KR102148027B1 - 칩리스 rfid 유전율 센서 시스템 - Google Patents

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이종철
왕양
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

칩리스 RFID 유전율 센서 시스템이 개시된다. RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템(RFID permittivity sensor system)은 제작되고 테스트되었다. 칩리스 태그(chipless tag)는 태그 안테나와 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line)의 지연 라인 및 반사기(reflector)를 구비하는 지연 라인 센서(delay line sensor)로 구성된다. RFID 유전율 센서는 펄스 발생기, 한쌍의 송수신 안테나 및 오실로스코프를 사용하여 실험하였다. RFID 유전율 센서의 펄스 발생기는 주기적으로 1 nanosecond 미만의 짧은 펄스를 생성한다. 칩리스 태그 상의 단락 지연 라인(short-ended delay line)은 지연 라인 센서 역할을 한다. 무부하 테스트(unloaded test) 및 공기 중 테스트(air test)를 통해 펄스가 통과하는 지연 시간은 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하였다. 물의 유전율(water permittivity, 80)을 감지하기 위해 추가 테스트하여 검증하였다. 측정 및 계산된 물의 상대 유전율은 시스템을 사용하여 78.054이었다. 측정 오차(80-78.954 = 1.046)를 고려할 때, 물의 비유전율(relative permittivity of water)의 실험된 결과는 실제 값과 거의 일치하였다.

Description

칩리스 RFID 유전율 센서 시스템{Chipless RFID Permittivity Sensor System}
본 발명은 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템(Chipless RFID Permittivity Sensor System)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하며, 별도로 RFID 태그 칩을 사용하지 않는 칩리스 태그는 태그 안테나와 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line)과 반사기(reflector)를 구비하는 칩리스 태그를 제작하였으며, 무부하 테스트(unloaded test), 공기 중 테스트(air test), 물 테스트(water test)를 통해 RFID 유전율 센서로부터 전송된 펄스가 칩리스 태그의 지연 라인을 통과하는 지연 시간(td)을 측정하여 시험 대상(MUT, 공기, 물, 액체, 화학 용액)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하기 위한, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템에 관한 것이다.
RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템은 제품에 부착된 고유의 정보를 포함하는 RFID 태그(tag); 13.56 MHz 또는 900 MHz 또는 2.4 GHz RFID 주파수 대역의 무선 통신 기술을 사용하여 제품에 부착된 태그 정보를 읽어들이는 RFID 리더(RFID reader); 상기 RFID 리더로 인식된 정보를 RFID 미들웨어를 통해 호스트 컴퓨터의 애플케이션으로 전송하는 시스템을 구비한다.
RFID 주파수는 135 kHz, 1356 MHz, 433 MHz, 860~960 MHz, 2.45 GHz 대역을 사용한다. 저주파 1356 MHz RFID 시스템은 제품에 부착된 태그 인식에 사용 하는데 인식거리가 수 cm에 불과하며, 900 MHz UHF RFID 시스템의 인식거리는 30~100m 원거리까지 인식이 가능하며 유통 및 물류, 항만의 컨테이너에 사용되며, 능동형 태그를 사용하는 2.4 GHz RFID 시스템은 무선인식영역이 상대적으로 원거리에 사용된다.
RFID 시스템은 주파수 관점에서, 저주파 시스템과 고주파 시스템이 있으며,
저주파 시스템은 30 ~ 500 Khz대의 저주파를 사용하기 때문에 짧은 판독거리와 시스템 제작 비용이 낮으며, 출입보안, 재고관리 등에 사용되고,
고주파 시스템은 850~950 Mhz 또는 2.4 ~ 2.5Ghz 고주파를 사용하며, 고주파를 사용하여 판독거리가 30m 이상의 고주파를 사용하기 때문에 시스템 비용이 고가이며, 이는 고속으로 읽기가 가능하기 때문에 철도의 차량 추적이나 컨테이너 추적, 자동 통행료 징수 시스템 등에 사용된다.
RFID 태그(tag)는 고유의 제품 정보를 포함하는 태그 칩과 안테나로 구성되며, 전원 공급 방식에 따라 능동형 태그(active tag)와 수동형 태그(passive tag)로 분류된다.
센서는 대상의 특성을 측정하는데 사용되는 장치이다. 유전율(permittivity) 감지는 다양한 유형의 감지 기술에서 중요한 도구 중 하나이다. 유전율 측정은 생체 의학, 농업, 건축, 자동차 등 많은 분야에서 평가되고 있다[1]-[4].
유전율을 테스트하는 방법(methods to test the permittivity)은 여러 가지가 있다. 즉, 전송라인 방법(transmission line method), 공진 기술(resonant technique), 개방형 동축 탐침 방법(open-ended co-axial probe method), TDR(reflectometry) 방법, 자유 공간 방법(free space method) 등이 있다[5]. 예를 들면, 구조 안전 모니터링 및 엔진 모니터링과 같은 많은 조건에서 측정 장치는 휴대 가능하고 실시간으로 정보를 수집해야 한다. 프로브(probe)를 테스트하는 것과 같이, 실험 장비는 일반적으로 너무 부피가 크며 너무 비싸서 재료를 모니터링하기 위해 구현할 수 없다. 반사파의 스펙트럼에서 유전율 정보(permittivity information in the spectrum of the reflected wave)를 가지고 있는 주파수 스펙트럼에 기반 RFID(Radio Frequency Identification) 기법을 이용한 무선 테스팅에 대한 많은 연구가 시도되었다[6]-[8]. 센서 범위는 제한적이며 용도에 따라 특별히 고안되어야 한다. 원격 모니터링 기술로써, 특정 환경에서 목표 물질이 도달하기 어려운 경우에 특히 유용하다.
그러나, 기존 센서는 물, 공기, 액체, 오일, 화학 용액 등의 측정 대상(material under test, MUT)의 유전율을 측정하기 위해 RFID 기반 유전율 센서를 제공하지 않았다.
