KR100729929B1 - 임피던스 정합장치가 구비된 안테나 - Google Patents

임피던스 정합장치가 구비된 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선인식(Radio Frequency Identification)에서 태그(tag)의 칩에 직접 연결되는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나를 제공한다.
본 발명에 따르면, 유전체 기판에 한 쌍의 다이폴 안테나 패턴을 형성하고, 또한 양 단부가 다이폴 안테나 패턴과 연결되며 인덕티브 리액턴스의 값을 가지는 단락 전송선로의 패턴을 형성하는 것으로 다이폴 안테나 패턴과 단락 전송선로의 패턴이 컨쥬게이트 정합을 이루도록 한다. 그러므로 별도의 추가적인 정합회로를 사용하지 않고서도 태그 칩과 다이폴 안테나가 임피던스 정합을 이룰 수 있고, 간단하고 저렴하게 제조할 수 있다.
태그, 리더기, 안테나, 무선인식, RFID, 임피던스 정합, 정합회로

Description

임피던스 정합장치가 구비된 안테나{Antenna with impedance matching apparatus}
도 1은 종래의 태그와 안테나의 사이에 구비되는 임피던스 정합회로의 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명의 안테나의 일 실시 예의 구성을 보인 도면.
도 3은 다이폴 안테나의 임피던스 특성을 측정하여 보인 그래프.
도 4는 본 발명의 안테나의 임피던스 특성을 측정하여 보인 그래프.
도 5는 본 발명의 안테나의 정규화된 입력 반사계수를 측정하여 보인 그래프.
도 6은 본 발명의 안테나의 임피던스 변화를 측정하여 보인 그래프.
도 7은 본 발명의 안테나의 다른 실시 예의 구성을 보인 도면.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 안테나의 또 다른 실시 예들의 구성을 보인 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
200 : 유전체 기판 210 : 태그 칩
220a, 220b : 다이폴 안테나 패턴 230a, 230b : 연결패턴
240a, 240b : 전송선로 패턴 250a, 250b, 700 : 단락 패턴
800, 810 : 단락 전송선로
본 발명은 소정 주파수의 신호를 송신 및 수신하는데 사용되는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나에 관한 것이다.
보다 상세하게는 무선인식(Radio Frequency Identification; 이하, 'RFID'라고 약칭함)에서 다이폴 안테나에 임피던스 정합장치를 일체로 포함시켜 태그 칩에서 출력되는 송신신호를 손실이 발생됨이 없이 안테나로 전달하고, 또한 안테나를 통해 수신되는 신호를 손실이 발생됨이 없이 태그 칩으로 전달할 수 있는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나에 관한 것이다.
무선인식 기술은 리더기와 태그가 소정의 주파수로 무선 통신을 수행하여 사물이나 사람을 식별할 수 있는 기술이다. 상기 무선인식에 사용되는 태그는 크게 능동형과 수동형으로 구분된다.
상기 능동형의 태그는 433㎒ 대역의 주파수를 사용하고, 배터리를 내장하여 태그 칩에 동작전원을 공급하고 있는 것으로서 인식거리가 100m 이상이다.
상기 수동형의 태그는 860∼960㎒ 대역의 주파수를 사용하고, 배터리가 내장되지 않는 것으로서 리더기가 송출하는 전자기파를 안테나를 통해 수신하고, 수신한 전자기파를 정류회로로 정류하여 태그 칩의 동작전원으로 사용하는 것이다.
그러므로 수동형 태그는 안테나에 인가되는 전자기파를 최대한 손실이 발생 됨이 없이 태그 칩으로 전달할 수 있도록 하여야 된다.
상기 정류회로는 태그 칩 내에 포함되어 있는 것으로서 통상적으로 쇼트키 다이오드와 커패시터가 병렬로 연결된 구조 또는 병렬로 연결된 쇼트키 다이오드와 커패시터가 복수 개 배열되어 있는 구조로 구성된다.
태그 칩의 입력 임피던스는 저항과 커패시터의 병렬 연결로 등가화할 수 있다.
상기 태그 칩과 다이폴 안테나가 상호간에 소정의 신호를 손실이 발생됨이 없이 전달하기 위해서는 태그 칩과 다이폴 안테나의 임피던스를 상호간에 정합시켜야 된다.
일반적으로 태그 칩의 입력 임피던스는 복소 임피던스 값을 가지므로 태그 칩과 안테나의 사이에는 컨쥬게이트(Conjugate) 정합이 필요하다.
태그 칩의 입력 임피던스는 R-jX(여기서, R은 저항이고, j는 허수 단위이며, X는 리액턴스이다.)로 표현할 수 있고, 컨쥬게이트 정합을 위하여 다이폴 안테나의 임피던스는 R+jX의 값을 가져야 한다.
