KR101081084B1 - Ｒｆｉｄ 태그용 미엔더―폴드형 다이폴 안테나 - Google Patents

Ｒｆｉｄ 태그용 미엔더―폴드형 다이폴 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴에 관한 것으로, 안테나 패턴의 중앙부에 형성된 T-매칭부와, T-매칭부로부터 연장되고 상호 대칭으로 형성된 제1 전도성 트레이스부 및 제2 전도성 트레이스부를 포함하고,
안테나의 설계전에 안테나 스트랩의 정확한 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스에 적합하게 안테나 패턴의 파라미터값의 조절하여 제공함으로써 안테나와 스트랩 사이의 임피던스 매칭을 통해 RFID 태그의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미엔더-폴드형 다이폴 안테나의 T-매칭부와 연관된 파라미터의 미세조절을 통해 안테나와 태그 스트랩 사이의 임피던스 매칭을 보다 원할하게 이룰 수 있다.
RFID, 태그, 미엔더, 폴드, 임피던스, 매칭

Description

ＲＦＩＤ 태그용 미엔더―폴드형 다이폴 안테나{A MEANDERED LINE FOLDED DIPOLE ANTENNA FOR RFID TAG}
본 발명은 비접촉식으로 외부 기기와의 사이에서 정보 교환을 수행하도록 기능하는 RFID 태그용 안테나에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 본 발명은 UHF 주파수 대역에서 동작가능한 RFID 태그용 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 전파에 의해 비접촉식으로 정보를 교환하는 여러 가지의 RFID 태그가 알려져 있는데, RFID 태그는 유비쿼터스 환경을 구축하는데 필요한 각종 기술 중에 무선 신호를 이용하여 사물을 식별 등에 이용되는 기술 중 하나이다.
RFID 시스템은 마이크로 칩을 내장한 태그에 저장된 데이터를 RF 신호를 이용하여 리더에 자동 인식 처리하는 시스템으로, 비접촉 방식을 이용해 여러 개의 태그를 동시에 인식할 수 있고, 인식 시간이 짧으며, 태그에 대용량의 데이터를 저장할 수 있다는 장점이 있다.
이런 RFID 시스템을 구성하는 몇 가지 요소 중에서 디지털 정보를 포함하고 있는 RFID 태그는 가장 중요한 기술 요소 중의 하나이다. 태그는 칩과 안테나를 포함하고 있고, 태그의 인식 거리 등 태그의 성능에 영향을 미치는 요소로서는 칩 성능, 안테나 형태, 안테나와 칩의 매칭 특성 등을 예로 들 수 있다.
태그 칩의 경우 칩 제작 업체(Alien사, Impinj사 등)에서 제작되며, 이러한 칩을 공급받은 태그 업체에서는 태그 칩에 적합한 안테나 설계를 통해 태그를 제작하게 된다.
일반적으로 태그용 안테나의 설계는 대역폭이 넓고 이득이 높은 안테나 설계가 요구되는데, 이때 칩과의 매칭은 칩의 높은 용량성(capacitive) 특성과, 공액 정합을 위한 유도성(inductive) 특성을 가진 안테나를 통해 이루어진다.
그러나, 통상의 태그용 안테나는 대역폭이 좁고 게인이 낮아 다양한 어플리케이션에 선택적으로 적용할 수 없고, 고가이면서 비싸다는 단점이 있다.
본 발명은 RFID에 사용될 수 있고, 저가이면서 소형일 뿐만 아니라, 넓은 대역폭과 높은 게인을 갖는 마이크로 스트립 안테나, 특히 미엔더-폴드형 다이폴 안테나(meandered-line folded dipole) 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 저유전율 기판과, 상기 저유전율 기판에 형성되는 안테나 패턴을 포함하는 RFID 태그용 미엔더-폴드형 다이폴 안테나를 제공하는데,
상기 안테나 패턴은, 중앙부에 형성된 T-매칭부와, 상기 T-매칭부로부터 연장되고 상호 대칭으로 형성된 제1 전도성 트레이스부 및 제2 전도성 트레이스부를 포함하고,
상기 제1 전도성 트레이스부와 제2 전도성 트레이스는 각각 사행형상의 미엔더-라인으로 형성되며,
상기 제1 전도성 트레이스부의 미엔더-라인 중 일부는 미엔더-라인에 의해 형성된 미엔더-라인과 미엔더-라인 사이의 공간으로 폴딩되어 있으며, 상기 제2 전도성 트레이스부의 미엔더-라인 중 일부는 미엔더-라인에 의해 형성된 미엔더-라인과 미엔더-라인 사이의 공간으로 폴딩되어 있으며, 상기 안테나 패턴의 끝부가 개방되어 있다.
