KR100842271B1

KR100842271B1 - Ｒｆｉｄ 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치 및 그제어 방법

Info

Publication number: KR100842271B1
Application number: KR1020060122546A
Authority: KR
Inventors: 이종문; 김내수; 표철식; 최익권
Original assignee: 한국전자통신연구원; 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-30
Also published as: KR20080051453A; US20080129641A1; US7804455B2

Abstract

본 발명에 의한 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법은 상호 일정한 방향을 가지도록 배치되는 복수개의 선형 편파 다이버시티 안테나; 상기 선형 편파 다이버시티 안테나부와 RFID 리더를 연결하는 스위칭부; 및 상기 스위칭부를 제어하여 상기 선형 편파 다이버시티 안테나를 선택적으로 활성화하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 패치안테나가 가지는 협대역특성과 핀다이오드를 적절한 위치에 장착하면 관련 방향 모드에 변화가 거의 없다는 점을 이용하여 두개의 핀 다이오드를 이용한 수평/수직편파다이버시티 특성을 갖는 단일급전안테나를 설계 제작이 가능하며 또한 네 개의 핀 다이오드를 이용한 4방향 선형편파다이버시티특성을 갖는 단일 급전안테나로 설계도 가능하기 때문에 국내외 RFID 리더와 이동통신 다이버시티안테나에 적용하여 국내 관련 업계의 국제 경쟁력이 크게 향상 될 것으로 기대된다.

RFID, 선형편파, 다이버시티, 안테나, 편파부정합, 전파손실

Description

ＲＦＩＤ 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법{Antenna apparatus for linearly polarized diversity antenna in RFID reader and method for controlling the antenna apparatus}

도 1은 본 발명에 따른 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치의 수평/수직 안테나 구조를 보여주는 도면이다.

도 2b는 도 1의 수평/수직 안테나 구조의 패턴도이다.

도 2c는 도 1의 수평/수직 안테나의 그라운드 패턴도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 수평안테나에 부착되는 다이오드를 on시키고 수직안테나에 부착된 다이오드를 off시켰을 경우 안테나의 입력임피던스를 보여주는 도면이다.

도 3b는 본 발명에 따른 안테나 장치의 수평면 복사패턴을 보여주는 도면이다.

도 4a는 본 발명에 따른 수직안테나에 부착되는 다이오드를 on시키고 수평안테나에 부착된 다이오드를 off시켰을 경우 안테나의 입력임피던스를 보여주는 도면이다.

도 4b는 본 발명에 따른 안테나 장치의 수직면 복사패턴을 나타낸 도이다.

도 5는 본 발명에 따른 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치의 제어 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태그안테나와 가장 편파방향이 일치하는 리더기의 선형편파안테나와 통신을 하게 되어 편파부정합에 의한 전파손실이 작아지도록 하는 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 UHF 대 극소 tag들이 항만, 병원, 제약회사 등에서의 자동 물류관리, 매장 등에서의 재고정리 및 도난방지, 도서관에서의 도서 반?출입 자동정리, 공항에서의 가방자동검색, 도로 환경 자동관리, 교통 제어 등 모든 분야에 적용되기 위해서는 각 대상물에 부착되는 극소형 tag의 안테나로부터 방출되는 데이터신호를 reader에서 정확하게 읽어 들일 수 있어야만 한다. 그러나 이러한 tag의 안테나는 극히 소형이기 때문에 필연적으로 낮은 이득특성을 가지고 있으며 편파도 부착물의 배치와 부착상태에 따라 무작위로 변한다. 따라서 크기가 제한받고 있는 휴대리더기의 경우 편파부정합에 의한 전파손실도 줄이면서 가능한 한 먼 거리에서 태그와 데이터를 주고받을 수 있기 위해서는 소형이면서도 고이득 특성을 갖는 편파다이버시티안테나에 대한 연구가 필요하다.