이를 위하여 종래에는 별도의 인덕터 및 커패시터로 이루어지는 임피던스 정합회로를 태그 칩과 안테나의 사이에 구비하고 있다.
이러한 종래의 기술을 도 1의 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 태그와 안테나의 사이에 구비되는 임피던스 정합회로의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 100은 태그 칩이고, 부호 110a 및 110b는 예를 들면, 각기 λ/4(여기서, λ는 파장임)의 길이를 가지는 다이폴 안테나이다.
상기 태그 칩(100)과 다이폴 안테나(110a, 110b)의 사이에는 임피던스 정합회로(120)가 구비된다.
상기 임피던스 정합회로(120)는 태그 칩(100)과 다이폴 안테나(110a)의 사이에 인덕터(121, 123)가 직렬 연결되고, 인덕터(121, 123)의 접속점과 상기 다이폴 안테나(110b) 및 태그 칩(100)의 접속점 사이에 커패시터(125)가 연결된다.
이러한 구성을 가지는 종래의 임피던스 정합회로(120)는 다이폴 안테나(110a, 110b)에 연결되는 두 단자의 임피던스(ZA1)가 다이폴 안테나(110a, 110b)의 임피던스(ZA2)와 동일하고, 또한 태그 칩(100)과 연결되는 두 단자의 임피던스(ZRF2)가 태그 칩(100)의 임피던스(ZRF1)와 동일한 값을 갖도록 인덕터(121, 123) 및 커패시터(125)의 값을 설정한다.
그러면, 태그 칩(100)과 다이폴 안테나(110a, 110b)의 사이에서 임피던스 정합회로(120)가 임피던스 정합을 형성하여 다이폴 안테나(110a, 110b)로 수신되는 신호가 임피던스 정합회로(120)를 통해 모두 태그 칩(100)으로 전달되고, 또한 태그 칩(100)에서 출력되는 신호가 임피던스 정합회로(120)를 통해 모두 다이폴 안테나(110a, 110b)로 전달되어 송신된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 기술은 태그 칩(100) 및 다이폴 안테나(110a, 110b)의 사이에 임피던스를 정합시키기 위한 별도의 임피던스 정합회로(120)를 구성해야 되므로 제조공정이 복잡하게 되고, 또한 제조원가가 상승하게 된다. 또한 임피던스 정합회로에 의해 송수신하는 신호의 손실이 발생하여 인식거리 가 감소하게 되는 문제점이 있었다.
그리고 태그 칩 내에 입피던스 정합회로를 일체로 구성할 수도 있으나, 이는 태그 칩의 제조에 많은 시간과 비용이 소요되고, 또한 태그 칩의 특성을 안테나의 특성에 맞도록 변형하기가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 별도의 임피던스 정합회로를 구비하지 않고, 안테나에 입력 정합장치를 일체로 포함시켜 수신되는 신호의 손실이 발생됨이 없이 최대 전력을 태그 칩으로 전달할 수 있는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 개별 소자들을 사용하지 않고, 자체적으로 임피던스를 변화시켜 태그 칩과 임피던스를 정합시킬 수 있는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 임피던스 정합장치가 구비된 안테나는 다이폴 안테나와 연결되고, 인덕티브 리액턴스의 값을 가지는 단락 전송선로를 형성한다. 이를 위하여 본 발명은 유전체 기판에 다이폴 안테나의 패턴을 형성하고, 또한 유전체 기판에 다이폴 안테나와 연결되는 단락 전송선로의 패턴을 형성하여 단락 전송선로 패턴의 인덕티브 리액턴스의 값은 다이폴 안테나 패턴의 리액턴스 값을 증가시키게 한다.
그러므로 본 발명의 임피던스 정합장치가 구비된 안테나는, 유전체 기판; 상 기 유전체 기판에 형성되는 다이폴 안테나 패턴; 및 상기 유전체 기판에 형성되고, 양 단부가 상기 다이폴 안테나 패턴과 연결되는 단락 전송선로의 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단락 전송선로의 패턴은, 인덕티브 리액턴스의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단락 전송선로의 패턴은 복수 개인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단락 전송선로의 패턴은, 상기 다이폴 안테나 패턴과 나란하게 형성되는 전송선로 패턴; 및 상기 전송선로 패턴의 양 단부에서 수직으로 형성되어 상기 다이폴 안테나 패턴과 연결되는 단락패턴으로 구성됨을 특징으로 한다.
그리고 상기 전송선로 패턴의 중간부에서 상기 다이폴 안테나 패턴과 연결되는 적어도 하나 이상의 단락패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단락 전송선로의 패턴은, 반원형, 반 타원형 또는 삼각형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 안테나의 일 실시 예의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 200은 유전체 기판이다 상기 유전체 기판(200)의 중앙부에는 태그 칩(210)이 부착된다.
상기 태그 칩(210)의 좌우 양측에는 소정의 길이를 가지는 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)이 형성된다.
