KR101050241B1 - 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나 - Google Patents

알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나에 관한 것으로서, 금속표면 장착이 가능하고, 저자세, 소형, 고이득 효율을 제시할 수 있는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 장방형의 구조를 갖는 유전체; 상기 유전체의 일측면 상으로 구비되되, 소정의 폭과 길이를 갖는 직선형의 제 1 패턴; 상기 제 1 패턴과 간극을 갖고 상호 수평하도록 중첩 배열되되 소정의 폭과 길이를 갖는 제 2 패턴; 및 중첩 배열된 상기 제 2 패턴의 종단부와 상기 제 1 패턴 사이로 수직된 방향으로 접속되며, 상기 제 1 패턴과 제 2 패턴 사이로 접속되어 상기 유전체와 전기적 접속을 이루도록 기생효과를 제공하는 마이크로 칩; 을 포함한다.

Description

알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나{PLANAR DIPOLE ANTENNA ON THE SURFACE OF CONDUCTING PLANE FOR RFID TAG}
본 발명은 RFID 금속 태그용 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기생소자를 이용하여 안테나의 Short Pin을 제거하고, 반파장의 비대칭 CPW(Coplanar Waveguide)를 이용한 평면화 및 폴디드 구조에 의한 소형화를 동시에 구현할 수 있는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, RFID 시스템이란 사물의 고유정보를 담은 초소형 IC 칩을 소형화된 안테나에 부착하여 사물의 인식, 정보수집과 동시에 추적 가능하도록 한 일괄의 절차를 말한다. 최근 국내는 물론 해외로의 물류의 이동이 증가함과 동시에 RFID의 필요성이 대두 되었으며, 특히 선박이나 항공기를 이용한 물류의 이동시에 쓰이는 컨테이너 부착이 가능한 금속 표면 장착형 RFID안테나의 수요는 급증하고 있다.
그러나, 금속 표면 장착형 안테나의 경우 안테나의 임피던스 저하로 인해 방사가 잘 되지 않으며, 대역폭이 좁은 단점이 존재한다. 본 출원인은 2007년 5월 16일자로 출원된 출원번호 10-2007-0047658(발명의 명칭 RFID 태그용 평면 모노폴 안테나)에서 1/4λ 길이의 금속 표면 장착이 가능한 RFID 용 모노폴 안테나를 개시한 바 있다.
이를 구체적으로 설명하면 도 1 에 도시된 바와 같이, 장방형 또는 정방형의 접지판(G)과, 이 접지판에 안착되는 소정 유전율의 폼(F, foam)과, 폼에 안착되며 하단 근방에 급전점(FP, feeding point)을 마련한 직선형 제1 패턴(110)과, 제1 패턴 좌측에 이격·배치되며 하단 근방에 마련되는 단락 수단(P1)을 통해 상기 접지판과 도통되는 직선형 제2 패턴(120)과, 상기 제1 패턴 우측에 이격·배치되며 하단 근방에 마련되는 단락수단(P2)을 통해 상기 접지판과 도통되는 직선형 제3 패턴(130)을 포함한다.
상기 제1 패턴(110)은 제2 및 제3 패턴의 상단에 비해 소정 돌출길이(112)를 형성한다. 접지판(G)의 크기는 가로·세로 각각 500㎜이고, 제1 패턴(110)의 폭은 3㎜, 제2 패턴(120) 및 제3 패턴(130)의 폭은 6.5㎜이며, 제2, 3 패턴은 제1 패턴에 대해 2㎜의 이격간격(또는 유격간격)을 갖는다. 여기서, 돌출길이(112)는 파라메터 'i'로 표시하고, 상기 제3 패턴(130)의 길이를 파라메터 'c'로 표시할 경우, 안테나의 특성은 파라미터 'c'에 의하여 주파수가 결정 되어지고, 'i'에 의하여 입력 임피던스 매칭을 가능하게 할 수 있다.
