KR100902367B1 - Ｒｘ,Ｔｘ가 동시에 탑재되는 ＲＦＩＤ 리더용 원형 편파안테나 및 이를 이용한 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 방사체; 상기 방사체의 하부에 위치하며, 상기 방사체와 수직 방향으로 이격되어 임피던스 정합 및 축비의 향상을 위한 소정의 공기층 간격을 형성하는 반사판; 및 상기 방사체로 전력을 공급하기 위한 급전선로부;를 포함하며, 상기 방사체는, 사각형 모양으로 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 챔퍼(chamfer) 형태로 구성하고, 정중앙에 단락핀(short pin)을 삽입하기 위한 비아 홀(via hole)을 형성하며, 최대전력전달 조건의 임피던스 정합을 위한 급전부(feeding point)의 위치가 정중앙으로부터 가장자리의 방향으로 X축과 Y축으로 서로 다른 이격 거리에 형성되며, 상기 방사체와 반사판 사이의 공기층 간격인 급전부 높이를 통해 UHF(Ultra High Frequency;극초단파) 대역에서 만족하는 임피던스 정합과 축비 조정 특성을 구현하는 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 단순한 구조의 원형 편파 안테나를 구현하는 것이 가능해짐은 물론, 안테나 조립이 용이하고 경비가 절감되며, 대량생산 체제의 양산이 가능한 효과를 제공한다.
원형 편파, 안테나, 프로브 피딩, RFID 리더, 방사체, 거치용 클램프

Description

Ｒｘ,Ｔｘ가 동시에 탑재되는 ＲＦＩＤ 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치{Circularly polarized antenna loaded Rx and Tx simultaneously for RFID reader, and antenna device using the same}
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 PCB 타입의 방사체를 나타낸 평면도,
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 금속체 타입의 방사체를 나타낸 평면도,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나의 단면도,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 평면도,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치에 적용되는 안테나 케이스 본체를 나타낸 사시도와 평면도, 및 단면도,
도 12 내지 도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나 케이스 본체에 설치되는 경계 벽(party wall)의 다양한 예를 나타낸 사시도,
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나 케이스 본체의 일례를 나타낸 외부 사시도,
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치의 외형 사시도, 및 설치 예를 나타낸 참고도,
도 17은 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 PCB 타입의 방사체 중 삼각파 형태의 절단면을 갖는 방사체를 나타낸 평면도,
도 18은 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 금속체 타입의 방사체 중 삼각파 형태의 절단면을 갖는 방사체를 나타낸 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 방사체 11 : 비아 홀(via hole)
12 : 급전부 13 : 구형파
14 : 사인파 15 : 링 구조물
16 : 사각 구조물 20 : 반사판
21 : 공기층 간격 30 : 급전선로부
31 : 커넥터 케이블 32 : 납땜
33 : 스크류 볼트
110 : 제1 RFID 리더용 원형 편파 안테나
120 : 제2 RFID 리더용 원형 편파 안테나
130 : 안테나 케이스 본체 131 : 단락핀
132 : 제1 공간 133 : 제2 공간
134 : 경계 벽(party wall) 135 : 창문
140 : 거치용 클램프 141 : 제1 틸트용 브라켓
142 : 제2 틸트용 브라켓 143 : 클램프 몸체
150 : 리더기
본 발명은 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사판과 방사체 사이의 전자기적 결합 특성과 최대 전력전달 조건의 임피던스 정합 및 축비가 향상되는 간단한 구조의 방사체 안테나를 구성하는 것이 가능하도록 해주는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치는 방사를 위한 단일 방사체 안테나로서 특히 900MHz의 UHF 대역에 적용이 가능하며, 유전체 층이 포함된 PCB 타입 또는 금속체 등 다양한 재질의 금속을 사용하여 직접 급전을 위한 프로브 피딩을 사용하며, 단순한 구조의 원형 편파 안테나를 이용하여 송수신 분리형의 안테나를 양산하는 것이 가능함은 물론, 경계 벽의 내부 공간으로 리더기를 내장하고, 거치용 클램프를 통해 설치된 안테나를 상하좌우 방향으로 자유로이 틸트를 조절할 수 있도록 한다.
주지하다시피, RFID(Radio Frequency IDentification; 이하 RFID라 칭함.)는 유비쿼터스 컴퓨팅 시스템을 구현하는 데 있어 주요 수단의 하나로 중요성이 높아지고 있으며, 특히 최근의 동향에 따르면 전파특성이 우수한 UHF 대역에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 RFID는 인식 정보를 저장하는 태그와, 태그의 정보를 읽는 리더로 크게 구성되며, 상기 태그와 리더는 각각 구비하는 안테나를 이용하여 전자기파를 매개로 정보의 전달을 수행한다. 또한, RFID는 HF 대역(13.56 MHz), UHF 대역(860 MHz ~ 960 MHz), ISM 대역(2.4 GHz) 등과 같이 여러 대역에서 실현되고 있다.
