KR100886132B1 - Ｄｏｕｂｌｅ ＰＩＦＡ 구조의 광대역 ＲＦＩＤ 태그안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나에 관한 것으로서, 단부가 단락되도록 꺾인 전송선로로 근접 결합 급전 구조를 이용하여 급전부를 형성시킴으로써, 임피던스의 정합이 용이하고, Double-PIFA(Planar Inverted-F Antenna)구조의 방사부는 1/8 파장의 크기로 금속위에 방사 패치층이 형성됨으로써 금속부착이 가능하고 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 주 급전부와 부 급전부 사이의 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능하며, 북미의 RFID 주파수 대역인 902MHz~928MHz에서 동작하는 광대역 RFID 태그 안테나를 제공하기 위한 것으로서, 그 기술적 구성은 하부에 형성된 PIFA(Planer Inverted-F Antenna) 하부 방사 패치층과, 상기 하부 방사 패치층의 상부면에 적층되는 PIFA(Planer Inverted-F Antenna) 상부 방사 패치층으로 이루어지는 더블 방사 패치층; 상기 하부 방사 패치층의 타면에 형성된 접지층; 상기 하부 방사 패치층과 동일한 면에 평행하도록 형성시켜 RF 전력을 상기 각 방사 패치층으로 공급하는 급전부; 상기 급전부의 일측에 구비되는 태그칩; 상기 각 방사 패치층의 일측 및 상기 급전부의 일측을 접지면과 단락시키는 단락부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Double-PIFA, RFID, 태그 안테나, 패치, 급접 결합 급전 구조

Description

Ｄｏｕｂｌｅ ＰＩＦＡ 구조의 광대역 ＲＦＩＤ 태그 안테나{Wide Band RFID Tag Antenna with a Double PIFA Structure}
도 1은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나를 개략적으로 도시한 평면도 및 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 주 급전부 길이에 따른 태그 안테나의 입력 리액턴스를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 각 방사 패치층과 주 급전부 간의 거리에 따른 태그 안테나의 입력 저항을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 반사 손실과 방사 효율을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 방사 패턴을 나타내는 스미스 차트를 도시한 도.
도 7은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 이득 과 인식 거리를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>
1: Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나
10: 더블 방사 패치층 11: 상부 방사 패치층
11a: 단락부 13: 하부 방사 패치층
13a: 단락부 21: 상부 유전체
23: 하부 유전체 31: 주 급전부
33: 부 급전부 33a: 단락부
40: 태그칩 41: 패드
41a: 단락부
본 발명은 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단부가 단락되도록 꺾인 전송선로로 근접 결합 급전 구조를 이용하여 급전부를 형성시킴으로써, 임피던스의 정합이 용이하고, Double-PIFA(Planar Inverted-F Antenna)구조의 방사부는 1/8 파장의 크기로 금속위에 방사 패치층이 형성됨으로써 금속부착이 가능하고 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성 은 급전부의 길이 또는 주 급전부와 부 급전부 사이의 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능하며, 북미의 RFID 주파수 대역인 902MHz~928MHz에서 동작하는 광대역 RFID 태그 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로스트립 패치 안테나는 제작이 용이하고, 경량 박형이지만, 공진 주파수에 반파장의 크기를 가지므로 RFID 태그용 안테나로 이용되기에 큰 크기로 인해 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 급 전점의 위치도 변경해야하는 어려움이 있으며, 성능을 조절할 수 있는 변수에 따라 안테나를 용이하게 변경할 수 없었고, PIFA 및 근접 결합 구조를 이용하여 반사 손실 대역폭의 광대역 특성을 가질지라도, 방사부의 크기가 1/4 로 상대적으로 큰 단점을 가지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 단부가 단락되도록 꺾인 전송선로로 근접 결합 급전 구조를 이용하여 급전부를 형성시킴으로써, 임피던스의 정합이 용이하고, Double-PIFA(Planar Inverted-F Antenna)구조의 방사부는 1/8 파장의 크기로 금속위에 방사 패치층이 형성됨으로써 금속부착이 가능하고 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 주 급전부와 부 급전부 사이의 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능하며, 북미의 RFID 주파수 대역인 902MHz~928MHz에서 동작하는 광대역 RFID 태그 안테나을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 접지층; 상기 접지층 상부에 이격되어 형성되는 하부 방사 패치층; 상기 하부 방사 패치층 상부에 이격되어 형성되는 상부 방사 패치층; 상기 하부 방사 패치층과 동일 평면상에 평행하게 이격되어 형성되고, 전자기장을 발생시켜 상기 상부 방사 패치층 및 하부 방사 패치층을 급전시키는 급전부; 상기 급전부의 일단에 구비되는 태그칩; 및 상기 상부 방사 패치층의 일측 단부, 상기 하부 방사 패치층의 타측 단부 및 상기 급전부의 타단에 각각 형성되어 상기 접지층과 연결시키는 단락부; 를 포함한다.
