KR101989830B1 - 장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나 - Google Patents

장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나 Download PDF

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Abstract

장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나는, 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되되, 상기 안테나 전극이 자동차 범퍼방향으로 배치되는 인쇄회로기판; 및 상기 인쇄회로기판의 하부면과 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면 사이에 부착되는 유전체층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나{Long-range Ultra High Frequency RFID tag antenna}
본 발명은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나에 관한 것이다.
UHF대(860∼960 MHz)의 무선 신호를 이용하여 리더 라이터로부터 1W 정도의 신호를 송신하고, 태그(꼬리표)측에서 그 신호를 수신했을 때에 리더 라이터측으로 응답 신호를 돌려보냄으로써, 태그 안의 정보를 리더 라이터로 판독한다고 하는 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템이 알려져 있다.
그 통신 거리는 태그측 안테나의 이득, 태그 안의 IC(집적 회로) 칩의 동작 전압이나 주위 환경에 따라서도 달라지지만, 일반적으로 3m 정도이다.
RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 RF 무선 통신을 이용하여 사물을 인식하는 기술이며, 현재 재고관리, 자재 유통, 가축 관리, 안심먹거리 등 다양한 분야에서 적용 되고 있다.
RFID(Radio Frequency Identification)는 크게 리더 시스템과 태그로 구성된다. 리더시스템에는 호스트 컴퓨터, 리더 그리고 리더 안테나가 있다. RFID 태그는 RF칩과 태그 안테나로 구성되어 있다. 자체 전원이 없는 수동형 태그는 리더에서 전송된 신호를 이용하여 RF 칩이 동작되고, 리더에게 태그의 정보를 전송한다.
리더 시스템의 방사 출력은 ISO (International Standard Organization)-18000-6에 의해 36dBm으로 제한되어 있으므로 일반 다이폴 구조의 태그 인식거리는 한계가 있다. 일반적인 상용 태그의 인식거리는 약 5∼6m이다. 따라서 수동형 태그를 장거리(10m이상)에서 인식 가능하도록 설계하려면 안테나의 구조가 고이득 안테나 구조이거나 이득을 높이는 구조로 설계되어야 한다.
고이득 안테나 구조는 혼 안테나, 야기 우다 안테나, 패치 안테나 등이 있고, 이득을 높이는 구조는 Cavity model, Meta-material, 배열 구조 등이 있다. 야기- 우다 안테나를 태그 안테나에 접목시킬 경우 인식거리는 8m 정도이다.
UHF 대역(840∼960 MHz) RFID 는 원거리(far field)에서 전자기파(electromagnetic wave)를 이용하여 역산란 (back scattering) 방법으로 정보를 전달한다. 일반 라벨 태그는 주변 환경에 의한 전자파 간섭을 받거나 태그 칩과 태그 안테나의 임피던스가 부정합 되면 동작하지 않는다. 그러므로 일반 라벨 태그를 금속에 부착하게 되면 태그 안테나의 임피던스가 변하고 칩 임피던스와 부정합 되어 태그는 정상적으로 동작하지 않는다.
즉, 일반 라벨 태그를 금속에 부착하면, 태그 안테나와 금속면 사이에 기생 커패시턴스가 발생한다. 기생 커패시턴스의 영향으로 태그 안테나의 임피던스가 변하고 칩 임피던스와 부정합 되어 태그는 정상적으로 동작하지 않는다. 따라서 금속 태그는 일반 라벨 태그 구조와 다른 특수한 구조로 설계 되어야 한다.
참고적으로, 각 주파수 대역에 대한 RFID 무선 인터페이스와 관련된 국제 표준을 결정하는 ISO (International Organization for Standard) 및 IEC (International Electro-technical Commission)는 다음과 같이 규정한다.
135kHz 이하의 대역은 ISO 18000-2에 의해 정의되며, 13.56MHz는 HF 대역 용 ISO 18000-3, 433MHz 대역 용 ISO 18000-7, 840-960MHz UHF 대역 용 ISO 18000-6, 밴드는 ISO 18000-4에 의해 지정된다.