그러나, 상기 HF 대역의 RFID는 주로 자계 결합 방식을 사용함에 따라 안테나의 인식영역이 매우 협소하다는 단점이 있으며, ISM 대역의 RFID의 경우에는 주변 환경에 민감하여 전체 RFID 시스템의 성능이 가변적이라는 단점이 있다.
반면에, UHF 대역의 RFID는 수동 태그의 인식률 및 인식거리가 뛰어날 뿐만 아니라 전자파 방사 방식을 사용해서 다량의 태그를 동시에 빠른 속도로 인식할 수 있는 장점이 있으며, 또한 주변 환경에도 매우 안정적이고 태그와 태그 칩의 저가 생산이 가능하여 현재 RFID의 사용 대역 중 가장 각광받고 있는 대역으로 알려져 있다.
이와 같은 UHF 대역의 RFID 시스템에서는 리더와 태그를 연결하는 안테나의 역할이 중요하다. 특히, 전원을 리더 안테나의 전파로 공급받는 수동형 RFID는 리더 안테나의 특성에 따라 시스템의 통신 효율이 결정되기 때문이다. 즉, 효과적인 RFID 리더기의 안테나는 동작주파수 대역에서 반사손실이 거의 없어야 하며 양질의 원형편파(Axial Radio<3dB)를 갖도록 설계되어야 하며, 또한, 원거리 인식과 다중 태그 인식이 가능하도록 높은 방사 이득과 시스템에서 요구하는 방사 패턴을 가져야 하며, 주어진 공간의 효율적인 활용을 위해서는 소형으로 제작되어야 함이 바람직하다.
현재, 원형 편파를 방사하는 송수신용 안테나는 많이 개발되어 있으나, 그대로 RFID 리더용 안테나로 사용하기에는 부적합한 측면이 있다. 즉 RFID에 적합한 안테나 특성을 갖는 송수신용 리더 안테나의 개발이 필요하다.
현재 상용화 중인 종래의 RFID 리더 안테나는 마이크로 스트립을 이용한 패치 안테나가 일반적이며, 이러한 패치 안테나는 반사손실 대역폭과 원형 편파 대역폭이 협소하다는 문제와, 리더 안테나의 중요한 특성인 안테나의 인식영역을 제어하기 어려운 문제가 있다.
따라서, RFID 리더용 안테나가 필요로 하는 안테나 특성, 즉 양질의 원형 편파의 방사 특성과, 고 이득과, 광대역 특성과, 빔 폭의 조절, 및 소형의 안테나 제작 등이 우수한 RFID 리더용 안테나의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반사판과 방사체 사이의 전자기적 결합 특성과, 임피던스 정합, 및 축비가 향상되는 간단한 구조로 안테나의 조립이 용이함은 물론 양산이 가능한 구조의 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 안테나 장치에 조립 설치되는 원형 편파 안테나의 사이로 경계 벽을 설치하여 빔 폭을 설정할 수 있도록 하는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 경계 벽을 통해 좌 편파와 우 편파를 분리하여 배열 요소간의 결합을 줄이고, 물리적으로 보강될 수 있도록 하는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 경계 벽의 내부 공간으로 리더기를 실장하여 설치할 수 있는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 거치용 클램프를 안테나 케이스 본체의 외부에 설치함으로써, 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나를 내장한 안테나 장치를 상하좌우로 자유로이 틸트 조절할 수 있도록 하는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 방사체; 상기 방사체의 하부에 위치하며, 상기 방사체와 수직 방향으로 이격되어 임피던스 정합 및 축비의 향상을 위한 소정의 공기층 간격을 형성하는 반사판; 및 상기 방사체로 전력을 공급하기 위한 급전선로부;를 포함하며, 상기 방사체는, 사각형 모양으로 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 챔퍼(chamfer) 형태로 구성하고, 정중앙에 단락핀(short pin)을 삽입하기 위한 비아 홀(via hole)을 형성하며, 최대전력전달 조건의 임피던스 정합을 위한 급전부(feeding point)의 위치가 정중앙으로부터 가장자리의 방향으로 X축과 Y축으로 서로 다른 이격 거리에 형성되며, 상기 방사체와 반사판 사이의 공기층 간격인 급전부 높이를 통해 UHF(Ultra High Frequency;극초단파) 대역에서 만족하는 임피던스 정합과 축비 조정 특성을 구현하며, 상기 급전부는, 방사소자의 리액턴스 성분을 상쇄하여 대역폭을 증대하기 위한 고리모양의 갭(annular gap) 형태로서, 링(Ring) 구조물, 사각(Square) 구조물, 및 다각 구조물 중 어느 하나를 급전선로부의 커넥터 케이블에 끼워 방사체에 결합되도록 더 장착하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 원형 편파 안테나를 개시한다.
