KR100933746B1 - Dual Band Circular Polarization Antenna - Google Patents
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Abstract
기존의 단일대역을 만족하는 원형편파 안테나를 발전시켜 이중패치를 적용하고 급전 네트워크 설계를 변형함으로써 RFID UHF 대역 및 ISM 대역의 이중대역에서 동작하는 고정형 이중대역 원형편파 안테나를 제공한다. 접지면을 포함하는 기판, 상기 기판 상부에 형성되고, 서로 다른 대역에서 동작하며 기판에 수직 방향으로 서로 이격되어 형성되는 두 개의 방사 패치, 및 상기 기판으로부터 상기 두 개의 방사 패치로 전력을 공급하는 급전부를 포함하는, RFID 용 이중대역 원형편파 안테나가 제공된다. By developing a circular polarization antenna that satisfies the existing single band, the dual patch is applied and the feed network design is modified to provide a fixed dual band circular polarization antenna operating in the dual bands of the RFID UHF band and the ISM band. A substrate including a ground plane, two radiation patches formed on the substrate, operating in different bands and spaced apart from each other in a direction perpendicular to the substrate, and supplying power from the substrate to the two radiation patches. An all-inclusive, dual band circularly polarized antenna for RFID is provided.
Description
도 1a 은 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 평면도.1A is a plan view of a dual band circularly polarized antenna according to the present invention;
도 1b 은 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 사시도.1B is a perspective view of a dual band circular polarization antenna according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 반사 손실 특성을 나타내는 그래프. 2 is a graph showing the return loss characteristics of a dual-band circular polarization antenna according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 방사 패턴을 나타내는 그래프. 3 is a graph showing a radiation pattern of a dual band circular polarization antenna according to the present invention;
도 4 는 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 이득을 나타내는 그래프. 4 is a graph showing the gain of a dual-band circular polarization antenna according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 설명** Description of the main parts of the drawings *
110 : 기판 121, 122 : 급전부110:
131, 132 : 방사 패치 140 : 아이솔레이터131, 132: spinning patch 140: isolator
본 발명은, 고정형 이중대역 CP (원형편파) 안테나에 관한 것으로, 구체적으로는 이중패치를 적용함으로써 RFID UHF 대역 및 ISM 대역의 이중 대역에서 동시에 동작 가능한 RFID 용 고정형 이중대역 CP 안테나에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fixed dual band CP (circular polarization) antenna, and more particularly, to a fixed dual band CP antenna for RFID that can operate simultaneously in dual bands of an RFID UHF band and an ISM band by applying a dual patch.
RFID 는 유비쿼터스 컴퓨팅 개념을 실현시키는 데 있어 주요 수단들 중의 하나로 중요성이 높아지고 있다.RFID is gaining in importance as one of the major means to realize the ubiquitous computing concept.
RFID 장치는 크게 인식정보를 저장하고 있는 태그와 그 정보를 읽는 리더로 구분할 수 있다. 태그와 리더는 각각에 장착된 안테나를 이용해 전자기파를 매개체로 정보의 전달을 수행한다. RFID는 HF 대역 (13.56 MHz), UHF 대역 (860 MHz~ 960 MHz), ISM 대역 (2.4~2.48 GHz) 등과 같이 여러 가지 대역에서 실현되고 있다.The RFID device can be largely classified into a tag storing recognition information and a reader reading the information. The tag and reader use the antennas attached to each other to transmit information through the electromagnetic wave. RFID is realized in several bands, such as the HF band (13.56 MHz), the UHF band (860 MHz to 960 MHz), and the ISM band (2.4 to 2.48 GHz).
현재는, 이러한 대역들 중 HF 대역은 자계결합 방식을 사용해서 안테나 인식영역이 매우 협소하고, ISM 대역은 주변 환경에 민감하여 전체 RFID 시스템의 성능이 가변적이라는 이유로, UHF 대역을 이용하는 RFID 용 안테나가 널리 사용되고 있으며, 일반적으로 이는 마이크로스트립을 이용한 단일 급전 방식인 패치형 안테나로 구현되었다.Currently, the HF band of these bands uses a magnetic field coupling method, the antenna recognition area is very narrow, and the ISM band is sensitive to the surrounding environment, so that the performance of the entire RFID system is variable. In general, it is implemented as a patch-type antenna that is a single feeding method using a microstrip.