한국에서는 2009 년 변경된 규정에 따라 UHF 대역이 920 ~ 920.8 MHz 대역에서 4 W, 920.8 ~ 923.5 MHz 대역에서 200 mW EIRP (유효 등방성 복사 전력)로 사용된다. HF (고주파) 대역은 자기장의 결합을 사용하고 UHF 대역 (840 ~ 960 MHz)은 원거리 전자기파를 사용하고 후방 산란 방법 정보는 다양한 용도로 전달되고 사용된다.
종래기술인 참고논문(Y.-K. Park, Y. Kim, K. Lee, Y. C. Chung,"Various UHF RFID tag for metallic object,"IEEE International Symposium on Antenna and Propagation, pp.2258-2288, June 2007.)에서는 PCB에 via, meander line, patch의 조합으로 제작된 다양한 소형 금속 태그를 소개했다. 상용 금속 태그의 인식거리는 3∼5 m으로 노트북, 캐비닛관리 등 근거리 인식이 가능한 응용 분야에서 사용되고 있다.
특히, RFID 기반의 번호판은 차량 식별용으로 많은 주목을 받아 왔다. RFID 시스템의 자동 관리는 인간이 수동으로 관리하는 것보다 시간과 비용면에서 효율적이다. 자동차 어플리케이션을위한 RFID 시스템에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 장거리 판독 거리 및 식별율 향상을 위해 차량에 부착 될 RFID 태그 위치에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나 RFID 태그 안테나의 성능은 차체, 범퍼 및 창유리의 도체와 같은 차량의 물체에 따라 영향을 받아 임피던스가 변한다. 임피던스 변화는 판독 범위 및 식별 비와 같은 태그 안테나 성능에 영향을 미친다. 그러므로 태그 안테나 설계는 태그 안테나가 설치되는 주변 환경과 부착 될 자동차 구조를 절대적으로 고려할 필요가 있다.
자동차 번호판 및 자동차 번호판 홀더는 금속재질로 형성되어 있는데 종래에는 자동차 번호판을 고정시키기 위한 볼트와 너트에 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나를 삽입하고, 자동차 번호를 식별하는 방식을 이용하였다.
즉, 볼트와 너트를 비금속재질로 형성하고, 그 볼트와 너트의 내부에 안테나를 형성하는 방식을 사용하였다. 하지만 이와 같은 종래의 방식은 볼트 및 너트를 쉽게 제거할 수 있어서, 위조에 취약한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 금속재질의 자동차 번호판 또는 자동차 번호판 홀더에 부착되면서도, 인식률을 향상시킬 수 있는 장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되되, 상기 안테나 전극이 자동차 범퍼방향으로 배치되는 인쇄회로기판; 및 상기 인쇄회로기판의 하부면과 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면 사이에 부착되는 유전체층;을 포함하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나가 제공된다.
또한, 상기 유전체층의 하부면을 감싸고, 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면에 부착되는 금속 박막층;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안테나 전극은, 상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 포트라인(21); 상기 좌측 포트라인(21)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 좌측 안테나라인(23); 상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25); 상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27); 상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 포트라인(31); 상기 우측 포트라인(31)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 우측 안테나라인(33); 상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및 상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안테나 전극은, 상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20); 상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22); 중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23); 상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25); 상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27); 상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30); 상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32); 중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33); 상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및 상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 하부면에 부착되는 유전체층; 및 상기 유전체층의 하부면 및 측면과, 상기 인쇄회로기판의 측면을 동시에 감싸면서 캐비티(cavity) 구조를 형성하는 금속 박막층;을 포함하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나가 제공된다.
또한, 상기 안테나 전극은, 상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 포트라인(21); 상기 좌측 포트라인(21)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 좌측 안테나라인(23); 상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25); 상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27); 상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 포트라인(31); 상기 우측 포트라인(31)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 우측 안테나라인(33); 상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및 상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 하부면에 부착되는 유전체층; 및 상기 유전체층의 하부면을 감싸면서 캐비티(cavity) 구조를 형성하는 금속 박막층; 을 포함하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나가 제공된다.
