KR100776683B1 - 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 방향의 급전부와 두 개 혹은 그 이상의 층을 갖는 전기적 루프 방사 특성의 안테나 및 이를 이용한 RFID 리더기용 안테나에 관한 것이다.

본 발명에 따른 안테나는, 방사체로 작용하는 상층 금속판; 상기 상층 금속판과 일정 거리 이격되어 배열되며 방사체로 작용하는 하층 금속판; 상기 하층 금속판과 일정 거리 이격되어 배열되는 접지면; 및 상기 상층 금속판과 상기 하층 금속판의 중심부에서 구비되는 급전 프로브를 포함한다.

본 발명은 지표면에 수평으로 놓았을 때 혹은 뒤집어 놓았을 때 수평면에 대해 방사를 하는 전방향성 특성을 가지며 이에 따라 수평면에 부착된 RFID 태그를 인식하는 리더기에 적합하다. 안테나는 각 금속층의 간격과 크기 그리고 급전 프로브의 굵기와 각 금속층의 배열 방식에 따라 임피던스 정합과 주파수의 조절, 안테나 이득 및 방사 패턴의 조절이 용이한 특성을 갖는다.

Electrical Loop, Uniform Current, Omni-directional, RFID, 적층, 안테나

Description

같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나 {Electrical Loop Antenna with Unidirectional and Uniform Current Radiation Source}

도 1은 안테나 방사 패턴 설명을 위한 좌표계에서의 루프 안테나를 예시한 도면,

도 2는 본 발명이 속하는 안테나의 이용 환경을 보여주는 도면,

도 3은 본 발명이 속하는 이용 환경에 적합한 안테나의 3D 방사패턴;

도 4는 일반적인 루프 형태의 안테나의 전류 분포를 보여주는 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 전체적인 구성을 보여주는 도면,

도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 안테나의 전류 분포를 보여주는 도면,

도 7a 내지 도 7d는 도 5에 도시된 안테나의 방사패턴을 보여주는 도면

도 8은 도 5에 도시된 안테나의 공진 특성을 보여주는 도면,

도 9는 도 5에 도시된 안테나의 특성 변화에 관계되는 부분을 표현한 측면도,

도 10은 도 9에 도시된 각 금속층의 구조도,

도 11은 변형 가능한 안테나의 구조도,

도 12는 변형 가능한 안테나의 구조도,

도 13은 변형 가능한 안테나의 구조도,

도 14는 변형 가능한 안테나의 구조도,

도 15는 변형 가능한 안테나의 구조도,

본 발명은 전기적 루프를 이용한 RFID 리더용 안테나에 관한 것으로서, 상세하게는, 기존의 지향성을 갖는 RFID 리더용 안테나와는 달리 지표에 수평방향 편파를 갖고 지표와 수평하게 전방향성 균일 전류 루프 안테나에 관한 것이다. 기존의 RFID 리더용 안테나 설계 경우에서는 전방향성 혹은 지향성을 갖는 한 개 또는 두 개의 급전을 이용하고 두 개의 안테나를 적절히 배열하여 이중 편파를 만드는데 반해, 본 발명에서는 하나의 급전과 여러 층의 금속을 이용하여 지표면에 수평인 편파를 갖도록 전방향성 특성을 갖는 전기적 루프 안테나를 제안하였다. 이러한 전방향성 특성을 갖는 전기적 루프 안테나는 예를 들어, 컨테이너 물류 관리를 위한 RFID 리더기에 적용될 수 있다.

도 1은 안테나 방사 패턴 설명을 위한 좌표계에서의 루프 안테나를 예시한 도면이다.

일반적으로 이론적인 루프 안테나(60)는 수치적으로 도 1과 같은 좌표계에서 φ 방향의 전계 성분을 갖는다. 그러나 실제 물리적인 실현에 있어서 루프 안테나는 링패치와 같은 전류 분포를 가지며 따라서 도 1에서 θ 방향의 전계 성분을 갖는다. 이는 루프의 전기적 길이로 인해 자기 공진 특성을 갖거나 혹은 xy 평면에 접지면을 포함하여 전계의 방향이 θ 방향을 향하기 때문이다. 결론적으로 루프 안테나의 실제 실현에 있어서 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 갖지 않으면 안테나는 파장의 지배를 받는 공진 특성을 갖기 때문에 소형 루프를 제외하고는 φ 방향의 전계 성분을 가질 수 없다. 그러나 소형 루프는 실제적으로 공진 길이를 만족할 수가 없으므로 실현이 불가능하다.

