KR100833431B1

KR100833431B1 - 크로스 다이폴 안테나, 이를 이용하는 태그

Info

Publication number: KR100833431B1
Application number: KR1020060128771A
Authority: KR
Inventors: 마나부 가이; 도루 마니와; 다까시 야마가조
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-05-29
Also published as: JP2007324709A; DE602006013434D1; CN101083351A; US20070279311A1; JP4745134B2; CN101083351B; TWI333631B; EP1863125A1; EP1863125B1; KR20070115572A; TW200743997A; US7446727B2

Abstract

RFID 태그에 있어서, R/W측이 직선 편파 안테나를 이용하는 경우이더라도, 태그의 방향에 의하지 않는 무지향에 가까운 컴팩트한 안테나 구성을 얻는다. 무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 크로스 다이폴 안테나로서, 한 쌍의 다이폴 안테나를 가지며, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나는, 서로 십자로 교차하는 급전점으로부터 신장된 선로와, 상기 선로를 절곡한 끝에 3각 형상으로 넓어지는 선로를 가지며, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 길다.

크로스 다이폴 안테나, RFID 태그, 직선 편파 안테나

Description

크로스 다이폴 안테나, 이를 이용하는 태그{CROSS DIPOLE ANTENNA AND TAG USING THE SAME}

도 1은 저항 Rc와 캐패시턴스 Cc의 병렬 접속으로 등가적으로 나타내는 LSI 칩의 설명도.

도 2a는 기본적인 다이폴 안테나를 나타내는 도면.

도 2b는 λ/2보다도 길고, 인덕터 La성분을 갖는 다이폴 안테나를 나타내는 도면.

도 3은 병렬로 2계통 접속되고 4단자를 갖는 등가적으로 나타내는 LSI 칩의 설명도.

도 4는 본 발명에 따른 제1 실시예의 안테나 패턴을 나타내는 도면.

도 5는 임피던스 조정부의 길이 L을 파라미터로 하여, 인덕턴스 성분 La를 시판의 전자계 시뮬레이터로 계산한 결과를 나타내는 도면.

도 6은 임피던스 조정부의 길이 L을 파라미터로 하여, 안테나의 방사 저항 Ra을 시판의 전자계 시뮬레이터로 계산한 결과를 나타내는 도면.

도 7a는 R/W 안테나가 직선 편파(100)로 한 경우의 태그의 동작을 나타내는 도면.

도 7b는 도 7a에 있어서, 태그의 회전 핵과 통신 거리와의 관계를 나타내는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 제2 실시예의 안테나 패턴을 나타내는 도면.

도 9는 제2 실시예에 있어서의 도전 바가 접속되는 점의 거리 L2와 안테나 방사 저항 Ra와의 관계를 나타내는 도면.

도 10은 제2 실시예에 있어서의 도전 바가 접속되는 점의 거리 L2와 인덕턴스 성분 La의 관계를 나타내는 도면.

도 11은 본 발명에 따른 제3 실시예의 안테나 패턴을 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 1a, 1b: 다이폴 안테나

2, 2a, 2b: LSI 칩

[비특허문헌1] Antennas and Propagation International symposium, 2005 IEEE Volume 2B, 3∼8pages 353-356, July 2005

본 발명은, 무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID(무선 주파수 ID)시스템에 적용되는 크로스 다이폴 안테나, 및 이것을 이용하는 태그에 관한 것이다.

RFID(무선 주파수 ID)시스템은, UHF대(860∼960MHz)의 무선 주파수 신호를 이용해서, 리더 라이터로부터 약 1W의 반송파 신호를 송신한다. 태그측에서 그 반송파 신호를 수신하고, 재차 리더 라이터측에 태그 정보로 상기 반송파 신호를 변조해서, 응답 신호로서 돌려 보냄으로써, 태그 내의 정보를 리더 라이터에서 판독할 수 있는 시스템으로서, 그 적용 분야는 확대되고 있다.

그 통신 거리는 태그에 구비되는 안테나의 게인, 신호 처리를 위한 LSI 칩의 동작 전압, 또한 주위 환경에 의존하지만, 대략 3∼5m이다. 태그는, 두께 0.1mm 정도의 시트, 필름 등의 기체에 형성된 도전체의 안테나 패턴과, 안테나 급전점에 접속되는 LSI 칩(약 1mm각, 두께 0.2mm정도)로 구성된다.