상기 태그 칩(210)과 상기 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)은 연결패턴(230a, 230b)을 통해 상호간에 전기적으로 연결되어 태그 칩(210)이 출력하는 소정 의 송신신호가 연결패턴(230a, 230b)을 통해 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)으로 전달되어 송신되고, 또한 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)으로 수신되는 소정의 신호가 연결패턴(230a, 230b)을 통해 태그 칩(210)으로 전달된다.
부호 240a 및 240b는 전송선로 패턴이다. 상기 전송선로 패턴(240a, 240b)은 상기 태그 칩(210)의 상부 및 하부의 위치에 상기 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과 평행하도록 형성된다.
부호 250a 및 250b는 단락 패턴이다. 상기 단락 패턴(250a)(250b)은 상기 전송선로 패턴(240a, 240b)의 양 단부에서 상기 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과의 사이에 수직으로 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 임피던스 정합장치가 구비된 안테나는 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과, 전송선로 패턴(240a)(240b) 및 단락 패턴(250a)(250b)으로 이루어지는 2개의 단락 전송선로로 분리할 수 있다.
특성 임피던스 Zo이고, 상기 전송선로 패턴(240a) 및 단락 패턴(250a)과, 전송선로 패턴(240b) 및 단락 패턴(250b)의 길이가 L인 단락 전송선로의 입력 임피던스 Zin는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112006006765307-pat00001
여기서, β=2π/λ이며, λ는 중심 주파수의 파장이다.
상기 수학식 1에서 상기 전송선로 패턴(240a)(240b)와 단락패턴(250a)(250b)으로 이루어진 단락 전송선로는 인덕티브 리액턴스의 값을 가지고 있음을 알 수 있 고, 그 인덕티브 리액턴스의 값은 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과 연결되어 리액턴스 값을 증가시키는 역할을 수행하게 된다.
상술한 바와 같이 태그 칩은 다이오드와 커패시터로의 병렬 구조로 구성되어 입력 임피던스가 R-jX의 형태를 가지게 된다. 입력 임피던스가 R-jX인 일반적인 태그 칩의 경우에 R 값이 X값에 비하여 상대적으로 작은 값을 가지고 있다. 즉, R＜X이다. 그리고 R 값의 범위는 수Ω에서 수십 Ω의 사이이며, X 값은 백Ω에서 수백Ω의 사이의 값을 갖는다.
이상적인 다이폴 안테나의 경우에 사용주파수에서의 임피던스 값은 73+j42.5Ω이다. 따라서 이상적인 다이폴 안테나를 태그 칩(210)에 직접 연결할 경우에 임피던스 정합이 이루어지지 않으므로 다이폴 안테나로 수신되는 신호의 많은 부분이 반사되어 태그 칩을 활성화시키기 위한 전원으로 사용되지 못하고, 이로 인하여 태그 칩의 인식거리가 현저하게 저하된다.
태그 칩의 입력 임피던스는 상술한 바와 같이 R-jX의 커패시티브 리액턴스의 값을 가지고 있으므로 안테나에 수신되는 전자기파의 전력을 최대한 태그 칩으로 전달하기 위해서는 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과 태그 칩(210)의 사이에 컨쥬게이트 정합이 이루어져야 한다.
다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과 태그 칩(210)의 사이에 컨쥬게이트 정합이 이루어지기 위해서는 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)의 입력 임피던스가 R+jX로 인덕티브 리액턴스의 값을 가져야 된다.
즉, 이상적인 다이폴 안테나의 형상에 인덕티브 리액턴스의 값을 갖는 형상 을 추가하여야 태그 칩(210)과의 컨쥬게이트 정합을 이룰 수 있다.
태그 칩(210)의 임피던스를 임의의 임피던스인 6.7-j197Ω으로 설정하고, d나테나를 설계하여 특성을 측정하였다.
도 3은 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)의 임피던스 특성을 측정한 그래프이다. 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)의 공진 주파수는 약 1.4㎓대역이고, 관심 주파수 대역인 900㎒의 대역에서 임피던스의 실수부는 약 120Ω정도이며, 이때 임피던스의 허수부는 약 650Ω 정도로서 원하는 임피던스인 6.7+j197Ω에는 미치지 못하였다.
그러므로 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)은 태그 칩(210)으로 최대 전력을 전달하는 안테나로서의 역할을 할 수 없음을 알 수 있었다.
도 4는 본 발명에 따라 유전체 기판(200)에 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과, 전송선로 패턴(240a)(240b) 및 단락 패턴(250a)(250b)으로 이루어지는 2개의 단락 전송선로를 형성하여 임피던스 특성을 측정한 그래프이다.