또한, 상기 안테나 전극은, 상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20); 상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22); 중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23); 상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25); 상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27); 상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30); 상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32); 중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33); 상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및 상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 하부면에 부착되는 유전체층; 상기 유전체층의 하부면 및 측면과, 상기 인쇄회로기판의 측면을 동시에 감싸면서 캐비티(cavity) 구조를 형성하는 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층의 상부면으로부터 연장되면서 상기 인쇄회로기판의 외곽을 소정의 각도로 둘러싸도록 형성되는 나팔관 형태의 금속층;을 포함하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나가 제공된다.
또한, 상기 안테나 전극은, 상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20); 상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22); 중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23); 상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25); 상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27); 상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30); 상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32); 중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33); 상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및 상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 하부면에 부착되는 유전체층; 상기 유전체층의 하부면 및 측면과, 상기 인쇄회로기판의 측면을 동시에 감싸면서 캐비티(cavity) 구조를 형성하는 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층의 상부면과 일정 이격공간을 두고 상기 인쇄회로기판의 외곽을 소정의 각도로 둘러싸도록 형성되는 나팔관 형태의 금속층;을 포함하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나가 제공된다.
또한, 상기 안테나 전극은, 상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20); 상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22); 중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23); 상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25); 상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27); 상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30); 상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32); 중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33); 상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및 상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나는, 금속재질의 자동차 번호판 또는 자동차 번호판 홀더에 부착되면서도, 인식률이 높아 장거리에서 인식이 가능하다.
도 1은 자동차 번호판(a)과, 자동차 번호판 홀더(b)를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차 번호판 홀더 및 범퍼 구조를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 구성도
도 3a는 본 발명의 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 안테나 전극의 파라메터(mm단위)
도 4 내지 도 6은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면
도 7은 안테나(1)의 반사계수를 나타낸 도면이고, 도 8은 안테나의 표면 전류 분포도
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2)의 구성도
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(3)의 구성도
도 11은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)의 이득패턴을 나타낸 도면
도 12는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)의 반사계수를 나타낸 도면
도 13은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)의 방사패턴(radiation pattern)을 나타낸 도면
도 14 및 도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 구성도
도 16은 제4 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 이득패턴을 나타낸 도면
도 17은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 3d 방사패턴(radiation pattern)을 나타낸 도면
도 18은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 전계 및 자계의 방사패턴을 나타낸 도면
도 19는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 반사계수를 나타낸 도면
도 20은 본 발명의 제5 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(5)의 구성도
도 21은 알에프아이디 태그 안테나(5)의 이득패턴을 나타낸 도면
도 22는 본 발명의 제6 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(6)의 구성도
도 23은 알에프아이디 태그 안테나(6)의 이득패턴을 나타낸 도면
도 24는 알에프아이디 태그 안테나(6)의 반사계수를 나타낸 도면
도 25는 본 발명의 제7 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(7)의 구성도
도 26은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(7)의 이득패턴을 나타낸 도면
도 27은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(7)의 방사패턴을 나타낸 도면
도 28 내지 도 30은 본 발명의 제8 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(8)의 구성도
도 32 내지 도 34는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(8)의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에서 제안하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나와, RFID 시스템은 자동차 번호판의 식별에 적용된다. 즉, 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나가 구비되어 있는 자동차 번호판(자동차 번호판 홀더)을 제안한다.
즉, 본 발명은 현 사용하는 자동차 번호판과 번호판 홀더(지지대)에 다양하게 추가하는 형태의 태그로서 현 번호판과, 홀더를 유지하면서 다양한 모양, 다양한 태그의 형태로 구성하는 태그들을 제안한다.
자동차 번호판 후면에 설치를 함으로서 태그가 전면에서는 읽히지 않지만 태그를 번호판 뒤쪽에 가장자리에 설치를 함으로서 가장자리 장에 의해서 백로브(Back-lobe) 형성이 된다. 이 원리를 이용해서 제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)를 구성하였으며, 이는 약10m 에서 인식이 가능하다.
도 1은 자동차 번호판(a)과, 자동차 번호판 홀더(b)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 자동차 번호판은 도체(일반적으로 구리로 만들어 짐)로 형성되며 안테나로써 작동하기 때문에 안테나 이득이 증가 할 수 있다. 따라서 판독 거리 범위는 종래의 상업용 태그 안테나보다 더 길어질 수 있다.
