KR19980064803A - 저가의 변조된 후방산란 반사기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저가의 후방 산란 변조기를 이용하는 저가의 RFID 태그 설계를 위한 것이다. 상기 변조기는 변조 신호를 포함하는 시프트 레지스터에 의해 구동되는 단순한 CMOS 게이트이다. CMOS 게이트는 안테나에 접속되어, 변조 신호에 따라 안테나의 반사 계수를 변조한다. 제 2 실시예에서, 태그는 안테나를 제외하고 저가의 판독 전용 RFID 태그를 구현하기 위해 필요한 모든 구성 요소를 포함하는 1개의 CMOS 집적 회로에 내장되어 있다.

Description

저가의 변조된 후방산란 반사기
관련 출원
관련된 요지가 본 명세서와 함께 동일 출원인명으로 출원된 다음 응용 분야에 개시되어 있다: 미국 특허 출원인 Shielding Technology Modulated Backscatter System; Encryption for Modulated Backscatter Systems; QPSK Modulated Backscatter System; Modulated Backscatter Location System; Antenna Array In An RFID System;Subcarrier Frequence Division Multiplexing Of Modulated Backscatter Signal;IQ Combiner Technology Modulated Backscatter System; In-Building Personal Pager And Identifier; In-Building Modulated Backscatter Reflector; Passenger Baggage, and Cargo Reconciliation System. 관련 요지가 또한 동일 출원인에 의해 출원된 다음의 특허 명세서에 개시되어 있다: 발명의 명칭이 Modulated Backscatter Communications System Having An Extended Range인 미국 특허 출원 제08/504,188; 발명의 명칭이 Dual Modulated Backscatter System인 미국 특허 출원 제 08/492,173호; 명의 명칭이 Full Duplex Modulated Backscatter system인 미국 특허 출원 제 08/492,174; 발명의 명칭이 Enhanced Uplink Modulated Backscatter System인 미국 특허 출원 제 08/571,004호.
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변조된 후방 산란 기법을 이용하는 무선 통신 시스템에 관한 것이다.
무선 주파수 식별(RFID) 시스템은 식별 및 또는 장치, 재고품 또는 존재하는 것 등의 트랙킹을 위해 사용된다. RFID 시스템은 호출기라고 하는 무선 송수신기와 태그라고 하는 다수의 저가 장치간에 통신하는 무선 통신 시스템이다. 변조된 후방 산란(MBS) RFID 시스템에서, 호출기는 변조된 무선 신호를 이용하여 태그와 통신한다. 태그는 호출기에 의해 최초로 전송된 연속파(CW) 캐리어 신호를 호출기에 다시 반사함으로써 호출기와 통신한다. 호출기에서 발신되어 태그에 전송되는 통신은 다운링크라 불린다. 태그로부터 호출기로의 통신은 업링크라 불린다. 태그는 호출기로부터 메시지를 수신하고 메시지를 다시 호출기에 반사하기 위해 이용되는 안테나를 가지고 있다. 메시지를 태그에 전송한 후, 호출기는 CW 캐리어 신호를 태그에 전송한다. 태그는 CW 캐리어 신호를 이용하여 CW 캐리어 신호를 변조된 서브캐리어 신호와 함께 반사 또는 후방 산란하여 호출기 메시지에 응답한다. CW 캐리어 신호는 전형적인 경우 마이크로파 주파수 범위의 신호이다. 반사 또는 후방 산란된 CW 캐리어 신호는 태그에서 발생되는 변조 신호에 의해 태그에서 변조된다.
MBS를 이용하는 대부분의 RFID 시스템에 있어서, 태그 안테나 레이터 단면 즉, 안테나의 효율적인 반사 영역은 안테나에 부착된 고품질의 마이크로파 다이오드를 ON 과 OFF로 선택적으로 바이어싱함으로써 변조된다. 다이오드가 도전상태인 경우, 즉 다이오드가 ON 상태로 바이어스된 경우, 다이오드는 RF 차단 회로로서 기능한다. OFF 상태인 경우, 다이오드는 RF 개방 회로로서 기능한다. 이에 의하면, 안테나의 임피던스 또는 반사력은 변조되고 따라서 안테나가 CW 캐리어 신호의 충돌을 선택적으로 반사 및 흡수하게 된다. 안테나의 피드 포인트와 같은 안테나의 정확한 위치에 도전 상태의 다이오드가 접속하게 되면, 동조식 안테나는 비동조식 안테나가 되어, CW RF 신호의 충돌을 흡수하기 보다 반사한다.