결국 종래의 기술로는 지표면에 평행하게 수평으로 부착된 RFID 태그와의 통신을 원활히 이루는 RFID 리더용 안테나의 설계에 제약이 따를 수밖에 없는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 지표에 수평방향 편파를 갖고 지표와 수평하게 전방향성 특성을 갖는 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 기존의 복잡한 급전 방식에 비해 용이하게 균일 전류 전원을 실현하고 최적의 성능을 갖는 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 안테나에 구비되는 금속층간의 간격 조절에 의해 공진 주파수와 안테나 이득의 조절이 가능하며, 급전으로부터 개방된 모든 지점까지의 전기적 길이가 같은 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나는,

방사체로 작용하는 상층 금속판; 상기 상층 금속판과 일정 거리 이격되어 배열되며 방사체로 작용하는 하층 금속판; 상기 하층 금속판과 일정 거리 이격되어 배열되는 접지면; 및 상기 상층 금속판과 상기 하층 금속판의 중심부에서 구비되는 급전 프로브를 포함한다.

도 2는 본 발명이 속하는 안테나의 이용 환경을 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, RFID 시스템, 예를 들어 컨테이너 물류관리를 위한 RFID 시스템에서, RFID 태그가 읽히는 공간에 비해 안테나의 크기가 매우 작으므로 리더용 안테나(70)의 측면에 위치한 RFID 태그(80)를 읽을 수 있는 방사패턴을 얻지 못하게 된다. 즉 지표면에 평행하게 수평으로 부착된 RFID 태그와 원활히 통신을 수행하기 위한 RFID 리더용 안테나가 요구되며, 이러한 안테나에 요구되는 방사패턴은 도 3에 도시된 바와 같다.

도 4는 일반적인 루프 형태의 안테나의 전류 분포를 보여주는 도면이다.

일반적으로 루프 형태의 안테나는 총 반파장의 길이 혹은 한파장의 전기적 길이에 의해 공진 주파수가 결정된다. 따라서, 일반적인 루프 형태의 안테나(90)는 도 4와 같은 전류 분포로 갖게 된다. 상기 도 4를 참조하면, 루프 안테나(90)은, 링패치와 같은 전류 분포를 갖게 되며, 도 1에서의 θ 방향 전계 성분을 갖는다.

그러나 이러한 물리적 형태의 루프 안테나(90)는 이론적인 형태의 루프 안테나의 동작을 만족시키지 못한다. 이는 안테나의 방사지점들의 모임이 실제적으로 루프의 형태로 구현되지 못하기 때문이며 궁극적으로는 균일한 전류 방사 전원을 한 방향성을 갖는 루프 형태로 만들어 내지 못하기 때문이다.

본 발명에서 제안하는 안테나는 균일한 전류 방사 전원들이 전기적으로 한 방향성을 갖는 루프의 형태를 가지고 있는 것을 그 특징으로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 안테나는, 상층 금속판(100), 상기 상층 금속판(100)과 일정 거리 이격되어 있는 하층 금속판(110), 상기 하층 금속판(110)과 일정 거리 이격되어 배열되는 접지면(120) 및 상기 상층 금속판(100)과 상기 하층 금속판(110)의 중심부에서 구비되는 급전 프로브(140)을 포함하여 구성된다.

전체적인 모양은 위에서 보았을 때 원형을 이룬다. 방사체로 동작하는 두 개의 금속층(100,110), 즉 상층 금속판(100)과 하층 금속판(110)은 서로 수직으로 배 열되어 있으며 가장 아래에 있는 금속층은 접지면(120)으로서 완전한 원형을 이룬다. 상기 상층 금속판(100)과 하층 금속판(110)은 서로 일정 거리(130) 이격되어 있으며, 상기 급전 프로부(140)는 전기적으로 상기 두 개의 금속층(100, 110)에 동시 급전이 이루어지도록 금속층의 중심부에 구비된다.

도 5는 또한 상층 금속판(100)과 하층 금속판(110)의 모습을 나타내었다. 이 두 개의 금속판(100,110)과 접지면(120)은 비전기적 지지대(미 도시)등에 의해 일정 거리(150) 서로 이격되어 적층으로 구성된다.

상기 상층 금속판(100)과 상기 하층 금속판(110)은 모두 실제적인 급전이 이루어지는 금속판의 중심부에서 모든 개방지점까지의 전기적 거리가 같다. 이를 통해 실제 방사가 이루어지는 개방점에서의 전류의 크기가 일정하며, 상층 금속판(100)과 하층 금속판(110)이 근접하게 서로 수직으로 위치함에 따라 전류 크기의 변화를 막아주고 전류의 방향을 한쪽으로 일정하게 만들어 준다.

도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 안테나의 전류 분포를 보여주는 도면이다.