그러나 전술한 바와 같은 종래의 태그안테나는 선형편파안테나가 일반적이다. 따라서 고정형/휴대형 리더용 안테나로는 원편파특성을 갖는 마이크로스트립안테나가 널리 이용되고 있다. 이 안테나는 태그 안테나가 부착된 대상물의 배열방향에 무관하게 일정한 편파부정합손실을 가지기 때문에 어느 태그는 인식하고 다른 어느 태그는 인식하지 못하는 경우가 없이 항상 일정한 전력을 송수신함에 따라 송수신회로도 비교적 간단한 구조를 가지지만, 태그와 리더간 양방향 통신 시 항상 6dB의 편파부정합손실이 있기 때문에 통신거리가 그만큼 짧아지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 편파부정합손실을 작게 하고 통신거리를 크게 하기 위하여 리더안테나를 다수의 선형편파안테나로 구성하는 편파다이버시티안테나 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치는 상호 일정한 방향을 가지도록 배치되는 복수개의 선형 편파 다이버시티 안테나; 상기 선형 편파 다이버시티 안테나부와 RFID 리더를 연결하는 스위칭부; 및 상기 스위칭부를 제어하여 상기 선형 편파 다이버시티 안테나를 선택적으로 활성화하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치를 제어하는 방법은 복수의 선형 편파 다이버시티 안테나를 상호 일정한 방향이 되도록 조절하는 단계; 및 상기 선형 편파 다이버시티 안테나에 공급되는 전류의 온/오프를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 2a는 본 발명에 따른 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치의 수평/수직 안테나 구조를 보여주는 도면이다. 도 2b는 도 1의 수평/수직 안테나 구조의 패턴도이며, 도 2c는 도 1의 수평/수직 안테나의 그라운드 패턴도이다. 한편 도 3a는 본 발명에 따른 수평안테나에 부착되는 다이오드를 on시키고 수직안테나에 부착된 다이오드를 off시켰을 경우 안테나의 입력임피던스를 보여주는 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 안테나 장치의 수평면 복사패턴을 보여주는 도면이다. 그리고 도 4a는 본 발명에 따른 수직안테나에 부착되는 다이오드를 on시키고 수평안테나에 부착된 다이오드를 off시켰을 경우 안테나의 입력임피던스를 보여주는 도면이며, 도 4b는 본 발명에 따른 안테나 장치의 수직면 복사패턴을 나타낸 도이다. 마지막으로 도 5는 본 발명에 따른 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치의 제어 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.

먼저 도 1과 도 5를 참조하면서 본 발명에 의한 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법의 일 실시예를 설명한다. 설명의 편의와 이해의 용이함을 위하여 장치와 방법을 함께 서술하도록 한다. 선형 편파 다이버시티 안테 나(110,140)는 적어도 하나 이상이 상호 일정한 방향을 가지도록 배치된다(S510). 이 때 선형 편파 다이버시티 안테나(110,140)는 마이크로스트립 형태인 것이 바람직하다. 한편 선형 편파 다이버시티 안테나(110,140)가 2개인지의 여부를 판단하여(S520), 2개이면 서로 직각이 되도록 배치하고(S530), 4개이면 45도를 이루도록 조절한다(S540). 스위칭부(120)는 선형 편파 다이버시티 안테나부(110,140)와 RFID 리더를 연결하게 되는데, 핀다이오드를 이용하여 연결하는 것이 바람직하다. 제어부(130)는 상기 스위칭부(120)를 제어하여 상기 선형 편파 다이버시티 안테나(110,140)를 선택적으로 활성화하는데 그 방법은 상기 스위칭부(120)를 온/오프하여 상기 선형 편파 다이버시티 안테나(110,140)로 공급되는 전류를 제어하는 방식을 취한다.

이제 도 1의 구성을 보다 구체적으로 보여주는 도 2a 내지 도 4b를 참조하면서, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명한다. 다만, 이하에서는 선형 편파 다이버시시 안테나(110,140)가 2개인 경우를 예를 들어서 설명한다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 수평/수직 안테나는 두 마이크로스트립안테나(210,220)를 서로 교차시켜서 한 곳에서 프로브 급전(280)하여 신호를 송수신하는 구조를 가지고 있다. 각 마이크로스트립안테나(210,220)는 두 부분으로 분리되어 있으며 그 사이에 다이오드(240,250)를 위치시키고 있다.

