KR100751293B1 - Planar dipole antenna on the surface of conducting plane for rfid tag - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 수평 다이폴 안테나에서 접지판과 방사소자 높이 변화에 따른 이득 변화를 보인 그래프,1 is a graph showing a change in gain according to the height of the ground plate and the radiating element in the conventional horizontal dipole antenna,
도 2는 종래 수평 다이폴 안테나에서 접지판과 방사소자 높이 변화에 따른 임피던스 변화를 보인 그래프,2 is a graph showing a change in impedance according to the height of the ground plate and the radiating element in the conventional horizontal dipole antenna,
도 3은 종래 저자세 비대칭 다이폴 안테나의 개략적 구성도,3 is a schematic configuration diagram of a conventional low profile asymmetric dipole antenna,
도 4는 종래 접지판상에 구현된 비대칭 다이폴 안테나의 개략적 구성도,4 is a schematic configuration diagram of an asymmetric dipole antenna implemented on a conventional ground plate;
도 5는 도 4에 따른 반사손실을 보인 그래프,5 is a graph showing the return loss according to FIG.
도 6은 도 4에 따른 방사패턴을 보인 그래프,6 is a graph showing a radiation pattern according to FIG.
도 7은 본 발명에 따른 다이폴 안테나를 보인 그래프,7 is a graph illustrating a dipole antenna according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 제1~3 패턴에 대한 구성도,8 is a configuration diagram for the first to third patterns according to the present invention,
도 9는 본 발명에 따른 다이폴 안테나의 크기를 보인 예시도,9 is an exemplary view showing the size of a dipole antenna according to the present invention;
도 10은 본 발명의 파라미터 i 변화에 따른 주파수 변화를 보인 그래프,10 is a graph showing a frequency change according to the change of the parameter i of the present invention;
도 11은 본 발명의 파라미터 d 변화에 따른 임피던스 변화를 보인 그래프,11 is a graph showing a change in impedance according to a change in parameter d of the present invention;
도 12는 본 발명의 제1~3 패턴과 접지판 사이의 높이 변화에 따라 정합된 파라미터를 보인 표,12 is a table showing parameters matched according to the height change between the first to third patterns and the ground plate of the present invention;
도 13은 본 발명의 제1~3 패턴과 접지판 사이의 높이가 5㎜인 경우의 반사손실을 보인 그래프,13 is a graph showing the reflection loss when the height between the first to third patterns and the ground plate of the present invention is 5mm,
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 제1~3 패턴과 접지판 사이의 높이들에 대한 방사패턴을 보인 그래프.14A and 14B are graphs showing radiation patterns for heights between the first to third patterns and the ground plate of the present invention.
도 15 및 도 16은 본 발명의 변형 실시예를 보인 예시도.15 and 16 are exemplary views showing a modified embodiment of the present invention.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ** ** Description of symbols for the main parts of the drawing **
G: 접지판 F: 유전체G: ground plate F: dielectric
110: 제1 패턴 112: 좌편110: first pattern 112: left side
114: 우편 120: 제2 패턴114: Postal 120: Second Pattern
130: 제3 패턴 132: 돌출길이130: third pattern 132: protrusion length
P1, P2 : 단락수단P1, P2: Short circuit means
본 발명은 다이폴 안테나에 관한 것으로서, 특히 금속표면에 용이하게 장착할 수 있는 RFID태그용 평면 다이폴 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a dipole antenna, and more particularly, to a planar dipole antenna for an RFID tag that can be easily mounted on a metal surface.
RFID 시스템이란, 사물의 고유정보를 포함한 IC칩을 소형 안테나에 부착하여 사물의 인식, 정보수집을 비롯하여 해당 사물을 추적할 수 있도록 구현한 시스템을 의미한다. 근래 국내외로의 물류 이동이 빈번하고 또한 그 이동량이 급속히 증가함 에 따라 RFID의 필요성이 절실히 요구되고 있다. 특히, 선박 혹은 항공기를 이용한 물류 이동시에 쓰이는 컨테이너에 용이하게 부착할 수 있는 금속표면 장착형 RFID태그용 안테나의 수요가 증가 일로에 있다.The RFID system refers to a system in which an IC chip including unique information of an object is attached to a small antenna so as to recognize the object, collect information, and track the corresponding object. Recently, the necessity of RFID is urgently required due to the frequent movement of logistics to domestic and foreign countries and the rapid increase of the movement. In particular, there is an increasing demand for antennas for metal surface-mounted RFID tags that can be easily attached to containers used for logistics movement by ship or aircraft.