그리고, 상기 급전부는 상기 하부 방사 패치층과 근접하게 형성된 주 급전부; 및 상기 주 급전부로부터 절곡되어 상기 주 급전부와 동일 평면상에 이격되어 평행하게 형성되는 부 급전부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 방사 패치층의 길이 또는 폭 또는 상기 단락부의 중심부에서부터 상기 각 방사 패치층의 일측 단부의 끝단까지의 거리(Dm)에 따라 상기 태그 안테나의 공진 주파수가 조정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 급전부와 하부 방사 패치층 간의 거리(FPD)에 따라 입력 저항이 조절되는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 급전부는 근접 결합 급전 구조로 형성되어 상기 태그칩의 커패시턴스를 상쇄시키는 리액턴스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 주 급전부의 길이에 따라 태그 안테나의 입력 리액턴스가 조절되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 급전부는 상기 주 급전부와 부 급전부를 흐르는 전류가 반대 방향으로 흐르도록 'ㄷ' 자 형태로 꺽여진 형상으로 형성되어, 상기 주 급전부와 부 급전부에 반대 방향의 전류가 흘러 상기 각 방사 패치층으로 유도되는 상호 유도량이 상쇄되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 방사 패치층의 길이는 λg/8 인 것을 특징으로 한다. 여기서,λg는 안테나에 흐르는 신호의 파장(guided wavelength)을 말한다. 구체적으로 λ가 공기중에서의 파장이라면, λg는 유전체층을 포함하는 안테나 내부의 파장을 말한다. 여기서 λ와 λg의 관계는
Figure 112008074225125-pat00008
로 표현되며, 여기서 εr은 안테나 내부의 유전체층의 비유전율이다.
이때, 상기 단락부는 금속판인 단락면 또는 하나 이상의 단락핀으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 접지층과 하부 방사 패치층 사이에 형성되는 일정 유전 상수를 가지는 하부 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 방사 패치층과 하부 방사 패치층 사이에 형성되는 일정 유전 상수를 가지는 상부 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서,상기 하부 유전체층 또는 상부 유전체층에는 상기 단락핀 또는 단락면이 결합되는 관통 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 RFID 태그 안테나(1)는 일정 유전 상수를 가지는 유전체인 하부 유전체층(23)의 일면에 형성된 PIFA(Planer Inverted-F Antenna) 하부 방사 패치층(13)과, 상기 하부 유전체층(23)의 상부면에 적층되는 상부 유전체층(21)의 일면에 형성된 PIFA(Planer Inverted-F Antenna) 상부 방사 패치층(11)으로 이루어지는 더블 방사 패치층(10)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 RFID 태그 안테나(1)는 상기 하부 유전체층의 타면에 형성된 접지층(미도시)과, 하부 방사 패치층(13)과 동일한 면에 평행하도록 형성시켜 RF 전력을 상기 각 방사 패치층(11, 13)으로 공급하는 급전부(30)와, 상기 급전부(30)의 일측에 구비되는 태그칩(40)과, 상부 방사 패치층(11)의 일측 단부와 하부 방사 패치층(13)의 타측 단부 및 상기 급전부(30)의 타단을 상기 유전체층(21, 23)을 관통하여 접지층과 단락시키는 단락부(11a, 13a, 33a, 41a)을 포함하여 이루어진다.