[1] O. Sipahioglu and S. A. Barringer, "properties of vegetables and fruits as a function of temperature, ash, and moisture content," J. Food Sci., vol. 68, no. 1, pp. 234-239, 2003. [2] W. J. Fleming, “automotive sensors - A review,”IEEE Sensors J., vol. 8, no. 11, pp. 1900-1921, Nov. 2008. [3] G. de Graaf, G. Lacerenza, R. Wolffenbuttel, and J. Visser, “spectroscopy for measuring the composition of gasoline/water/ethanol mixtures,”in Proc. IEEE Int. Instrum. Meas. Technol. Conf. (IMTC), May 2015, pp. 154-158. [4] E. Topsakal, T. Karacolak, and E. C. Moreland, “dielectric properties of blood plasma,”in Proc. 30th Gen. Assembly Sci. Symp. (URSI), Aug. 2011, pp. 1-4. [5] M. S. Venkatesh, and G. S. V. Raghavan. "An overview of dielectric properties measuring techniques." Canadian biosystems engineering 47, no. 7 (2005): 15-30. [6] H. Lobato-Morales, A. Corona-Chavez, J. L. Olvera-Cervantes, R. A. Chand J. L. Medina-Monroy, "Wireless Sensing of Complex Dielectric Permittivity of Liquids Based on the RFID," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 62, no. 9, pp. 2160-2167, Sept. 2014. [7] J. Virtanen, L. Ukkonen, T. Bjoand L. Sydanheimo, "Printed humidity sensor for UHF RFID systems," 2010 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), Limerick, 2010, pp. 269-272. [8] A. Lazaro et al., "Chipless Dielectric Constant Sensor for Structural Health Testing," in IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 13, pp. 5576-5585, 1 July1, 2018. [9] N. Simons Rainee, Coplanar waveguide circuits, components, and systems. Vol. 165. John Wiley & Sons, 2004. [10] https://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/application [11] -notes/an47fa.pdf.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하며, 별도로 RFID 태그 칩을 사용하지 않는 칩리스 태그는 태그 안테나와 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line)과 반사기(reflector)를 구비하는 칩리스 태그를 제작하였으며, 무부하 테스트(unloaded test), 공기 중 테스트(air test), 물 테스트(water test)를 통해 RFID 유전율 센서로부터 전송된 펄스가 칩리스 태그의 지연 라인을 통과하는 지연 시간(td)을 측정하여 시험 대상(MUT, 공기, 물, 액체, 화학 용액)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하기 위한, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템을 제공한다.
본 발명은 RFID 유전율 센서(RFID permittivity sensor)에 관한 제한없는 유전율 범위(unlimited permittivity range on permittivity sensoring)를 보편적으로 측정하는 것을 연구 목표로 한다. 본 연구는 TDR에 기반한 RFID 센싱 시스템을 연구하고 설계하였다. RFID 유전율 센서의 작동 범위는 ISM(industrial, scientific and medical) 대역의 2.45 GHz를 사용하였다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템은 송신 안테나로 펄스 형태의 기준 신호 Vo를 방출하고 일정 지연 시간 후에 수신 안테나로 태그의 반사 신호 Vr을 수신하여, 칩리스 태그의 지연 시간(td)을 측정하여 시험 대상(MUT)의 유전율(permittivity)을 측정하는 RFID 유전율 센서; 및 기판 상에 구현된 태그 안테나와, a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 미앤더 라인 구조의 지연 라인(delay line)과, 입력된 RFID 유전율 센서로부터의 신호를 반사하는 반사기(reflector)를 구비하며, 기판 상에 미앤더 라인 형태로 단락 지연 라인(short-ended delay line)을 구비하는 칩리스 태그를 포함한다.
본 발명의 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템은 RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하며, 별도로 RFID 태그 칩을 사용하지 않는 칩리스 태그는 태그 안테나와 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line)과 반사기(reflector)를 구비하는 칩리스 태그를 제작하였으며, 무부하 테스트(unloaded test), 공기 중 테스트(air test), 물 테스트(water test)를 통해 RFID 유전율 센서로부터 전송된 펄스가 칩리스 태그의 지연 라인을 통과하는 지연 시간(td)을 측정하여 시험 대상(MUT, 공기, 물, 액체, 화학 용액)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하기 위한, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템을 제공한다.
본 발명의 RFID 유전율 센서(permittivity sensor)는 예를 들면 물, 공기, 액체, 오일, 화학 용액 등이 시험 대상(MUT)의 상대 유전율을 측정하게 되었다. 본 연구는 TDR에 기반한 RFID 센싱 시스템을 연구하고 설계하였다. RFID 유전율 센서의 작동 범위는 ISM(industrial, scientific and medical) 대역의 2.45GHz를 사용하였다. 실시예에서는, 시험 대상(MUT)은 공기(air), 물(water)에 대하여 각각 공기 테스트(air test) 및 물 테스트(water test)를 하였으며, 공기(air), 물(water)의 상대 유전율을 측정하였다.
칩리스 RFID 유전율 센서 시스템이 개시된다. RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템(RFID permittivity sensor system)은 제작되고 테스트되었다. 칩리스 태그(chipless tag)는 태그 안테나와 꾸불꾸불한 미앤더 라인(me and the line)의 지연 라인 및 반사기(reflector)를 구비하는 지연 라인 센서(delay line sensor)로 구성된다. RFID 유전율 센서는 펄스 발생기, 한쌍의 송수신 안테나 및 오실로스코프를 사용하여 실험하였다. RFID 유전율 센서의 펄스 발생기는 주기적으로 1 nanosecond 미만의 짧은 펄스를 생성한다. 칩리스 태그 상의 단락 지연 라인(short-ended delay line)은 지연 라인 센서 역할을 한다. 무부하 테스트(unloaded test) 및 공기 중 테스트(air test)를 통해 펄스가 통과하는 지연 시간은 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하였다. 또한, 물의 상대 유전율(water permittivity, 80)을 감지하기 위해 추가 용기 내 담긴 물 내에서 물 테스트(water test)하여 물의 상대 유전율을 측정하고 검증하였다. 측정 및 계산된 물(water)의 상대 유전율은 시스템을 사용하여 78.054이었다. 측정 오차(80-78.954 = 1.046)를 고려할 때, 물의 상대 유전율(relative permittivity of water)의 실험된 결과는 실제 값과 거의 일치하였다.
도 1은 RFID 유전율 센서 시스템(RFID permittivity sensor system) 블록도.
도 2는 칩리스 tag에서 a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 꾸불꾸불한 미앤더 라인(me and the line, 전송라인) 및 반사기(reflector)를 갖는 지연 라인 센서(delay line sensor)의 개념도.
도 3은 칩리스 태그의 미앤더 라인에서, 상부면에서, 접지, GCPW(grounded coplanar waveguide), 접지를 갖는 미앤더 라인의 구조.
도 4는 칩리스 태그(tag)의 지연 라인(delay line)의 레이아웃.
도 5는 칩리스 태그에서, 자세한 크기의 미앤더 라인의 갭 Ga(gap), G(space), W(signal line width)를 갖는 지연 라인(delay line)의 구조.
도 6은 water 레이어와 함께 시뮬레이션 된 센서 모델.
도 7은 어밸런치 펄스 발생기 회로.
도 8은 펄스 발생기의 측정된 출력 파형.
도 9는 RFID 리더 송신기(RFID reader transmitter).
도 10은 테프론 기판 상에 제작된 RFID 유전율 센서(RFID permittivity sensor의)의 태그(tag).
도 11은 리더 수신기(reader receiver).
도 12는 무부하 테스트(unloaded test) 사진.
도 13은 unloaded coupled signal 파형.
도 14는 공기 중(in the air)에서 테스트 셋업 사진.
도 15는 공기 중(in the air)에서 테스트 셋업 파형.
도 16은 resorted Vr signal versus V0 파형.
도 17은 물이 담겨진 용기에서 테스트 셋업 사진.