상기 'i'가 0에서부터 점점 길어질수록 입력 임피던스의 궤적은 도 2 에 도시된 바와 같이, 높이 10mm 에서 L(inductance)이 증가하는 방향으로 회전되고 있으며, 이는 저자세로 인한 낮은 입력 임피던스를 인위적인 급전점 이동효과로 인하여 입력 임피던스 궤적을 시계방향으로 회전시켜 임피던스 매칭하고 있는 것이다. 또한 도 3 에서 도시된 바와 같이, 측정치에 있어서 각 높이에서의 반사손실은 -25dB 이하이며 대역폭은 높이 10mm 일 때 25MHz(2.7%), 5mm 일 때 10MHz(1.1%), 3mm 일 때 10MHz(1.1%), 1mm 일 때 6MHz(0.65%)로 안테나의 높이가 낮아짐에 따라 대역폭은 점차 좁아지는 현상이 나타났다.
이러한 저자세 안테나는 마이크로스트립 안테나와 같이 모노폴 끝단 면에서 최대 방사가 나타나며, 대역폭이 감소되는 것은 안테나와 접지면 사이에서 누설되는 전계효과가 작아져 이로부터 전기적인 길이 변화가 작게 되어 나타나는 현상이다. 이러한 특성이 일반적인 모노폴 안테나와 방사 개념이 다른 것이라 할 수 있다.
다음은 900MHz에 최적화된 파라미터 값을 나타내었다. 각각의 수치들은 특정 높이(h)에서 안테나의 반사손실이 -20dB이하가 될 때를 기준으로 하였다. [표 1] 의 결과에 나타낸 바와 같이, 높이가 낮아질수록 누설 전계효과 저하로 안테나의 길이는 점차 길어지는 것을 알 수 있다.
Height(h) /Parameter i c i+c
10mm 16mm 55mm 71mm
5mm 8.5mm 67mm 75.5mm
3mm 8mm 71mm 79mm
2mm 7mm 73mm 80mm
1mm 6mm 75mm 81mm
한편, 도 4 와 같이 각 높이에 따라 최적화된 안테나의 방사패턴이 도시되고 있으며, E-plane 의 최대이득 방향은 30°와 320°로써, 그때의 이득은 각각 5.21, 5.14 4.74, 3.84, 1.74dBi로 나타났다. 높이에 따른 이득 저하는 안테나와 접지면 사이의 높이가 낮아짐에 따라 누설전계가 약해지게 때문이다. 그리고 평면형 다이폴보다 이득은 낮은 것은 모노폴의 경우 방사부분이 모노폴 끝단 한 곳이며, 이득이 낮은 대신 빔 폭이 넓게 된다.
그러나, 이러한 안테나는 소형화에는 유리하지만, 외심을 접지와 연결을 하기 위한 short pin 즉, 전술된 단락 수단(P1, P2)은 이 반드시 필요하게 된다. 그러한 short pin은 태그 안테나 제작 시 접지를 포함하는 라벨 형태로 제작이 되어야 하기 때문에 사용자의 불편함과 태그의 단가를 높이는 요인이 되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 금속표면 장착이 가능하고, 저자세, 소형, 고이득 효율을 제시할 수 있는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기생소자를 이용하여 안테나의 Short Pin을 제거하여 안테나의 제조 단가를 절감할 수 있는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 태그 안테나의 외심과 기생소자를 일직선화 시키고 안테나의 양 종단을 폴디드 구조로 구현함으로써, 안테나의 소형화를 이룰 수 있는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 반파장의 비대칭 CPW(Coplanar Waveguide)를 이용하여 안테나의 평면화를 구현할 수 있는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나를 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 알에프아이디 금속태그용 다이폴 안테나에 관한 것으로서, 장방형의 구조를 갖는 유전체; 상기 유전체의 일측면 상으로 구비되되, 소정의 폭과 길이를 갖는 직선형의 제 1 패턴; 상기 제 1 패턴과 간극을 갖고 상호 수평하도록 중첩 배열되되 소정의 폭과 길이를 갖는 제 2 패턴; 및 중첩 배열된 상기 제 2 패턴의 종단부와 상기 제 1 패턴 사이로 수직된 방향으로 접속되며, 상기 제 1 패턴과 제 2 패턴 사이로 접속되어 상기 유전체와 전기적 접속을 이루도록 기생효과를 제공하는 마이크로 칩; 을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기생소자를 이용하여 안테나의 Short Pin을 제거하여 안테나의 제조 단가를 절감할 수 있으며, 태그 안테나의 외심과 기생소자를 일직선화하여 안테나의 소형화 및 평면화를 제공함과 동시에, 중심 주파수 대역에서의 태그 인식의 효율성 및 안정성을 확보하는 효과를 갖는다.