그리고, 상기 각 방사 패치층(11, 13)은 일정 두께의 장방형의 금속으로 이루어지며, Double 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 단락부을 통하여 회로 기판으로 들어오게 되면서 회로 전송 라인이 형성되고, 이 회로 전송 라인으로 인하여 공기 중의 전파를 수신하거나 또는 공기 중으로 전파를 방사하는 안테나의 한 종류이다.
이때, 상기 각 방사 패치층(11, 13)은 평행하도록 각 유전체층(21, 23) 상에서 적층되는데, 상기 방사 패치층(11, 13)의 마이크로스트립 패치(Microstrip Patch)의 크기를 줄이기 위하여 1/4 파장(λg)에서 공진하는 PIFA를 이용하는데, 상기 마이크로스트립 패치를 적층하여 더블 구조로 형성시킴으로써, 상기 각 상부 방사 패치층(11) 및 하부 방사 패치층(13)의 크기는 λg/8 로 약 1/2로 감소될 수 있다. 여기서,λg는 안테나에 흐르는 신호의 파장(guided wavelength)을 말한다. 구체적으로 λ가 공기중에서의 파장이라면, λg는 유전체층을 포함하는 안테나 내부의 파장을 말한다. 여기서 λ와 λg의 관계는
Figure 112008074225125-pat00009
로 표현되며, 여기서 εr은 안테나 내부의 유전체층의 비유전율이다.
또한, 높이를 최소화하기 위하여 급전부(30)와 상기 하부 방사 패치층(13)을 동일한 편에 평행하게 위치시켜 급전부(30)에 흐르는 전류에 의하여 형성된 전자기장으로 상기 하부 방사 패치층(13) 및 상부 방사 패치층(11)에 급전되고, 상기 각 방사 패치층(13, 11)는 RF 신호를 방사하게 된다.
그리고, 상기 급전부(30)는 근접 결합 급전 구조로 하부 방사 패치층에 근접하게 형성된 주 급전부(31)과, 상기 주 급전부(31)와 평행하도록 형성되는 부 급전부(33)로 이루어진다.
여기서, 상기 근접 결합 급전 구조는 상기 주 급전부(31)와 부 급전부(33)를 꺾은 형상으로 형성시켜, 반대 방향의 전류로 상기 각 방사 패치층(11, 13)으로 유도되는 상호 유도량이 상쇄되어 상기 하부 방사 패치층(13)과 주 급전부(31) 간의 거리를 감소시킬 수 있다.
더불어, 상기 주 급전부(31)와 부 급전부(33)는 'ㄷ' 형상으로 꺾여, 전압이 인가되어 전류가 흐르게 되면, 흐르는 방향에 따라 서로 반대 방향으로 흐를 수 밖에 없는 구조로써, 길이가 감소함에 따라 하부 방사 패치층(13)의 하부에 구비되는 하부 유전체층(23)의 크기가 감소할 수 있도록 이루어진다.
또한, 동일한 공진 주파수를 유지하면서, 상기 주 급전부(31)의 길이를 조절하여 상기 태그 안테나(1)의 입력 리액턴스를 조절할 수 있다.
더불어, 상기 각 방사 패치층(11, 13) 및 단락부(11a, 13a, 33a, 41a)는 일정 두께의 상부 및 하부 유전체층(21, 23) 일측면에 위치하고, 상기 상부 및 하부 유전체층(21, 23)을 관통하도록 상기 단락부(11a, 13a, 33a, 41a)는 단락핀으로 구비될 수 있으며, 수직으로 고정시키는데, 상기 단락부(11a, 13a, 33a, 41a)는 접지를 위하여 접지층(미도시)과 접촉되도록 구비된다.
이때, 상기 단락핀은 상부 및 하부 유전체층(21, 31)이 존재하지 않을 경우, 단락면 또는 다수개로 나누어진 단락판으로 대체되어, 단부가 구부러진 형상을 형성하며 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 상부 및 하부 유전체층(21, 23)은 일정 두께의 높이를 가지면서 형성되는데, 상기 상부 및 하부 유전체층(21, 23)의 특성을 가지도록 일정 두께의 다른 물질과 혼용하여 사용가능하다.