도 18은 물의 테스트 셋업(Water test result and comparison with V0) 파형.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명의 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템은 RFID 유전율 센서(RFID permittivity sensor)와 칩리스 태그(chipless sensor)를 구비하며, 별도로 RFID 태그 칩을 사용하지 않는 칩리스 태그는 태그 안테나와 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line)과 반사기(reflector)를 구비하는 칩리스 태그를 제작하였으며,
무부하 테스트(unloaded test), 공기 중 테스트(air test), 물 테스트(water test)를 통해 RFID 유전율 센서로부터 전송된 펄스가 칩리스 태그의 지연 라인을 통과하는 지연 시간(td, delay time)을 측정하여 시험 대상(MUT, 공기, 물, 액체, 화학 용액)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하였다.
RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템(RFID permittivity sensor system)이 설계되고, 테스트되었다.
RFID 유전율 센서 시스템과 칩리스 태그를 제작하였으며, 칩리스 태그(chipless tag)는 안테나와 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line) 및 반사기(reflector)를 구비하는 지연 라인 센서(delay line sensor)로 구성된다. RFID 유전율 센서는 펄스 발생기(pulse generator), 송신기(transmitter), 수신기(receiver), 한쌍의 송수신 안테나(a pair of transmitting/receiving antennas) 및 오실로스코프를 사용하여 실험하였다.
RFID 유전율 센서의 펄스 발생기는 주기적으로 1 nanosecond 미만의 짧은 펄스를 생성한다. 칩리스 태그는 테프론 기판 상에 단락 지연 라인(short-ended delay line)을 구현하였으며, 지연 라인 센서(delay line sensor) 역할을 하며, 펄스가 통과하는 지연 시간(td, delay time)은 시험 대상(material under test, MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)에 직접적으로 좌우된다. 이 시스템은 측정된 신호를 MUT의 상대 유전율 값으로 전송하는 방정식을 도출하기 위해 테스트하였다. 시스템을 보정하고 측정 방정식을 도출하기 위해, 무부하 테스트(unloaded test) 및 공기 중 테스트(air test)가 적용되었다. 실시예에서는, 물의 유전율(water permittivity, 80)을 감지하기 위해 추가 테스트하여 검증하였다. 측정 및 계산된 물(water)의 상대 유전율은 본 시스템을 사용하여 78.054이었다. 측정 오차(80-78.954 = 1.046)를 고려할 때, 물의 상대 유전율(relative permittivity of water)의 실험된 결과는 실제 값과 거의 일치하였다.
II. 이론
제안된 시스템은 RFID type이다.
도 1은 RFID 유전율 센서 시스템(RFID permittivity sensor system) 블록도이다.
도 2는 칩리스 태그(tag)에서, a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 및 반사기(reflector)를 갖는 delay line sensor의 개념도이다.
본 발명의 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템은
송신 안테나로 펄스 형태의 기준 신호 Vo를 방출하고 일정 지연 시간 후에 수신 안테나로 태그의 반사 신호 Vr을 수신하여, 칩리스 태그의 지연 시간(td)을 측정하여 공기, 물, 액체, 화학 용액 등의 시험 대상(MUT)의 유전율(permittivity)을 측정하는 RFID 유전율 센서(10); 및
기판 상에 구현된 태그 안테나와, a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 미앤더 라인(meander line, 전송 라인) 구조의 지연 라인(delay line)과, 입력된 RFID 유전율 센서(10)로부터의 신호를 반사하는 반사기(reflector)를 구비하며, 기판 상에 태그 안테나와 미앤더 라인 형태로 단락 지연 라인(short-ended delay line)을 구현하여 지연 라인 센서(delay line sensor) 역할을 하는 칩리스 태그(20)를 포함한다.
상기 RFID 유전율 센서(10)는 펄스 발생기(11), 송신기(12)와 송신 안테나(13), 수신 안테나(17)와 수신기(18), 제어부와 모니터(receiver/monitor)(19)를 포함한다. 수신기(18)는 제어부와 소형 LCD 모니터(19)에 연결된다.
상기 RFID 유전율 센서(10)는 2.45 GHz 유전율 센서 또는 2.5GHz 유전율 센서를 사용한다. 실시예에 한정하지 않고, 상기 RFID 유전율 센서(10)는 2.4~2.5 GHz 대역 또는 900 MHz 대역에서도 사용할 수 있다.
상기 RFID 유전율 센서(10)는
어벌런치 펄스 발생기(avalanche pulse generator)를 사용하며 주기적으로 1 nanosecond 미만의 짧은 펄스를 생성하는 펄스 발생기(11); 상기 펄스 발생기(11)와 연결된 송신기(12); 상기 송신기(12)에 연결되며, 상기 칩리스 태그(20)로 기준 신호를 송신하는 송신 안테나(13); 및
송신 시간 t1과 칩리스 태그의 지연 시간 td 후에, 상기 칩리스 태그(20)로부터 반사 신호를 수신받는 수신 안테나(17); 상기 수신 안테나(17)에 연결된 수신기(18); 및 상기 수신기(18)에 연결되며, 칩리스 태그의 지연 시간(td)을 측정하여 공기, 물, 액체, 화학용액 등의 시험 대상(MUT)의 상대 유전율을 측정하는 제어부와 LCD 모니터(19)를 포함한다.
상기 송신 안테나는 2.45 GHz 또는 2.5 GHz에서 필터링 특성을 갖는 협 대역 마이크로 스트립 안테나를 사용한다.
칩리스 태그(20)는 태그 안테나와; RFID 유전율 센서로부터 수신된 1nono second 미만의 펄스 형태의 기준 신호를 통과하는 a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line)과; 상기 미앤더 라인 구조의 지연 라인의 끝 단에 구비되며, 태그의 반사 신호를 제공하는 반사기(reflector)를 구비하며, 기판 상에 미앤더 라인(meander line, 전송 라인) 구조의 지연 라인(delay line)이 구현된 지연 라인 센서(delay line sensor) 역할을 한다.
상기 기판은 테프론 기판을 사용한다.
상기 칩리스 태그(20)의 태그 안테나는 모노폴 패치 안테나를 사용한다.
칩리스 태그(chipless tag)는 재료의 유형에 따라 시험 대상(material under test, MUT)에 부착되거나 담금질되어야 한다. 칩리스 태그는 MUT 유전율을 전기 신호로 변환하고 수신기에 인식될 수 있는 센서가 포함된다. 이 센서는 수신기에 표시될 수 있다. RFID 유전율 센서 시스템의 시스템 블록이 도 1에 도시되었다. 단순화를 위해 테스트 된 시스템은 증폭기가 포함되어 있지 않다.
상기 반사기(reflector)는 open end, 접지와 연결된 short-circuit end, 또는 용량성 부하 단(capacitive loaded end) 중 어느 하나가 사용되며,
상기 반사기는 테스트에서 상기 접지와 연결된 short-circuit end의 단락 반사기(short-ended reflector)가 사용된다.