바람직하게는, 상기 급전부의 위치를 정중앙으로부터 가장자리부분 X축으로는 16mm ~ 22mm 범위, Y축으로는 47mm ~ 53mm 범위 내에서 급전 위치가 오프셋(offset)으로 설정되도록 함으로써 최적화된 위치에 형성한다.
상기 방사체로의 급전 방식은 상기 급전선로부의 커넥터 케이블을 급전부의 위치에 직접 연결하는 직접 급전 방식의 프로브 피딩을 사용함이 바람직하다.
이때, 상기 프로브 피딩의 직접 연결은 상기 커넥터 케이블에 납땜(solder)으로 고정하는 방식, 및 상기 커넥터 케이블에 스크류 볼트의 체결을 통해 고정하는 방식 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 반사체의 높이, 급전부의 위치의 변화에 따라서 공진 주파수 변화에 영향을 주며, 반사체의 챔퍼(Chamfer) 길이는 원형 편파를 갖는 안테나이어서 축비(Axial Ratio)에 영향을 주므로, 상기 반사판과 방사체 사이의 높이는 반사판으로부터 15mm ~ 22mm 범위 내에서 높이가 결정됨이 바람직하다.
또한, 상기 방사체는 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 소정의 길이로 절단한 챔퍼 형태로 구성하여 모서리를 자른 부분의 길이와 급전부 위치에 의해 발생하는 X축의 전계와 Y축의 전계(Electric Field)가 90° 위상차가 되도록 구현하며, 상기 챔퍼 부분을 구형파(square wave) 형태, 사인파(sine wave) 형태, 삼각파 형태 중 어느 하나를 더 포함하는 형태인 섭동 세그먼트로 구성하며, 상기 섭동 세그먼트 간에 기생성분으로 동작하여 기생방사를 발생하며 광대역 특성을 구현하도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 챔퍼의 구형파(square wave) 형태, 및 사인파 형태, 삼각파 형태는 광대역 특성을 갖는 장점을 가지며, 설계가 용이하며, 전기적 길이가 길어지므로 챔퍼(Chamfer) 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.
삭제
상기 방사체는 유전체 층이 포함된 PCB(Printed Circuit Board) 타입과 다양한 소재의 금속체 중 어느 하나로 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 방사체는 정사각형의 한 변의 길이가 135mm ~ 145mm의 범위로 구성되며, 챔퍼(chamfer)의 변 길이가 35mm ~ 42mm의 범위로 구성됨이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 좌편파를 발생하는 제1 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나; 우편파를 발생하는 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나; 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나를 내부에 각각 분리 실장하여 고정하는 안테나 케이스 본체; 및 상기 안테나 케이스 본체의 외부에 설치되어, 상기 안테나 케이스 본체를 상하 또는 좌우 방향으로 틸트(tilt)를 조절하는 거치용 클램프;를 포함하는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치를 개시한다.
상기 거치용 클램프는, 상기 안테나 케이스 본체의 길이 방향의 좌우 양 단면에 각각 설치되는 제1 틸트용 브라켓 및 상기 안테나 케이스 본체의 길이 방향의 전후 양 단면에 각각 설치되는 제2 틸트용 브라켓 중 적어도 어느 하나; 및 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓 중 어느 하나 또는 모두와 체결될 수 있는 클램프 몸체;를 포함하며, 상기 클램프 몸체는 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓 중 어느 하나와 체결되어 상하 또는 좌우 방향으로 틸트를 조절하거나, 혹은 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓 모두와 체결되어 상하좌우 방향으로 틸트를 조절하도록 구성됨이 바람직하다.
상기 안테나 케이스 본체는, 내부 공간을 가지는 직사각형 모양의 함체 형상으로, 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나가 각각 분리 설치되는 제1 및 제2 공간을 구비하며, 상기 제1 및 제2 공간의 사이로 소정의 간격을 유지하는 경계 벽을(Party wall)을 포함하며, 상기 경계 벽은 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나의 좌편파 및 우편파를 격리(Isolation)하고, 물리적 보강재로 작용하도록 한다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 공간의 사이에 유지되는 상기 경계 벽의 소정의 간격 조정에 따라 방사 패턴의 빔 폭이 조절되도록 한다.