그러나, 주지된바와 같이 금속표면 장착형 안테나의 경우, 영상효과에 의한 안테나의 임피던스 저하로 바람직한 방사가 이루어지지 않으며, 더욱이 대역폭이 좁은 단점이 있다. 또한, 현재까지 선보인 안테나 중에서 저자세를 갖는 안테나는 그 부피와 높이면에서 매우 크기 때문에 RFID태그용 안테나로는 적합하지 않다. 예를 들어, 아래의 [참고문헌]과 같이 비대칭 저자세 다이폴 안테나의 경우, 안테나 방사소자는 높이 0.03λ로 저자세가 확보되었으나, 방사이득을 증가시키기 위해 접지판 하부에 3차원 구조의 1/4λ 'bazooka balun'을 채용한 바, 그에 따른 'balun(발룬, balance-unbalance)' 공간이 필요하다. 따라서 안테나의 전체적인 크기에 있어서도 3차원 구조를 통해 소형화를 이루었다고 보기에는 다소 미흡한 점이 있다. However, as is well known, in the case of a metal surface-mounted antenna, a preferable radiation is not achieved due to a decrease in the impedance of the antenna due to an image effect, and furthermore, there is a disadvantage in that the bandwidth is narrow. In addition, antennas having a low profile among the antennas introduced to date are very large in volume and height, and thus are not suitable as antennas for RFID tags. For example, in the case of the asymmetric low-length dipole antenna as shown in the following [ Reference ] , the low-profile antenna radiating element is secured with a height of 0.03λ, but in order to increase the radiation gain, the 1 / 4λ ' As it adopts bazooka balun ', a' balun ( bal ance- un balance) 'space is required. Therefore, in terms of the overall size of the antenna it is somewhat insufficient to be miniaturized through a three-dimensional structure.
[참고문헌] - Takehiro Imura 외 5인, "Excitation Dipole mode in Asymmetrical Ultra Low Profile Dipole Antenna", ISAP 2006. [ References ] -Takehiro Imura et al., "Excitation Dipole mode in Asymmetrical Ultra Low Profile Dipole Antenna", ISAP 2006.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, CPW 급전구조를 이용하여, 소형이면서도 금속표면 장착이 가능한 고이득의 RFID태그용 평면 다이폴 안테나를 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and provides a high gain flat dipole antenna for RFID tag, which can be mounted on a small surface using a CPW feeding structure.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. In the meantime, when it is determined that the detailed description of the known functions and configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, it should be noted that the detailed description is omitted.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 보다 명확히 설명하기 위해 종래 다이폴 안테나의 특성들을 살펴본다. 살펴볼 항목 세 가지로서, "접지판 높이에 따른 수평 다이폴 안테나의 특성", "저자세 비대칭 다이폴 안테나의 특성", 그리고 "접지판상 비대칭 다이폴 안테나 특성"이다.Hereinafter, the characteristics of the conventional dipole antenna will be described in order to more clearly describe the technical idea of the present invention. The three items to look at are "characteristics of horizontal dipole antennas with ground plate height", "characteristics of low-profile asymmetric dipole antennas", and "characteristics of asymmetric dipole antennas on ground plates".
[ 접지판 높이에 따른 수평 다이폴 안테나의 특성 ][Characteristics of Horizontal Dipole Antenna According to Ground Plate Height]
일반적인 접지판(또는 반사판) 부착 다이폴 안테나는, 브로드 사이드 방향으로 최대 지향성을 얻기 위해 방사소자와 접지판 사이의 높이를 1/4λ가 되도록 설계된다. 이때의 방사이득은 7dBi를 나타내며, 높이가 1/10λ일때 최대이득(9dBi)을 얻게 된다. 첨부도면 도 1은 접지판으로부터 방사소자 높이 변화에 따른 이득의 변화 특성을 시뮬레이션한 그래프이다. 도면과 같이 1/10λ일때 최대이득을 나타내고 있으며, 1/10λ보다 작아질수록 방사효율이 낮아지고 있음을 알 수 있다. A general dipole antenna with a ground plate (or reflecting plate) is designed so that the height between the radiating element and the ground plate is 1/4 lambda to obtain maximum directivity in the broad side direction. The radiation gain at this time is 7dBi, and the maximum gain (9dBi) is obtained when the height is 1 / 10λ. 1 is a graph simulating the change of the gain according to the height change of the radiating element from the ground plate. As shown in the figure, the maximum gain is shown when 1 / 10λ, and the radiation efficiency is lower as it is smaller than 1 / 10λ.