도 1에 도시한 바와 같이, LSI 칩(2)은 저항 Rc(예를 들면 500Ω)와, 캐패시턴스 Cc(예를 들면, 1.4 pF)의 병렬 접속으로 등가적으로 나타낼 수 있다. 한편, 태그 안테나(1)는, 방사 저항 Ra(예를 들면 400Ω)와, 인덕턴스 La(예를 들면 20nH)의 병렬 접속으로 등가적으로 나타낼 수 있다.

양자를 병렬 접속함으로써, 캐패시턴스와 인덕턴스가 공진하고, 식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 원하는 공진 주파수 fO에서 정합하고, 안테나(1)에서의 수신 파워가 칩(2)측에 충분히 공급되는 것으로 된다.

여기에서, 도 2a에 기본적인 다이폴 안테나를 나타낸다. 안테나 전체의 길이는, 사용 파장의 λ/2이기 때문에, 953MHz에서는 λ/2파장=145mm정도이다. 각각 λ/4의 안테나 소자의 급전점에 LSI칩(2)이 접속된다.

이 안테나 전체의 길이 λ/2로 함으로써, 953MHz에서 안테나가 공진하지만, 도 1에 나타낸 La성분을 갖지 않는다. 그래서, 도 2b에 도시한 바와 같이, λ/2보다도 긴 180mm정도로 함으로써, 안테나(1)가 La성분을 갖게 되고, LSI 칩(2)과 공진시킬 수 있다.

이러한, RFID 태그에 형성되는 다이폴 안테나로서 λ/2보다도 큰 안테나 길이로 하는 것은, 예를 들면, 비특허문헌 1에서 알려져 있다.

또한, 이 태그 안테나(1)는 직선 편파이기 때문에, 도시하고 있지 않은 리더 라이터(R/W)측의 안테나는, 통상, 원 편파를 이용한다. 이것은, 태그를 지면에 평행한 면에서 회전시켜도 거의 동일 거리에서 송수신할 수 있도록 하기 위해서이다. 만약 R/W측에 직선 편파 안테나를 이용하였을 때, 편파의 방향이 태그와 일치하는 경우는, 통신 거리는 원 편파의 약 1.4배로 신장되지만, 수직 방향으로 되면, 통신 거리는 격감해 버린다.

그런데, 칩은 통상, 도 1에 도시한 바와 같은 2단자이지만, 도 3에 도시한 바와 같이 병렬로 2계통 접속되고 4단자를 갖는 것도 시판되고 있다. 접지측(GND) 끼리는 직류(DC)적으로 접속되어 있는 것이 많다. 그래서, 안테나를 2계통 구성으로 하여, 예를 들면 도 1의 다이폴 안테나를 십자로 구성하면, R/W측의 안테나가 직선 편파이더라도 통신 거리를 높게 유지할 수 있다. 그러나, 종횡 각각이 180mm으로 되어, 태그 안테나로서는, 거대한 것으로 되어 실용적이지 않다.

이러한 점으로부터 본 발명의 과제는, R/W측이 직선 편파 안테나를 이용하는 경우이더라도, 태그의 방향에 의하지 않는 무지향에 가까운 컴팩트한 안테나 구성 및, 이러한 안테나 구성을 적용하는 태그를 제공하는 것에 있다.

상기의 과제를 달성하는 본 발명에 따른 제1 측면은, 무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 크로스 다이폴 안테나로서, 한 쌍의 다이폴 안테나를 가지며, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나는, 서로 십자로 교차하는 급전점으로부터 신장된 선로와, 상기 선로를 절곡한 끝에 3각 형상으로 넓어지는 선로를 가지며, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 긴 것을 특징으로 한다.

상기 제1 측면에 있어서, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 상기 3각 형상으로 넓어지는 선로의 선단부에 연장부를 더 가지며, 상기 연장부의 길이에 의해 임피던스 조정을 행할 수 있다.

또한, 상기 연장부의 길이가, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나가 첨부되는 기체의 유전률 및 두께에 따라서 설정되도록 할 수 있다.

상기 제1 측면에 있어서, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 상기 급전점으로부터 신장된 선로들의 사이에 접속된 도전 바를 가지며, 상기 도전 바의 상기 급전점으로부터 신장된 선로에 접속되는 위치에 의해, 임피던스 조정이 행해지도록 해도 된다.

