KR100854640B1

KR100854640B1 - 광대역 ｒｆｉｄ 태그 안테나

Info

Publication number: KR100854640B1
Application number: KR1020070014785A
Authority: KR
Inventors: 명로훈; 오영철; 이종혁; 양우용; 임상호; 임호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-08-27
Also published as: KR20080075628A

Abstract

본 발명은 광대역 RFID 태그 안테나에 관한 것으로서, 단락된 전송선로의 급전부와 PIFA의 방사 패치를 동일면에 이격되도록 평행하게 위치시킴으로써, 태그 안테나의 근접 결합 급전 구조로 입력 임피던스 정합이 간편하고, 특정 지역에서도 사용 가능한 광대역 특성을 보임과 동시에 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능한 광대역 RFID 태그 안테나를 제공하기 위한 것으로서, 그 기술적 구성은 유전체층의 일면에 형성된 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 방사 패치층; 상기 유전체층의 타면에 형성된 접지층; 상기 방사 패치층과 동일한 면에 형성되어 RF 전력을 공급하는 급전부; 상기 방사 패치층의 일측 및 상기 급전부의 일측을 상기 유전체층과 관통하여 접지면과 단락시키는 단락핀; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

RFID, 태그 안테나, 패치, PIFA, 급전부, 유전체

Description

광대역 ＲＦＩＤ 태그 안테나{Wide Band RFID Tag Antenna}

도 1은 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나를 개략적으로 도시한 평면도 및 정면도.

도 2는 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 급전부 길이에 따른 입력 리액턴스를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 방사부와 급전부 간 거리에 따른 안테나 입력 저항을 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 반사손실 및 방사효율을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>

1: 광대역 RFID 태그 안테나 10: 방사 패치

11: 단락핀 20: 접지면

30: 급전부 31, 33: 단락핀

35: 태그칩 39: 패드

50: 유전체

본 발명은 광대역 RFID 태그 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단락된 전송선로의 급전부와 PIFA의 방사 패치를 동일면에 이격되도록 평행하게 위치시킴으로써, 태그 안테나의 근접 결합 급전 구조로 입력 임피던스 정합이 간편하고, 특정 지역에서도 사용 가능한 광대역 특성을 보임과 동시에 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능한 광대역 RFID 태그 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 마이크로스트립 패치 안테나는 제작이 용이하고, 경량 박형이지만, 공진 주파수에 반파장의 크기를 가지므로 RFID 태그용 안테나로 이용되기에 적절하지 않으나, PIFA 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나에서 전계가 없는 부분을 도체판으로 단락시켜 크기를 반으로 감소시키고, 단락판을 기준으로 급전점의 위치를 변화시켜 특정 임피던스에 정합하는 구조로써, 공진 주파수에서 1/4의 파장의 크기를 갖는다.

그리고, 회로 기판으로부터 공급된 전류가 피드라인으로 방사 안테나 도체에 전달되고, 방사 안테나 도체를 순환한 전류가 다시 그라운딩 핀을 통하여 회로 기판으로 들어오면서 회로 전송 라인이 형성되고, 이로 인하여 공기 중의 전파를 수신하거나 또는 공기 중으로 전파를 방사한다.

그러나, 통상적인 라벨형 RFID 태그 안테나가 금속 물질에 부착되었을 시, 기생 커페시턴스가 발생하여 응답 주파수 및 응답 크기가 변하고, 급전점에서 안테나 임피던스를 조정할 수 없으므로, 금속체의 크기가 변하는 등의 변화에 따라 급전점의 위치도 변경해야하는 어려움이 있으며, 성능을 조절할 수 있는 변수에 따라 안테나를 용이하게 변경할 수 없었고, 이에 따라 변경에 따른 비용이 증가하였으며, 광대역 특성 및 소형화할 수 없는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 단락된 전송선로의 급전부와 PIFA의 방사 패치를 동일면에 이격되도록 평행하게 위치시킴으로써, 태그 안테나의 근접 결합 급전 구조로 입력 임피던스 정합이 간편하고, 특정 지역에서도 사용 가능한 광대역 특성을 보임과 동시에 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능한 RFID 태그 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유전체층의 일면에 형성된 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 방사 패치층; 상기 유전체층의 타면에 형성된 접지층; 상기 방사 패치층과 동일한 면에 형성되어 RF 전력을 공급하는 급전부; 상기 방사 패치층의 일측 및 상기 급전부의 일측을 상기 유전체층과 관통하여 접지면과 단락시키는 단락핀; 을 포함한다.