이를 부연하면, 방사소자가 접지판에 가까우면 영상효과에 의해 안테나 입력 임피던스가 낮아지면서, 방사된 전자파도 반사파와 역 위상(반전된 위상)으로 인해 소거되어 결과적으로 방사효율이 현격히 떨어지는 것이다. 구체적으로 도 2를 참조 하면, 방사소자와 접지판과의 거리가 가까워짐에 따라 임피던스가 매우 작아지게 되고, 종국에는 임피던스가 0에 수렴함을 알 수 있다. 임피던스가 0에 수렴한다는 것은 안테나는 방사기능을 상실했다고 생각할 수 있다. 이러한 특성으로부터 안테나 자체의 임피던스를 증가시킴으로써 접지판과의 임피던스를 높이는 안테나가 요구됨을 능히 추고할 수 있다.In other words, when the radiating element is close to the ground plane, the antenna input impedance is lowered by the image effect, and the radiated electromagnetic waves are also canceled due to the reflected wave and the reversed phase (inverted phase), and as a result, the radiation efficiency is significantly reduced. Specifically, referring to FIG. 2, the impedance becomes very small as the distance between the radiating element and the ground plate gets closer, and eventually, the impedance converges to zero. Converging to zero implies that the antenna has lost radiation. From this characteristic, it is possible to increase the impedance of the antenna itself, suggesting that an antenna for increasing the impedance with the ground plane is required.
[ 저자세 비대칭 다이폴 안테나의 특성 ][Characteristics of Low Profile Asymmetric Dipole Antenna]
첨부도면 도 3은 저자세에서의 낮은 임피던스를 충족시키기 위해, 안테나 자체의 임피던스를 높임으로써 정합시킨 다이폴 안테나의 개략적 구성도이다. 도면과 같이 동축케이블(coaxial cable)의 외피(미도시)와 내심의 길이를 조절하는 방식으로 임피던스 조절이 가능하다(상기 참고문헌 참조). 여기서, 기생소자(도면에서 외부도체와 도통되도록 연장된 도체 또는 동선)의 길이는 주파수의 변화에 크게 영향을 미친다. 본 구조에서 임피던스 정합 및 방사효율의 증대를 위해 앞서 언급한 'bazooka'구조의 1/4λ 길이를 갖는 발룬(balun)이 접지판 하부로 연장된다.FIG. 3 is a schematic diagram of a dipole antenna matched by increasing the impedance of the antenna itself in order to satisfy low impedance in low profile. As shown in the figure, the impedance can be controlled by adjusting the length of the outer shell and the inner core of the coaxial cable (see reference). Here, the length of the parasitic element (a conductor or a copper wire extending to conduct with an external conductor in the drawing) greatly influences the change of frequency. In this structure, a balun having a 1 / 4λ length of the aforementioned bazooka structure is extended below the ground plate to increase impedance matching and radiation efficiency.
이러한 안테나에서 방사소자는 파장 0.03λ의 저자세로 7~9dBi 범위의 고이득을 실현한다. 그러나 앞서 지적한바와 같이 접지판 하부에 발룬 설치를 위한 공간이 확보되어야 하는 단점이 있다. 따라서 이러한 공간을 확보 마련하기 어려운 RFID태그용으로는 적합하지 않다.In these antennas, the radiating element achieves a high gain in the 7 to 9 dBi range with a low profile of wavelength 0.03λ. However, as pointed out above, there is a disadvantage in that a space for installing the balloon under the ground plate must be secured. Therefore, it is not suitable for RFID tag which is difficult to secure such space.
[ [ 접지판상On ground plate 비대칭 Asymmetric 다이폴Dipole 안테나의 특성 ] Antenna characteristics]
도 4는 접지판(반사판) 위에 구현된 비대칭 다이폴 안테나를 보이고 있다. 도 5 및 도 6은 각각 그에 따른 반사손실 및 방사패턴을 나타낸 그래프이다. 이러 한 안테나를 금속평면(평면의 도체) 위에 위치시켰을 경우, 반사손실 -20dB, 이득 6.14dBi(4dBd)의 특성을 보인다. 그러나 0.01λ 이하로 제작하기가 용이치 않으며, 더욱이 소형화(ultra low profile)가 요구되는 RFID태그용으로는 적합하지 않다. 4 shows an asymmetric dipole antenna implemented on a ground plane (reflective plate). 5 and 6 are graphs showing the reflection loss and the radiation pattern accordingly. When these antennas are placed on a metal plane (plane conductor), they exhibit a return loss of -20 dB and a gain of 6.14 dBi (4 dBd). However, it is not easy to manufacture below 0.01λ, and is not suitable for RFID tags requiring ultra low profile.
