스테이지의 수를 나타낸다.
본 발명의 전압체배기는 교류(AC) 전자기파를 입력받는 단자(Vin)에 전압이득을 얻을 수 있는 소자(50)로서 인덕터가 연결된 구조로서, 동일한 입력 전력에 대해 높은 직류(DC) 출력전압을 얻을 수 있는 구조이다. 인덕터는 싱글 턴(single turn) 형태의 라인(line)으로 구성할 수 있으며 표준 CMOS 반도체 공정으로 태그 칩 내에 집적시키거나, 외부에 별도의 부품으로 구성할 수 있다. 반도체 공정을 이용하여 태그 칩 내에 집적시키는 경우 최상부 금속층을 이용하여 인덕터를 제조하면 태그 칩의 면적을 증가시키지 않고도 기생성분에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다.
교류(AC) 전자기파를 입력받는 단자(Vin) 중 하나에 전압이득을 얻을 수 있 는 소자(50)로서 인덕터가 직렬로 연결됨으로써 전압 이득이 발생하는 이유를 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 사용되는 안테나는 73옴(Ohm) 정도의 임피던스를 갖지만, 무선주파수 식별(RFID) 태그에 사용되는 안테나는 태그 칩의 임피던스와 정합되도록 설계되어야 한다. 태그 칩의 경우 대부분 캐패시터로 이루어지기 때문에 큰 리액턴스 값을 갖는다. 따라서 이러한 캐패시터와 공진회로가 구성됨으로써 직류(DC) 출력전압이 상승되는 효과가 발생된다. 인덕터를 이용하는 경우 캐패시턴스와 공진회로를 구성할 수 있도록 적당한 인덕턴스를 갖도록 설계하는 것이 중요하다.
도 3은 본 발명에 따른 전압체배기의 직류(DC) 출력전압 특성을 나타낸 그래프로서, 915MHz의 동작주파수에서 입력 전력에 대한 직류(DC) 출력전압을 로그(log) 스케일로 나타내었다.
낮은 입력 파워에서는 직류(DC) 출력전압(선 A)이 증가함을 보이고, 높은 입력 파워에서는 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 무선주파수 인식(RFID) 시스템의 태그에 사용되는 무선주파수(RF)의 입력 전력의 범위를 고려하면 종래 전압체배기의 직류(DC) 출력전압(선 B)에 비해 동일한 입력 전력에서 증가된 직류(DC) 출력전압(선 A)을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 전압체배기는 동일한 입력 전력에 대해 종래의 전압체배기보다 큰 직류(DC) 출력전압을 산출할 수 있다. 따라서 낮은 입력 전력에 대해서도 원하는 직류(DC) 출력전압을 얻을 수 있기 때문에 유효 동작거리가 증가될 수 있다. 또한, 본 발명의 전압체배기는 CMOS 반도체 공정으로 태그 칩에 집적이 용이하기 때문에 태그 칩의 크기가 증가되지 않으며 안테나와 태그 칩의 패키징이 간편하다.

Claims (4)

  1. 교류 전자기파를 직류 전압신호로 변환하는 전압체배기에 있어서,
    상기 교류 전자기파가 입력되는 입력 단자에 전압이득을 얻을 수 있는 인덕터가 연결된 것을 특징으로 하는 무선주파수 식별 태그를 위한 전압체배기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선주파수 식별 태그 칩을 CMOS 반도체 공정으로 구현하는 경우,
    상기 인덕터는 최상부 금속층을 이용하여 싱글 턴(single turn) 형태의 라인(line)으로 구성된 것을 특징으로 하는 무선주파수 식별 태그를 위한 전압체배기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 인덕터는 상기 입력 단자 중 하나에 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 무선주파수 식별 태그를 위한 전압체배기.
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