상기 RFID 유전율 센서의 Vo 기준 신호를 측정하기 위해 먼저, 상기 칩리스 태그가 없는 상태에서 무부하 테스트(unloaded test)를 하며, RFID 유전율 센서의 송신기와 수신기의 안테나는 칩리스 태그없이 직접 배치되고, 상기 RFID 유전율 센서를 대체하여 리더로써 사용된 오실로스코프를 사용하여 to 시각에서 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo를 측정하며, 측정된 신호 Vo 파형에서, x 축은 시간이고, y 축은 진폭이며,
또한, 상기 칩리스 태그(chipless tag)를 사용하여 시험 대상(MUT) 테스트 시에, 칩리스 태그를 공기 또는 용기에 담긴 물의 시험 대상(MUT)에 대하여 공기중 테스트 또는 물 테스트를 하며, 오실로스코프를 사용하여 공기중에서 또는 물에서 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo, 칩리스 태그에 반사된 신호 Vr를 측정하고, 상기 RFID 유전율 센서와 상기 칩리스 태그 사이의 거리는 s를 측정하며,
RFID 유전율 센서의 Vo와 Vr 사이의 지연 시간(delay time)은 RFID 유전율 센서의 송신 시간 t1, 칩리스 태그의 미앤더 라인 구조의 지연 라인 센서의 지연 시간 td, 수신 시간 t1이 소요되고,
Vo와 Vr 사이의 지연 시간(delay time)은 오실로스코프에서 측정할 수 있는 Vr의 총 이동 시간은
Figure 112019020499109-pat00003
식(1)에 의해 계산되며,
여기서, t1은 상기 RFID 유전율 센서의 송신기의 송신 안테나로부터 칩리스 태그까지 도달하는 송신 시간 또는 상기 칩리스 태그로부터 RFID 유전율 센서의 수신기의 수신 안테나로부터 수신 시간(공기 중 트래벌링 시간), td는 칩리스 태그의 지연 라인 센서에서 지연 시간이며, 지연 라인 센서에서 파의 그룹 지연(wave’s group delay in the sensor)은 시험 대상(MUT)의 유전율(permittivity)에 의해 영향을 받으며, 측정된 칩리스 태그의 지연 시간 td는 시험 대상(MUT)의 유전율(MUT permittivity)에 따라 계산되며,
공기 중(in the air)에서 트래벌링 시간은 RFID 유전율 센서의 송신 시간 t1과 수신 시간 t1이 발생되므로
Figure 112020056889237-pat00004
식(6)에 의해 계산되며, 여기서, t1은 공기중에서 RFID 유전율 센서의 송신 안테나로부터 칩리스 태그까지 도달 시간, td는 칩리스 태그에서 지연 시간(delay time), c는 빛의 속도, s는 RFID 유전율 센서와 태그 사이의 거리이며,
상기 칩리스 태그에서 지연 시간 td는
Figure 112019020499109-pat00005
로 계산되며, 공기(air)의 상대 유전율은
Figure 112019020499109-pat00006
= 1이고,
Figure 112019020499109-pat00007
식(5)에 의해 A가 계산되며,
여기서
Figure 112020056889237-pat00008
는 측정대상의 상대 유전율(relative permittivity of the MUT)이고, A는 실험에 의해 유도되는 지연 선로 구조의 상수이며,
상기 칩리스 태그의 지연 시간(td)과 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity of the MUT)의 관계는
Figure 112020056889237-pat00009
식(7)에 정의되며, 여기서, td는 칩리스 태그에서 지연 시간(delay time),
Figure 112020056889237-pat00010
는 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)이며,
무부하 테스트(unloaded test), 공기 중 테스트(air test) 또는 물 테스트(water test)를 통해 칩리스 태그의 지연 라인에 펄스가 통과하는 지연 시간(td)으로부터 해당 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)이 계산된다.
상기 시험 대상(MUT)은 물, 공기, 액체, 오일, 화학 용액 중 어느 하나를 사용하며, 상기 RFID 유전율 센서와 상기 칩리스 태그를 사용하여 시험 대상(MUT)의 상대 유전율을 측정한다.
A. 시스템 개요
도 1을 참조하면, 실시예에서는 2.45 GHz RFID 유전율 센서의 펄스 소스(pulse source)로부터의 펄스는 송신 안테나를 통해 공기 중(in the air)으로 방출된다. 2.45 GHz RFID 유전율 센서의 송신 안테나는 2.45 GHz 또는 2.5 GHz에서 필터링 특성을 갖는 협대역 마이크로 스트립 안테나를 사용한다. RFID 유전율 센서의 수신 안테나는 펄스가 공기중으로 방출된 후, 칩리스 태그로부터 응답 신호를 기다린다.
기준 시간 to = 0이며, 수신된 신호는 두 부분으로 나뉜다. 한 부분은 공기 중(in the air)을 트래벌링 한 후, Vo로 표시된 후 RFID 유전율 센서의 송신기에서 직접 결합된다. 2.45 GHz RFID 유전율 센서의 송신 안테나와 수신 안테나는 서로 인접하게 배치되어 있기 때문에, 기준 시간 to = 0이다. 다른 부분은 Vr로 표시된 태그로부터 반사된 신호이다.
Vo는 공기 중(in the air)에서 2.45 GHz RFID 유전율 센서의 기준 신호(reference signal), Vr은 태그로부터 반사된 신호이다.
RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo를 측정하기 위해 먼저, 상기 칩리스 태그가 없는 상태에서 단지 RFID 유전율 센서를 사용하는 무부하 테스트(unloaded test)를 하며, RFID 유전율 센서의 송신기와 수신기의 안테나는 칩리스 태그 없이 직접 배치되고, 상기 RFID 유전율 센서를 대체하여 리더로써 사용된 오실로스코프를 사용하여 to 시각에서 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo를 측정하며, 측정된 신호 Vo 파형에서, x 축은 시간이고, y 축은 진폭이다.
또한, 상기 칩리스 태그를 사용하여 시험 대상(MUT) 테스트 시에, 칩리스 태그를 공기 또는 용기에 담긴 물의 시험 대상(MUT)에 대하여 공기중 테스트 또는 물 테스트를 하며, 오실로스코프를 사용하여 공기중에서 또는 물에서 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo, 칩리스 태그에 반사된 신호 Vr를 측정하며, 상기 RFID 유전율 센서와 상기 칩리스 태그 사이의 거리는 s를 측정한다.
시뮬레이션 실험시에, RFID 유전율 센서를 대체하여 리더(reader)로서 사용된 오실로스코프는 칩리스 태그가 판독 범위에 존재할 때. Vo + Vr의 파형을 표시하였다. Vo와 Vr 사이의 지연 시간(delay time)은 오실로스코프에서 측정할 수 있는 Vr의 총 이동 시간이다.
RFID 유전율 센서의 Vo와 Vr 사이의 지연 시간(delay time)은 RFID 유전율 센서의 송신 시간 t1, 칩리스 태그의 꾸불꾸불한 미앤더 라인 구조의 지연 라인 센서의 지연 시간 td, 수신 시간 t1이 소요된다.
Figure 112019020499109-pat00011
(1)
여기서, t1은 공기중에서 RFID 유전율 센서의 송신기의 송신 안테나로부터 칩리스 태그까지 도달하는 송신 시간 또는 칩리스 태그로부터 RFID 유전율 센서의 수신기의 수신 안테나로부터 수신 시간(공기 중 트래벌링 시간), td는 칩리스 태그의 지연 라인 센서에서 지연 시간(delay time)이다.