또한, 상기 경계 벽은 상기 제1 및 제2 공간이 마주하는 각각의 측 벽면에 적어도 하나 이상의 창문을 더 형성할 수 있으며, 또한, 둔각 벤딩(지붕 모양) 형태로도 구성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 경계 벽의 내부 공간으로 리더기(reader)를 내장 삽입하여 설치할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 일례의 PCB 타입의 방사체를 나타낸 평면도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 일례의 금속체 타입의 방사체를 나타낸 평면도이며, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나의 단면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나는 도 9에 도시된 바와 같이, 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 방사체(10)와, 상기 방사체(10)의 하부에 위치하며, 상기 방사체(10)와 수직 방향으로 이격되어 임피던스 정합 및 축비의 향상을 위한 소정의 공기층 간격(21)을 형성하는 반사판(20), 및 상기 방사체(10)로 전력을 공급하기 위한 급전선로부(30)를 포함하여 구성된다.
상기 방사체(10)는 유전체 층이 포함된 PCB(Printed Circuit Board) 타입과 다양한 소재의 금속체, 특히 도금처리된 Al, Cu 금속체들이 사용될 수 있다.
상기 방사체(10)는 도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 사각형 모양으로 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 챔퍼(chamfer) 형태로 구성한다. 그리고, 정중앙에 단락핀(131)(short pin)을 삽입하기 위한 비아 홀(11)(via hole)을 형성하며, 최대전력전달 조건의 임피던스 정합을 위한 급전부(12)(feeding point)의 위치를 정중앙으로부터 가장자리부분 X축으로는 16mm ~ 22mm 범위, Y축으로는 47mm ~ 53mm 범위 지점에 형성한다.
이는, 방사체(10)의 가운데 가장자리 부분에서 전류가 최소가 되고 저항은 무한대(open) 상태이며, 정중앙으로 갈수록 임피던스는 낮아져 가운데 지점은 전류가 최대가 되는 쇼트(Short) 상태가 되기 때문이다.
또한, 급전부(12)의 높이, 즉 방사체(10)와 반사판(20) 사이의 공기층 간격(21)은 임피던스 정합과 축비에 중요하며, 급전부(12)의 높이 설정은 방사체(10)와 GND 사이의 높이가 적을수록 안테나 방사 효율이 낮아진다.
즉, 방사체(10)의 +전하와 GND의 -전하가 끌어당기는 현상이 발생하므로, 안테나의 방사 특성을 개선하기 위해서는 GND와 방사체(10) 사이의 높이 조절이 필요하고, 반사판(20)과 방사체(10)의 사이에 공기층 간격(21)은 상술한 임피던스 정합과 축비의 향상을 위해 소정 간격의 유지가 필요하다.
이때, 상기 반사판(20)과 방사체(10) 사이의 높이, 즉 공기층 간격(21)은 상 기 반사판(20)으로부터 15mm ~ 22mm 범위 내에서 높이가 결정된다.
또한, 방사체(10)는 정중앙에 형성한 비아 홀(11)에 단락핀(131)이 삽입되도록 함으로써, 반사판(20)과 방사체(10) 사이의 커패시턴스(Capacitance) 성분과 단락핀(131)의 인덕턴스(Inductance) 성분을 조화하여 광대역 특성을 구현한다.
상기 방사체(10)로의 급전 방식은 상기 급전선로부(30)의 커넥터 케이블(31)을 급전부(12)의 위치에 직접 연결하는 직접 급전(Direct Feeding) 방식의 프로브 피딩(Probe Feeding)을 사용한다.
이때, 직접 연결하는 방식으로는 도 9의 (a)에 도시하는 바와 같이, 상기 커넥터 케이블(31)에 납땜(32)(solder)으로 고정하는 방식, 및 도 9의 (b)에 도시하는 바와 같이, 상기 커넥터 케이블(31)에 스크류 볼트(33)의 체결을 통해 고정하는 방식들이 사용될 수 있다.
또한, 상기 방사체(10)는 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 소정의 길이로 절단한 챔퍼 형태로 구성하여 모서리를 자른 부분의 길이와 급전부(12) 위치에 의해 발생하는 X축의 전계와 Y축의 전계(Electric Field)가 90°의 위상차가 되도록 구현한다.