그리고, 상기 접지층(미도시)은 기판의 크기와 동일하게 금속판으로 구비할 수 있지만, 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나(1)가 부착될 장치면이 금속면이라면, 그 면이 접지층(미도시)의 기능을 가진다.
이때, 상기 부 급전부(33)의 일측은 단락부(33a)인 단락핀으로 고정 및 단락되며, 상기 단락부(33a)인 단락핀도 상기 접지층(미도시)과 접촉되도록 하부 유전체층(23)을 관통한다.
더불어, 상기 단락부(33a)는 상기 하부 방사 패치층(13)의 일측을 'ㄱ' 형상 으로 형성시켜 금속면인 단락면으로 대체될 수 있으며, 상기 다수개의 단락부(11a, 13a, 41a) 또한 상기 각각 'ㄱ' 형상으로 형성시켜 금속면인 단락면으로 대체할 수 있다.
여기서, 상기 부 급전부(33)의 일측에 태그칩(Tag Chip, 40)이 구비되며, 상기 태그칩(40)에서 상기 일측 단부까지 용접을 위한 패드(41)가 분리되도록 구비된다.
그리고, 상기 태그칩(40)으로 전력이 전달되는 것을 최대화하기 위하여, 본 발명에 따른 광대역 RFID 태그 안테나는 태그칩(40)의 임피던스에 복소 공액 정합되어야 하므로, 상기 급전부(30)는 공진 주파수에서 상기 태그칩(40)의 커페시턴스(Capacitance) 부분을 없애는 임피던스 값을 가지도록 조정하는데, 상기 태그칩(40)의 커페시턴스 값을 상쇄시키는 리액턴스를 생성한다.
여기서, 근접 결합 급전 구조에서 사용하는 단부가 개방된 전송 선로를 이용하지 않는 대신, 태그칩(40)을 연결시키는데, 개방된 전송 선로의 길이보다 단락된 전송 선로의 길이를 감소시킬 수 있으므로, 상기 광대역 RFID 태그 안테나(1)의 크기를 줄일 수 있다.
또한, 상기 상부 및 하부 방사 패치층(11, 13)의 길이(Ltop, Lbottom) 또는 단락부(11a, 13a)의 중심과 상기 상부 및 하부 방사 패치층(11, 13)의 단부 사이의 길이에 따라 상기 광대역 RFID 태그 안테나(1)의 공진 주파수가 조정될 수 있다.
더불어, 상기 각 방사 패치층(11, 13)의 길이 또는 폭 또는 상기 단락부(11a, 13a)의 중심부와 상기 각 방사 패치층(11, 13)의 일측 단부의 끝단 간 길이(Dm)에 따라 상기 태그 안테나(1)의 공진 주파수가 조정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 동일한 공진 주파수를 유지하면서, 상기 급전부(30)와 하부 방사 패치층(13) 간의 거리(FPD)를 조절하여 상기 태그 안테나(1)의 입력 저항을 조절할 수 있다.
도 2 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나를 개략적으로 도시한 평면도 및 정면도이고, 도 1을 참조하여 설명한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 광대역 RFID 태그 안테나(1)는 상기 상부 및 하부 방사 패치(11, 13)에 전자기장을 유도할 수 있도록 급전부(30)가 구비되는데, Fl1의 길이를 가지는 주 급전부(31)와 이에 근접 결합 급전 구조를 가지도록 꺾은 형상으로 형성되는 전송 선로인 Fl2의 길이를 가지는 부 급전부(33)와 'ㄷ' 형상을 이룬다.
그리고, 상기 상부 및 하부 방사 패치(11, 13)는 상기한 특성을 이용하여 대역폭, 공진 주파수의 반사 손실, 임피던스 매칭 효율 등이 요구되는 상기 Double- PIFA의 수직 방향으로 전파를 방사하게 되는데, 상부 방사 패치(11)는 Ltop의 길이를, 하부 방사 패치(13)는 Lbottom의 길이를, 상기 상부 및 하부 방사 패치(11, 13)의 폭은 W로 이루어진다.