또한, 도로면에 설치된 판독기 또는 차량이 통과 할 때의 툴 게이트에 의해 차량 번호판 태그 안테나가 용이하게 검출 될 수 있도록 방사 빔 패턴을 제어함으로써 식별율을 향상시키는 이점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차 번호판 홀더 및 범퍼 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 번호판과, 번호판 홀더, 볼트, 너트는 구리 금속판으로 구성된다.
자동차 범퍼(Back side)는 유전 상수가 εr = 3.5이고 손실 탄젠트 = 0.015 인 플라스틱으로 만들어진다. 자동차 번호판은 520 mm x 10 mm x 1 mm 등과 같은 한국 표준규격 들을 사용하였다.
일반 UHF 태그 안테나를 금속에 직접 부착하면 태그 안테나의 임피던스가 바뀌므로 판독 거리가 급격히 감소한다. 따라서 본 발명에서 안테나는 차량의 금속 부분인 자동차 번호판 홀더의 뒷면에 유전체를 사이에 두고 부착하도록 설계되었다. 즉, 안테나가 자동차 범퍼 방향으로 배치되도록 설계된다.
제안된 안테나는 CST 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션 되었다. 시뮬레이션 결과, UHF RFID 응용을 위한 920 MHz 대역의 중심 주파수에서 사용 가능한 성능을 제공 할 것으로 기대된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 구성도이고, 도 3a는 본 발명의 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 안테나 전극의 파라메터(mm단위)이다.
도 4 내지 도 6은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)는 안테나 전극이 형성된 인쇄회로기판과, 인쇄회로기판 후면에 부착되는 유전체층을 포함하여 구성된다. 도 3에서 전면(FRONT SIDE)은 자동차 번호판 홀더의 전면을 지칭하는 것이며 후면(BACK SIDE)은 자동차 번호판 홀더의 후면을 지칭하는 것이다.
즉, 인쇄회로기판에는 유에이치에프 칩(10) 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되되, 안테나 전극이 자동차 범퍼방향으로 배치되어 있다.
유전체층은 인쇄회로기판의 하부면(후면)과 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면 사이에 부착된다. 유전체층은 공기와 비슷한 유전율을 가지는 소재, 스티로폼 등으로 구성될 수 있다.
참고적으로, 유전체층의 하부면(후면)을 감싸고, 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면에 부착되는 금속 박막층이 추가적으로 형성되어 안테나를 형성할 수도 있다.
제안된 태그 안테나는 920MHz에서 작동하도록 설계되었으며, 결과 최적화 값은 plate_w = 525mm, tmat_h = 25mm, ant_h = 10mm, tmat_w = 257.5mm, plate_h = 116mm, mat_w = 235mm, mat_h = 15mm, loop_w = 5mm, mloop_w = 10mm이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, RFID 리더기가 도로 측면을 따라 배치되기 때문에, 좌우 방향으로 강한 신호가 방사되는 것을 볼 수 있다. 이는 안테나의 매개 변수 값을 제어하여 다양한 시뮬레이션 결과가 도출될 수 있다.
방사 패턴은 지능형 교통 시스템 (ITS)과 같은 차량 관리에 RFID 판독기를 배치해야 한다는 요구사항을 충족한다. 예를 들어, RFID 리더기가 길가의 가로등 기둥에 놓일 수 있다면, 태그 안테나에서 나오는 빔은 자동차 번호판과 RFID 리더기가 서로 잘 통신 할 수 있게 한다.
참고적으로 번호판에 장착되는 볼트와 너트와 차량의 몸체가 안테나의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 이 모든 조건을 고려하여 안테나가 설계된다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템의 예시도이다.
도 6a를 참조하면, 가로세로 편파에 의한 리더기 안테나가 태그 안테나(1)의 편파에 맞도록 설치되어야 하며, 리더기의 설치 위치에 따른 (운전수 또는 조수석) 태그의 안테나 패턴도 다르게 바꾸어야 인식이 잘 될 수 있다.
리더기 안테나가 고이득이면 인식거리가 늘어난다. CP 나선형 helical안테나의 경우 태그의 설치 각도에 따라서 인식이 잘 안되는 문제를 해결 할 수 있는데, 송신Tx 안테나가 RHCP (Righr-Handed CP) 이면 수신RX 안테나는 LHCP 이어야 한다.