여기서, 상기 방사체(10)의 챔퍼(chamfer) 부분은 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 구형파(13)(square wave) 형태를 더 포함할 수 있으며, 또한, 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 사인파(14)(sine wave) 형태를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 도 17 및 18에 도시된 바와 같이, 상기 방사체(10)의 챔퍼부분은 삼각파 형태를 더 포함할 수도 있다. 이러한 구형파, 사인파, 삼각파 형태 중 어느 하나의 형태로 구성되는 섭동 세그먼트는, 섭동 세그먼트 간에 기생성분으로 동작하여 기생방사를 발생하며, 그로부터 광대역 특성의 구현이 가능하다.
이때, 구형파(13) 형태, 및 사인파 형태는 광대역 특성을 갖는 장점을 가지며, 설계가 용이하고, 전기적인 길이가 길어지므로 챔퍼(Chamfer) 크기를 줄일 수 있도록 하는 장점을 제공한다.
상기 급전부(12)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 방사소자의 리액턴스 성분을 상쇄하여 대역폭을 증대하기 위한 고리모양의 갭(annular gap) 형태로서 링(Ring) 구조물(15), 및 사각(Square) 구조물(16)을 더 장착하는 형태로 구성될 수 있으며, 이외에도 다각 구조물(미도시)이 사용될 수도 있다. 이러한 구조물들은 상기 급전선로부(30)의 커넥터 케이블(31)에 끼워져 방사체(10)에 결합되며, 상기 방사소자의 리액턴스 성분의 상쇄 원리를 설명하면, 먼저 안테나도 일반 회로 타입으로 등가회로를 구성하게 되는데, 상기 급전선로부(30) 자체는 높이(병렬 캐패시턴스 성분)를 가지고 있지만 급전선로부(30)의 병렬 리액턴스 성분이 워낙 크기 때문에 리액턴스로 동작하며, 이를 상쇄하기 위해 고리 모양의 갭(직렬 캐패시턴스 성분)을 사용하면 갭에 의해 직렬 캐패시턴스 성분이 발생하여 상기 방사소자의 리액턴스 성분을 상쇄하게 되는 것이다.
또한, 상기 방사체(10)는 정사각형의 한 변의 길이가 135mm ~ 145mm의 범위로 구성되며, 챔퍼(chamfer)의 변 길이가 35mm ~ 42mm의 범위로 구성됨이 바람직하며, 상기 급전부(12)의 위치는 상기 단락핀(131)(short pin)의 정중앙 위치를 기준으로 X축으로 16mm ~ 22mm 범위, 및 Y축으로 47mm ~ 53mm 범위 내에서 급전 위치가 오프셋(offset)되도록 함으로써 최적화된 임피던스 정합이 구현될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 PCB 타입의 방사체를 나타내며, 구체적으로 구현된 실시예로서 가로 140mm × 세로 140mm의 정사각형이며, 챔퍼(chamfer) 부분은 가로 양끝 모서리가 37mm × 세로 37mm의 위치에서 대각선으로 절단된다. 그리고, 급전부(12)의 위치는 방사체(10)의 정중앙에서 아래 방향의 수직으로 50mm × 좌측 방향의 수평으로 19mm의 좌표점에 위치되도록 구성되었다.
또한, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나에 적용되는 PCB 타입의 방사체를 나타내며, 구체적으로 구현된 실시예로서 상기 방사체(10)의 크기는 가로 144mm × 세로 144mm의 정사각형이며, 챔퍼(Chamfer) 부분은 가로 양끝 모서리가 38mm × 세로 38mm의 위치에서 대각선으로 절단된다. 그리고, 급전부(12)의 위치는 방사체(10)의 정중앙에서 아래 방향의 수직으로 50mm × 좌측 방향의 수평으로 19mm의 좌표점에 위치되도록 구성되었다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치에 적용되는 안테나 케이스 본체를 나타낸 사시도와 평면도, 및 단면도이며, 도 12 내지 도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나 케이스 본체에 설치되는 경계 벽의 다양한 형태의 예를 나타낸 사시도이고, 도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나 케이스 본체의 일례를 나타낸 외부 사시도이며, 도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치의 외형 사시도, 및 설치 예를 나타낸 참고도이다.
도시된 바와 같이, RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치는 좌 편파를 발생하는 제1 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110), 우 편파를 발생하는 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(120), 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110, 120)를 내부에 각각 분리 실장하여 고정하는 안테나 케이스 본체(130) 및 상기 안테나 케이스 본체(130)의 외부에 설치되어, 상기 안테나 케이스 본체(130)를 상하 또는 좌우 방향으로 틸트(tilt)를 조절하는 거치용 클램프(140) 를 포함하여 구성된다.