[ 본 발명의 바람직한 실시예 ]Preferred Embodiments of the Invention
도 7에 도시된 본 발명의 다이폴 안테나는, 장방형 또는 정방형의 접지판(G)과, 접지판에 안착되는 소정 유전율을 갖는 유전체(F, foam)와, 유전체에 안착되는 대략 'T'자형 제1 패턴(110)과, 제1 패턴의 'ㄱ'자형 좌측 외주연으로부터 소정 옵셋(offset)으로 이격·배치되는 'ㄱ'자형 제2 패턴(120)과, 이들 패턴(110, 120) 사이에 이격·배치되며 하부에 급전점(FP, Feeding Point)을 갖고 상기 패턴들의 좌측선단에 대해 소정의 돌출길이를 갖는 'ㄱ'자형 제3 패턴(130), 그리고 상기 제1 및 제2 패턴의 하단 근방과 접지판을 도통시키는 단락수단(P1, P2)을 구성한다.The dipole antenna of the present invention shown in FIG. 7 includes a rectangular or square ground plate G, a dielectric material F having a predetermined permittivity to be seated on the ground plate, and a substantially 'T' shaped material seated on the dielectric. Between the
구체적으로 접지판(G)은 앞서 언급된바와 같이 반사판으로도 지칭되며, 유전체(F)는 접지판에 안착되어 상기 패턴들(110, 120, 130)을 지지하는 기능을 한다.Specifically, as described above, the ground plate G is also referred to as a reflecting plate, and the dielectric F is mounted on the ground plate to support the
도 8을 참조하면, 제1 패턴(110)은 좌편(112)과 우편(114)을 형성하여 전체적으로 'T'자 형상을 이루되, 우편(114)은 좌편(112)에 대해 소정의 단차 깊이(10)를 갖는 어긋난 상태로 형성된다. 여기서 우편(114)은 기생소자(parasitic element)인 것으로 이해해도 무방하다.Referring to FIG. 8, the
또한, 제2 패턴(120)은 제1 패턴의 좌측 외주연('ㄱ'자형)으로부터 소정 옵셋(offset)을 갖도록 배치되고, 제3 패턴(130)은 제1 및 제2 패턴이 이루는 옵셋 영역에 배치된다. 물론, 제3 패턴은 이들(110, 120)과 접하지 않는다. 도면과 같이 제3 패턴(130)의 상부 좌측선단은, 제1 패턴의 좌측선단(116)과 제2 패턴의 좌측선단(122)에 비해, 소정의 돌출길이(132)(하기에서는 파라미터 i로 지칭됨)를 갖는다. In addition, the
상술한 다이폴 안테나의 구성을 종래 다이폴 안테나와 대비해보면, 동축케이블 급전이 CPW(Co-Planar Waveguide) 급전(50ohm 정합)으로 대체되었으며, 발룬은 앞서 살펴본 제1 및 제2 패턴 하부의 단락(접지판과 도통)으로 대체되었다. 이와 같은 다이폴 안테나는 도 9에 예시된 파라미터 c(좌편 길이), d(우편 길이 또는 기생소자 길이)가 주파수 변화에 큰 영향을 미친다. 또한, 파라미터 i(돌출길이, 132)의 조절을 통해 임피던스 정합을 용이하게 한다. In contrast to the above-described configuration of the dipole antenna, the coaxial cable feeding has been replaced with a co-planar waveguide (CPW) feeding (50 ohm matching), and the balun has a short circuit (ground plate) below the first and second patterns. And conduction). In such a dipole antenna, the parameters c (left length) and d (post length or parasitic length) illustrated in FIG. 9 greatly influence the frequency change. In addition, the impedance matching is facilitated by adjusting the parameter i (protrusion length, 132).
상기한 파라미터 d 변화에 대한 주파수는 첨부도면 도 10에 예시되어 있으며, 파라미터 i 변화(d: 85㎜, c: 65㎜로 고정한 경우)에 대한 임피던스는 도 11에 예시되어 있다. 도 11을 고찰해보면, 돌출길이(i)가 증가함에 따라 시계방향(CW)의 궤적변화 특성을 보이고 있는데, 이는 돌출길이가 증가하면 급전점(FP)과 제3 패턴의 좌측선단 사이의 경로가 길어져 레지스턴스(저항) 증가 및 인덕턴스 증가 효과로 발현되기 때문이다. 이때 돌출길이를 적절히 선택하면 임피던스 정합을 이룰 수 있게 된다. The frequency for the parameter d change described above is illustrated in FIG. 10, and the impedance for the parameter i change (fixed at d: 85 mm and c: 65 mm) is illustrated in FIG. 11. Referring to FIG. 11, as the protrusion length i increases, the trajectory change characteristic of the clockwise direction CW is increased. When the protrusion length increases, the path between the feed point FP and the left end of the third pattern is increased. This is because it is expressed by the effect of increasing resistance (resistance) and increasing inductance. At this time, if the protrusion length is properly selected, impedance matching can be achieved.