그러나 최근에는 산업/과학/의료용으로 이용이 허가된 ISM 대역을 이용하는 RFID 용 안테나의 필요성이 대두되고 있으며, 이에 따라 RFID UHF 대역 (860~960 MHz) 및 ISM 대역 (2.4~2.48 GHz) 의 이중대역에서 동시에 동작하는 새로운 형태의 안테나가 필요하다. Recently, however, there is a need for an antenna for RFID using an ISM band licensed for industrial / science / medical use. Accordingly, dual bands of the RFID UHF band (860 to 960 MHz) and the ISM band (2.4 to 2.48 GHz) are emerging. We need a new type of antenna that works at the same time.
본 발명은 상술한 필요에 의해 안출한 것으로, 기존의 단일대역을 만족하는 원형편파 안테나를 발전시켜 이중패치를 적용하고 급전 네트워크 설계를 변형함으로써 RFID UHF 대역 및 ISM 대역의 이중대역에서 동작하는 고정형 이중대역 원형편파 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described needs. The present invention provides a fixed dual antenna that operates in a dual band of the RFID UHF band and the ISM band by developing a dual polarization antenna that satisfies the existing single band, applying a dual patch, and modifying a feeding network design. It is an object to provide a band circularly polarized antenna.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 접지면을 포함하는 기판, 상기 기판 상부에 형성되고, 서로 다른 대역에서 동작하며 기판에 수직 방향으로 서로 이격되어 형성되는 두 개의 방사 패치, 및 상기 기판으로부터 상기 두 개의 방사 패치로 전력을 공급하는 급전부를 포함하는, RFID 용 이중대역 원형편파 안테나가 제공된다. According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, two substrates including a ground plane, formed on top of the substrate, operating in different bands and spaced apart from each other in a direction perpendicular to the substrate A dual band circular polarization antenna for RFID is provided, comprising a patch and a feeder for powering the two radiating patches from the substrate.
바람직하게는, 상기 두 개의 방사 패치는 서로 다른 크기를 갖고, 크기가 큰 방사 패치가 상기 기판으로부터 더 떨어져서 형성된다. Preferably, the two spinning patches have different sizes, and a larger spinning patch is formed further away from the substrate.
바람직하게는, 상기 두 개의 방사 패치 중, 크기가 큰 방사 패치는 RFID UHF 대역에서 동작하고, 크기가 작은 방사 패치는 RFID ISM 대역에서 동작한다. Advantageously, of the two radiation patches, the larger radiation patch operates in the RFID UHF band and the smaller radiation patch operates in the RFID ISM band.
바람직하게는, 상기 두 개의 방사 패치 중, 크기가 큰 방사 패치는 내부에 슬롯을 포함한다.Preferably, of the two spinning patches, the larger spinning patch includes a slot therein.
바람직하게는, 상기 두 개의 방사 패치는 상이한 방향의 원편파 신호를 통신한다. Preferably, the two radiating patches communicate circularly polarized signals in different directions.
바람직하게는, 상기 두 개의 방사패치에 전력을 공급하는 급전부는 윌킨슨 파워 분배기 (Wilkinson Power Divider) 기술을 사용하여 구현된다. Preferably, the feeder for powering the two radiation patches is implemented using Wilkinson Power Divider technology.