또한, 상기 제1 측면에 있어서, 상기 3각 형상을, 중심 부분을 도려내고, 주 변부의 윤곽부의 도체로 형성할 수 있다.

상기의 과제를 달성하는 본 발명에 따른 제2 측면은, 무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 태그로서, 기체와, 상기 기체에 도체로 형성된 한 쌍의 다이폴 안테나와, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 서로 십자로 교차하는 급전점에 접속된 LSI 칩을 가지며, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나는, 서로 십자로 교차하는 급전점으로부터 신장된 선로와, 상기 선로를 절곡한 끝에 3각 형상으로 넓어지는 선로를 가지며, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 긴 것을 특징으로 한다.

상기 제2 측면에 있어서, 상기 기체는, PET, 필름 혹은 종이 재료에 의해 형성되고, 상기 다이폴 안테나의 도체를 Cu, Ag, 또는, Al로 형성할 수 있다.

<실시예>

이하에 실시예 도면을 참조해서, 본 발명의 실시예를 설명한다. 또한, 실시예는, 본 발명의 이해를 위한 것으로 본 발명의 기술적 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4에 본 발명에 따른 제1 실시예의 안테나 패턴 구조를 나타낸다. 안테나 패턴은, 태그의 기체로 되는 PET, 필름 혹은 종이 재료 상에, Cu, Ag, 또는, Al 등의 도전 재료를 이용해서 형성된다.

한 쌍의 다이폴 안테나(1a, 1b)가, 급전점(20)에서 병렬 접속되고, 다이폴 안테나(1a, 1b)의 각각에 대응하는 접지측 안테나 소자 GND(1a), GND(1b)가 도 3에 도시한 바와 같이, 도체(12)에 의해 공통 접속된다.

한 쌍의 다이폴 안테나(1a, 1b)는, 급전점(20)으로부터 십자 형상으로 안테나 선로가 신장되고, 끝에 도달한 곳에서 직각으로 절곡되고, 또한 3각형 형상으로 선로가 넓어져 있다. 안테나 패턴의 전체의 크기는, 세로 78mm, 가로 78mm이며, 십자 형상의 중심 위치인 급전점(20)에 LSI 칩(2)의 탑재부를 갖는다.

상기의 3각 형상으로 넓어지는 선로에 의해, 다양한 길이의 안테나 전체 길이를 가질 수 있고, 이에 의해 안테나의 주파수 특성을 광대역으로 할 수 있다.

이러한 구성에서, 십자 형상으로 안테나(1a, 1b)가 존재하고, 각각의 전체 길이는 약 180mm(>λ/2)이므로, 앞에 도 2b에 대해서 설명한 바와 같이 인덕턴스 성분 La를 갖을 수 있다.

또한, 도 4의 실시예에 있어서, 3각형 영역의 선단에 길이 L의 임피던스 조정부(10a, 10b 및 11a, 11b)가 신장되어 있다.

도 5, 도 6은, 임피던스 조정부(10a, 10b 및 11a, 11b)의 길이 L을 파라미터로 하여, 인덕턴스 성분 La 및 안테나의 방사 저항 Ra를 시판의 전자계 시뮬레이터로 계산한 결과를 나타내는 도면이다.

여기에서, RFID 시스템에 이용하는 태그는, 기체에 안테나 도체를 접착해서 사용하기 때문에, 기체의 유전률 εr, 두께 t를 고려하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 5, 도 6의 시뮬레이션 계산에서는, 태그 기체를 플라스틱으로 생각하고, εr=3이라고 하고, 두께 t=1, 2, 4mm이라고 가정했다.

예를 들면, LSI 칩(2)의 캐패시턴스 Cc=1.4pF라고 하면, 이것과 공진하는 것 은 La=20nH이다. 도 5의 데이터로부터, 두께 t=1mm의 플라스틱(εr=3) 기체에 접착한다면 L=O, 끈으로 늘어뜨려서 안테나 주위가 공기(εr=1)인 경우에는 L=13mm이 최적값이다. 이때, 도 6에 도시한 바와 같이, 안테나의 방사 저항 Ra는 칩 저항500Ω에 가깝게 되고 있어, 거의 정합하고 있다.