또한 본 발명은 저유전율 기판과, 상기 저유전율 기판에 형성되는 안테나 패턴을 포함하는 RFID 태그용 미엔더-폴드형 다이폴 안테나를 제공하는데,
상기 안테나 패턴은, 중앙부에 형성된 T-매칭부와, 상기 T-매칭부로부터 연장되고 상호 대칭으로 형성된 제1 전도성 트레이스부 및 제2 전도성 트레이스부를 포함하고,
상기 제1 전도성 트레이스부와 제2 전도성 트레이스는 각각 사행형상의 미엔더-라인으로 형성되며,
상기 제1 전도성 트레이스부 및 제2 전도성 트레이스의 미엔더-라인은, 수직방향으로 이격되어 배치되는 복수의 수직패턴과, 상기 복수의 수평패턴의 이격구간에 대응하여 배치되는 수평방향으로 배치된 복수의 수평패턴을 포함하며, 상기 안테나 패턴의 끝부가 폐쇄되어 있다.
상기 T-매칭부는 적어도 일부분이 개방되어 있으며, T-매칭부와 연관된 파라미터의 조절을 통해 안테나의 임피던스를 태그 스트랩의 임피던스와 정합시킬 수 있도록 구성되며,
상기 저유전율 기판은 PI 또는 PET 기판 중 선택된 플렉시블 기판이고, 상기 안테나 패턴은 은(Ag) 또는 구리(Cu) 중 하나가 선택될 수 있다.
전술한 본원발명의 특징적 구성에 의하면, 태그 스트랩의 정확한 임피던스 측정법을 통해 안테나를 설계함으로써, 대역폭과 안테나 게인 면에서 우수한 특성을 갖는 구조를 제안하여, 다양한 어플리케이션에 선택적으로 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 저가이면서 소형인 안테나를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 구조를 제안하기 전에 스트랩과 다이폴(dipole) 안테나의 정확한 임피던스 측정에 대해 우선 설명한다.
패치 안테나의 경우에는, 신호선과 접지면을 커넥터로 연결하여 측정하는 일반적인 언밸런스형(unbalanced type) 신호 측정 방법을 이용하면 된다. 언밸런스형 신호란 두개의 선로의 조합을 통해 신호를 전송하는 전송 라인상에서, 두 금속선로의 크기(magnitude)가 다르게 전송되는 신호를 의미한다. 언밸런스형 안테나의 경우에는 커넥터와 테스트 케이블을 벡터 네트워크 어널라이저(vector network analyzer)로 연결하여 S-파라미터(Scattering-parameter) 또는 임피던스를 확인하여 태그 스트랩과의 매칭 특성을 확인한다.
반면 두개의 선로 조합을 통해 신호를 전송하는 전송 라인 상에서, 두 금속선로의 크기가 동일하게 전송되는, 다이폴(dipole) 안테나와 같은 밸런스형(balanced type) 안테나의 경우 커넥터를 이용하여 측정하는 언밸런스형 측정 방법으로 측정하게 되면 정확도가 상당히 떨어진다.
언밸런스형 안테나인 다이폴 안테나를 측정하기 위한 방법으로서, 이미지 측정법(image method)과 밸룬 측정법(balun(Balance*Unbalance) method)을 이용하는 방법이 있다. 그러나, 이미지 측정법(Image method)을 이용하여 다이폴 안테나를 측정하는 경우 접지면의 크기에 따라 정확도에 상당히 차이가 난다.