첨부도면 도 12는 패턴들과 접지판 사이의 높이 h에 따라 정합된 파라미터들(i, c, d)의 변화를 나타낸 표이다. 특히, 높이(h)가 5㎜일 때의 최적화된 다이폴 안테나에 대한 반사손실(return loss)을 실험한 결과, -10dB 대역폭은 6MHz(0.6%)로 나타났다(도 13 참조). 한편, 각 높이(h)에서의 최적화된 다이폴 안 테나의 방사패턴은 도 14a(E-Plane) 및 도 14b(H-Plane)와 같이 나타나는데, 높이 10㎜(0.03λ)일 때 최대이득은 9.14dBi(7dBd), 3㎜(0.009λ)일 때 7.2dBi(6dBd), 2㎜(0.006λ)일 때 6.2dBi(4.1dBd), 그리고 1㎜(0.003λ)일 때 2.2dBi(0.1dBd)인 특성을 보였다. 이로부터 본 발명의 다이폴 안테나는 금속표면 상에서도 고이득 특성을 유지할 수 있음을 알 수 있으며, 금속표면 장착용 RFID태그 안테나로서 이용해도 손색이 없다.FIG. 12 is a table showing the change of matched parameters (i, c, d) according to the height h between the patterns and the ground plate. In particular, as a result of experimenting with the return loss for the optimized dipole antenna when the height h is 5 mm, the -10 dB bandwidth was 6 MHz (0.6%) (see FIG. 13). On the other hand, the radiation pattern of the optimized dipole antenna at each height (h) is shown in Figure 14a (E-Plane) and 14b (H-Plane), the maximum gain is 9.14 when the height is 10mm (0.03λ). dBi (7 dBd), 7.2 dBi (6 dBd) at 3 mm (0.009 λ), 6.2 dBi (4.1 dBd) at 2 mm (0.006 λ), and 2.2 dBi (0.1 dBd) at 1 mm (0.003 λ). Showed characteristics. From this, it can be seen that the dipole antenna of the present invention can maintain high gain characteristics even on a metal surface, and can be used as an RFID tag antenna for metal surface mounting.
[ 변형 가능한 실시예들 ]Modifiable Embodiments
도 15는 상기한 바람직한 실시예의 다이폴 안테나에서, 제2 패턴(120)이 생략되어 구현될 가능성을 보이고 있다.FIG. 15 illustrates a possibility that the
도 16은 제1 패턴(110)과 제2 패턴(120) 각각에 'L'자형 부재(1, 2)가 부가된 구조를 보이고 있다. 이는 도 4에서 살펴본 발룬(balun)을 평면화한 것으로 본 발명자가 바람직한 실시예의 다이폴 안테나를 창안하면서 거친 중간 결과물이다. 여기서, 상기 부재(1, 2)가 부가됨으로써 패턴의 복잡도가 다소 가중되고, 방사이득 및 방사패턴의 변화를 가져오게 될 것은 자명하나 충분히 응용될 가능성이 있다.FIG. 16 illustrates a structure in which 'L'-shaped
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 고이득을 확보할 수 있는 금속표면 장착 가능한 RFID태그용 평면 다이폴 안테나를 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a planar dipole antenna for RFID tag that can be mounted on a metal surface capable of securing a high gain.
또한, 저자세에서의 양호한 방사를 구현할 수 있으므로 소형화를 도모할 수 있으며 임퍼던스 정합이 용이하다. 더욱이 900MHz 대역에서 높이 1㎜(0.003λ)까지도 적용이 가능하다.In addition, since good radiation can be realized in low profile, miniaturization can be achieved, and impedance matching is easy. Furthermore, it can be applied to heights of 1mm (0.003λ) in the 900MHz band.
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KR (1) | KR100751293B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100896486B1 (en) | 2007-05-16 | 2009-05-08 | 충남대학교산학협력단 | Planar monopole antenna on the surface of conducting plane for rfid tag |
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KR20030017214A (en) * | 2001-08-24 | 2003-03-03 | 박익모 | A Compact Folded Patch Antenna |
KR20040051002A (en) * | 2002-12-11 | 2004-06-18 | 한국전자통신연구원 | Printed Multiband Antenna |
-
2007
- 2007-04-19 KR KR1020070038163A patent/KR100751293B1/en active IP Right Grant
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