또한, 상기 상부 방사 패치(11)의 일측 단부와 하부 방사 패치(13)의 타측 단부에 소정의 간격을 가지고 접지를 위한 단락부(11a, 13a)인 단락핀이 다수개 구비되는데, 폭(Width: W) 방향으로 배열되고, 단락부(11a, 13a)인 단락핀 간 거리는 Ds의 소정 간격을 가지며, 상기 단락부(11a, 13a)인 단락핀의 중심과 상기 상부 및 하부 방사 패치(11, 13)의 일측 단부의 끝단까지의 거리는 Dm 으로, 상기 거리조절이 용이하도록 이루어진다.
하기, 표 1은 반사 손실 3dB 기준의 파라 메터 값이다.
상, 하부 방사 패치층 폭(W:Width) 26.5 mm
상부 방사 패치층 길이(Lbottom) 29.5 mm
하부 방사 패치층 길이(Ltop) 29.5 mm
마진(m) 0.8 mm
급전부의 폭(Fw) 1 mm
주 급전부의 길이(Fl1) 27 mm
부 급전부의 길이(Fl2) 21.7 mm
주 급전부와 부 급전부 간의 거리(FD) 0.5 mm
각 방사 패치층과 주 급전부 간의 거리(FPD) 2.4 mm
각 방사 패치층의 일측 단부에서 단락부 중심부까지의 거리(Dm) 0.8 mm
각 방사 패치층 상의 단락부 간의 거리(Ds) 3.1 mm
더블 PIFA 유전체층의 높이(H) 3.2 mm
여기서, 이용된 유전체층(21, 23)은 유전 상수 2.2, 두께 1.6 mm의 RT/duroid 5880 기판이며, 급전부(30)의 폭은 태그칩(40)을 부착하기 위하여 1mm로 설정하였고, 단부를 접지층과 단락시키기 위하여 단락부(11a, 13a, 33a, 41a)들을 사용하였다.
그리고, 태그칩(40)을 부착시키기 위하여 전송 선로와 단락된 패드(41)를 위치시키고, 전송 선로와 패드(41) 사이에 태그칩(40)을 부착시키는데, 상기 상부 방사 패치층(11) 및 하부 방사 패치층(13)는 Double-PIFA를 구현하기 위하여 급전부(30)와 평행한 하부 방사 패치층(13) 상에 상부 방사 패치층(11)을 적층한 형태이다.
여기서, 상기 태그칩(40)은 ALIEN 사의 상용 태그 칩을 기준으로 하였고, 상기 태그칩(40)은 입력 임피던스가 6.2-j127Ω 내지 130Ω 으로 알려져 있으며, 상기 표는 6.2-j127Ω를 기준으로 설계하였고, 반사 손실은 3dB 대역폭을 기준으로 조정되었다.
또한, 제조사마다 태그칩(40)의 임피던스는 다르기 때문에, 상기 RFID 태그 안테나(1)는 입력 임피던스를 조정하기 용이한데, 주 급전부(31)의 길이가 커질수록 인덕턴스의 성분이 커지게되고, 작아질수록 인덕턴스의 성분이 작아지게된다.
도 3은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 주 급전부 길이에 따른 태그 안테나의 입력 리액턴스를 나타내는 그래프이고, 도 1을 참조한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 주 급전부(31)의 길이가 증가함에따라, 인덕턴스의 크기가 증가함과 동시에 공진 주파수는 변하지 않는다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 독립적으로 상기 태그 안테나(1)의 입력 리액턴스를 조절할 수 있는 것은 태그칩(40)이 제조사에 따라서 임피던스가 변할지라도 공액 정합을 용이하게 시킬 수 있는 리액턴스를 형성시킬 수 있으므로, 태그 안테나(1)를 설계하는 데 있어 용이함을 제공할 수 있고, 제작 시에도 공진 주파수에 영향을 주지 않고 인덕턴스 성분을 독립적으로 조정할 수 있다.