도 1 내지 도 4 는 종래 평면형 모노폴 안테나에 대한 구조 및 특성을 나타낸 도면이다.
도 5 의 (a) 및 (b) 는 본 발명에 따른 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나를 나타낸 도면.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나에 관하여 도 5 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5 의 (a) 는 본 발명의 일실시예에 따른 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나 구조이다. 도시된 바와 같이, 유전체(G)와, 상기 유전체(G)의 상단 면으로 구비되되, 소정의 폭(W4)과 길이(L4)를 갖는 직선형의 제 1 패턴(601)과, 상기 제 1 패턴(601)과 간극(d2)을 갖고 상호 수평하도록 중첩 배열되되 소정의 폭(W5)과 길이(L5)를 갖는 제 2 패턴(603)과, 중첩 배열된 상기 제 2 패턴(603)의 종단부와 상기 제 1 패턴(601) 사이로 수직된 방향으로 접속되며, 상기 제 1 패턴(601)과 제 2 패턴(603) 사이로 접속되어 상기 유전체(G)와 전기적 접속을 이루도록 기생효과를 제공하는 마이크로 칩(605)을 포함한다.
한편, 상기 제 1 패턴(601)과 제 2 패턴(603) 사이의 간극(d2)은 1mm 내지 2mm로서 바람직하게는 1.5mm이며, 상기 제 1 패턴(601)의 길이(L4)는 70mm 내지 90mm이고, 폭(W4)은 4mm 내지 6mm가 적절하나, 본 실시예에서는 제 1 패턴(601)의 길이(L4)를 80mm로 설정하고 폭(W4)을 5mm로 설정하고 있다. 또한, 상기 제 2 패턴(603)의 길이(L5)는 70mm 내지 90mm, 바람직하게 80mm이고, 폭(W5)은 2mm 내지 4mm, 바람직하게 3mm가 적절하다.
도 5 의 (b) 는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나 구조로서, 상기 제 1 패턴(601)과 제 2 패턴(603)이 상호 개구면이 대향되도록 각각으로 'ㄷ'형태를 이룬다. 여기서, 제 1 패턴(601)은 마이크로 칩(605)과 접속되는 제 1 수평라인(611)과, 상기 제 1 수평라인(611)의 종단부에서 수직된 방향으로 절곡된 제 1 수직라인(613) 및 상기 제 1 수직라인(613)의 종단부에서 수평하게 연장되는 제 1 수평연장 라인(615)으로 이루어진다.
또한, 제 2 패턴(603)은 마이크로 칩(605)과 접속되는 제 2 수평라인(621)과, 상기 제 2 수평라인(621)의 종단부에서 수직된 방향으로 절곡된 제 2 수직라인(623) 및 상기 제 2 수직라인(623)의 종단부에서 수평하게 연장되는 제 2 수평연장 라인(625)으로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 수평연장 라인(615) 및 제 2 수평연장 라인(625)은 수직선 상에서 대향 되도록 설치됨이 바람직하며, 안테나의 양끝을 폴디드 구조로 소형화하여 안테나의 최종크기를 유전체(G)를 포함하여 가로 94mm, 세로 24mm로 소형화하였다.
본 실시예에서, 마이크로 칩(605)은 제 1 수평라인(611)과 제 2 수평라인(621) 사이에 접속되어, 상기 유전체(G)와 전기적 short 점을 형성하게 된다. 또한, 상기 제 1 수평라인(611)은 폭 5mm로, 길이 82mm로 구성되고, 상기 제 1 수직라인(613)은 상기 제 1 수평라인(611)과 동일한 폭을 갖고 수직 길이가 16.5mm로 형성되며, 상기 제 1 수평연장 라인(615)은 동일 폭을 갖고 길이 17mm로 구성된다. 따라서, 상기 제 1 수평라인(611)과 제 1 수평연장 라인(615)은 6.5mm의 이격을 갖는다.