경우에 따라 변조된 후방 산란 RFID 태그는 연속파(CW) 무선 신호를 반사하고 변조하고, 그 신호에 의해, 태양으로부터 관찰자에게 빛을 순간 전달하는 통신용 미러와 유사하게 일루미네이티드(illuminate) 된다는 점에서 패시브(passive) 무선 태그라 언급된다. 도 1은 호출기(105)와 태그(101)를 포함하는 일반적인 판독 전용의 변조된 후방 산란 RFID 시스템을 설명하고 있다. 태그(101)는 마이크로 프로세서(102)와, 변조기(103)와, 안테나(104)를 포함한다. 호출기(105)에 있어서, 판독기 RF 유닛(108)은 CW 신호를 발생하고 그 CW 신호를 전송 안테나(106)를 통해 전송한다. 이 신호는 입사 신호의 부분을 반사(또는 후방산란)하는 태그 안테나(104)를 일루미네이트 한다. 어떤 주파수 범위에서 에너지를 반사하는 안테나 성능을 나타내는 안테나 설계 분야의 업자에 주지된 파라미터인, 안테나의 반사 계수 또는 반사력은 변조 신호에 의해 직접 변조된다. 태그 안테나(104)의 반사 계수는 태그 메모리에 기억된 데이터에 의해 결정된 시변(time-varying) 패턴(변조 신호)에서 양호한 에너지 흡수기에서 양호한 반사기로 되는 사이에 전환된다. 태그 안테나(104)의 가변 반사 계수는 후방 산란 RF 신호를 변조한다. 이 후방 산란 신호는 호출기 수신 안테나(107)에 의해 수신되고 판독기 RF 유닛(108)에 의해 증폭 및 다운-컨버터 되고 복조기(109)와 디지털 신호 처리기(DSP)(110) 및 마이크로프로세서(μP)(111)에 의해 데이터로 복원된다.
RFID 시스템의 전체 감도를 직접적으로 악화시키는 보다 중요한 원인중 하나는 태그 안테나(104)가 반사된 RF 신호를 복조할 때의 효율이다. 환원하면, 이것은 그 임피던스가 태그 안테나(104)와 태그 변조기(103) 및 태그 변조기(103)의 품질간을 정합하는 태그 안테나(104)의 레이더 단면에 의존한다. 최적의 시스템 성능을 위해 태그 변조기(103)는 통상 고품질의 마이크로파 반도체와 종종 스위칭 다이오드가 이용된다. 이 디바이스는, 태그(101)의 비용 절감을 고려할 때, 태그의 총 비용의 대부분을 차지하고 있기 때문에, 태그의 제조 비용을 대폭 저감하기 위해서는, 변조기(013)의 비용을 허용될 수 있는 시스템 감도와 범위를 유지하면서 저감할 필요가 있다. 고감도와 큰 범위가 저가의 비용보다 중요하지 않는 것으로서는 RFID 시스템 애플리케이션이 있다. 그러한 종류의 애플리케이션은 항공 수하물을 트랙킹하는 것을 포함한다. 따라서, 그러한 시스템의 경우에는 비교적 저가의 태그를 설계할 필요가 있다.
도 1은 예시적인 무선 주파수 식별(RFID) 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 RFID 시스템용 저가의 태그 유닛의 블록도.
도 3은 74HC04로부터 보우 타이(bowtie) 안테나를 변조하기 위해 상보형 메탈 옥사이드 반도체(CMOS)의 인버터 게이트를 이용하는, 실예로서, 설계를 도시하는 블록도.
도 4는 도 3의 회로를 평가하기 위한 테스트 레이아웃을 도시하는 도면.
도 5는 도 3의 회로로부터 검출된 변조된 후방 산란 신호를 도시하는 도면.
도 6은 게이트 입력이 로우에서 하이로 변화되는 경우의 CMOS 인버터 게이트(74HC04)의 출력 임피던스에서 변화를 평가하기 위한 테스트 레이아웃을 도시하는 도면.
도 7은 도 6의 셋업으로부터 도 6의 회로의 네트워크 분석기 측정을 도시하는 도면.
도 8은 도 2에 도시된 태그 유닛을 시뮬레이트하는 테스트 회로의 블록도.
도 9는 도 8의 회로내 신호를 도시하는 도면.
도 10은 도 4의 테스트 레이아웃으로부터 수신된 신호의 스텍트럼 분석기 트레이스(trace)를 도시하는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 셜명*
201 : 안테나 202 : 가변 임피던스 디바이스
203 : 시프트 레지스터 204 : 파워 모듈
본 발명에 의하면, 저가의 태그의 설계는 MBS가 요구되는 RFID 통신 시스템에서 이용된다. 태그는 데이터 저장 디바이스와, 데이터 저장 디바이스에 전기적으로 접속되어 저장된 정보를 수신하는 가변 임피던스 반도체 게이트 및 임의 반사 계수를 갖는 안테나를 포함한다. 안테나는 수신된 정보에 의해 안테나의 반사 계수를 변조하는 가변 임피던스 디바이스에 전기적으로 접속되어 있다. 다른 실시예에서, 태그의 모든 부분은 안테나의 반사력을 또한 변조하는 집적 회로에 내장되어 있다.
본 발명은 짧은 범위의 애플리케이션에 대한 RFID 시스템용의 저가의 변조기를 청구하고 있다. 태그 설계를 단순화하고 태그의 제조 비용 및 시스템의 총 비용을 대폭 저감하는 MBS 안테나의 반사력 또는 임피던스를 변조하기 위해, 통상 이용되는 고품질의 다이오드를 저가의 상보형 메탈 옥사이드 반도체(CMOS) 게이트로 대체하여 이용한다.