RHCP와 LHCP의 두 안테나가 근처에 설치가 되면, 상호 간섭을 차단 또는 줄이는 격리기가 요구된다.
즉, 리더기 안테나를 원형편파 (Circular polarization)로 Tx와 Rx로 RHCP, LHCP 로 설치하여 리더기 안테나에서 방사된 전파가 태그에서 반사 역산란되어 반사되는 방향이 RH에서 LH로 또는 LH에서 RH로 되므로, 리더기의 CP 안테나의 Tx와 RX 의 원형편파 안테나의 CP 방향을 다르게 한다. 즉, Tx와 Rx를 분리하는 격리체가 배치되는 것이 바람직하다.
도 7은 안테나(1)의 반사계수를 나타낸 도면이고, 도 8은 안테나의 표면 전류 분포도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제안된 태그 안테나(1)는 920MHz에서 23.5dB의 반사 계수를 보였다. 또한, 920MHz에서 태그 안테나(1)의 표면 전류 분포를 확인한 결과, 전류는 전체 패치 안테나에서 고르게 흐르고 있다. RFID 태그는 910MHz 주파수에서 약 20dB를 가지며 임피던스는 T- 매칭으로 50Ω이다.
이하, 상기와 같이 구성되는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)의 세부구성을 상세히 살펴보기로 한다.
인쇄회로기판에는 유에이치에프 칩(10) 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되어 있다.
본 실시예에서 인쇄회로기판은 FR-4가 사용되었으나, 가요성 필름에 도전성 잉크에 의한 안테나 전극이 형성되는 구조로 제조될 수도 있을 것이다.
유전체층은 인쇄회로기판의 하부면(후면)에 부착된다.
본 실시예에서 유전체층은 공기와 유전율이 유사한 스티로폼(ε=1.01)을 사용하였으나, 공기자체를 유전체층으로 활용할 수도 있고, 공기와 유전율이 유사한 다양한 물질이 사용될 수 있을 것이다.
금속 박막층은 선택적으로 구비될 수 있는데, 금속 박막층은 유전체층의 하부면을 감싸도록 형성된다.
본 실시예에서 금속 박막층은 구리재질의 금속이 사용되었으나, 실시예에 따라 은, 알루미늄, 금, 백금 및 니켈 중의 단일물질 또는 어느 하나 이상을 배합한 합금물질이 사용될 수도 있을 것이다. 특히 금속 박막층은 자동차 번호판 홀더의 재질과 동일한 재질이 사용되는 것이 가장 바람직하다. 참고적으로, 금속 박막층이 배치되지 않더라도 자동차 번호판 홀더가 금속 박막층과 동일한 역할을 수행한다.
도 3을 참조하여 인쇄회로기판에 형성된 안테나 전극을 자세히 살펴보면, 안테나 전극은,
유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20)과,
좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22)과,
중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23)과,
좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25)과,
좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27)과,
유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30)과,
우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32)과,
중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33)과,
우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35)과,
우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 우측라인과 좌측라인은 유에이치에프 칩(10)을 사이에 두고 서로 대칭되는 형태 - 길이 및 너비가 서로 동일하게 대칭됨 - 로 형성되며, 그 구체적인 값들은 plate_w = 525mm, tmat_h = 25mm, ant_h = 10mm, tmat_w = 257.5mm, plate_h = 116mm, mat_w = 235mm, mat_h = 15mm, loop_w = 5mm, mloop_w = 10mm, 유체층 두께(cav) = 10mm 이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2)의 구성도이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(3)의 구성도이고, 도 11은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)의 이득패턴을 나타낸 도면이고, 도 12는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)의 반사계수를 나타낸 도면이다. 도 13은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)의 방사패턴(radiation pattern)을 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 13을 참조하면, 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(2,3)는, 제1 실시예의 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)와 동일하게 자동차 번호판 홀더의 후면에 배치되되, 자동차 번호판 홀더의 좌측 또는 우측에 각각 치우쳐서 안테나 전극이 형성되도록 배치된다.