또한, 밸룬법을 이용하여 다이폴 안테나를 측정하는 경우에도 밸룬의 특성에 따라 상당한 차이가 발생하여 다이폴 안테나의 정확한 임피던스 특성을 파악하는 것이 쉽지 않다.
밸런스형 다이폴 안테나를 측정하기 위한 또 다른 방법 중의 하나로서 차동 프로브 방법(differential probe)이 있다. 이 차동 프로브 방법에서는 테스트 피처(Test fixture)를 이용하여 두 개의 포트를 하나로 묶고, 측정하고자 하는 다이폴 안테나에 직접 콘택(contact)하여 임피던스 측정을 수행한다. 이런 방법으로 2-포트 S-파라미터(two-port S-parameter)를 얻은 후 공동 모드(common mode)와 차동 모드(differential mode) 임피던스를 구할 수 있다.
도 1은 2-포트 임피던스 모델을 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같은 대칭구조인 다이폴 안테나의 경우 Za와 Zb가 동일하게 되며, 이 경우 차동 모드 임피던스는 다음과 같은 식(1)로 얻어질 수 있다.
Figure 112009066861943-pat00001
(식 1)
그리고, 차동 모드(Differential mode) 임피던스는 측정된 S-파라미터(S-parameter)를 이용하여 다음과 같은 식(2)에 의해 얻을 수 있다.
Figure 112009066861943-pat00002
(식 2)
도 2의 (a) 및 (b)는 제작된 2-포트 테스트 피처(two-port test fixture)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 두 개의 서브미니어처 버전 A(SubMiniature version A: SMA) 커넥터(a)가 테스트 피처(test fixture)의 양단부에 각각 위치하게 되고, 안테나와 콘택(contact)되는 접촉부(b)는 반강성(semirigid) 케이블의 내부 컨덕터(inner conductor)의 미세 부분이 개방되어 있다.
일반적인 SOLT(Short Open Load Thru) 캘리브레이션을 수행 한 후, VNA(vector Network Analyzer)의 포트 확장 기능을 이용하여 캘리브레이션 플랜을 도 2에서 점선으로 도시한 것처럼 이동시킨다.
본 발명에서는 차동 프로브 방식을 이용하여 추출된 정확한 태그 스트랩 임피던스를 바탕으로 하여 태그 안테나 설계를 진행하였다.
도 3은 본 발명에서 제안한 개방형의 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴은 안테나 크기를 축소시키기 위해 미엔더 구조(meandered structure)를 가지고 있으며 m1, m2, m3, m4 등의 파라미터를 가진 T-매칭부를 통해 안테나의 임피던스가 스트랩의 공액 정합이 되도록 미세 튜닝을 수행하였다.
보다 구체적으로, 상기 개방형의 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴(100)은 저유전율의 기판(예를 들면, PI, PET 등의 저유전율의 플렉시블 기판) 위에 형성되며, 그 중앙부에 T-형상의 T-매칭부(110)와, T-매칭부(110)의 일단부로부터 연장된 제1 도전성 트레이스부(120)와, T-매칭부(110)의 타단부로부터 연장된 제2 도전성 트레이스부(130)로 형성된다.
제1 도전성 트레이스부(120)와 제2 도전성 트레이스부(130)는 중심라인(cen)을 기준으로 좌우 대칭으로 형성되며, T-매칭부(110)는 그 하단 중앙부의 일부(111)가 도 3a에 도시한 바와 같이 개방되어 있으며, 이 중앙부(111)에는 외측으 로부터의 급전라인(도시하지 않음) 등이 연결될 수 있으며, 중앙부에 스페이스(112)를 형성(T 형상으로 형성)함으로써, T-매칭부와 연관된 파라미터(m1~m4)를 통해 보다 세밀하게 스트랩과의 임피던스 정합을 조절할 수 있도록 구성된다.