한편, 상기 제 2 수평라인(621)은 폭 3mm로 구성되고 길이가 52mm를 가지며, 상기 제 2 수직라인(623)은 동일 폭으로 길이 20mm로 이루어진다. 또한, 상기 제 2 수평연장 라인(625)은 3mm의 동일 폭으로 길이 23mm이며, 상기 제 2 수평연장 라인(625) 및 제 1 수평연장 라인(615) 간의 이격 폭은 7.5mm를 유지한다.
또한, 상기 제 2 수직라인(623) 및 제 1 수평라인(611) 간의 이격 폭은 7.5mm를 갖도록 설계되며, 상기 제 1 수평라인(611)과 상기 제 2 수평라인(621) 사이의 간극(d3)은 1.5mm로 설정된다.
이와 같이 구성된 안테나는 두께 3mm로 전체 유전체의 크기는 가로 94mm, 세로 24mm를 구성하며, 태그 입력 임피던스가 14+j144(Higgs 2)이고, 칩 임피던스는 14-j144(912MHz)이며, 이때의 중심주파수는 912MHz를 갖는다.
결국, 본 발명은 한국 UHF RFID 대역의 금속 표면 장착용 RFID 태그 안테나를 설계함에 있어, short pin이 없는 구조로 변경하기 위해 기생소자를 사용하였다. 또한, 그 구조를 간단히 하기 위해 태그 안테나의 외심과 기생소자를 일직선화 시키고 안테나의 양 끝단을 폴디드 구조로 소형화 하여, 그 크기는 가로 94mm, 세로 24mm로 소형화하였다. 안테나의 인식거리는 태그의 sensitivity를 측정 결과에 따라 인식거리는 EIRP 4W 리더기에서 4m로 확인되었다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
G : 유전체 601 : 제 1 패턴
603 : 제 2 패턴 611 : 제 1 수평라인
613 : 제 1 수직라인 615 : 제 1 수평연장 라인
621 : 제 2 수평라인 623 : 제 2 수직라인
625 : 제 2 수평연장 라인

Claims (4)

  1. 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나에 있어서,
    장방형의 구조를 갖는 유전체(G);
    상기 유전체(G)의 일측면 상으로 구비되되, 소정의 폭(W4)과 길이(L4)를 갖는 직선형의 제 1 패턴(601);
    상기 제 1 패턴(601)과 간극(d2)을 갖고 상호 수평하도록 중첩 배열되되 소정의 폭(W5)과 길이(L5)를 갖는 제 2 패턴(603); 및
    중첩 배열된 상기 제 2 패턴(603)의 종단부와 상기 제 1 패턴(601) 사이로 수직된 방향으로 접속되며, 상기 제 1 패턴(601)과 제 2 패턴(603) 사이로 접속되어 상기 유전체(G)와 전기적 접속을 이루도록 기생효과를 제공하는 마이크로 칩(605); 을 포함하되,
    상기 제 1 패턴(601)과 제 2 패턴(603)이 상호 개구면이 대향되도록 각각으로 'ㄷ'형태로 절곡되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 패턴(601)은,
    상기 마이크로 칩(605)과 접속되는 제 1 수평라인(611)과, 상기 제 1 수평라인(611)의 종단부에서 수직된 방향으로 절곡된 제 1 수직라인(613) 및 상기 제 1 수직라인(613)의 종단부에서 수평하게 연장되는 제 1 수평연장 라인(615)으로 이루어지며,
    상기 제 2 패턴(603)은,
    상기 마이크로 칩(605)과 접속되는 제 2 수평라인(621)과, 상기 제 2 수평라인(621)의 종단부에서 수직된 방향으로 절곡된 제 2 수직라인(623) 및 상기 제 2 수직라인(623)의 종단부에서 수평하게 연장되는 제 2 수평연장 라인(625)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수평연장 라인(615) 및 제 2 수평연장 라인(625)은,
    수직선상에서 대향 되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 알에프아이디 금속태그용 비대칭 평면 다이폴 안테나.
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