KR101256867B1 - 무선인식 태그 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선인식(RFID) 태그 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 기판 및 태그칩을 포함하는 RFID 태그 안테나는, 상기 기판상에 상기 태그칩과 전기적으로 접속하도록 배치되며, 전류를 공급하기 위한 루프 형상의 급전부; 상기 기판상에 상기 급전부의 양단으로 각각 배치되며, 복수의 방사유닛이 연결된 형상으로서, 상기 방사유닛은 종단으로 갈수록 각각 선폭이 넓어지는 형상이고, 상기 급전부로부터 공급된 전류를 방사하기 위한 공진부; 및 상기 기판상에 상기 급전부와 상기 공진부 사이에 배치되며, 상기 급전부와 상기 공진부를 각각 전기적으로 연결하여 상기 급전부로부터 공급되는 전류를 상기 공진부에 전달하기 위한 연결부를 포함한다.

Description

무선인식 태그 안테나{RFID TAG ANTENNA}

본 발명은 태그 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선인식(Radio Frequency Identification; 이하, 'RFID'라 함) 시스템에서 사용되는 태그 안테나에 관한 것이다.

최근 인쇄기법으로 전자소자를 생산하는 인쇄전자 분야에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 가장 대표적인 생산품 중 하나가 RFID 태그 안테나이다. RFID 태그가 범용되기 위해서는 저가 및 대량 생산이 필수적이며, 이를 위해 기존의 에칭으로 생산되는 안테나를 인쇄 방식으로 생산하는 방법에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다.

도 1은 종래의 RFID 태그 안테나의 예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 RFID 태그 안테나는, 기판(1)과, 상기 기판(1) 상에 형성되어 안테나에 연결된 무선 주파수 신호를 제공하는 급전부(2)와, 안테나의 동작 주파수에서 공진하는 공진부(3)와, 상기 급전부(2)에 연결되는 태그칩(4)으로 구성된다.

상기 급전부(2)와 태그칩(4)은 임피던스 매칭 정도에 따라 안테나와 태그칩(4) 간 무선 주파수 신호의 반사계수의 특성을 변화시켜 RFID 태그 안테나의 성능을 결정하게 된다.

그러나, 위와 같은 종래의 RFID 태그 안테나는, 안테나 자체의 크기가 클 뿐 아니라 대역폭이 좁은 문제점이 있다.

한편, 일반적으로 안테나는 유전체에 부착되면 해당 유전체의 전기적 특성에 따라 안테나의 공진주파수가 이동하여 안테나의 성능을 저하시킨다. 종래의 RFID 태그 안테나는 고정된 피부착물의 전기적 특성을 고려하여 태그 안테나와 태그칩 간의 임피던스 특성을 만족하도록 설계된다.

그런데, RFID 태그는 실제 사용 환경에서 다양한 피부착물에 부착이 되어 사용되며, 각각의 환경에서 피부착물의 특성을 고려한 태그를 설계하는 것은 시간과 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공진부를 형성하는 서로 겹쳐진 안테나 패턴에 의해 커패시티브 결합(capacitive coupling)을 유도하여 안테나 리액턴스(reactance)의 주파수 변화를 작게 하여 광대역 임피던스 특성을 나타내는 RFID 태그 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 안테나의 종단으로 갈수록 넓어지는 형상으로 공진부를 형성하여 안테나의 전체길이를 단축시키며, 상기 공진부에 흐르는 전류의 경로를 넓혀 피부착물의 전기적 특성에 따라 안정적인 공진을 발생시키는 RFID 태그 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 기판 및 태그칩을 포함하는 무선인식(RFID) 태그 안테나는, 상기 기판상에 상기 태그칩과 전기적으로 접속하도록 배치되며, 전류를 공급하기 위한 루프 형상의 급전부; 상기 기판상에 상기 급전부의 양단으로 각각 배치되며, 복수의 방사유닛이 연결된 형상으로서, 상기 방사유닛은 종단으로 갈수록 각각 선폭이 넓어지는 형상이고, 상기 급전부로부터 공급된 전류를 방사하기 위한 공진부; 및 상기 기판상에 상기 급전부와 상기 공진부 사이에 배치되며, 상기 급전부와 상기 공진부를 각각 전기적으로 연결하여 상기 급전부로부터 공급되는 전류를 상기 공진부에 전달하기 위한 연결부를 포함한다. 이때, 상기 연결부는 적어도 하나의 미앤더라인을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 공진부의 상기 방사유닛은, 상기 연결부와 연결되는 제1방사유닛과 상기 제1방사유닛에 접속되는 적어도 하나의 제2방사유닛을 포함하며, 상기 제2방사유닛은 사다리꼴 형상인 것이 바람직하고, 상기 제1방사유닛은 삼각형, 사다리꼴, 사각형, 원형 형상 중 어느 하나의 형상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2방사유닛은 각각 돌기를 포함하여 상기 제1 및 제2방사유닛의 돌기들이 서로 용량성 결합을 유도하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 공진부를 형성하는 방사유닛이 안테나의 종단으로 갈수록 넓어지는 선폭을 갖도록 형성함으로써 안테나의 크기를 줄일 수 있으며, 공진부에 유기되는 전류의 경로를 넓게 하여 다양한 피부착물에 부착되더라도 안정된 방사특성을 가지도록 하기 위한 RFID 태그 안테나를 제공할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 공진부를 형성하는 방사유닛 사이에서 용량성 결합을 유도하여 광대역 임피던스 특성을 용이하게 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1 은 종래의 RFID 태그 안테나의 예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 RFID 태그 안테나의 일실시예 평면도,
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 안테나의 피부착물의 유전율 변화에 따른 전류분포를 각각 설명하기 위한 일예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 RFID 태그 안테나의 제2실시예 평면도,
도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 안테나와 본 발명의 안테나의 피부착물의 유전율에 따른 반사손실의 변화를 도시한 일예시도,
도 6 은 본 발명의 안테나와 종래의 안테나를 비교하여 피부착물의 변화에 따른 최대인식거리의 변화를 나타낸 일실시예 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 RFID 태그 안테나의 일실시예 평면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RFID 태그 안테나는, 그 위에 안테나 패턴을 배치하기 위한 기판(11)과, 기판(11) 위에 배치되며 방사체로서 동작주파수에서 공진하는 2개의 공진부(12)와, 기판(11) 위에 배치되며, 공진부(12)에 전류를 공급하기 위한 루프(loop) 형상의 급전부(13)와, 기판(11) 위에 배치되며 급전부(13)로부터 형성되어 급전부(13)와 각각의 공진부(12)를 각각 전기적으로 연결하기 위한 2개의 연결부(14)와, RFID 태그칩(15)을 포함하여 구성된다.