그리고, 상기 RFID 태그 안테나(1)에 있어서, 상호 유도 급전 안테나와 근접 결합 급전 안테나의 구조의 저항 성분은 상부 방사 패치층(11)과 하부 방사 패치층(13)과, 주 급전부(31)의 거리로 조절할 수 있다.
이는, 상호 유도량(Mutual Coupling)에 따라서 스미스 차트 상에서 형성되는 공진 푸르의 크기가 다르므로, 상호 유도량이 많아지면 형성되는 공진 루프의 양이 증가하는데, 즉 저항 성분의 크기가 많이 변한다는 것이고, 한편, 상호 유도량이 작아지면, 형성되는 공진 루프의 크기가 작아져 저항 성분의 크기가 많이 변하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 각 방사 패치층과 주 급전부 간의 거리에 따른 태그 안테나의 입력 저항을 나타내는 그래프이고. 도 1을 참조하여 설명한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 상부 방사 패치층(11)과 하부 방사 패치층(13) 및 주 급전부(31) 간의 거리를 조절함으로써, 태그 안테나(1)의 저항 성분의 크기 변화를 나타낸 것이다.
여기서, 상기 거리가 커질수록 급전부에서 방사부로의 상호유도양이 작아져 저항의 크기가 감소하고, 거리가 작아질수록 상호유도양이 커짐에 따라 저항의 크기가 증가하므로, 거리에 의하여 저항의 크기만 변할 뿐, 공진 주파수의 크기는 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 부 급전부(33)와 주 급전부(31)의 전류 방향이 서로 반대이므로, 상기 상부 방사 패치층(11) 및 하부 방사 패치층(13)으로 유도되는 상호 유도량을 상쇄하는 효과를 얻어 주 급전부(31)만을 사용하였을 때보다, 상기 각 방사 패치층(11, 13)와 주 급전부(31) 간의 거리를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 RFID 태그 안테나(1)의 공진 주파수는 각 방사 패치층(11, 13)의 길이를 통하여 조절하고, 주 급전부(31)를 통하여 리액턴스 성분을 원하는 크기에 맞추어 조절하며, 상기 각 방사 패치층(11, 13)과 주 급전부(31) 사이의 거리를 조절함으로써, 저항성분을 조절하여 태그칩(40)의 임피던스가 다양할지라도 용이하도록 정합 가능한 태그 안테나(1)를 설계할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 반사 손실과 방사 효율을 도시한 그래프이고, 도 1을 참조하여 설명한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 태그 안테나(1)의 시뮬레이션과 측정 반사 손실과 시뮬레이션된 방사 효율을 나타낸다.
여기서, 반사 손실 3dB 기준 대역폭은 상기 RFID 안테나(1)의 대역폭 시뮬레이션에서 3dB 반사 손실 기준으로 약 40MHz(898MHz - 938MHz)이고, 측정에서는 약 46MHz(896MHz - 942 MHz)로 측정된다.
그리고, 시뮬레이션 및 측정 결과 모두 북미 지역의 RFID 주파수 대역(902MHz - 928 MHz)을 포함하고 있으며, 시뮬레이션으로 계산된 방사 효율은 북미 지역 주파수에서 25% - 58% 의 효율을 보인다.
또한, 북미에서 수동형 RFID 주파수 대역인 902MHz - 928MHz에서 지속적으로 동작함으로써, 상용 태그로 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 방사 패턴을 나타내는 스미스 차트를 도시한 도이고, 도 1을 참조한다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 인식 거리를 최대화하기 위하여 태그 안테나(1)와 리드 안테나가 서로 정면으로 마주보고 있어야 가능하지만, 상기 조건은 항상 실현 가능하지 않으므로, 전 방향(Omni-directional)으로 방사하는 패턴을 가지는 태그 안테나(1)가 요구된다.
여기서, (a)는 x-y 평면 즉, (θ=90, 0≤φ≤360)에서의 방사 패턴을 나타낸 것으로 전 방향으로 방사하는 형태를 보이고 있으며 (b)는 z-x 평면 즉, (φ=90, -180≤θ≤180)의 방사 패턴을 나타낸 것으로 접지층 하부로는 거의 방사가 일어나지 않고 상부로 방사 패턴이 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나의 이득과 인식 거리를 나타낸 그래프이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 표본 제작된 RFID 안테나(1)의 이득과 인식거리를 나타낸다.