상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110, 120)는 서로 상이한 길이의 급전선로부(30) 위치에 의해서 좌 편파 및 우 편파를 발생한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치는 송수신의 분리형 안테나로서 특정 취부 장소에 설치되는 거치용 클램프(140)를 포함한다.
이때, 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110, 120)는 본 발명의 제1실시예에서 설명한 RFID 리더용 원형 편파 안테나의 구성, 즉 비아 홀(11)과 급전부(12)의 위치가 설정된 방사체(10)와, 반사판(20), 및 급전선로부(30)를 포함하는 구성으로 각 세부 구성 간의 연결과 기능이 동일하므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110, 120)가 내장 설치된 케이스 구조 및 거치용 클램프 구조의 작용 및 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이때, 본 발명의 안테나 케이스 구조를 설명함에 있어 안테나를 지지하기 위해 설치한 각종 돌기들의 구체적인 설명은 생략한다.
먼저, 상기 안테나 케이스 본체(130)는 도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 내부 공간을 가지는 직사각형 모양의 함체 형상으로 구성된다.
또한, 상기 안테나 케이스 본체(130)는 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110, 120)가 각각 분리 설치되는 제1 및 제2 공간(132, 133)을 구비하며, 상기 제1 및 제2 공간(132, 133)의 사이로 소정의 간격을 유지하는 경계 벽(134)(party wall)을 구성한다.
여기서, 상기 경계 벽(134)은 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나(110, 120)의 좌 편파 및 우 편파를 격리(Isolation)하는 기능을 함과 동시에 물리적 보강재로서 작용한다.
또한, 상기 제1 및 제2 공간(132, 133)의 사이에 유지되는 상기 경계 벽(134)의 소정의 간격 조정에 따라 방사 패턴의 빔 폭이 조절된다.
아래의 [표 1]은 경계 벽(134)이 설치된 이격 거리에 따라 조절되는 빔 폭의 값을 나타낸다.
900 MHz 대역 비고
경계 벽이 없을 때 63° PCB 타입
경계 벽 이격 거리 60mm 64° PCB 타입
경계 벽 이격 거리 75mm 60° PCB 타입
경계 벽 이격 거리 70mm 58° 금속체 타입
또한, 상기 경계 벽(134)은 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 공간(132, 133)이 마주하는 각각의 측 벽면에 적어도 하나 이상의 창문(135)을 더 형성할 수 있다. 또한, 상기 경계 벽(134)은 도 13에 도시된 바와 같이, 둔각 벤딩(지붕 모양) 형태로 구성될 수도 있다.
상기 경계 벽(134)은 필요에 따라 좌우로 슬라이드 이동 가능하도록 구성될 수도 있다. 이로써 최적의 위치를 설정하기 위해 경계 벽의 위치를 조정하는 것이 가능하다.
상기와 같은 안테나 케이스 본체(130)는 내부 공간을 가지는 하부 케이스와 상부를 덮는 뚜껑으로 구분되어 구성될 수 있으며, 상기 안테나 케이스 본체(130)의 외부 형태는 설계자에 의해 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나 케이스 본체(130)에 설치되는 경계 벽(134)의 일례로서, 내부 공간으로 리더기(150)(reader)를 내장 삽입하여 설치한 형태를 나타낸다. 여기서, 상기 리더기(150)는 도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같은 다양한 형태의 경계 벽(134)의 내부 공간에 설치될 수 있다.
또한, 상기 리더기(150)는 안테나 케이스 본체(130)의 내장뿐만 아니라, 후면에 별도로 설치할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나 케이스 본체의 일례를 나타낸 외부 사시도 이다.
도시된 바와 같이, 안테나 케이스 본체(130)의 상부, 즉 방사체(10)의 위로 투명 재질의 아크릴 소재가 덮개(미도시)로 위치하고, 상기 경계 벽(134)이 위치하는 공간으로 ㄷ자형의 브라켓이 설치될 수 있다. 이때, ㄷ자형의 브라켓은 아래에서 후술할 제2 틸트용 브라켓(142)으로 대치될 수 있으며, 별도로 구비될 수도 있다.
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치의 외형 사시도, 및 설치 예를 나타낸 참고도이다.
도시된 바와 같이, 상기 거치용 클램프(140)는 제1 틸트용 브라켓(141), 제2 틸트용 브라켓(142) 및 클램프 몸체(143)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 틸트용 브라켓(141)은 상기 안테나 케이스 본체(130)의 길이 방향의 좌우 양 단면에 각각 설치되며, 상기 제2 틸트용 브라켓(142)은 상기 안테나 케이스 본체(130)의 길이 방향의 전후 양 단면에 각각 설치된다.