또한, 주위 조건에 따른 최적값을 선택하지 않더라도, 통신 거리가 약간 떨어지는 것 뿐으로, 전혀 통신할 수 없게 되는 것은 아니다.

도 7a, 도 7b에는, R/W 안테나가 직선 편파(100)로 한 경우의 태그의 동작을 나타내고 있다. 도 7a에 있어서 안테나(1a)의 편파면(100a)은, 좌우 방향(수평 방향)으로부터 약 30°회전한 방향에 있고, 안테나(1b)는 그것과 90° 서로 다르다.

R/W 안테나 직선 편파면(100)과 태그 편파면이 일치한 때, 가장 통신 거리가 크게 되고, 그들이 90° 서로 다를 때, 가장 통신 거리가 작게 된다. 따라서, 안테나(1a)만에 주목하면, 도 7a에 도시한 바와 같이 30°좌회전시키면, 안테나 직선 편파면(10O)과 태그 편파면(100a)이 일치하고, 통신 거리 최대로 되고, 또한 90°회전하고, 120°회전 위치에서 통신 거리가 최소로 된다. 이 모습은, 도 7b에 있어서, 파선(1a)으로 나타내진다. 도 7b에 있어서, 횡축에 회전 각, 종축에 통신 거리를 나타내고 있다.

한편, 안테나(1b)에 주목하면, 안테나(1a)와 90°위상이 서로 다르다. 그리고, 도 7b에 있어서 회전 각과 통신 거리와의 관계는 일점 쇄선(1b)으로 나타내진다. 따라서, 안테나(1a)와 (1b)의 특성을 합성하면, 도 7b에 (1a+1b)로 도시하는 실선으로 나타낸 바와 같이, 전체로서 통신 거리가 크게 열화하는 일이 없는 태그 를 실현할 수 있는 것을 이해할 수 있다.

이때의, 최대 거리는, R/W 안테나가 원 편파, 태그가 통상의 직선 편파로 한 경우의 약 1.4배이기 때문에, RFID 시스템의 통신 거리를 신장할 수 있다.

도 8은, 본 발명에 따른 제2 실시예의 안테나 패턴을 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 실시 형태는, 안테나 임피던스의 조정 방법으로서, 도전 바(13)를 설치한 구성이다. 도전 바(13)가 배치되는 위치의 특정을, 안테나(1a, 1b)의 교차 중심점에서, LSI 칩(2)이 탑재되는 위치로부터 L2의 거리에 도전 바(13)가 접속된다고 생각한다.

이때의 도전 바(13)가 접속되는 점의 거리 L2와 안테나 방사 저항 Ra와 인덕턴스 성분 La의 관계를 도 9, 도 10에 도시하였다. 앞에 설명한 LSI 칩(2)의 캐패시턴스 Cc=1.4pF와 공진하기 위해 인덕턴스 La=20nH로 하기 위해서는, L2=22mm가 최적값인 것을 알 수 있다.

도 11은, 또한 본 발명에 따른 제3 실시예의 안테나 패턴을 나타내는 도면이다. 각각의 안테나(1a, 1b)로부터 신장되는 3각형 부분에 흐르는 전류는, 3각형의 주변 부분에 치우치고, 중심 부근에는 전류는 집중하지 않는다. 이 때문에, 전류가 흐르기 어려운 중앙 부분은, 도려내도 된다. 예를 들면, Ag 페이스트에서 안테나(1a, 1b)를 형성하는 경우, 사용하는 금속 부분은 될 수 있으면 적은 쪽이 코스트 절감으로 된다.

따라서, 도 11에 도시한 바와 같이, 안테나(1a, 1b)의 절곡 부분에 형성되는 3각형은, 그 윤곽부의 도체(20a, 20b, 20c, 및 21a, 21b, 21c)로 형성한다. 다른 부분은, 도 4에 나타낸 다이(1)의 실시예와 마찬가지이다.

(부기 1)

무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 크로스 다이폴 안테나로서,

한 쌍의 다이폴 안테나를 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나는, 서로 십자로 교차하는 급전점으로부터 신장된 선로와, 상기 선로를 절곡한 끝에 3각 형상으로 넓어지는 선로를 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 긴 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.

(부기 2)

부기 1에 있어서,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 상기 3각 형상으로 넓어지는 선로의 선단부에 더 연장부를 가지며, 상기 연장부의 길이에 의해 임피던스 조정이 행해지는 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.