각각의 안테나 전극은 제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)와 동일하게,
상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20);
상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22);
중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23);
상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25);
상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27);
상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30);
상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32);
중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33);
상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및
상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하여 구성되되,
제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)에 비해 시계방향 또는 반시계 방향으로 각각 90도씩 회전되어 배치된다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 구성도이고, 도 16은 제4 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 이득패턴을 나타낸 도면이고, 도 17은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 3d 방사패턴(radiation pattern)을 나타낸 도면이고, 도 18은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 전계 및 자계의 방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 19는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)의 반사계수를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 19를 참조하면, 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)는, 제1 실시예에 다른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)와 유사하게 자동차 번호판 홀더의 후면에 배치된다. 다만, 자동차 번호판 홀더의 후면과 겹치지 않고, 금속 재질의 자동차 번호판 홀더와 일정거리 이격되어 배치된다.
즉, 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(4)는, 자동차 번호판 홀더의 좌측 또는 우측에 각각 치우쳐서 안테나 전극이 형성되도록 배치된다. 도면에는 자동차 번호판 홀더의 좌측에 배치되는 예가 도시되어 있으나, 우측에 배치될 수도 있다.
이때, 각각의 안테나 전극은 제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)와 동일하게,
상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20);
상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22);
중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23);
상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25);
상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27);
상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30);
상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32);
중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33);
상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및
상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하여 구성되되, 제1 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(1)에 비해 시계방향 또는 반시계 방향으로 각각 90도씩 회전되어 배치된다.
도 20은 본 발명의 제5 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(5)의 구성도이고, 도 21은 알에프아이디 태그 안테나(5)의 이득패턴을 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 제6 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(6)의 구성도이고, 도 23은 알에프아이디 태그 안테나(6)의 이득패턴을 나타낸 도면이고, 도 24는 알에프아이디 태그 안테나(6)의 반사계수를 나타낸 도면이다.
도 20 내지 도 24를 참조하면, 태그 안테나(5)는 자동차 번호판 홀더의 측면 치우쳐서 캐비티 구조로 형성되고, 태그 안테나(6)는 자동차 번호판 홀더의 윗면 치우쳐서 캐비티 구조로 형성된다.
도 25는 본 발명의 제7 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(7)의 구성도이고, 도 26은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(7)의 이득패턴을 나타낸 도면이고, 도 27은 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(7)의 방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 25 내지 도 27을 참조하면, 태그 안테나(7)는 자동차 번호판 홀더의 측면(좌/우) 치우쳐서 캐비티 구조로 형성될 수 있다.
도 28 내지 도 30은 본 발명의 제8 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(8)의 구성도이고, 도 32 내지 도 34는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나(8)의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 28 내지 도 30을 참조하면, 인쇄회로기판에는 유에이치에프 칩(10) 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되되, 안테나 전극이 자동차의 주행방향으로 배치되어 있다.
유전체층은 인쇄회로기판의 하부면과 자동차 범퍼 사이에 부착된다. 유전체층은 공기와 비슷한 유전율을 가지는 소재, 스티로폼 등으로 구성될 수 있다.
참고적으로, 유전체층의 하부면을 감싸면서 캐비티(cavity) 구조를 형성하는 금속 박막층이 추가적으로 형성되어 안테나를 형성할 수도 있다. 또한, 안테나 전극은 금속재질의 자동차 번호판 홀더와는 일정거리(gap, g) 이격되어 배치된다.
본 실시예에서 금속 박막층은 구리재질의 금속이 사용되었으나, 실시예에 따라 은, 알루미늄, 금, 백금 및 니켈 중의 단일물질 또는 어느 하나 이상을 배합한 합금물질이 사용될 수도 있을 것이다. 특히 금속 박막층은 자동차 번호판 홀더의 재질과 동일한 재질이 사용되는 것이 가장 바람직하다.
인쇄회로기판에 형성된 안테나 전극을 자세히 살펴보면, 안테나 전극은,
유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 포트라인(21)과,
좌측 포트라인(21)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 좌측 안테나라인(23)과,
좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25)과,
좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27)과,
유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 포트라인(31)과,
우측 포트라인(31)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 우측 안테나라인(33)과,
우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35)과,
우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 우측라인과 좌측라인은 유에이치에프 칩(10)을 사이에 두고 서로 대칭되는 형태 - 길이 및 너비가 서로 동일하게 대칭됨 - 로 형성되며, 안테나 전극의 구체적인 값들은
pcb_w = 140mm, pcb_h = 60mm, tmat_h = 41mm, ant_h = 7.5mm, ant_w = 65mm, tmat_w = 130mm, loop_w = 5mm, loop_h = 32mm, gap = 40mm, thick = 5 mm 이다.