상기 클램프 몸체(143)는 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓(141, 142) 중 어느 하나와만 체결되어 상하 또는 좌우 방향으로 틸트를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 클램프 몸체(143)의 타단은 도 16에 도시된 바와 같이, 특정한 취부 장소에 부착될 수 있다.
상기 거치용 클램프(140)는 상하 방향의 수직 조절 및 좌우 방향의 수평 조절이 가능하며, 상기 안테나 케이스 본체(130)가 수직으로 세워져 설치되거나 혹은 수평으로 설치되는 경우에 따라서도 수직 또는 수평 조절이 적용될 수 있다.
또한, 상기 클램프 몸체(143)는 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓(141, 142) 모두와 체결되어 상하좌우 방향으로 틸트를 조절하도록 구성될 수 있으며, 이때에도 상기 클램프 몸체(143)의 타단은 특정한 취부 장소에 부착되어 사용된다.
이 경우, 상기 제1 틸트용 브라켓(141) 및 제2 틸트용 브라켓(142)의 길이 조절을 통해 클램프 몸체(143)에 연결할 수 있으며, 다른 방법으로는 상하좌우, 즉 수직 또는 수평으로 조절될 수 있는 구 형상의 클램프 장치(미도시)를 적용하여 구성할 수도 있다.
이상에서 실시예들을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예들로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 RFID 리더용 원형 편파 안테나 및 이를 이용한 안테나 장치에 의하면, 방사를 위한 단일 방사체 안테나를 유전체 층을 포함하는 PCB(Printed Circuit Board) 타입 또는 도금처리된 알루미늄 또는 구리 재질을 포함하는 금속체에 적용하는 것이 가능하며, 반사판과 커넥터를 이용하여 단순한 구조의 원형 편파 안테나를 구현함으로써 안테나 조립이 용이하고 경비가 절감됨은 물론, 양산이 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 방사체 중앙에 비아 홀을 형성하여 단락핀(Short Pin)을 삽입함으로써 물리적으로 방사체와 반사판의 결합에 대해서 안정적으로 잡아주는 효과를 제공하며, 기능적으로는 협대역의 문제를 해결하고 최적의 원형 편파의 특성을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반사판과 방사체 사이를 수직 방향으로 이격시킴으로써 표면파를 억제하고 복사 패턴 상의 리플을 제거하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 안테나 장치의 구성시, 원형 편파 안테나의 사이로 경계 벽(party wall)을 설치함으로써 방사체로부터 방사되는 빔 폭이 경계 벽의 소정 간격에 의해 조절될 수 있도록 하는 효과가 있다. 이는 경계 벽(party wall)의 간격을 조절하여 빔 폭을 줄이고, 안테나의 이득(Gain)을 높일 수 있는 효과를 제공한 다.
또한, 본 발명은 경계 벽을 통해 좌 편파와 우 편파를 격리함은 물론, 물리적으로 보강재의 역할을 제공하는 효과가 있으며, 또한 직접 급전 방식을 사용함으로써 기존의 전력 분배기를 사용하는 방식에 비해 손실이 적으며, 안테나의 이득(Gain)을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 경계 벽의 내부 공간으로 리더기를 내장하여 장착하는 것이 가능하며, 거치용 클램프를 통해 설치된 안테나를 상하좌우 방향으로 자유로이 틸트를 조절할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (16)

  1. 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 방사체;
    상기 방사체의 하부에 위치하며, 상기 방사체와 수직 방향으로 이격되어 임피던스 정합 및 축비의 향상을 위한 소정의 공기층 간격을 형성하는 반사판; 및
    상기 방사체로 전력을 공급하기 위한 급전선로부;를 포함하며,
    상기 방사체는, 사각형 모양으로 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 챔퍼(chamfer) 형태로 구성하고, 정중앙에 단락핀(short pin)을 삽입하기 위한 비아 홀(via hole)을 형성하며, 최대전력전달 조건의 임피던스 정합을 위한 급전부(feeding point)의 위치가 정중앙으로부터 가장자리의 방향으로 X축과 Y축으로 서로 다른 이격 거리에 형성되며, 상기 방사체와 반사판 사이의 공기층 간격인 급전부 높이를 통해 UHF(Ultra High Frequency; 극초단파) 대역에서 만족하는 임피던스 정합과 축비 조정 특성을 구현하며,
    상기 급전부는, 방사소자의 리액턴스 성분을 상쇄하여 대역폭을 증대하기 위한 고리모양의 갭(annular gap) 형태로서, 링(Ring) 구조물, 사각(Square) 구조물, 및 다각 구조물 중 어느 하나를 급전선로부의 커넥터 케이블에 끼워 방사체에 결합되도록 더 장착하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방사체로의 급전 방식은, 상기 급전선로부의 커넥터 케이블을 급전부의 위치에 직접 연결하는 직접 급전(Direct Feeding) 방식의 프로브 피딩(Probe Feeding)을 사용하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반사판과 방사체 사이의 높이는 상기 반사판으로부터 15mm ~ 22mm 범위를 갖도록 구성하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 프로브 피딩의 직접 연결은, 상기 커넥터 케이블에 납땜(solder)으로 고정하는 방식, 및 상기 커넥터 케이블에 스크류 볼트의 체결을 통해 고정하는 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방사체는 대각선 방향의 양끝 모서리 부분을 소정의 길이로 절단한 챔퍼 형태로 구성하여 모서리를 자른 부분의 길이와 급전부 위치에 의해 발생하는 X축의 전계(Electric Field)와 Y축의 전계가 90° 위상차가 되도록 구현하며,