한편 전원은 전원공급 패턴(270)을 통하여 공급되고 저항(260)을 거쳐 패턴 230에 공급되고, 이 패턴에 연결된 다이오드(240,250)을 거쳐 마이크로스트립안테나(210,220)에 전달되게 된다. 수평안테나(210)에 삽입된 다이오드(240)가 on이면 수평안테나(210)방향으로 전류가 다이오드(240)를 통해 흐르기 때문에 수평방향모드의 공진주파수는 거의 변화가 없고 그 주파수에서 수평편파안테나로 동작하게 된다. 마찬가지로 수직안테나(220)에 삽입된 다이오드(250)가 on이면 수직안테나(220)방향으로 전류가 다이오드를 통해 흐르기 때문에 수직방향모드의 공진주파수는 거의 변화가 없고 따라서 그 주파수에서 수직편파안테나로 동작하게 된다. 역으로 수평안테나(210)에 삽입된 다이오드(240)가 off이면 수평안테나방향으로 전류는 다이오드(240)를 통해 흐르지 못하고 다이오드까지만 전류가 흐르게 된다. 결과적으로 안테나길이가 작아져서 급전단자에서 이 수평안테나를 바라보는 원 공진주파수에서의 입력임피던스는 매우 커서 거의 open circuit와 같이 작용한다.

마찬가지로 수직안테나(220)에 삽입된 다이오드(250)가 off이면 수직안테나방향으로 전류가 다이오드(250)를 통해 흐르지 못하기 때문에 결과적으로 안테나길이가 작아져서 급전단자에서 이 수직안테나(220)를 바라보는 원 공진주파수에서의 입력임피던스는 매우 커서 거의 open circuit와 같이 작용한다. 따라서 수평안테나(210)에 삽입된 다이오드(240)가 on이고 수직안테나(220)에 삽입된 다이오드(250)가 off이면 공진주파수에서 안테나는 수평편파안테나가 되며 급전단자에서의 임피던스정합특성도 유지된다. 또한 역으로 수직안테나(220)에 삽입된 다이오드(250)가 on이고 수평안테나(210)에 삽입된 다이오드(240)가 off이면 공진주파수에서 안테나는 수직편파안테나가 되며 급전단자에서의 임피던스정합특성도 역시 유지된다.

도 2b는 본 발명에 따른 수평/수직 안테나의 패턴도이고, 도 2c는 본 발명에 따른 수평/수직 안테나의 그라운드(ground) 패턴도인 바, 프로브 급전(280)은 직경이 1.3mm인 동축컨넥터로 구현하는 것이 바람직하며, 그 위치와 그라운드면의 동축컨넥터 연결부처리의 구성을 알 수 있다. 한편 도 2a 내지 도 2c에서 200은 그라운드면이고, 290은 기판(substrate)이다.

도 3a는 본 발명에 따른 수평안테나(210)에 부착되는 다이오드(240)를 on시키고 수직안테나(220)에 부착된 다이오드(250)를 off시켰을 경우 안테나의 입력임피던스를 보여주고 있다. 도 3b는 본 발명에 따른 수평면 복사패턴을 보여주는 도면인데, 안테나의 입력임피던스와 복사패턴 그리고 크로스폴 특성을 시뮬레이션을 통해 확인한 결과로서, 이 결과의 해석은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이해할 수 있으므로 그 설명을 생략한다.

도 4a는 본 발명에 따른 수직안테나(220)에 부착되는 다이오드(250)를 on시키고 수평안테나(210)에 부착된 다이오드(240)를 off시켰을 경우 안테나의 입력임피던스를 보여주는 도면이고, 도 4b는 수직면 복사패턴을 나타낸 도인바, 안테나의 입력임피던스와 복사패던 그리고 크로스폴 특성을 시뮬레이션을 통해 확인한 결과이다. 이 결과의 해석 역시 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이해할 수 있으므로 그 설명을 생략한다.