바람직하게는, 상기 급전부는 상기 방사 패치가 동작하는 대역간의 주파수 분리도 특성을 향상시키기 위한 아이솔레이터를 포함한다. Preferably, the power supply unit includes an isolator for improving the frequency separation characteristics between the band operating the radiation patch.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 RFID 용 이중대역 원형편파 안테나를 구비하는 무선 통신 장치가 제공된다. On the other hand, according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, there is provided a wireless communication device having the dual-band circular polarization antenna for RFID.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태들을 상세히 설명한다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 고정형 이중대역 원형편파 안테나는, 접지면을 가지는 테플론 기판 (110), 기판 (110) 상에 형성되며 두 개의 방사 패치 (131, 132) 에 전력을 공급하는 급전부 (121, 122), 급전부 (121, 122) 에 의해 전력을 공급받으며 서로 상이한 대역에서 동작하는 두 개의 방사 패치 (131, 132), 각 방사 패치 (131, 132) 의 대역간 주파수 분리도 특성을 형상시키기 위하여 급전부 (121, 122) 에 형성되는 아이솔레이터 (140) 를 포함한다. As shown in FIG. 1, a fixed dual band circular polarization antenna according to the present invention is formed on a Teflon
두 개의 방사 패치 (131, 132) 는 서로 상이한 대역에서 동작할 수 있도록 서로 다른 크기를 갖고 서로 분리되어 있다. 방사 패치 (131) 는 제 1 대역에서 동작하며, 방사 패치 (132) 는 제 2 대역에서 동작하여 이중대역에서 동시에 동작 가능한 RFID 용 원형 편파 안테나의 구현을 가능하게 한다. 상기 제 1 대역은, ISM 대역, 즉, 2.4~2.48 GHz 대역일 수 있고, 제 2 대역은, UHF 대역, 즉, 860~960 MHz 대역일 수 있다.The two radiating
또한, 각 방사 패치 (131, 132) 에 연결되는 급전부 (121, 122) 의 구조가 상이하게 형성되어 방사 패치 (131) 가 동작하는 ISM 대역은 좌수원형편파 (LHCP), 방사 패치 (132) 가 동작하는 UHF 대역은 우수원형편파 (RHCP) 로 발생할 수 있도록 한다. 이에 따라, 각 대역별 편파 분리도가 극대화될 수 있으며, 서로 간의 간섭은 최소화되는 효과를 얻을 수 있다.In addition, the structure of the
도 1a 및 1b 은 본 발명에 따른 이중대역 원형 편파 안테나의 일례로서 그 평면도 및 사시도이다. 도 1a 에 도시되는 바와 같이 방사 패치 (132) 는 내부에 슬롯을 적용하고 있고, 그 슬롯의 크기는 방사 패치 (131) 의 크기보다 크며, 도 1b 에 도시되는 바와 같이 두 방사 패치 (131, 132) 간의 수직 거리는 25 mm 정도로 하고 있으며, 이러한 구조에 따라 방사패치 간의 차폐를 방지하고 최대 이득특성을 얻을 수 있으나, 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 1A and 1B are a plan view and a perspective view of an example of a dual band circular polarization antenna according to the present invention. As shown in FIG. 1A, the
한편, 급전부 (121, 122) 는 윌킨슨 전력 분배기 기술 (Wilkinson Power Divider) 을 이용하는 구성이다. 윌킨슨 전력 분배기는 RF 대역이나 마이크로파 주파수 대역에서 주로 사용되는 전력 분배기이며, 고주파 특성 및 전력특성이 우수한 장점을 가지고 있다. 이는, 입력 포트, 복수의 출력 포트, 포트 정합을 위한 λ/4 전송선로 등을 포함하며, 각 출력 포트에 서로 다른 위상을 갖는 전력을 발생시키는 기술이다. 급전부 (121, 122) 는 이러한 기술을 이용함으로써 각 급전 선로를 통해 공급되는 전력간의 위상차를 생성시켜 원형 편파를 발생시키는 구조이다. 구체적으로 설명하면, 방사 패치 (131) 에 연결되는 급전부 (121) 는 가장 짧은 전송선로인 좌측으로부터 시계 방향으로 90°, 180°, 270°의 위상차를 갖는 급전을 형성하며, 방사 패치 (132) 에 연결되는 급전부 (122) 는 길이가 짧은 우측 전송선로로부터 반시계 방향으로 90°의 위상차를 갖는 급전을 형성하여 원형 편파를 발생시킨다. 이러한 방식으로 이중 원형편파가 발생될 수 있으며, 방사 패치 (131) 는 좌수원형편파, 방사 패치 (132) 는 우수원형편파로 원형 편파를 발생시킨다. On the other hand, the
아이솔레이터 (140) 는 순방향으로 입력되는 전파는 감쇠없이 통과시키고 역방향으로 입력되는 전파는 흡수하는 소자이다. 이러한 아이솔레이터 (140) 가 급전부 (121, 122) 에 형성됨으로써, 급전부 (121) 의 전파는 급전부 (122) 에 전달되지 않고, 반대로 급전부 (122) 의 전파는 급전부 (121) 에 전달되지 않게 된다. 따라서, 급전부 (121, 122) 에 형성되는 아이솔레이터 (140) 에 의해 방사 패치 (131, 132) 가 동작하는 각 대역, 즉, 제 1 대역 (예를 들면, UHF 대역) 과 제 2 대역 (예를 들면, ISM 대역) 간의 간섭이 최소화되고 주파수 분리도 특성이 더욱 향상되게 된다.The
도 2 는 본 발명에 따른 이중대역 원형 편파 안테나의 반사 손실 특성을 보여준다. 2 shows a return loss characteristic of a dual band circular polarized antenna according to the present invention.