유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나는,
캐비티(cavity) 구조를 가진 안테나로 안쪽을 공기와 유전율이 유사한 유전체층 - 스티로폼(ε=1.01) - 을 삽입하고, 겉의 옆과 뒤의 부분을 금속 박막층으로 에워싸는 캐비티(cavity) 구조를 형성한다.
설계된 안테나는 CST사의 프로그램으로 시뮬레이션 하여 안테나의 임피던스가 RFID Higgs3 칩의 임피던스에 공액정합이 되도록 설계하였다.
본 발명의 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나는,
캐비티(cavity) 구조로 형성되며, 비금속 물질 또는 금속 물질에 부착되더라도 높은 이득을 가질 수 있어 장거리에서도 인식이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나는, 금속재질의 자동차 번호판 또는 자동차 번호판 홀더에 부착되면서도, 인식률이 높아 장거리에서 인식이 가능하다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 유에이치에프 칩
20 : 좌측 매트라인
21 : 좌측 포트라인
22 : 좌측 엠루프라인
23 : 좌측 안테나라인
25 : 좌측 루프라인
27 : 좌측 티매트라인
30 : 우측 매트라인
31 : 우측 포트라인
32 : 우측 엠루프라인
33 : 우측 안테나라인
35 : 우측 루프라인
37 : 우측 티매트라인

Claims (4)

  1. 유에이치에프 칩 및 유에이치에프 대역의 무선신호를 수신하는 안테나 전극이 형성되되, 상기 안테나 전극이 플라스틱 재질의 자동차 범퍼방향으로 배치되는 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판의 하부면과 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면 사이에 부착되는 유전체층; 및
    상기 유전체층의 하부면을 감싸고, 금속재질의 자동차 번호판 홀더의 후면에 부착되되, 상기 자동차 번호판 홀더와 동일한 금속재질로 형성되는 금속 박막층;을 포함하고,
    상기 안테나 전극은 상기 자동차 범퍼를 기준으로 좌우 방향으로 주신호를 방사하는 것을 특징으로 하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 전극은,
    상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 포트라인(21);
    상기 좌측 포트라인(21)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 좌측 안테나라인(23);
    상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25);
    상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27);
    상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 포트라인(31);
    상기 우측 포트라인(31)에 연결되며 좌측방향으로 연장되는 우측 안테나라인(33);
    상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및
    상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 전극은,
    상기 유에이치에프 칩(10)의 좌측에 접속되는 좌측 매트라인(20);
    상기 좌측 매트라인(20)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 좌측 엠루프라인(22);
    중심영역에서 좌측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 좌측 엠루프라인(22)이 접속되는 좌측 안테나라인(23);
    상기 좌측 안테나라인(23)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 좌측 루프라인(25);
    상기 좌측 루프라인(25)에 연결되며 우측방향으로 연장되는 좌측 티매트라인(27);
    상기 유에이치에프 칩(10)의 우측에 접속되는 우측 매트라인(30);
    상기 우측 매트라인(30)에 연결되며 상부방향으로 연장되는 우측 엠루프라인(32);
    중심영역에서 우측방향으로 연장되며 하부 일측에 상기 우측 엠루프라인(32)이 접속되는 우측 안테나라인(33);
    상기 우측 안테나라인(33)에 연결되며 하부방향으로 연장되는 우측 루프라인(35); 및
    상기 우측 루프라인(35)에 연결되며 좌측방향으로 연장되면서 상기 좌측 티매트라인(27)과 접속되는 우측 티매트라인(37);을 포함하는 것을 특징으로 하는 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나.
KR1020170112604A 2017-09-04 2017-09-04 장거리에서 인식이 가능한 자동차 번호판용 유에이치에프 알에프아이디 태그 안테나 KR101989830B1 (ko)

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