KR100759219B1 - Ｒｆｉｄ 시스템에 적용 가능한 원편파 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템에 적용 가능한 원편파(Circularly Polarized) 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따른 원편파(Circularly Polarized) 안테나는, 신호를 송수신하기 위한 패치 구조의 방사체, 상기 방사체의 적어도 일부에 위치하는 유전체 및 상기 방사체 및 상기 유전체를 둘러싼 수직 접지판을 포함한다.
안테나, 원편파(circularly polarized wave), corner-truncated 구조, RFID(Radio Frequency Identification), 프로브 급전

Description

ＲＦＩＤ 시스템에 적용 가능한 원편파 안테나{CIRCULARLY POLARIZED ANTENNA BEING APPLICABLE TO RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION SYSTEM}
도 1은 종래기술에 있어서, corner-truncated 패치 구조를 이용한 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 원편파(Circularly Polarized) 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에서 도시한 원편파 안테나의 측면도이다.
도 4는 도 2에서 도시한 원편파 안테나의 평면도이다.
도 5는 도 2에서 도시한 원편파 안테나에서 수직 접지판의 개수에 따른 반사손실 특성 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 도 2에서 도시한 원편파 안테나에서 수직 접지판의 개수에 따른 축비 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 4개의 수직 접지판을 사용했을 때의 반사손실 특성 및 축비를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2에서 도시한 원편파 안테나의 안테나 이득 그래프를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 원편파 안테나
201: 방사체
202: 수직 접지판
203: 프로브(probe) 급전
301: 유전체(비유전율: 8)
302: 그라운드
303: 공기 층(비유전율: 1.02)
본 발명은 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템에 적용 가능한 원편파(Circularly Polarized) 안테나에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 4개의 수직 접지판 및 truncated 구조의 기본 패치를 이용하여 908-914MHz의 주파수 대역에서 휴대용 단말기에 적합한 지향성, 축비 및 복사패턴을 갖는 원편파 안테나에 관한 것이다.
RFID란 바코드, 마그네틱, IC-card 등과 같은 자동인식의 한 분야로서 초단파나 장파를 이용하여 기록된 정보를 무선으로 인식하는 최첨단 방식이다. 이러한 RFID의 원리는 안테나를 통해 태그에 저장된 정보를 수신하여 이를 콘트롤러가 인식하고 분석하여 상기 태그가 장착된 물품의 고유정보를 취득할 수 있도록 하는 것으로서, 이는 주파수를 이용하기 때문에 눈·비·바람·먼지·자속 등 환경의 영향 을 받지 않으며, 통과 속도가 빨라 이동 중에도 인식이 가능하고, 원거리에서도 인식이 가능하며 제조과정에서 유일한 ID를 부여하여 위조가 불가능하다는 특징이 있다.
최근 들어 이러한 RFID가 소비재 제조업종과 유통, 군수업종 중심으로 국내외에서 활발하게 도입이 늘고 있는 추세이다. 공공분야를 중심으로 한 시범사업이 활성화될 전망이며, 민간분야에서도 본격적인 활용사례가 확산될 것으로 예측된다. 공공분야의 경우 국가 물류망 고도화를 위해 공항·항만·내륙 물류 및 Track & Traceability 분야에 수요가 증가할 것으로 기대된다. 환경 개선·관리 분야에는 폐기물 관리 및 환경오염 관리 분야 등에 수요가 집중될 전망이다. 또한, 교통분야에는 도로요금, 자동징수, 텔레매틱스, 차량이력 및 교통정보 등에서 수요가 발생할 것으로 예측된다. 이에 더해 국방 분야에서는 군수 조달·관리, 보안·기밀 관리 분야에서 우선 도입이 확대될 전망이며, 기타 도서관리 또는 기간시설 관리 분야 등에 대한 수요가 확대될 전망이다.
이러한 RFID를 위한 무선주파수식별시스템은 일반적으로 리더, 안테나, 태그로 구성되어 있으며, 안테나는 태그와 리더 사이에서 중개역할을 담당하는데, 전파로써 신호를 보내 태그를 활성화시키거나 비활성화시키고, 데이터를 읽고 쓰는 역할을 담당한다. 안테나의 종류는 셀 수도 없을 만큼 많지만, 일반적으로 사용되는 고주파 안테나 종류는 Dipole Antenna, Monopole Antenna, Patch Antenna, Horn Antenna, Parabolic Antenna, Helical Antenna, Slot Antenna 등이 있다. 특히, 다양한 각도에서 태그를 인식할 수 있도록 하기 위해 원편파 안테나가 널리 사용된 다.