    상기 챔퍼 부분을 구형파(square wave) 형태, 사인파 형태 및 삼각파 형태 중 어느 하나를 더 포함하는 형태인 섭동 세그먼트(perturbation segments)로 구성하며, 상기 섭동 세그먼트 간에 기생성분(parasitic element)으로 동작하여 기생방사를 발생하며 광대역 특성을 구현하게 되는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  6. 삭제
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사체는, 유전체 층이 포함된 PCB(Printed Circuit Board) 타입과 도금처리된 알루미늄 또는 구리를 포함하는 금속체 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 방사체는, 정사각형의 한 변의 길이가 135mm ~ 145mm의 범위를 갖고, 챔퍼(chamfer)의 변 길이가 35mm ~ 42mm의 범위인 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 급전부의 위치는 상기 단락핀(short pin)의 정중앙 위치를 기준으로 X축으로 16mm ~ 22mm 범위, 및 Y축으로 47mm ~ 53mm 범위 내에서 급전 위치가 오프셋(offset)되도록 함으로써 최적화된 임피던스 정합을 구현하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나.
  10. 제1항에 따른 원형 편파 안테나를 이용하며,
    좌편파를 발생하는 제1 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나;
    우편파를 발생하는 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나;
    상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 방사체 안테나를 내부에 각각 분리 실장하여 고정하는 안테나 케이스 본체; 및
    상기 안테나 케이스 본체의 외부에 설치되어, 상기 안테나 케이스 본체를 상하 또는 좌우 방향으로 틸트(tilt)를 조절하는 거치용 클램프;
    를 포함하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 거치용 클램프는, 상기 안테나 케이스 본체의 길이 방향의 좌우 양 단면에 각각 설치되는 제1 틸트용 브라켓 및 상기 안테나 케이스 본체의 길이 방향의 전후 양 단면에 각각 설치되는 제2 틸트용 브라켓 중 적어도 어느 하나; 및
    상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓 중 어느 하나 또는 모두와 체결될 수 있는 클램프 몸체;를 포함하며,
    상기 클램프 몸체는 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓 중 어느 하나와 체결되어 상하 또는 좌우 방향으로 틸트를 조절하거나, 혹은 상기 제1 및 제2 틸트용 브라켓 모두와 체결되어 상하좌우 방향으로 틸트를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 안테나 케이스 본체는, 내부 공간을 가지는 직사각형 모양의 함체 형상으로, 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 안테나가 각각 분리 설치되는 제1 및 제2 공간을 구비하며, 상기 제1 및 제2 공간의 사이로 소정의 간격을 유지하는 경계 벽을(party wall)을 포함하며,
    상기 경계 벽은 상기 제1 및 제2 RFID 리더용 원형 편파 안테나의 좌편파 및 우편파를 격리(Isolation)하고, 물리적 보강재로 작용하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공간의 사이에 유지되는 상기 경계 벽의 소정의 간격 조정에 따라 방사 패턴의 빔 폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 경계 벽은, 상기 제1 및 제2 공간이 마주하는 각각의 측 벽면에 적어도 하나 이상의 창문을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 경계 벽은, 둔각 벤딩(지붕 모양) 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
  16. 제 12항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경계 벽의 내부 공간으로 리더기(reader)를 내장 삽입하여 설치하는 것을 특징으로 하는 Rx, Tx가 동시에 탑재되는 RFID 리더용 원형 편파 안테나 장치.
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