본 발명의 RFID 태그 안테나에서 기판(11)은, 유리, 세라믹, 테프론, 에폭시, FR4와 같은 단단한 물질이거나, 폴리이미드, 종이, 플라스틱과 같은 얇고 유연한 유기물질이 사용될 수 있다.

급전부(13)는 태그칩(15)에 전기적으로 접속되도록 기판(11) 위에 배치되며, 연결부(14) 및 공진부(12)에 전류를 공급하는 기능을 담당한다.

연결부(14)는 급전부(13)로부터 전달되는 전류를 공진부(12)에 공급하여, 공진부(12)가 방사체로서 공진하도록 하는 기능을 담당한다. 연결부(14)는 소정의 미앤더라인(A)을 포함할 수 있으며, 도 2에서는 미앤더라인을 하나만을 포함하는 것으로 도시하였으나, 그 수에 제한되는 것은 아니고, 필요에 따라 그 수를 결정할 수 있다. 이때, 미앤더라인(A)의 길이를 조정하는 것에 의해 안테나의 전기적 길이가 변화시켜, 안테나 임피던스의 저항성분을 결정한다. 이러한 임피던스 조절은 태그칩(15)과의 공액 정합이 쉽게 이루어질 수 있게 한다.

공진부(12)는 연결부(13)와 전기적으로 연결되는 부분의 방사유닛(12a)이 삼각형 형상이고, 그 후단의 방사유닛(12b~12e)은 각각 사다리꼴이 연결된 형상을 이루며, 본 발명의 일실시예에서는 하나의 삼각형 형상의 방사유닛(12a) 후단으로 4개의 사다리꼴 형상의 방사유닛(12b~12e)이 연결된 형상을 이루고 있으나 이 수에 한정되는 것은 아니며, 각각의 방사유닛의 세부적인 크기 역시 공진주파수 특성에 따라 결정될 수 있을 것이다. 공진부(12)의 각 방사유닛(12a~12e)의 돌기(B)는 용량성 결합(C)을 유도한다. 공진부(12)의 각 방사유닛(12a~12e)은 안테나의 종단으로 갈수록 선폭이 넓어지도록 구성함으로써, 공진부(12)에 흐르는 전류의 경로가 넓어져서 태그 하부에 다양한 물체가 부착되어도 유기되는 전류가 크게 변하지 않기 때문에 안정된 안테나 성능을 얻을 수 있다.

공진부(12), 급전부(13) 및 연결부(14)는 구리, 구리합금, 알루미늄, 전도성 잉크 등과 같은 전도성 물질로 구성되며. 에칭(etching)이나 증착 또는 인쇄방법을 통해 기판(11)위에 안테나 패턴을 형성할 수 있다. 각 세부적인 설명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이므로, 생략하기로 하겠다.

도 3a 내지 도 3c는 도 2의 안테나의 피부착물의 유전율 변화에 따른 전류분포를 각각 설명하기 위한 일예시도로써, 각각 5mm 두께의 피부착물의 유전율이 1, 3 및 5인 경우를 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RFID 태그 안테나를 동작주파수 912MHz에서 동작시켰을 때, 피부착물의 유전율이 1인 경우의 공진부(12)의 전류분포와 피부착물의 유전율이 5인 경우의 공진부(12)의 전류분포가 -1dBA/m에서 -7dBA/m로 약 6dB정도의 차이밖에 나지 않아, 피부착물의 유전율에 관계없이 안정적인 방사특성을 보임을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 RFID 안테나는, 안테나의 종단이 넓어져서 탑-로딩(top-loading)과 유사한 구조를 가짐으로써 전체 안테나의 길이를 줄일 수 있으며, 협대혁 특성을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 RFID 태그 안테나의 제2실시예 평면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 도 2에 도시되는 RFID 태그 안테나와 공진부(16)가 다른 구조이며, 그 외의 설명은 도 2에 대한 설명과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하는 것으로 한다.