(부기 3)

부기 2에 있어서,

상기 연장부의 길이가, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나가 첨부되는 기체의 유전률 및 두께에 따라서 설정되는 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.

(부기 4)

부기 1에 있어서,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 상기 급전점으로부터 신장된 선로들의 사이에 접속된 도전 바를 가지며,

상기 도전 바의 상기 급전점으로부터 신장된 선로에 접속되는 위치에 의해, 임피던스 조정이 행해지는 것을 특징으로 한 크로스 다이폴 안테나.

(부기 5)

부기 1에 있어서,

상기 3각 형상을, 중심 부분을 도려내고, 주변부의 윤곽부의 도체로 형성하는 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.

(부기 6)

무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 태그로서,

기체와,

상기 기체에 도체로 형성된 한 쌍의 다이폴 안테나와,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 서로 십자로 교차하는 급전점에 접속된 LSI 칩을 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 긴 것을 특징으로 하는 RFID 시스템에 적용되는 태그.

(부기 7)

부기 6에 있어서,

상기 기체가, PET, 필름 혹은 종이 재료에 의해 형성되고, 상기 다이폴 안테나의 도체가 Cu, Ag, 또는, Al로 형성된 것을 특징으로 하는 RFID 시스템에 적용되는 태그.

(부기 8)

부기 6에 있어서,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 상기 3각 형상으로 넓어지는 선로의 선단부에 더 연장부를 가지며, 상기 연장부의 길이에 의해 임피던스 조정이 행해지는 것을 특징으로 하는 RFID 시스템에 적용되는 태그.

(부기 9)

부기 8에 있어서,

상기 연장부의 길이가, 상기 한 쌍의 다이폴 안테나가 첨부되는 기체의 유전률 및 두께에 따라서 설정되는 것을 특징으로 하는 RFID 시스템에 적용되는 태그.

(부기 10)

부기 6에 있어서,

상기 도전 바의 상기 급전점으로부터 신장된 선로에 접속되는 위치에 의해, 임피던스 조정이 행해지는 것을 특징으로 한 RFID 시스템에 적용되는 태그.

(부기 11)

부기 6에 있어서,

상기 3각 형상을, 중심 부분을 도려내고, 주변부의 윤곽부의 도체로 형성하는 것을 특징으로 하는 RFID 시스템에 적용되는 태그.

본 발명에 의해, R/W측이 직선 편파 안테나를 이용하는 경우이더라도, 태그의 방향에 의하지 않은 무지향에 가까운, 컴팩트한 다이폴 안테나가 제공되므로, 이에 의해, 태그 자신이 크게 되는 것을 회피할 수 있다.

Claims

무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 크로스 다이폴 안테나로서,

한 쌍의 다이폴 안테나를 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나는, 서로 십자로 교차하는 급전점으로부터 신장된 선로와, 상기 선로를 절곡한 끝에 3각 형상으로 넓어지는 선로를 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 긴 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 상기 3각 형상으로 넓어지는 선로의 선단부에 연장부를 더 가지며, 상기 연장부의 길이에 의해 임피던스 조정이 행해지는 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 상기 급전점으로부터 신장된 선로들의 사이에 접속된 도전 바를 가지며,

상기 도전 바의 상기 급전점으로부터 신장된 선로에 접속되는 위치에 의해, 임피던스 조정이 행해지는 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 3각 형상을, 중심 부분을 도려내고, 주변부의 윤곽부의 도체로 형성하는 것을 특징으로 하는 크로스 다이폴 안테나.
무선 고주파 신호를 이용해서 리더 라이터와 태그 사이에서 정보의 통신을 행하는 RFID 시스템에 적용되는 태그로서,

기체와,

상기 기체에 도체로 형성된 한 쌍의 다이폴 안테나와,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 서로 십자로 교차하는 급전점에 접속된 LSI 칩을 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나는, 서로 십자로 교차하는 급전점으로부터 신장된 선로와, 상기 선로를 절곡한 끝에 3각 형상으로 넓어지는 선로를 가지며,

상기 한 쌍의 다이폴 안테나의 각각의 전체 길이가, 사용 파장이 λ일 때, λ/2보다도 긴 것을 특징으로 하는 RFID 시스템에 적용되는 태그.