도 1은 종래기술에 있어서, corner-truncated 패치 구조를 이용한 마이크로스트립 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
마이크로스트립 안테나(101, 102)는 평면 안테나의 한 가지로써, 유전체(103) 양면 중 한 면을 패치라 불리는 방사체(104)로 하여 마이크로스트립 선로라 하며, 이 판을 인쇄판으로 제작하여 미세 구조로 할 수 있기 때문에 마이크로스트립 패치라 불린다. 방사체(104)와 접지판(105)이 2개의 급전선이 되어 선로가 된다. 스트립 선로를 종단에서 반파장 위치로 절단하고, 전송 선로 대신에 스트립의 중심에 엇갈린 점을 지판의 아래 측에서 동축 선로에 급전(106)한 것이 마이크로스트립 안테나(101, 102)이다. 방사체(104)의 폭을 넓게 하면 주파수 대역폭이 넓어지고 전파도 방사하기 쉽게 된다.
그러나 이런 마이크로스트립 안테나는 일반적으로 주파수 대폭이 작고 효율이 낮아 PDA 등의 휴대용 단말기에 RFID용 안테나로서 사용하기에는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템에 적용 가능한 원편파(Circularly Polarized) 안테나에 관한 새로운 기술을 제안한다.
본 발명은 4개의 수직 접지판 및 corner-truncated 구조를 포함하는 패치 형태의 방사체를 이용함으로써 원편파를 발생시키고 안테나를 소형화하는 것을 목적 으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방사체와 그라운드간의 물리적 거리를 조절하여 최적화된 안테나 이득을 얻는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 908-914MHz의 주파수 대역에서 휴대용 단말기에 적합한 지향성, 축비 및 복사패턴을 갖는 원편파 안테나를 구성하는 것이다.
상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 원편파(Circularly Polarized) 안테나는, 신호를 송수신하기 위한 패치 구조의 방사체, 상기 방사체의 적어도 일부에 위치하는 유전체 및 상기 방사체 및 상기 유전체를 둘러싼 수직 접지판을 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 수직 접지판은 상기 방사체 및 상기 유전체의 측면을 둘러싼 4개의 접지판으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 그라운드와 상기 방사체간의 물리적 거리를 조절하여 최적화된 안테나 이득(gain)을 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 방사체는 원편파(circularly polarized wave)를 송수신하는 패치 구조를 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 원편파(Circularly Polarized) 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
원편파 안테나(200)는 PDA 등의 휴대용 단말기에 적용 가능한 RFID용으로 구성된 안테나로서 신호를 송수신하기 위한 패치 구조의 방사체(201), 방사체(201)의 일부에 위치하는 유전체(미도시), 방사체(201)와 상기 유전체를 둘러싼 수직 접지판(202) 및 프로브 급전(203)을 포함할 수 있다.
방사체(201)는 원편파(circularly polarized wave)를 송수신하는 패치 구조를 포함하고, 도 2에서는 corner-truncated 구조의 상기 패치 구조를 도시하고 있다. 이러한 방사체(201)는 유리-에폭시를 재질로 하는 PCB(Printed Circuit Board)인 FR4 기판을 이용하여 형성될 수 있다.
원편파는 전파 방향에 직각인 면에서 전계의 크기와 방향을 나타내는 벡터 끝의 궤적이 원을 그리는 전파를 의미한다. 일반적으로 진폭이 같고 편파면이 서로 직교하며 위상이 90° 다른 두 직선 편파 성분으로 나눌 수 있지만, 그 진폭들이 다른 경우 합성파는 전파 방향에 수직인 면상에서 타원을 그리게 되고, 이것을 타원 편파라고 한다. 원편파 또는 타원 편파에서 전파 방향에 직각인 면의 전계 벡터가 전파 방향을 향하여 시계 방향으로 회전하는 것을 우선회 타원 편파, 시계 반대 방향으로 회전하는 것을 좌선회 타원 편파라고 한다.
수직 접지판(202)은 방사체(201) 및 상기 유전체를 둘러싸고 있는 4개의 수직 접지판으로 구성될 수 있다.
프로브 급전(203)은 원편파 안테나(200)에 전력을 전달하는 역할을 수행한다.
원편파 안테나(200)는 908-914MHz의 주파수 대역에서 안테나의 임피던스 특 성과 3-dB 축비를 얻기 위해 모서리를 식각한 corner-truncated 구조의 상기 패치 구조의 크기를 변화하여 910MHz의 주파수 대역에서 공진하도록 설계할 수 있고, 이러한 상기 패치 구조의 방사체(201) 및 수직 접지판(202)을 통해 원편파 특성을 얻을 수 있고 및 상기 휴대용 단말기에 탑재 가능한 안테나로 소형화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 원편파 안테나(200)의 전체 크기는 가로, 세로 및 높이를 각각 100mm, 100mm, 및 13mm로, 방사체(201)는 가로 및 세로의 크기를 각각 90mm 및 90mm로 설정하여 국내형 RFID의 주파수 대역 범위(908-914MHz)에서 -15dB 이하의 반사손실과 3-dB의 축비를 맞추었다.