지연 라인 센서에서 파의 그룹 지연(wave’s group delay in the sensor)은 측정대상(MUT)의 유전율(permittivity of MUT)에 의해 영향을 받는다. 측정된 칩리스 태그의 지연 시간 td는 공기, 물, 액체, 화학용액 등의 시험 대상(MUT)의 유전율(MUT permittivity)과 직접 관련된다.
B. Tag의 디자인
시스템의 주요 구성요소 인 칩리스 태그(chipless tag)는 유전율 센서(permittivity sensor)와 광대역 안테나를 포함하며, 태그 안테나는 모노폴 패치 안테나(monopole patch antenna)의 타입을 사용한다.
유전율 센서(permittivity sensor)는 RFID 시스템의 가장 중요한 부분이다. 칩리스 태그의 미앤더 라인(전송 라인)은 지연 라인 타입(delay line type) 센서의 기본 구조로 선택하였다. 센서는 시험 대상(MUT)의 유전율(permittivity of the MUT)에 영향을 받아, 이 특성을 전기 마크(electrical mark: time delay)로 옮겨야 한다. 칩리스 태그의 지연 라인 센서의 컨셉은 도 2에 표시하였다. 칩리스 태그의 지연 라인(delay line)은 충분히 길어야 한다.
도 2는 칩리스 태그(tag)에서 a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 꾸불꾸불한 미앤더 라인(전송 라인) 및 반사기(reflector)를 갖는 지연 라인 센서(delay line sensor)의 개념도이다.
도 3은 칩리스 태그의 미앤더 라인에서, 상부면에서 GCPW의 양측면이 접지된 구조, 즉 접지, GCPW(grounded coplanar waveguide), 접지를 갖는 미앤더 라인(meander line, 전송 라인)의 구조이다.
칩리스 태그의 미앤더 라인은 상부면에서 GCPW의 양측면이 접지된 구조, 즉 좌측 접지, 접지된 코 플레너 웨이브 가이드(grounded coplanar waveguide, GCPW), 우측 접지를 갖는 미앤더 라인(meander line, 전송 라인)의 구조를 갖는다.
센서는 연속파 대신 펄스(pulse)로 작동한다. 맥파(pulse wave)는 태그 안테나에서 미앤더 라인 센서의 입력 포트로 유입되어 일정 시간 지연 라인을 통과한다. 지연 라인의 끝에 있는 반사기(reflector)는 펄스를 지연 라인의 입력으로 반사한다. 여기서, 반사기는 open end, 접지와 연결된 short-circuit end 일 수 있으며, 또한 용량성 부하 단(capacitive loaded end)이 될 수 있다. 이상적으로 세 가지 타입의 차이는 위상 차이(phase difference)이다. 그러나, 테스트에서 단락 반사기(short-ended reflector)는 최소한의 소음 수준으로 최고의 성능을 달성하므로 단락 반사기(short-ended reflector)가 사용하였다. 태그의 끝에서, 반사기에 의해 반사된 후, 펄스는 반사된 신호(reflected signal sign)로서 RFID 유전율 센서의 수신 안테나로 이동한다. 칩리스 태그의 지연 라인(delay line)에서 소비된 총 시간 지연(total time delay)을 연구해야 한다.
마이크로웨이브 회로의 전송 라인에서, 지연 라인(delay line)에서 생성된 자기장을 통과해야 전송 라인(transmission line) 특성에 영향을 준다. 그 동안, 손실(loss)은 전송 라인의 길이가 길어질 때 충분히 낮아야 한다. 접지된 코 플레너 웨이브 가이드(grounded coplanar waveguide, GCPW)는 지연 라인(delay line) 적용에 적합하다.
GCPW의 간단한 계산은 식(2)와 같이 참조문헌[9]에 의해 표기된다.
Figure 112019020499109-pat00012
여기서,
Figure 112019020499109-pat00013
는 실효 유전율(effective permittivity),
Figure 112019020499109-pat00014
는 공기중 유전율,
Figure 112019020499109-pat00015
은 PCB의 유전율,
Figure 112019020499109-pat00016
는 시험 대상(MUT)의 유전율이다.
마이크로웨이브 회로의 전송라인에서, k = tanh(πa/2h)/tanh(πb/2h),
Figure 112019020499109-pat00017
, K(k)는 complete elliptic integral of the first kind
Figure 112019020499109-pat00018
이다.
k함수 변수값 k = a/b, k3 = tanh(πa/2h)/tanh(πb/2h),
Figure 112019020499109-pat00019
,
Figure 112019020499109-pat00020
이다.
식 (2)의 분석은 도2,3의 칩리스 tag에서 a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line, 전송라인) 구조의 지연 라인(delay line)과 반사기를 구비하는 칩리스 태그에서, S = 2a와 너비 W 사이의 관계에 상관없이, 실효 유전율(effective permittivity)이 h/b의 비율에 비례한다. 이는 S와 W의 크기가 최대 유효 유전율(maximum effective permittivity)에 도달하기 위해 가능한 한 작게 설계되어야 한다.
펄스가 GCPW를 통과하는 총 시간(one-way trip)은 식(3)과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019020499109-pat00021
여기서, l은 GCPW의 물리적 길이, c는 3 x
Figure 112019020499109-pat00022
m/sec 빛의 속도이다. 펄스는 RFID 유전율 센서와 태그와의 송신/수신 왕복(round-way trip)하므로, 칩리스 태그의 지연 라인(delay line)에 들어가는 신호가 다시 나오는 시간은 식(4)로 표현된다.
Figure 112019020499109-pat00023
측정된 지연 시간(delat time)은 시험 대상(MUT)의 유전율(permittivity of the MUT)과 직접 관련될 수 있다. 칩리스 태그에서, 전송 라인 형 지연 라인(transmission line type delay line)은 특정 영역에서 가능한 한 길게 구현된다. 따라서, 지연 라인의 임피던스와 일치하는 안테나가 설계될 수 있기 때문에, 특성 임피던스는 고려되지 않는다. 전송 라인(transmission line)의 크기는 수작업으로 제조된 PCB 제조 기술에서 실현 가능해야 한다. 디자인 레이아웃과 그 상세한 사이즈는 도 4와 도 5에 도시하였다.
도 4는 칩리스 태그의 지연 라인(delay line)의 레이아웃, 도 5는 칩리스 태그에서 자세한 크기의 미앤더 라인의 갭 Ga(gap), G(space), W(signal line width)를 갖는 지연 라인(delay line)의 구조이다.