도 2 에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 이중대역 원형 편파 안테나는 UHF 대역 RFID 사용 주파수인 860 ~ 960 MHz 과, ISM 대역 RFID 사용 주파수인 2.4 ~ 2.48 GHz 에서 매우 적은 반사손실과 양질의 원형편파 특성을 보였다. 구체적으로, 860 MHz 에서는 -15.1 dB, 960 MHz 에서는 -19.8 dB 의 반사손실을 보였고, 2.40 GHz 에서는 -17.0 dB, 2.48 GHz 에서는 -24.3 dB 의 반사손실 특성을 보였다.As shown in FIG. 2, the dual band circular polarization antenna of the present invention has very low return loss and good circular polarization characteristics at UHF band RFID using frequency of 860 to 960 MHz and ISM band RFID using frequency of 2.4 to 2.48 GHz. Showed. Specifically, the return loss was -15.1 dB at 860 MHz and -19.8 dB at 960 MHz, -17.0 dB at 2.40 GHz, and -24.3 dB at 2.48 GHz.
한편, 도 3 은 본 발명에 따른 이중대역 원형 편파 안테나의 방사이득을 보여준다. 도 3a 는 900 MHz, 도 3b 는 2.45 GHz 에서의 방사이득을 보여준다. On the other hand, Figure 3 shows the radiation gain of the dual band circular polarized antenna according to the present invention. 3A shows the radiation gain at 900 MHz and FIG. 3B at 2.45 GHz.
도 3a 으로부터 900 MHz 에서는 우수원형편파 (RHCP) 로 동작하고, 편파 분리도는 15 dB 이상이라는 것을 알 수 있고, 도 3b 로 부터 2.45 GHz 에서는 좌수원형편파 (LHCP) 로 동작하며, 편파 분리도는 이 경우 역시 15 dB 이상이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 이중대역 안테나는 UHF 대역 및 ISM 대역에서 편파 분리도가 모두 15 dB 이상이고, 3 dB 축비 (Axial Ratio) 특성을 만족시켜 편파 분리도가 우수하며 양질의 원형 편파를 발생시킨다.It can be seen from FIG. 3A that the RHCP operates at 900 MHz and the polarization separation is 15 dB or more. From FIG. 3B, the RHCP operates at 2.45 GHz and the polarization separation is in this case. It can also be seen that it is more than 15 dB. Accordingly, the dual band antenna of the present invention has a polarization separation of 15 dB or more in the UHF band and the ISM band, and satisfies the 3 dB Axial Ratio characteristic to generate excellent circular polarization with good polarization separation.
도 4 는 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 이득특성을 나타낸다. 도 4a 는 UHF 대역, 도 4b 는 ISM 대역에서의 이득특성을 보여준다. 도 4a 및 도 4b 에 도시되는 바와 같이, UHF 대역에서는 평균 6 dBic, ISM 대역에서는 최대 7.3 dBic 의 우수한 이득특성을 보인다.4 shows gain characteristics of a dual band circular polarization antenna according to the present invention. 4A shows gain characteristics in the UHF band and FIG. 4B shows the ISM band. As shown in FIGS. 4A and 4B, excellent gain characteristics of an average of 6 dBic in the UHF band and a maximum of 7.3 dBic in the ISM band are shown.
이렇게 본 발명은, 두 개의 방사 패치와 서로 다른 급전 구조를 이용함으로써 UHF 대역 (860~960 MHz) 및 ISM 대역 (2.4~2.48 GHz) 에서 동시에 동작 가능한 이중대역 원형 편파 안테나를 제공한다. Thus, the present invention provides a dual band circularly polarized antenna that can be operated simultaneously in the UHF band (860 to 960 MHz) and the ISM band (2.4 to 2.48 GHz) by using two radiation patches and different feeding structures.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명 된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.The present invention has been described above in connection with specific embodiments of the present invention, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art can change or modify the described embodiments without departing from the scope of the present invention, and such changes or modifications are within the scope of the present invention. Those skilled in the art can also omit some of the components described herein without adding performance degradation or add components to improve performance. In addition, those skilled in the art may change the order of the method steps described herein according to the process environment or equipment. Therefore, the scope of the present invention should be determined not by the embodiments described, but by the claims and their equivalents.
본 발명에 따르면, 두 개의 방사 패치와 서로 다른 급전 구조를 이용함으로써 UHF 대역 (860~960 MHz) 및 ISM 대역 (2.4~2.48 GHz) 에서 동시에 동작 가능한 이중대역 원형 편파 안테나를 얻을 수 있다. According to the present invention, a dual band circularly polarized antenna capable of operating simultaneously in the UHF band (860 to 960 MHz) and the ISM band (2.4 to 2.48 GHz) can be obtained by using two radiation patches and different feeding structures.
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