그리고, 상기 급전부의 일측에 태그칩을 위치시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방사 패치층의 길이 또는 방사 패치층의 폭 또는 상기 단락핀의 중심부와 상기 방사 패치층의 일측 단부 간의 길이에 따라 상기 안테나의 공진 주파수가 조정되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 급전부는 일측이 단락된 전송 선로인 것을 특징으로 한다.

더불어, 동일한 공진 주파수를 유지하면서, 상기 급전부의 길이를 조절하여 상기 안테나의 입력 리액턴스를 조절하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 동일한 공진 주파수를 유지하면서, 상기 급전부와 방사 패치 간의 거리를 조절하여 상기 안테나의 입력 저항을 조절하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 단락핀은 금속면인 단락면으로 대체될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나가 금속 표면에 부착될 경우, 상기 금속 표면은 접지면의 특성을 지니는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 유전체층은 일정 유전 상수를 유지할 수 있는 물질로 대체될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 급전부와 상기 방사 패치층은 동일면에 평행하도록 위치시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 유전체층은 상기 일정 유전 상수를 유지할 수 있는 다층구조로 대체가능한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나를 개략적으로 도시한 평면도 및 정면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 RFID 태그 안테나는 방사 패치(10)와 단락핀(11)과 접지층(20)과 단락핀(31, 33), 태그칩(35), 패드(39)를 포함하는 급전부(30)와 유전체(50)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 방사 패치(10)는 일정 두께의 장방형의 금속으로 이루어지며, PIFA(Planar Inverted-F Antenna)의 구조를 가지는데, 이는 내장이 가능한 형태의 안테나로써, 회로 기판으로부터 공급된 전류가 피드라인을 통하여 방사 안테나 도체에 전달되고, 방사 안테나 도체를 순환한 전류가 다시 접지핀을 통하여 회로 기판으로 들어오게 되면서 회로 전송 라인이 형성되고, 이 회로 전송 라인으로 인하여 공기 중의 전파를 수신하거나 또는 공기중으로 전파를 방사하는 안테나의 한 종 류이다.

또한, 상기 방사 패치(10)는 마이크로스트립 패치(Microstrip Patch)의 크기를 줄이기 위하여 1/4 파장(λ)에서 공진하는 PIFA를 이용하는데, 높이를 최소화하기 위하여 급전부(30)와 방사 패치(10)를 동일한 편에 평행하게 위치시켜 급전부(30)에 흐르는 전류에 의하여 형성된 전자기장으로 방사 패치(10)에 급전되고, 상기 방사 패치(10)는 RF 신호를 방사하게 된다.

그리고, 상기 방사 패치(10)는 상기한 특성을 이용하여 대역폭, 공진 주파수의 반사 손실, 임피던스 매칭 효율 등이 요구되는 상기 PIFA의 수직 방향으로 전파를 방사하게 되는데, L의 길이와 W의 폭을 가진다.

또한, 상기 방사 패치(10)의 일측에 소정의 간격을 가지고 접지를 위한 단락핀(11)이 다수개 구비되는데, 폭(Width: W) 방향으로 배열되고, 단락핀(11) 간 거리는 Dp의 소정 간격을 가지며, 상기 단락핀(11)의 중심과 상기 방사 패치(10)의 일측 단부까지의 거리는 Dm 으로, 상기 거리조절이 용이하도록 이루어진다.

더불어, 상기 방사 패치(10) 및 단락핀(11)은 일정 두께의 유전체(50)층 일측면에 위치하고, 상기 유전체(50)층을 관통하도록 상기 단락핀(11)을 수직으로 고정시키는데, 상기 단락핀(11)은 접지를 위하여 접지층(20)과 접촉되도록 구비된다.

여기서, 상기 유전체(50)층은 일정 두께의 높이를 가지면서 형성되는데, 상기 유전체(50)의 특성을 가지도록 일정 두께의 다른 물질과 혼용하여 사용가능하다.

그리고, 상기 접지층(20)은 기판의 크기와 동일하게 금속판으로 구비할 수 있지만, 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나(1)가 부착될 장치면이 금속면이라면, 그 면이 접지층(20)의 기능을 가진다.

또한, 상기 방사 패치(10)에 전자기장을 유도할 수 있도록 급전부(30)가 구비되는데, Lf의 길이와 Wf의 폭을 가지면서, 상기 방사 패치(10)와 Dp의 간격을 가지도록 위치하고, 상기 급전부(30)는 전송 선로로 형성된다.

이때, 상기 급전부(30)의 일측은 단락핀(31)으로 고정 및 단락되며, 상기 단락핀(31)도 상기 단락핀(11)과 같이 접지층(20)과 접촉되도록 유전체(50)층을 관통한다.