칩리스 태그의 지연 라인 센서는 테프론 기판(Teflon substrate) 상에 제작되었다. 총 크기는 50 × 50 mm2이다. 제조를 용이하게 하기 위해, 선폭 line width (W)과 간격 gap (G)은 모두 0.2mm이다. 인접한 2 지연 라인의 간격 gap (Ga)은 0.3 mm이다. ADS에서 툴킷에 의해 계산된 특성 임피던스는 시뮬레이션 결과에 해당하는 105 ohms를 보여준다. HFSS 시뮬레이션에서, 칩리스 태그의 지연 라인을 통과하는 펄스 이동을 시뮬레이션하기 위해 초과 시뮬레이션이 적용된다. 단방향 지연 시간(tx1)은 1.41ns이다. 참고로, 물의 유전율은 80이며, 도 6과 같이 연한 파란색으로 표시된 센서에 물 층이 추가되었다. 시뮬레이션 된 단방향 지연(simulated one-way dela) tx2 는 12.61 ns를 나타낸다.
도 6은 water 레이어와 함께 시뮬레이션 된 센서 모델이다.
C. 시스템의 셋업
도 7은 어밸런치 펄스 발생기 회로이다.
도 7에 도시된 바와 같이 Jim Williams [2]의 2N2369의 애플리케이션 노트에서 볼 수 있듯이, RFID 유전율 센서의 펄스 발생기(pulse generator)의 회로는 어벌런치 펄스 발생기(avalanche pulse generator)를 사용하였다. 도 8의 펄스 발생기의 측정된 출력 파형에 도시된 바와 같이, 어밸런치 펄스 발생기는 750ps의 매우 좁은 폭의 펄스를 생성할 수 있다. 송신기(transmitter)의 안테나는 2.45GHz 또는 2.5GHz의 협 대역 마이크로 스트립 패치 안테나(narrow band microstrip patch antenna)이고, 나머지는 광 대역폭 모노폴 패치 안테나(monopole patch antennas)이다.
완성된 모듈은 실험에 사용될 도 9, 도 10 및 도 11에 도시하였다.
도 9는 RFID 리더 송신기(RFID reader transmitter), 도 10은 테프론 기판 상에 제작된 RFID 유전율 센서(RFID permittivity sensor의)의 태그(tag), 도 11은 리더 수신기(reader receiver)의 사진이다.
III. 실험
식 2 내지 식 4를 통해, 시험 대상(MUT)의 상대 유전율과 칩리스 태그의 지연 시간(time delay time) td의 관계가 계산된다.
Figure 112019020499109-pat00024
(5)
여기서,
Figure 112019020499109-pat00025
는 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)이고, A는 실험에 의해 유도되는 지연 선로 구조에 관련된 상수이다.
식 (5)는
Figure 112019020499109-pat00026
와
Figure 112019020499109-pat00027
사이의 단순 직접 비례 함수이기 때문에, 하나의 단일 테스트만으로 A의 계수를 도출할 수 있다. 정확한 결과를 얻으려면 RFID 유전율 센서와 태그 사이의 상세 거리가 실험에서 측정된다.
예를들면, 시험 대상(MUT)은 물, 공기, 액체, 오일, 화학 용액이 될 수 있으며, 실시예에서는 시험 대상(MUT)은 공기(air), 물(water)에 대하여 각각 공기 테스트(air test) 및 물 테스트(water test)를 하였으며, 공기(air), 물(water)의 상대 유전율을 측정하였다.
A. 기준 신호 측정
도 1에서 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo를 먼저 측정해야 하며, 칩리스 태그를 사용하지 않고 RFID 유전율 센서 만을 사용하는 무부하 테스트(unloaded test)를 실시한다. 도 12는 무부하 테스트(unloaded test) 사진, 도 13은 unloaded coupled signal 파형이다.
칩리스 태그를 사용하지 않는 무부하 테스트 시에, RFID 유전율 센서의 송신기와 수신기의 안테나는 태그없이 직접 배치된다. 측정된 신호 Vo 파형에서, x 축은 시간이고, y 축은 진폭이다. 노이즈 레벨은 신호 파형 전에 관찰된다. 측정된 파형의 처음 3 피크는 중요하며, 나머지 테스트에서 참조로 사용된다.
B. 공기 중 테스트(air test)과 식 추출
도 14는 공기 중(in the air)에서 테스트 셋업 사진, 도 15는 공기 중(in the air)에서 테스트 셋업 파형이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 칩리스 태그(tag)는 공기 중에 위치된다. RFID 유전율 센서와 칩리스 태그 사이의 거리는 s = 0.15 m이다. 수신된 신호에 대한 테스트는 수신된 신호가 도 15와 같이 Vr + Vo 인 곳에서 이루어진다.
도 13과 비교하면, 도 15의 공기 중에서 테스트 파형은 수신 신호의 Vr 성분이 Vo에 너무 가깝고 서로 겹치기 때문에 큰 차이가 없다. 공기 중 테스트(air test)의 Vo 구성 요소는 무부하 테스트(unloaded test)의 구성 요소와 동일하다. Vr의 파형은 도 15의 공기 중 테스트 파형으로부터 도 13의 Vo을 감산함으로써 복원될(restored by subtracting) 수 있다. 복원된 Vr 및 기준 신호 Vo는 비교로써 도 16에 도시하였다. 도 16은 resorted Vr signal versus V0 파형이다.
Vo는 공기 중에서 기준 신호(reference signal), Vr은 태그에 반사된 신호이다. Vr 파형은 첫 번째 3개의 피크와 Vo를 갖는 첫 번째 밸리에서 동일한 패턴을 가지며, 시간 지연(time delay)이 있으며, 이는 식 (1)에서
Figure 112019020499109-pat00028
이다.
tmeasure 값은 3.818 ns로 측정됐다. RFID 유전율 센서와 칩리스 태그 사이의 거리가 s = 0.15 m이기 때문에, 공기 중(in the air)에서 트래벌링 시간(time travelling in the air)은 RFID 유전율 센서의 송신 시간 t1과 수신 시간 t1이 발생되므로 다음과 같이 식(6)에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112019020499109-pat00029
(6)
여기서, t1은 공기중에서 RFID 유전율 센서의 송신 안테나로부터 칩리스 태그까지 도달 시간, td는 칩리스 태그에서 지연 시간(delay time), c는 빛의 속도, s는 RFID 유전율 센서와 태그 사이의 거리이다.
칩리스 태그에서 소모된 지연 시간 td는
Figure 112019020499109-pat00030
= 2.818ns이다. 공기(air)의 상대 유전율은
Figure 112019020499109-pat00031
= 1이고, 식 (5)에 의해 A는 2.818이 되는 것으로부터 유추된다. 칩리스 태그의 지연 시간(td, tag delay time)과 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity of the MUT)의 관계는 식(7)과 같이 표현된다.
Figure 112019020499109-pat00032
(7)
여기서, td는 칩리스 태그에서 지연 시간(delay time),
Figure 112019020499109-pat00033
는 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)이다.
C. 물의 테스트 및 시뮬레이션 검증
도 17은 물(water)이 담겨진 용기에서 테스트 셋업 사진, 도 18은 물의 테스트 셋업(Water test result and comparison with V0) 파형이다.