도 6a는 상층 금속판(100)의 전류 분포, 도 6b는 하층 금속판(110)의 전류 분포, 그리고 도 6c는 안테나 전체(100+110)의 전류 분포를 보여준다. 따라서 도 5에 도시된 안테나의 전류는 전체적으로 도 1에서의 φ 방향의 성분만을 갖고 안테나의 편파 역시 마찬가지의 성분을 갖는다. 이를 통해 안테나에서 도 1의 x축 또는 y축으로 멀리 떨어진 지표에 수평편파, 즉 φ 방향의 편파를 갖는 RFID 태그를 읽 는 RFID 리더 안테나로서의 동작이 가능하다.

도 7a는 도 5에 도시된 안테나의 φ 성분 전계의 방사패턴을 3D 평면에서 보여주는 도면, 도 7b는 φ 성분 전계의 방사패턴을 xy 평면(θ=90°)에서 보여주는 도면, 도 7c는 φ 성분 전계의 방사패턴을 xz평면(φ =0°)에서 보여주는 도면, 도 7d는 φ 성분 전계의 방사패턴을 yz평면(φ =90°)에서 보여주는 도면이다. 또한, 도 8은 도 5에 도시된 안테나의 공진특성을 보여주는 도면이다.

상기 도 7a 내지 도 7c, 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나의 방사패턴 및 공진 특성은, 루프 안테나의 이론적인 해석과 일치하는 결과를 갖는 것으로서, 일반적으로 물리적으로 구현된 루프 안테나의 경우 이러한 공진 특성과 방사패턴을 얻기가 어렵다. 따라서, 본 발명에 따른 안테나를 물리적으로 구현된 안테나와 구분하여, 전기적 루프 안테나라 정의하기로 한다.

도 9는 도 5에 도시된 안테나의 특성 변화에 관계되는 부분을 표현한 측면도이다.

상층 금속판(100)과 하층 금속판(110)의 간격(130)의 조절에 따라 공진 주파수와 안테나 이득의 변화가 생긴다. 간격(130)이 가까울수록 안테나의 공진 주파수는 낮아지고 안테나의 이득이 크게 증가한다. 이는 지향성의 증가가 아닌 효율의 증가로서 전류의 일정한 방향성과 균일함이 간격(130)의 감소에 따라 더욱 증가하기 때문이다. 하층 금속판(110)과 접지면(120)과의 간격(150)을 감소시킴으로써 공 진 주파수를 높일 수 있다. 이는 접지면(120)에서 약간 떨어진 높이에서 시작되는 실제 급전에서 최종 방사가 이루어지는 두 금속층의 개방지점까지의 전기적인 길이가 짧아지기 때문이다.

도 10은 도 9에 도시된 각 금속층의 구조도로서, 각 금속층의 얇은 금속부(160,170)와 두꺼운 금속부(180,190) 사이의 공간(200)의 면적에 따라 공진 주파수의 조절이 가능하다. 따라서 이 부분(200)을 금속체로 막으면 공진 주파수는 높아지고, 공간을 보다 비우면 공진 주파수는 낮아진다. 아울러 안테나의 두 층의 금속판의 전체적인 크기 즉, 지름(210)을 줄임으로서도 공진 주파수를 높일 수 있다. 반대로 이를 증가시키면 공진 주파수를 낮출 수 있다. 안테나의 공진 특성 중 매칭정도는 각 금속층(100,110)의 중심부에 위치한 얇은 금속부(160,170)와 급전 프로브(140)의 두께 또는 그 두께 변화(220)에 의해 크게 좌우된다. 안테나의 공진 주파수가 변하게 되면, 매칭 정도가 낮아질 수 있는데 각 금속판(100, 110)의 중심부에 위치한 얇은 금속부(160, 170)와 급전프로브(140)의 두께 또는 그 두께(220)를 적절하게 조정하면 매칭 정도를 높일 수 있다.

따라서 본 발명을 통한 안테나는 안테나의 성능을 경우에 따라 최적화가 가능하며 RFID 리더용 뿐 아니라, 이러한 방사패턴을 요구하는 다른 시스템으로의 적용 역시 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

예를 들어, 상술한 실시예에서는, 각 금속층(100,110)과 접지면(120) 사이를 공기층으로 구현하였으나, 다른 실시예로서 도 11과 같이 전기적 길이의 증가를 및 물리적 길이의 감소를 위해 각 층 사이에 유전체층(300,310)을 구현할 수 있다. 이러한 유전체층은, 실제 방사가 이루어지고 균일한 최소의 단방향성 루프 전류 전원을 갖는 전류 개방지점 부분에만 구비하는 구조도 가능하다.