도 3은 도 2에서 도시한 원편파 안테나의 측면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 원편파 안테나의 측면도(300)는 도 2에서 미도시된 유전체(301), 그라운드(302) 및 공기 층(303)을 추가적으로 도시하고 있다.
원편파 안테나(200)는 그라운드(302)와 방사체(201)간의 물리적 거리를 조절하여 최적화된 안테나 이득을 얻을 수 있다. 그라운드(302)와 방사체(201) 사이에는 빈 공간으로서 공기 층(비유전율: 1.02)(303)이 존재할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 유전체(비유전율: 8)(301)와 공기 층(비유전율: 1.02)(303)을 사이에 두고 상기 물리적 거리를 5mm로 하여 상기 안테나 이득을 획득하였다. 또한, 높은 유전율 (비유전율: 8)을 갖는 유전체(301)를 이용함으로써 안테나를 소형화할 수 있다. 그러나, 유전체(301)의 유전율은 이에 제한되는 것이 아니며, 일반적인 엔지니어링 플라스틱의 유전율 이상, 즉 5 이상의 유전율을 갖는 유전체(301)를 사용할 수 있다. 특히, 사출 가능한 플라스틱 재질을 이용함으로써 안테나의 제조를 용이하게 할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 방사체(201)를 FR4 기판을 이용하여 형성한 것으로 설명하였으나, 이는 제조의 편의를 고려한 것으로 유전체(301)에 방사체(201)를 직접 형성하는 것도 가능하다.
도 4는 도 2에서 도시한 원편파 안테나의 평면도이다.
도 2에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 원편파 안테나(200)의 전체 크기는 가로, 세로 및 높이를 각각 100mm, 100mm, 및 13mm로, 방사체(201)는 가로 및 세로의 크기를 각각 90mm 및 90mm로 설정하여 국내형 RFID의 주파수 대역 범위(908-914MHz)에서 -15dB 이하의 반사손실과 3-dB의 축비를 맞추었다.
이와 같이 4개의 수직 접지판(202) 및 corner-truncated 구조를 포함하는 패치 형태의 방사체(201)를 이용함으로써 원편파를 발생시키고 안테나를 소형화할 수 있다.
또한, 방사체(201)와 그라운드(302)간의 물리적 거리를 조절하여 최적화된 안테나 이득을 얻을 수 있고, 908-914MHz의 주파수 대역에서 휴대용 단말기에 적합한 지향성, 축비 및 복사패턴을 갖는 원편파 안테나(200)를 구성할 수 있다.
도 5는 도 2에서 도시한 원편파 안테나에서 수직 접지판의 개수에 따른 반사손실 특성 그래프를 도시한 도면이다.
반사손실 특성 그래프(510)는 4개의 수직 접지판(202)을 제거한 안테나의 반사손실 특성을 나타내고 있고, 반사손실 특성 그래프(520)는 2개의 수직 접지판(202)을 제거한 안테나의 반사손실 특성을 나타내고 있다. 반사손실 특성 그래프 (510, 520)에서 도면부호(511, 521)와 같이 원편파로 표시된 공진 주파수를 보면, 2개의 수직 접지판(202)만이 제거된 경우에 공진 주파수가 더 낮아지므로, 수직 접지판(202) 형성에 의하여 안테나를 소형화 할 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 2개의 수직 접지판(202)을 제거한 경우, 공진 주파수가 국내형 RFID 주파수 대역(908~914MHz) 내에 존재하지 않는다.
반사손실 특성 그래프(530)는 본 발명의 일실시예에 따른 4개의 수직 접지판(202)을 사용한 원편파 안테나(200)의 반사손실 특성을 나타내고 있다. 도면부호(531)는 원편파 안테나(200)의 공진 주파수가 국내형 RFID의 주파수 대역 범위(908-914MHz)내에 존재함을 나타낸다. 이를 통해 4개의 수직 접지판(202)을 사용하여 원편파 안테나(200)의 소형화 및 공진 주파수 최적화가 가능함을 알 수 있다.
도 6은 도 2에서 도시한 원편파 안테나에서 수직 접지판의 개수에 따른 축비 그래프를 도시한 도면이다.