여기서, 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)의 각각의 길이는 48㎜로 형성하였고, 전송선로 패턴(240a)(240b)의 각각의 길이는 34㎜로 형성하였으며, 단락 패턴(250a)(250b)의 길이는 7㎜로 형성하였으며, 태그 칩(210)이 연결되는 위치로부터 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)의 23.5㎜의 위치에 단락 패턴(250a)(250b)이 연결되도록 형성하였다.
도 4의 그래프에서와 같이 본 발명의 안테나는 관심 주파수 대역인 900㎒의 대역에서 임피던스의 실수부는 약 10Ω정도이며, 임피던스의 허수부는 약 80Ω 정 도임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 안테나의 입력 임피던스를 태그 칩(210)의 컨쥬게이트 임피던스인 6.7+j197로 정규화하였을 경우에 입력 반사계수를 측정하여 보인 그래프이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 안테나는 900㎒의 대역에서 입력 반사계수가 매우 낮은 값을 갖는 것으로서 수신되는 전자기파의 대부분을 태그 칩(210)으로 전달하여 동작전원으로 사용할 수 있고, 이로 인하여 태그 칩(210)의 인식거리가 길어짐을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 안테나에서 전송선로 패턴(240a)(240b) 및 단락패턴(250a)(250b)의 길이와 위치를 변화시키면서 임피던스를 측정하여 보인 그래프이다.
상기 도 6의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 전송선로 패턴(240a)(240b) 및 단락 패턴(250a)(250b)의 길이와 위치를 변화시킴에 따라 임피던스의 실수부 및 허수부가 다양한 값으로 가변되었고, 이는 전송선로 패턴(240a)(240b) 및 단락 패턴(250a)(250b)의 길이와 위치의 변화로 태그 칩(210)의 원하는 임의의 임피던스에 안테나를 정합시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 안테나의 다른 실시 예의 구성을 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명은 전송선로 패턴(240a)(240b)의 양 단부에만 단락패턴(250a)(250b)을 형성하지 않고, 전송선로 패턴(240a)(240b)의 중간부에서도 다이폴 안테나 패턴(220a, 220b)과 연결되는 복수의 단락패턴(700)을 형성하여 구성할 수 도 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 안테나의 또 다른 실시 예들의 구성을 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 상기 전송선로 패턴(240a)(240b) 및 단락패턴(250a)(250b)을 형성하지 않고, 반원형 또는 반 타원형으로 단락 전송선로(800)나 삼각형의 단락 전송선로(810)로 변형하여 형성할 수 있으며, 그 외에 여러 가지의 형태로 단락 전송선로를 변형시켜 형성할 수도 있다.
그리고 상기에서는 다이폴 안테나에 2개의 단락 전송선로를 형성한 것을 예로 들어 설명한 것으로서 단락 전송선로의 개수는 1개만을 형성하거나 또는 3개 이상 복수 개를 형성할 수도 있다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 다이폴 안테나에 컴플렉스 임피던스 정합을 위한 단락 전송선로를 형성하여 컨쥬게이션 정합이 이루어지도록 함으로써 별도의 추가적인 정합회로를 사용하지 않고서도 태그 칩과 다이폴 안테나가 임피던스 정합을 이룰 수 있고, 간단하고 저렴하게 제조할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면에 상호간에 직선을 이루도록 형성되는 2개의 다이폴 안테나 패턴; 및
    상기 유전체 기판의 상면에 형성되고, 양 단부가 상기 2개의 다이폴 안테나 패턴과 각기 연결되는 단락 전송선로의 패턴으로 이루어지는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 전송선로의 패턴은;
    인덕티브 리액턴스의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 전송선로의 패턴은;
    복수 개인 것을 특징으로 하는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 단락 전송선로의 패턴은;
    상기 다이폴 안테나 패턴과 나란하게 형성되는 전송선로 패턴; 및
    상기 전송선로 패턴의 양 단부에서 수직으로 형성되어 상기 2개의 다이폴 안테나 패턴과 각기 연결되는 단락패턴으로 구성됨을 특징으로 하는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전송선로 패턴의 중간부에서 상기 2개의 다이폴 안테나 패턴과 각기 연결되는 적어도 하나 이상의 단락패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 단락 전송선로의 패턴은;
    반원형, 반 타원형 또는 삼각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합장치가 구비된 안테나.
KR1020060008859A 2006-01-27 2006-01-27 임피던스 정합장치가 구비된 안테나 KR100729929B1 (ko)

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KR101100421B1 (ko) 2009-12-10 2011-12-30 대구대학교 산학협력단 Ｒｆｉｄ 태그 안테나의 임피던스 측정장치 및 측정방법
CN103091556A (zh) * 2011-10-31 2013-05-08 国民技术股份有限公司 一种电子标签匹配阻抗的测量方法及系统

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KR100343529B1 (ko) 1999-07-01 2002-07-19 주식회사 감마누 무선 데이터통신용 단말기에 내장하기 위한 다이폴 안테나

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