또한 전체적인 방사 전원 전류의 공진 길이를 맞추기 위해 도 12와 같이 원형이 아닌 정다각형(320,330)에 슬롯을 포함한 형태일 수 있다.

또한 도 13a 내지 13b와 같이 서로 수직이 아닌 보다 작은 각도의 간격으로 보다 여러 층(340,350,360,370)으로 구현할 수도 있다.

또한 안테나는 도 14와 같이 접지면(120)과 상층 하나의 금속층(100)만으로도 구현이 가능하다. 그러나 이 경우 방사패턴의 왜곡이 조금 나타나며, 이는 전기적 루프의 어느 한 부분이 슬롯에 의해 끊어지기 때문이다. 또한 도 15와 같이 두 개의 금속층(100,110)에 서로 다른 전류를 급전하여도 비슷한 효과를 얻을 수 있는데 이는 하층 금속층(110)를 프로브의 외곽도체(230)와 전기적으로 결합하고 상층 금속부(100)만을 급전 프로브(140)와 전기적 결합을 한 형태로서 이 경우에 대해서도 안테나의 편파는 근접한 반대 전하를 찾게 되므로 θ 방향의 전계 성분보다는 φ 방향의 전계 성분을 갖게 된다. 그러나 이 경우 임피던스 정합과 공진 주파수를 조절할 수 있는 요소가 적고 이득이 비교적 낮은 특성을 갖게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 각 금속층간의 간격에 의해 공진 주파수와 안테나 이득의 조절이 가능하며, 급전으로부터 개방된 모든 지점까지의 전기적 길이가 같은 구성을 갖는다. 이를 통해 본 발명에 따른 안테나는 원거리장에서 바라보는 전류 전원의 크기가 모두 같으므로 전방향성의 균일 전류 전원에 의한 방사패턴을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은, 지표에 평행하게 부착된 RFID 태그가 리더의 측면에 위치하더라도 그 통신을 원활히 하는 RFID 리더 안테나의 성능을 구현할 수 있다.

Claims (14)

1. 방사체로 작용하는 상층 금속판;

   상기 상층 금속판과 일정 거리 이격되어 배열되며 방사체로 작용하는 하층 금속판;

   상기 하층 금속판과 일정 거리 이격되어 배열되는 접지면; 및

   상기 상층 금속판과 상기 하층 금속판의 중심부에서 구비되는 급전 프로브를 포함하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상층 금속판과 하층 금속판은 위에서 바라볼 때, 일정 부분 서로 겹치게 배열되어 방사 전원 전류의 연속성을 제공하는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
3. 제 1항에 있어서, 상기 상층 금속판 및 상기 하층 금속판은

   서로 대칭되는 구성을 갖는 두개의 두꺼운 금속부와,

   상기 두꺼운 금속부를 연결하는 얇은 금속부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
4. 제 3항에 있어서, 상기 상층 금속판과 상기 하층 금속판은 위에서 바라볼 때, 서로 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
5. 제 1항에 있어서 상기 상층 금속판과 상기 하층 금속판은,

   급전지점에서 방사 전원이 되는 개방점까지 거리가 일정한 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
6. 제 5항에 있어서, 상기 전기적 루프 안테나는, 급전점에서 개방점까지의 거리를 일정하게 함으로써 방사 전원 전류의 크기를 균일한 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
7. 제 1항에 있어서, 필요에 따라 안테나의 물리적 크기를 줄이고 상기 상층 금속판과 상기 하층 금속판 사이, 상기 하층 금속판과 상기 접지면 사이에, 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 급전 프로브의 외곽 도체는 상기 하층 금속판의 중심부와 전기적으로 결합되고, 상기 급전 프로브의 중심 도체는 상기 상층 금속판의 중심부와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상층 금속판 및 상기 하층 금속판은 정다각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
10. 다수의 금속층이 적층되어 구성되는 방사체;

    상기 방사체의 중심부에 구비되며 상기 다수의 금속층으로 동시 급전을 수행하는 급전 프로브; 및

    상기 방사체의 하단에 구비되는 접지면을 포함하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
11. 제 10항에 있어서, 상기 금속층은 위에서 바라볼 때, 일정 부분 서로 겹치게 배열되어 방사 전원 전류의 연속성을 제공하는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
12. 제 10항에 있어서 상기 방사체를 구성하는 금속층은,

    급전지점에서 방사 전원이 되는 개방점까지 거리가 일정한 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은 정다각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.
14. 급전지점에서 방사 전원이 되는 개방점까지 거리가 일정한 금속판;

    상기 금속판의 중심부에 구비되는 급전프로브; 및

    상기 금속판과 일정거리 이격되어 배열되는 접지면을 포함하는 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프 안테나.

Images