도 4에서, 공진부(16)는 연결부(13)와 전기적으로 연결되는 부분의 방사유닛(16a)이 사다리꼴 형상이고, 또한 그 후단의 방사유닛(16b~16d) 역시 각각 사다리꼴이 연결된 형상을 이루며, 본 발명의 일실시예에서는 4개의 사다리꼴 형상의 방사유닛(16a~16d)이 연결된 형상을 이루고 있으나 이 수에 한정되는 것은 아니며, 각각의 유닛의 세부적인 크기 역시 공진주파수 특성에 따라 결정될 수 있을 것이다.

도 2와 마찬가지로, 공진부(16)의 각 방사유닛(16a~16d)의 돌기(B)는 용량성 결합(C)을 유도한다. 공진부(16)의 각 방사유닛(16a~16d)은 안테나의 종단으로 갈수록 선폭이 넓어지도록 구성함으로써, 공진부(16)에 흐르는 전류의 경로가 넓어져서 태그 하부에 다양한 물체가 부착되어도 유기되는 전류가 크게 변하지 않기 때문에 안정된 안테나 성능을 얻을 수 있다.

이와 같이, 도 2와 도 4의 설명에서는 연결부(13)와 연결되는 제1방사유닛으로서, 삼각형 및 사다리꼴의 예를 들어 설명하였으나, 사각형, 다각형, 원형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있으며, 본 발명의 설명에서 나열한 형상에 한정되지 않음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 다이폴 안테나와 본 발명의 안테나의 피부착물의 유전율에 따른 반사손실의 변화를 도시한 일예시도로써, 피부착물의 두께는 10cm로 고정하고 유전율은 1.0에서 5.0까지 1.0 단위로 증가시켜 그 변화를 설명한 일예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 다이폴 안테나의 경우, 태그의 동작 주파수 912MHz에서 피부착물의 유전율에 따라 최대 -20dB에서 최소 -1.5dB로 반사손실의 변화가 큰 반면, 본 발명의 안테나의 경우, 태그의 동작 주파수 912MHz에서 반사손실은 유전율이 변하여도 -10dB 내외로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 안테나와 종래의 안테나를 비교하여 피부착물의 변화에 따른 최대인식거리의 변화를 나타낸 일실시예 그래프로써, 여기서 리더기의 출력은 30dBm, 리더기의 방사 이득은 10.3dBi로 설정하였으며, 피부착물질로는 스티로폼, 박스, 아크릴, MDF, 유리를 사용하였다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 다이폴 안테나의 경우, 유리와 같은 고유전율로 갈수록 인식거리가 급격히 줄어드는 반면, 본 발명의 안테나의 경우, 모든 피부착면에 따라 최대 7m에서 4m의 인식거리를 가지는 것을 볼 수 있다. 특히, 유리와 같은 고유전물질에 대해서도 4m이상의 안정적인 인식거리 특성을 보임을 알 수 있다.

11: 기판 12, 16: 공진부
12a~12e, 16a~16d: 방사유닛 13: 급전부
14: 연결부 15: 태그칩

Claims (5)

1. 기판 및 태그칩을 포함하는 무선인식(RFID) 태그 안테나에 있어서,
   상기 기판상에 상기 태그칩과 전기적으로 접속하도록 배치되며, 전류를 공급하기 위한 루프 형상의 급전부;
   상기 기판상에 상기 급전부의 양단으로 각각 배치되며, 복수의 방사유닛이 연결된 형상으로서, 상기 방사유닛은 종단으로 갈수록 각각 선폭이 넓어지는 형상이고, 상기 급전부로부터 공급된 전류를 방사하기 위한 공진부; 및
   상기 기판상에 상기 급전부와 상기 공진부 사이에 배치되고, 적어도 하나의 미앤더라인을 포함하며, 상기 급전부와 상기 공진부를 각각 전기적으로 연결하여 상기 급전부로부터 공급되는 전류를 상기 공진부에 전달하기 위한 연결부; 를 포함하되,
   상기 공진부, 급전부 및 연결부는 인쇄하는 방식을 통해 상기 기판 위에 안테나 패턴을 형성하고,
   상기 기판은 폴리이미드, 종이 및 플라스틱과 같은 얇고 유연한 유기물질로 형성되며,
   상기 방사유닛은, 연결부와 연결되며 삼각형, 사다리꼴, 사각형 또는 원형의 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 제1방사유닛과, 상기 제1방사유닛에 접속되며 사다리꼴 형상으로 형성되는 적어도 하나의 제2방사유닛을 포함하고,
   상기 제1방사유닛 및 제2방사유닛은 각각 돌기를 포함하여 상기 돌기들이 서로 용량성 결합을 유도하는 것을 특징으로 하는 RFID 태그 안테나.
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