각 시뮬레이션시 다이오드 on은 다이오드가 위치하는 오른쪽과 왼쪽 안테나 부분(또는 윗쪽과 아래 쪽 안테나부분)을 가로세로 1mm의 정사각형 패치로 연결하는 것으로 대치하였으며, 다이오드 off의 경우는 다이오드가 위치하는 윗 쪽과 아래 쪽 안테나부분(또는 오른 쪽과 왼쪽 안테나부분)사이에 1mm간격을 둔 채로 시뮬 레이션을 하였다.

표 1은 수평/수직안테나 특성 시뮬레이션결과를 나타낸 것이다.

항 목	규 격	비 고
동작 주파수 대역	908.5MHz ~ 914MHz
편 파	수평/수직 선형편파
반사 손실	-10dB이하
이 득	3.48 dBi
안테나치수	8cm X 8cm미만
크로스폴격리도	13dB 이하

본 발명의 RFID 리더형 선형편파다이버시티 안테나 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 또한 본 발명에서 적용된 설계이론은 국내 RFID 리더안테나뿐 아니라 외국의 RFID 안테나나 이동통신 다이버시티 안테나등 다양한 용도의 다이버시티안테나에도 적용될 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 제어 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD_ROM, 자기테이프, 플로피디스크 및 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 RFID 리더용 선형편파다이버시티 안테나 장치 및 그 제어 방법은, 패치안테나가 가지는 협대역 특성과 핀다이오드를 적절한 위치에 장착하면 관련 방향 모드에 변화가 거의 없다는 점을 이용하여 두개의 핀다이오드를 이용한 수평/수직편파다이버시티 특성을 갖는 단일급전안테나의 설계 제작이 가능하며, 또한 네개의 핀다이오드를 이용한 4방향 선형편파다이버시티특성을 갖는 단일 급전안테나의 설계 및 구현이 가능하다.

수평/수직편파다이버시티특성을 갖는 안테나의 경우에는 최악의 경우 원편파안테나와 같이 6dB의 편파부정합손실이 있으나 원편파안테나에 비해 최소 0dB에서 최대 6dB의 개선효과를, 그리고 4방향으로 선형편파다이버시티특성을 갖는 안테나의 경우에는 편파부정합에 의한 손실이 최악의 경우에도 1.38dB이므로 원편파안테나에 비해 최소 4.62dB에서 최대 6dB의 아주 우수한 개선효과가 있다. 따라서 이 설계기법을 국내외 RFID 리더와 이동통신 다이버시티안테나에 적용하면 국내 관련 업계의 국제 경쟁력이 크게 향상시킬 수 있다.

Claims

상호 일정한 방향을 가지도록 배치되는 복수개의 선형 편파 다이버시티 안테나;

상기 선형 편파 다이버시티 안테나부와 RFID 리더를 연결하는 스위칭부; 및

상기 스위칭부를 제어하여 상기 선형 편파 다이버시티 안테나를 선택적으로 활성화하는 제어부;를 포함하며,

상기 스위칭부는

상기 제어부의 제어에 따라 상기 다이버시티 안테나로 공급되는 전류를 온/오프 시키는 것을 특징으로는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 선형 편파 다이버시티 안테나는

두 개로 이루어지는 경우에는 상호 직각 방향을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 선형 편파 다이버시티 안테나는

네 개로 이루어지는 경우에는 상호 45도를 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 선형 편파 다이버시티 안테나는

마이크로스트립 형태인 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 스위칭부는

핀다이오드인 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치.
(a) 복수의 선형 편파 다이버시티 안테나를 상호 일정한 방향이 되도록 조절하는 단계; 및

(b) 상기 선형 편파 다이버시티 안테나에 공급되는 전류의 온/오프를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 (a)단계는

상기 선형 편파 다이버시티 안테나가 두 개인 경우에는 상호 직각이 되도록 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 (a)단계는

상기 선형 편파 다이버시티 안테나가 네 개인 경우에는 상호 45도가 되도록 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 (b)단계는

상기 선형 편파 다이버시티 안테나로 공급되는 전류를 PIN 다이오드를 온/오프 하여 제어하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 선형 편파 다이버시티 안테나 장치 제어 방법.