더불어, 상기 단락핀(11)은 상기 방사 패치(10)의 일측을 'ㄱ' 형상으로 형성시켜 금속면인 단락면으로 대체될 수 있으며, 상기 다수개의 단락핀(31, 33) 또한 상기 급전부(30)의 양측을 각각 'ㄱ' 형상으로 형성시켜 금속면인 단락면으로 대체할 수 있다.

여기서, 상기 급전부(30)의 일측에 태그칩(Tag Chip, 35)이 구비되며, 상기 태그칩(35)에서 상기 일측 단부까지 용접을 위한 패드(39)가 분리되도록 구비된다.

그리고, 상기 태그칩(35)으로 전력이 전달되는 것을 최대화하기 위하여, 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나는 태그칩(35)의 임피던스에 복소 공액 정합되어야 하므로, 상기 급전부(30)는 공진 주파수에서 상기 태그칩(35)의 커페시턴스(Capacitance) 부분을 없애는 임피던스 값을 가지도록 조정하는데, 상기 태그칩(35)의 커페시턴스 값을 상쇄시키는 리액턴스를 생성한다.

여기서, 근접 결합 급전 구조에서 사용하는 단부가 개방된 전송 선로를 이용 하지 않는 대신, 태그칩(35)을 연결시키는데, 개방된 전송 선로의 길이보다 단락된 전송 선로의 길이를 감소시킬 수 있으므로, 상기 광대역 RFID 태그 안테나(1)의 크기를 줄일 수 있다.

더불어, 상기 급전부(30)는 단락된 전송 선로이므로, 하기 수학식 1을 통하여 근사계산될 수 있다.

여기서, Zo는 특성 임피던스, β는 위상 상수, l은 급전부(30)의 길이(Length: Lf)이므로, Lf를 조정함으로써 인덕턴스를 조정할 수 있다.

또한, 상기 방사 패치(10)의 길이(L) 또는 단락핀(11)의 중심과 상기 방사 패치(10) 단부 사이의 길이에 따라 상기 광대역 RFID 태그 안테나(1)의 공진 주파수가 조정될 수 있다.

상기와 같은 길이 및 폭을 가지는 본 발명에 의한 광대역 RFID 태그 안테나(1)의 각 구성요소는 다음 표 1과 같이 설정된다.

반사 손실 3dB 기준의 파라미터 값

방사 패치 폭(Width:W)	38.5
방사 패치 길이(Length:L)	43
마진(Margin:M)	1
급전부 길이(Length: Lf)	33.3
급전부 폭(Width: Wf)	2
방사 패치와 급전부 간 거리(Distance: D)	4.5
단락핀 간 거리(Distance: Dp)	4
방사부 일측면에서 단락핀 간 거리(Distance: Dm)	0.7
유전체 높이(Height: H)	1.52

단위: mm

여기서, 마진(M)은 제작 오차를 줄이기 위하여 설정되었으며, 본 발명과 같이 방사 패치(10)와 급전부(30)가 평행하도록 분리된 구조에서는 광대역 RFID 태그 안테나(1)의 입력 임피던스와 공진 주파수의 조정이 용이하도록 변수를 조정할 수 있다.

그리고, 상기 표와 같이 유전 상수 3.5, 높이 1.52mm 의 RF-35 유전체(50)를 사용하고, 6.2 - j127 의 임피던스를 가지는 태그칩(35)에 맞도록 설계되었으며, 919MHz에서 공진 주파수를 얻기 위하여 방사 패치(10)의 길이 L은 43mm(약 λg/4), Dm은 0.7으로 설정한다.

상기 표와 같이 설계한 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나(1)는 하기 도 2, 도 3, 도 4의 측정 결과에 사용되는 실시예이며, 상기 표 1의 수치는 본 발명의 특성이 유지되도록 변형 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 급전부 길이에 따른 입력 리액턴스를 나타내는 그래프이며, 표 1을 참조한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 RFID 태그 안테나는 무한 그라운드에서 태그 안테나가 부착되는 경우를 가정하여 HFSS 10.0으로 시뮬레이션한다.

여기서, 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 각 구성 요소에 따른 변수에 변화없이 급전부의 길이(Lf)만을 조절함으로써, 광대역 RFID 태그 안테나의 리액턴스(Reactance)를 조절할 수 있다는 것을 도시한다.

그리고, 태그칩에 전력의 전달을 최대화하기 위하여 급전부의 길이(Lf)는 태그칩의 커페시턴스(Capacitance)와 크기가 같은 인덕턴스를 가지도록 하는 33.3mm이다.