이 실험은 식 (7)에서 유도된 관계로 물의 유전율(permittivity of water)을 테스트하였다. 실험 설정은 도 17에 도시하여 있으며, 칩리스 태그는 용기 내의 물에 담겨 있고, RFID 리더와 칩리스 태그 사이의 거리는 s= 0.15m이다. 이 경로는 0.05m의 공기(air)와 0.1m의 물(water)을 포함한다. 물을 채우는 데 사용된 용기는 이 경우 무시할 만큼 얇다. 그 결과는 Vo과 비교하여, 물 환경이 너무 많은 손실(much loss)을 유도하기 때문에 다른 주기들에서 수집된 다수의 수신 신호를 함께 분석하였다.
시뮬레이션의 경험을 기초로, 물 테스트(water test)에서 시간 지연(time delay in a water test)은 수십 초의 시간 지연 t이 발생된다. 수신된 신호 파형은 더 이상 서로 겹치지 않으며, 이 경우 공기 테스트와 같은 뺄셈은 더 이상 필요하지 않다. 응답 파형의 3주기를 포착했으며, Vo가 노이즈 레벨을 나타내는 위치에 3개의 작은 피크가 나타나는데, 이는 도 18에서 3개의 수직선으로 표시되어 있다. 3개의 피크는 도 18과 같이 첫 번째 피크 이후 밸리에서 동일한 패턴과 발진을 갖는다. 이 부분은 파형이 아무데도 오지 않아 Vr 인 태그에 의해 반사된 파형이다. Vo와 Vr 사이의 시간 지연은
Figure 112020056889237-pat00034
= 31.12 ns 인 오실로스코프에서 측정되었다. 식 (5-4)에서 유도된 관계는 측정된 유전율을 유도하는데 사용된다.
식 (1)에서, t1은 RFID 유전율 센서(reader)와 태그 사이의 경로를 통과하는 시간이다. 경로는 Sa = 0.05 m의 공기와 Sw = 0.1 m의 물을 함유하며, 물의 비유전율(permittivity of water)은
Figure 112019020499109-pat00035
이다.
오실로스코프에서 측정된 지연 시간은 식(8)에 표기하였다.
Figure 112019020499109-pat00036
Figure 112019020499109-pat00037
= 31.12 ns에서, 물(water)의 상대 유전율(relative permittivity of water)은
Figure 112019020499109-pat00038
= 78.054로 쉽게 계산되었다.
물 테스트(water test)의 결과, 일반적으로 물(water)의 상대 유전율 값 80과 거의 동일하다. 이 실험의 오류는 RFID 유전율 센서와 태그 사이의 경로를 측정할 때 발생한다. 위의 실험에서 시뮬레이션 검증이 완료되었다.
보정은 무부하 테스트(unloaded test) 및 공기 테스트(air test)가 포함된다. 무부하 테스트(unloaded test)는 2.45GHz RFID 유전율 센서의 기준 신호 파형 Vo을 얻는데 사용되며, 공기중 테스트(air test)는 칩리스 태그의 지연 라인(delay line)에서 고정된 관계를 얻는 것이다.
RFID 유전율 센서 시스템은 이 보정 후에 작동할 준비가 되었다. 물 테스트는 실제 운영 환경을 시뮬레이션하는데 사용되었다.
물 실험(water test)에서, RFID 유전율 센서 시스템을 사용하여 유도된 방정식은 또한 시뮬레이션 검증되었다. 측정되고 계산된 물의 상대 유전율(relative permittivity of water)은 78.054 였다. 측정 오차(80-78.954 = 1.046)를 고려할 때, 물의 상대 유전율(relative permittivity of water)의 시험 결과는 실제 값과 거의 잘 일치하였다. 측정 결과는 합리적인 결과를 보여준다.
IV. 결론
본 발명에서는, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템(chipless RFID permittivity sensor system)이 설계되고, 테스트되었다. 실시예에서는, 2.5 GHz RFID 유전율 센서(reader)와 칩리스 태그 모두 설계되었다. RFID 유전율 센서 시스템의 신호 처리를 위한 그래프가 단계적으로 표시되었다.
RFID 유전율 센서 시스템은 측정된 신호를 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity of MUT)로 전송하는 방정식을 도출하기 위해 테스트되었다. 무부하 시험(unloaded test)은 기준 신호 파형을 얻는데 사용된다.
상기 시험 대상(MUT)은 물, 공기, 액체, 오일, 화학 용액 중 어느 하나를 사용하며, 상기 RFID 유전율 센서와 상기 칩리스 태그를 사용하여 시험 대상(MUT)의 상대 유전율을 측정한다.
공기 시험(air test)은 측정 방정식을 도출하는데 사용된다. 그후, 물(water)의 유전율 감지에 대한 유효성 테스트가 수행되었다.
또한, 물 실험(water test)은 RFID 유전율 센서 시스템이 사용되도록 설계된 운영 환경을 시뮬레이션하는데 사용되며, 유도된 방정식은 또한 시뮬레이션 검증되었다. 측정되고 계산된 물의 상대 유전율(relative permittivity of water)은 78.054 였다. 측정 오차(80-78.954 = 1.046)를 고려할 때, 물의 상대 유전율(relative permittivity of water)의 시험 결과는 실제 값과 거의 잘 일치한다. 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템의 설계 아이디어가 입증되었다.
결과적으로, RFID 유전율 센서와 칩리스 태그를 구비하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템(RFID permittivity sensor system)은 제작되고 테스트되었다. 칩리스 태그(chipless tag)는 태그 안테나와 꾸불꾸불한 미앤더 라인(meander line)의 지연 라인(delay line) 및 반사기(reflector)를 구비하는 지연 라인 센서(delay line sensor)로 구성된다. RFID 유전율 센서는 펄스 발생기, 송신기와 수신기, 한쌍의 송수신 안테나 및 오실로스코프를 사용하여 실험하였다. RFID 유전율 센서의 펄스 발생기는 주기적으로 1 nanosecond 미만의 짧은 펄스를 생성한다. 칩리스 태그 상의 단락 지연 라인(short-ended delay line)은 지연 라인 센서 역할을 한다. 무부하 테스트(unloaded test) 및 공기 중 테스트(air test)를 통해 펄스가 통과하는 지연 시간은 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)을 측정하였다. 또한, 물의 상대 유전율(water permittivity, 80)을 감지하기 위해 추가 용기 내 담긴 물 내에서 물 테스트(water test)하여 물의 상대 유전율을 측정하고 검증하였다. 측정 및 계산된 물(water)의 상대 유전율은 시스템을 사용하여 78.054이었다. 측정 오차(80-78.954 = 1.046)를 고려할 때, 물의 상대유전율(relative permittivity of water)의 실험된 결과는 실제 값과 거의 일치하였다.