축비 그래프(610)는 4개의 수직 접지판(202)을 제거한 안테나의 축비를 나타내고, 축비 그래프(620)는 2개의 수직 접지판(202)을 제거한 안테나의 축비를 나타내고 있다. 이 경우, 축비 그래프(610, 620)에서 볼 수 있듯이 도 2 내지 도 4에서 설명한 주파수 대역 범위(908-914MHz)에서 -15dB 이하의 반사손실과 3-dB의 축비를 요구하는 국내형 RFID의 조건 중 3-dB의 축비 조건을 만족시키지 못하고 있다.
축비 그래프(630)는 4개의 수직 접지판(202)을 사용한 원편파 안테나(200)의 축비를 나타내고 있다. 축비 그래프(630)에 도시된 바와 같이 국내형 RFID의 주파 수 대역 범위(908-914MHz)에서 3-dB의 축비를 만족시킴을 볼 수 있다.
도 5 내지 도 6에서 설명한 바와 같이 4개의 수직 접지판(202)을 포함하는 원편파 안테나(200)는 국내용 RFID의 주파수 대역 범위(908-914MHz)에서 -15dB 이하의 반사손실과 3-dB의 축비를 모두 만족하기 때문에 휴대용 단말기에 적합한 지향성, 축비 및 복사패턴을 갖는다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 원편파 안테나의 반사손실 특성 및 축비를 도시한 도면이다.
반사손실 특성 그래프(710)에서 도면부호(711)는 902.600MHz에서 -14.375dB의 반사손실을 나타내고, 도면부호(712)는 928.700MHz에서 -16.577dB의 반사손실을 나타낸다. 이는 상기 제작된 원편파 안테나가 본 발명에서 목적하는 국내용 RFID의 주파수 대역 범위(908-914MHz)에서 -15dB 이하의 반사손실을 만족함을 의미한다.
축비 그래프(720)에서 도면부호(721)는 상기 제작된 원편파 안테나가 본 발명에서 목적하는 국내용 RFID의 주파수 대역 범위(908-914MHz)에서 3-dB의 축비를 만족함을 나타낸다.
이와 같이 4개의 수직 접지판 및 corner-truncated 패치 구조의 방사체를 통해 제작된 상기 원편파 안테나는 원편파를 발생시키고 안테나를 소형화할 수 있다. 또한, 측정된 입력 임피던스와 3-dB 축비는 상기 원편파 안테나가 PDA 등의 휴대용 단말기에 적합함을 나타낸다.
도 8은 도 2에서 도시한 원편파 안테나의 안테나 이득 그래프를 도시한 도면 이다. 도 3에서 설명한 바와 같이 방사체(201)와 그라운드(302)간의 물리적인 거리를 5mm로 조절함으로써 얻을 수 있는 상기 안테나 이득을 주파수에 따라 나타내고 있고, 이를 정리한 표 1은 아래와 같다.
RH 원편파 Gain
902MHz 904MHz 906MHz 908MHz 910MHz 912MHz 914MHz 916MHz 918MHz
4.189 4.353 4.511 4.606 4.607 4.598 4.633 4.638 4.572
표 1은 주파수 대역 범위 902MHz 내지 918MHz에서 2MHz 단위로 측정한 원편파 안테나의 안테나 이득을 기록하고 있다. 기록된 바와 같이 방사체(201)와 그라운드(302)간의 물리적인 거리를 5mm로 조절하여 최적화된 상기 안테나 이득을 얻는 것이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 4개의 수직 접지판 및 corner-truncated 구조를 포함하는 패치 형태의 방사체를 이용함으로써 원편파를 발생시키고 안테나를 소형화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 방사체와 그라운드간의 물리적 거리를 조절하여 최적화된 안테나 이득(gain)을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 908-914MHz의 주파수 대역에서 휴대용 단말기에 적합한 지향성, 축비 및 복사패턴을 갖는 원편파 안테나를 구성할 수 있다.

Claims (7)

  1. 원편파(Circularly Polarized) 안테나에 있어서,
    신호를 송수신하기 위한 패치 구조의 방사체;
    상기 방사체의 적어도 일부에 위치하는 유전체; 및
    상기 방사체 및 상기 유전체를 둘러싼 수직 접지판
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수직 접지판은 상기 방사체 및 상기 유전체의 측면을 둘러싼 4개의 접지판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    그라운드와 상기 방사체간의 물리적 거리를 조절하여 최적화된 안테나 이득(gain)을 얻는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는 원편파(circularly polarized wave)를 송수신하는 패치 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 패치 구조는 corner-truncated 구조의 패치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 5 이상의 비유전율을 갖는 사출 가능 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 원편파 안테나를 포함하는 휴대용 무선 통신 기기.
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