또한, 도 3b에 도시한 바와 같이, 제1 도전성 트레이스부(120)는 미엔더-라인 형상(사행 형상)으로 형성되는데, 미엔더-라인의 적어도 일부분이 미엔더-라인과 미엔더-라인 사이의 공간으로 폴딩된 구조(121a,121b)를 갖게 함으로써, 게인값의 향상을 도모하였다. 제2 도전성 트레이스부(130)는 제1 도전성 트레이스부(120)과 좌우 대칭인 것으로 형성되며, 제2 도전성 트레이부(130) 역시 폴딩된 구조(미도시)를 가지며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
안테나 임피던스의 높은 유도성(inductive) 값은 전체적인 안테나 길이와 선폭에 의해 대략적으로 결정되며, T-매칭부의 파라미터를 통해 미세하게 조절된다. 여기에 적용된 안테나 크기는 89mm * 10mm이다.
적용된 안테나의 자세한 치수는 아래의 표 1에 나타내었다.
(표 1)
Figure 112009066861943-pat00003
도 4는 본 발명에 따른 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나와, 도 4에 도시된 안테나는 안테나의 끝단이 개방 형태가 아닌 폐쇄 형태를 가지고 있으며, 이러한 형태는 안테나의 대역폭을 넓히는 역할을 하게 된다.
도 4에 도시된 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나(200) 역시, 도 3에 도시한 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴과 마찬가지로, 안테나 크기를 축소시키기 위해 미엔더 구조(meandered structure)가 채용되었으며, 도 4a에 도시한 바와 같이, T-매칭부(210)는 중앙부에 스페이스(212)가 형성되어, m1, m2, m3, m4 등의 파라미터를 통해 스트랩과의 임피던스 정합을 튜닝하도록 구성된다.
또한 도 4b에 도시한 바와 같이, 폐쇄형의 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴(200)은 고유전율의 기판위에 형성되며, 그 중앙부에 T형상의 T-매칭부(210)와, T-매칭부(210)의 일단부로부터 연장된 제1 도전성 트레이스부(220)와, T-매칭부(210)의 타단부로부터 연장된 제2 도전성 트레이스부(230)로 형성된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 트레이스부(220)는 수직방향(vertical line)으로 서로 평행한 수직라인(221v,222v,223v)과 이 수직라인의 단부를 수평방향(horizontal line)으로 연결하는 수평라인(224h,225h)으로 구성된다. 제2 도전성 트레이스부(230)는 제1 도전성 트레이스부(220)과 좌우 대칭인 것으로 형성되는 것이 바람직하다.
이런 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나는 대역폭이 넓은 특성을 가지며 주변 부착물에 대한 공진 주파수 변화로 인한 특성 열화가 적으며, 하나의 태그로 중심 주파수가 다른 세계 여러 나라에 적용할 수 있는 장점이 있다. 하지만 상대적으로 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나에 비해 안테나 게인이 감소하는 단점이 있다.
표 2는 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나의 상세한 치수를 나타내고 있다.
(표 2)
Figure 112009066861943-pat00004
도 3과 도 4의 안테나에 적용된 스트랩은 Alien사의 Higgs-2이며, 안테나는 유전율 3.4, 두께 0.07mm의 PET 기판위에 은(Ag)으로 인쇄하였다. 그러나 유전율과 두께가 더욱 낮은 폴리이미드(Polyimide) 기판 위에 구리(Cu)를 에칭하여 구현할 수도 있다.
도 5의 (a) 및 (b)는 전술한 개방형 및 폐쇄형 미엔더-폴드형 안테나의 게인 특성을 비교한 도면으로, 도 5의 (a)는 개방형 미엔더-폴드형 안테나의 방사 패턴을 나타내고, 도 5의 (b)는 폐쇄형 미엔더-폴드형 안테나의 방사패턴을 나타낸다. 또한 도 6의 전술한 개방형 및 폐쇄형 미엔더-폴드형 안테나의 대역폭을 비교한 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 개방형 미엔더-폴드 안테나의 피크 게인은 1.2 dBi를 나타냈고, 폐쇄형 미엔더-폴드형 안테나는 -2.6dBi를 나타내었다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 폐쇄형 미엔더-폴드형 안테나의 대역폭이 개방형 폴드 안테나보다 넓은 것을 알 수 있으며, 양 안테나는 안테나 게인과 대역폭에서 절충점(trade-off)을 가짐에 유의할 필요가 있다.