본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: RFID 유전율 센서 11: 펄스 발생기
12: 송신기 13: 송신 안테나
17: 수신 안테나 18: 수신기
19: 제어부와 모니터 20: 칩리스 태그

Claims (11)

  1. 송신 안테나로 펄스 형태의 기준 신호 Vo를 방출하고 일정 지연 시간 후에 수신 안테나로 태그의 반사 신호 Vr을 수신하여, 칩리스 태그의 지연 시간(td)을 측정하여 시험 대상(MUT)의 유전율(permittivity)을 측정하는 RFID 유전율 센서; 및
    기판 상에 구현된 태그 안테나와, a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 미앤더 라인(전송 라인) 구조의 지연 라인(delay line)과, 입력된 RFID 유전율 센서로부터의 신호를 반사하는 반사기(reflector)를 구비하며, 기판 상에 미앤더 라인 형태로 단락 지연 라인(short-ended delay line)을 구비하는 칩리스 태그를 포함하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 RFID 유전율 센서는 2.45GHz 유전율 센서 인 것을 특징으로 하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 RFID 유전율 센서는
    어벌런치 펄스 발생기(avalanche pulse generator)를 사용하며, 주기적으로 1 nanosecond 미만의 짧은 펄스를 생성하는 펄스 발생기;
    상기 펄스 발생기와 연결된 송신기;
    상기 송신기에 연결되며, 상기 칩리스 태그로 기준 신호를 송신하는 송신 안테나;
    송신 시간 t1과 칩리스 태그의 지연 시간 td 후에, 상기 칩리스 태그로부터 반사 신호를 수신받는 수신 안테나;
    상기 수신 안테나에 연결된 수신기; 및
    상기 수신기에 연결되며, 시험 대상(MUT)의 유전율을 측정하는 제어부와 LCD 모니터;
    를 포함하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송신 안테나는
    2.45GHz 또는 2.5GHz에서 필터링 특성을 갖는 협 대역 마이크로 스트립 안테나를 사용하는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 칩리스 태그는
    태그 안테나와;
    상기 RFID 유전율 센서로부터 수신된 펄스 형태의 기준 신호를 통과하는 a 주기와 w 너비, h 높이를 갖는 미앤더 라인(meander line, 전송라인)과;
    상기 미앤더 라인 구조의 지연 라인의 끝 단에 구비되며, 상기 태그의 반사 신호를 제공하는 반사기(reflector)를 구비하며, 기판 상에 미앤더 라인 구조의 지연 라인(delay line)이 구현된 지연 라인 센서(delay line sensor) 역할을 하는, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 칩리스 태그의 상기 기판은 50 × 50 mm2 크기의 테프론 기판을 사용하였으며, 상기 지연 라인의 선폭 line width (W)과 간격 gap (G)은 모두 0.2mm 인 것을 특징으로 하는, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 칩리스 태그의 상기 태그 안테나는 모노폴 패치 안테나를 사용하는, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 칩리스 태그의 미앤더 라인은 상부면에서 GCPW의 양측면이 접지된 구조, 좌측 접지, 접지된 코 플레너 웨이브 가이드(grounded coplanar waveguide, GCPW), 우측 접지를 갖는 미앤더 라인(meander line, 전송 라인)의 구조를 가지는 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 반사기는 open end, 접지와 연결된 short-circuit end, 또는 용량성 부하 단(capacitive loaded end) 중 어느 하나가 사용되며,
    상기 반사기는 테스트에서 상기 접지와 연결된 short-circuit end의 단락 반사기(short-ended reflector)가 사용된, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 RFID 유전율 센서의 Vo 기준 신호를 측정하기 위해 먼저, 상기 칩리스 태그가 없는 상태에서 무부하 테스트(unloaded test)를 하며, RFID 유전율 센서의 송신기와 수신기의 안테나는 칩리스 태그없이 직접 배치되고, 상기 RFID 유전율 센서를 대체하여 리더로써 사용된 오실로스코프를 사용하여 to 시각에서 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo를 측정하며, 측정된 신호 Vo 파형에서, x 축은 시간이고, y 축은 진폭이며,
    또한, 상기 칩리스 태그를 사용하여 시험 대상(MUT) 테스트 시에, 상기 칩리스 태그를 공기 또는 용기에 담긴 물의 시험 대상(MUT)에 대하여 공기중 테스트 또는 물 테스트를 하며, 오실로스코프를 사용하여 공기중에서 또는 물에서 상기 RFID 유전율 센서의 기준 신호 Vo, 상기 칩리스 태그에 반사된 신호 Vr를 측정하며, 상기 RFID 유전율 센서와 상기 칩리스 태그 사이의 거리는 s를 측정하며,
    상기 RFID 유전율 센서의 Vo와 Vr 사이의 지연 시간(delay time)은 상기 RFID 유전율 센서의 송신 시간 t1, 칩리스 태그의 미앤더 라인 구조의 지연 라인 센서의 지연 시간 td, 수신 시간 t1이 소요되고,
    Vo와 Vr 사이의 지연 시간(delay time)은 오실로스코프에서 측정할 수 있는 Vr의 총 이동 시간은
    Figure 112020056889237-pat00039
    식(1)에 의해 계산되며,
    여기서, t1은 상기 RFID 유전율 센서의 송신기의 송신 안테나로부터 상기 칩리스 태그까지 도달하는 송신 시간 또는 상기 칩리스 태그로부터 RFID 유전율 센서의 수신기의 수신 안테나로부터 수신 시간(공기 중 트래벌링 시간), td는 상기 칩리스 태그의 지연 라인 센서에서 지연 시간이며, 측정된 칩리스 태그의 지연 시간 td는 시험 대상(MUT)의 유전율(MUT permittivity)에 따라 계산되며,
    공기 중(in the air)에서 트래벌링 시간은 상기 RFID 유전율 센서의 송신 시간 t1과 수신 시간 t1이 발생되므로
    Figure 112020056889237-pat00040
    식(6)에 의해 계산되며, 여기서, t1은 공기중에서 상기 RFID 유전율 센서의 송신 안테나로부터 상기 칩리스 태그까지 도달 시간, td는 칩리스 태그에서 지연 시간(delay time), c는 빛의 속도, s는 RFID 유전율 센서와 태그 사이의 거리이며,
    상기 칩리스 태그에서 지연 시간 td는
    Figure 112020056889237-pat00041
    로 계산되며, 공기(air)의 상대 유전율은
    Figure 112020056889237-pat00042
    = 1이고,
    Figure 112020056889237-pat00043
    식(5)에 의해 A가 계산되며,
    여기서
    Figure 112020056889237-pat00044
    는 측정대상의 상대 유전율(relative permittivity of the MUT)이고, A는 실험에 의해 유도되는 지연 선로 구조의 상수이며,
    상기 칩리스 태그의 지연 시간(td)과 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity of the MUT)의 관계는
    Figure 112020056889237-pat00045
    식(7)에 정의되며, 여기서, td는 칩리스 태그에서 지연 시간(delay time),
    Figure 112020056889237-pat00046
    는 시험 대상(MUT)의 상대 유전율(relative permittivity)이며,
    무부하 테스트(unloaded test), 공기 중 테스트(air test) 또는 물 테스트(water test)를 통해 칩리스 태그의 지연 라인에 펄스가 통과하는 지연 시간(td)으로부터 해당 시험 대상(MUT)의 상대 유전율이 계산되는, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시험 대상(MUT)은 물, 공기, 오일 중 어느 하나를 사용하며, 상기 RFID 유전율 센서와 상기 칩리스 태그를 사용하여 시험 대상(MUT)의 상대 유전율을 측정하는, 칩리스 RFID 유전율 센서 시스템.
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