여기서, 상기 RFID 안테나(1)의 이득은 시뮬레이션을 통해 계산이 되었고, 이를 바탕으로 Friis 전송방정식을 이용하여 인식거리를 구할 수가 있다.
따라서, 리더 안테나의 전력과 이득을 1W(30 dBm), 5.9dBi로 가정하고 계산을 한 결과, 원하는 주파수 구간(902 ~ 928MHZ)에서 -3~0.94dB의 이득과 1.8~2.7m의 인식 거리를 가지는 것을 볼 수 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 단부가 단락되도록 꺾인 전송선로로 근접 결합 급전 구조를 이용하여 급전부를 형성시킴으로써, 임피던스의 정합이 용이하고, Double-PIFA(Planar Inverted-F Antenna)구조의 방사부는 1/8 파장의 크기로 금속위에 방사 패치층이 형성됨으로써 금속부착이 가능하고 소형화가 가능한 구조이며, 입력 리액턴스 특성은 급전부의 길이 또는 주 급전부와 부 급전부 사이의 폭을 조절함으로써, 입력 저항 특성은 급전부와 방사 패치 사이의 거리를 조절함으로써 용이하게 조정가능하고, 금속 표면에 부착되더라도 공진 주파수가 일정하여 산업화가 가능하며, 북미의 RFID 주파수 대역인 902MHz~928MHz에서 동작하는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (12)

  1. 접지층;
    상기 접지층 상부에 이격되어 형성되는 하부 방사 패치층;
    상기 하부 방사 패치층 상부에 이격되어 형성되는 상부 방사 패치층;
    상기 하부 방사 패치층과 동일 평면상에 평행하게 이격되어 형성되고, 전자기장을 발생시켜 상기 상부 방사 패치층 및 하부 방사 패치층을 급전시키는 급전부;
    상기 급전부의 일단에 구비되는 태그칩; 및
    상기 상부 방사 패치층의 일측 단부, 상기 하부 방사 패치층의 타측 단부 및 상기 급전부의 타단에 각각 형성되어 상기 접지층과 연결시키는 단락부;
    를 포함하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는
    상기 하부 방사 패치층과 근접하게 형성된 주 급전부; 및
    상기 주 급전부로부터 절곡되어 상기 주 급전부와 동일 평면상에 이격되어 평행하게 형성되는 부 급전부;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 방사 패치층의 길이 또는 폭 또는 상기 단락부의 중심부에서부터 상기 각 방사 패치층의 일측 단부의 끝단까지의 거리(Dm)에 따라 상기 태그 안테나의 공진 주파수가 조정되는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나는 상기 급전부와 하부 방사 패치층 간의 거리(FPD)에 따라 입력 저항이 조절되는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는 근접 결합 급전 구조로 형성되어 상기 태그칩의 커패시턴스를 상쇄시키는 리액턴스를 생성하는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 주 급전부의 길이에 따라 입력 리액턴스가 조절되는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 급전부는 상기 주 급전부와 부 급전부를 흐르는 전류가 반대 방향으로 흐르도록 'ㄷ' 자 형태로 꺽여진 형상으로 형성되어, 상기 주 급전부와 부 급전부에 반대 방향의 전류가 흘러 상기 각 방사 패치층으로 유도되는 상호 유도량이 상쇄되는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    λg를 안테나에 흐르는 신호의 파장(guided wavelength)이라고 할때, 상기 각 방사 패치층의 길이는 λg/8 인 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단락부는 금속판인 단락면 또는 하나 이상의 단락핀으로 구성되는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나는 상기 접지층과 하부 방사 패치층 사이에 형성되는 일정 유전 상수를 가지는 하부 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나는 상기 상부 방사 패치층과 하부 방사 패치층 사이에 형성되는 일정 유전 상수를 가지는 상부 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하부 유전체층 또는 상부 유전체층에는 상기 단락부가 결합되는 관통 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 Double-PIFA 구조의 광대역 RFID 태그 안테나.
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