상기한 바와 같이, 상기 급전부(Lf)의 값이 증가하는 것에 따라 안테나의 리액턴스가 증가하는 것을 볼 수 있는데, 태그칩의 제조 회사에 따라 다라지는 다양한 태그칩 임피던스에 유연하게 안테나의 리액턴스 값을 조정할 수 있으며, 공진 주파수 근처에서 방사 패치와 급전부의 리액턴스가 서로 상쇄되기 때문에 광대역 특성을 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 방사부와 급전부 간 거리에 따른 안테나 입력 저항을 나타내는 그래프이며, 표 1을 참조한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 RFID 태그 안테나는 RFID 태그 안테나는 무한 그라운드에서 태그 안테나가 부착되는 경우를 가정하여 HFSS 10.0으로 시뮬레이션한다.

그리고, 방사 패치와 급전부 사이의 거리를 변화시키면서 본 발명에 의한 광대역 RFID 태그 안테나의 입력 저항의 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시하는데, 도시한 바와 같이, 거리(D)에 따라 입력 저항이 변하는 것을 알 수 있다.

여기서, 근접 결합 급전 방법(Proximity Coupled)은 방사 패치와 급전부의 상호 유도량을 조절함으로써, 입력 저항을 조절할 수 있는데, 태그 안테나의 입력 저항은 상호 유도 결합에 반비례한다.

즉, 거리(D)가 증가할수록 상호 유도 결합이 감소하고, 입력 저항 역시 감소하게 되는데, 단순히 거리(D)만을 조절함으로써, 태그 안테나의 입력 저항을 쉽게 조절할 수 있다.

상기한 바와 같이, 안테나의 리액턴스는 급전부의 길이(Lf)로, 입력 저항은 거리(D)로 조절될 수 있으며, 공진 주파수에는 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있으며, 거리(D) 및 길이(Lf)를 조절함으로써 쉽게 안테나의 입력 임피던스를 조절할 수 있기 때문에 칩의 임피던스가 다양하더라도 쉽게 광대역 특성을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나의 반사손실 및 방사효율을 나타내는 그래프이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 RFID 태그 안테나는 RFID 태그 안테나는 RFID 태그 안테나는 무한 그라운드에서 태그 안테나가 부착되는 경우를 가정하여 HFSS 10.0으로 시뮬레이션한다.

그리고, 무한 그라운드에서 행해졌지만 실제 구현은 불가능하므로, 한 파장보다 큰 400mm x 400mm 의 금속 위에서 측정되었으며, 안테나의 대역폭은 시뮬레이션에서 3dB 반사 손실 기준으로 약 34MHz(901MHz~935MHz)이었고, 측정에서는 약 35MHz(898MHz~933MHz)으로 측정되었다.

또한, 시뮬레이션과 측정 결과 모두 특정 지역 주파수에 30% ~ 50%의 효율을 보이고 이고, 시뮬레이션의 3dB 반사 손실 대역폭 내에서는 20% ~ 50%의 효율을 보이고 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 단락된 전송선로의 급전부와 PIFA의 방사 패치를 동일면에 이격되도록 평행하게 위치시킴으로써, 태그 안테나의 근접 결합 급전 구조로 입력 임피던스 정합이 간편하고, 특정 지역에서도 사용 가능한 광대역 특성을 보임과 동시에 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능한 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims

유전체층의 일면에 형성된 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 방사 패치층;

상기 유전체층의 타면에 형성된 접지층;

상기 방사 패치층과 동일한 면에 형성되어 RF 전력을 공급하는 급전부;

상기 방사 패치층의 일측 및 상기 급전부의 일측을 상기 유전체층과 관통하여 접지면과 단락시키는 단락핀;

을 포함하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

상기 급전부의 일측에 태그칩을 위치시키는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

상기 방사 패치층의 길이 또는 방사 패치층의 폭 또는 상기 단락핀의 중심부와 상기 방사 패치층의 일측 단부 간의 길이에 따라 상기 안테나의 공진 주파수가 조정되는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

상기 급전부는 일측이 단락된 전송 선로인 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

동일한 공진 주파수를 유지하면서, 상기 급전부의 길이를 조절하여 상기 안테나의 입력 리액턴스를 조절하는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

동일한 공진 주파수를 유지하면서, 상기 급전부와 방사 패치 간의 거리를 조절하여 상기 안테나의 입력 저항을 조절하는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

상기 단락핀은 금속면인 단락면으로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

상기 안테나가 금속 표면에 부착될 경우, 상기 금속 표면은 접지면의 특성을 지니는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
삭제
제1항에 있어서,

상기 유전체층은 하나 이상의 유전체를 적층하여 다층구조로 대체가능한 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.
제1항에 있어서,

상기 급전부와 상기 방사 패치층은 동일면에 평행하도록 위치시키는 것을 특징으로 하는 광대역 RFID 태그 안테나.