전술한 두 종류의 안테나를 포함한 태그를 이용해서 금속 부착물의 유무에 따른 실험을 진행한 결과 금속 부착물이 없는 경우, 개방형 안테나를 가진 태그의 인식거리가 약 7m 정도인 반면, 폐쇄형 안테나를 가진 태그는 약 3m 정도의 인식거리를 가지는 것으로 나타났다. 하지만 금속 부착물과 태그가 약 2mm 정도 떨어진 경우 개방형은 약 10cm 정도의 인식거리를 가지지만 폐쇄형의 경우는 약 1m 정도의 인식거리를 나타내는 것을 확인하였다.
종래의 안테나를 구비한 태그를 메탈에 부착 한 경우 거의 인식이 되지 않는 것과 비교한다면 본 발명에 따른 안테나를 포함한 태그의 인식거리가 매우 넓어졌음을 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 두 가지의 타입의 미엔더-폴드형 안테나를 제작하였으며, 정확한 임피던스 측정법을 통해 안테나를 설계함으로써, 대역폭과 안테나 게인 면에서 우수한 특성을 갖는 구조를 제안하여, 다양한 어플리케 이션에 선택적으로 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 저가이면서 소형인 안테나를 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 2-포트 임피던스 모델을 개략적으로 도시한 도면.
도 2의 (a)는 제작된 테스트 피처를 통한 스트랩 임피던스의 특정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2의 (b)는 제작된 테스트 피처를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴을 도시한 도면.
도 3a는 도 3에 도시한 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴의 중앙부에 형성된 T-매칭부를 도시한 도면.
도 3b는 도 3에 도시한 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴의 좌측의 전도성 트레이스부를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴을 도시한 도면.
도 4a는 도 4에 도시한 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴의 중앙부에 형성된 T-매칭부를 도시한 도면.
도 4b는 도 4에 도시한 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나 패턴의 좌측의 전도성 트레이스부를 개략적으로 도시한 도면.
도 5의 (a)는 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이고, 도 5의 (b)는 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면.
도 6은 안테나 개방형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나와 폐쇄형 미엔더-폴드형 다이폴 안테나의 매칭 특성을 도시한 도면.

Claims (4)

  1. 저유전율 기판과, 상기 저유전율 기판에 형성되는 안테나 패턴을 포함하는 RFID 태그용 미엔더-폴드형 다이폴 안테나에 있어서,
    상기 안테나 패턴은, 중앙부에 형성된 T-매칭부와, 상기 T-매칭부로부터 연장되고 상호 대칭으로 형성된 제1 전도성 트레이스부 및 제2 전도성 트레이스부를 포함하고,
    상기 제1 전도성 트레이스부와 제2 전도성 트레이스는 각각 사행형상의 미엔더-라인으로 형성되며,
    상기 제1 전도성 트레이스부의 미엔더-라인 중 일부는 미엔더-라인에 의해 형성된 미엔더-라인과 미엔더-라인 사이의 공간으로 폴딩되어 있으며, 상기 제2 전도성 트레이스부의 미엔더-라인 중 일부는 미엔더-라인에 의해 형성된 미엔더-라인과 미엔더-라인 사이의 공간으로 폴딩되어 있으며,
    상기 안테나 패턴의 끝부가 개방되어 있는 것을 특징으로 하는
    RFID 태그용 미엔더-폴드형 다이폴 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 T-매칭부는 적어도 일부분이 개방되어 있으며, T-매칭부와 연관된 파라미터의 조절을 통해 안테나의 임피던스를 태그 스트랩의 임피던스와 정합시킬 수 있는 것을 특징으로 하는
    RFID 태그용 미엔더-폴드형 다이폴 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저유전율 기판은 PI 또는 PET 기판 중 선택된 플렉시블 기판이고,
    상기 안테나 패턴은 은(Ag) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는
    RFID 태그용 미엔더-폴드형 다이폴 안테나.
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