도 2는 항공 수하물의 트랙킹과 같은 애플리케이션용의 본 발명의 간단한 판독전용의 태그의 블록도이다. 태그 시프트 레지스터(203)에 기억된 암호화된 데이터와 같은 정보는 태그 안테나(201)에 결합된 본 예에서 CMOS 게이트인 가변 임피던스 디바이스(202)를 구동하기 위해 이용된다. 판독 전용 메모리(ROM)와 같은 다른 데이터 저장 디바이스 또는 유사 디바이스는 가변 임피던스 디바이스(202)를 구동하기 위해 시트프 레지스터 대신 이용될 수 있다. 가변 임피던스 디바이스(202)는 암호화된 데이터를 수신하고 그 암호화된 데이터에 따라 안테나(201)의 반사력을 변조한다. 본 예에서 파워 모듈(204)은 저가의 전지 또는 일루미네이팅 RF로부터 전력을 도출하는 정류기일 수 있다. 본 발명은 항공 수하물 트랙킹과 같은 짧은 범위의 애플리케이션에 대한 저가의 판독 전용 RFID 태그의 중요한 요소를 구성한다. 이를 위해 CMOS 게이트(202)를 이용함으로써. 저가 및 저전력의 다른 변조 기구에 대해 유리하다. 이 타입의 태그는 낮은 효율의 가변 임피던스 디바이스와, 상기 태그에 RF 전력이 투입되는 경우, 호출기로부터의 거리가 RF 전력을 수신하기에 멀어지기 때문에 짧은 범위의 에플리케이션(2미터보다 작다)을 위해 이용된다. 도 1에 도시된 바와 같은 변조된 후방 산란 RFID 태그용 변조 요소로서 저가의 CMOS 게이트(202)를 이하에서 기술한다.
도 3은 간단한 CMOS 인버터 게이트(302)가 도 2에 도시된 바와같은 MBS 태그에서 변조 요소로서 어떻게 이용되는 지를 증명하는 간단한 테스트 회로의 블록도이다. 이 경우에, 74HC04의 고속 CMOS 집적 회로(301)로부터 기저대역 신호(304)에 의해 파생된 인버터 게이트(302)가 이용되었다. 여기서, 기저 대역 신호는 신호 발생기로부터 발생된 구형 파 신호이다. 인버터 게이트(302)의 출력은, 본 예에서, 1/4파 패치 안테나(306)의 피드 포인트(feed point)에 접속되어 있다. 보우 타이, 루프 및 1/2파 다이폴 구성을 포함하는 다른 안테나가 이 회로에서 테스트되었다.
도 3의 회로를 평가하기 위해 이용되는 테스트 작업대는 도 4에 도시되어 있는 후속 실혐에도 이용되었다. 2.45GHz의 CW 주파수에서 작동하는 마이크로파 스위프 발진기(HP8350B)(401)는 +30dBm의 출력(1와트)을 갖는 전력 증폭기(PM2104)(402)를 구동한다. 이 신호는 플래너 안테나(403)에 의해 8.5 dBi의 이득에서 전송되고 테스트(412)중인 회로(태그 회로)를 일루미네이팅한다. 회로(412)의 출력은 안테나(411)를 또한 구동하는 인버터 게이트(410)에 의해 버퍼링된다. 후방 산란 신호는 수신 안테나(404)에 의해 수시되고 저잡음 증폭기(LAN)(405)에 의해 증폭된다. LAN의 출력은 직각 IF 혼합기(QIFM)(406)에서 최초의 전송 신호의 감쇠된(-20dB) 샘플(204)과 혼합된다. QIFM(406)의 출력은 태스트 회로 또는 태그의 안테나의 반사력을 변조하는 기저 대역 신호의 복제 신호이다. 이 허약한 기저 대역의 신호는 증폭되어 스텍트럼 분석기(HP3562A)(408)상에 표시된다.
도 5는 도 3의 회로에 의해 실행되는 테스트중 하나의 스텍트럼 분석기의 플롯(501)을 도시한다. 이 예에서, 구동 신호, 즉 기저대역 신호(304)는 60kHz와 80kHz에서 10kHz의 간격으로 주파수 천이(frequence shift keyed)된 구형 교류파이다. 이 플롯은 60kHz와 80kHz에서 피크(502,502)뿐만 아니라 스위칭 레이트에 의해 발생된 10kHz 측파대에서 피크(504)를 표시하고 있다. 추가 테스트는 인버터대신에 배타적 논리합(XOR) 게이트와 다른 구동 신호에 의해 행해진다. 모든 테스트에 의해 유사한 결과가 산출된다. 도 3의 회로와 실제 본 발명은 AND, OR, NOR, NAND 게이트 등과 같은 다른 논리 게이트에 의해 구현될 수 있다.
도 6은 희망하는 마이크로 주파수 범위에서 고속의 74HC04 CMOS 집적 회로로부터 CMOS 인버터 게이트의 직접적인 임피던스 변화를 측정하기 위해 설계된 전지를 전원으로 하는 테스트 회로를 도시하고 있다. CMOS 인버터(602)의 출력은 RF 동축 커넥터(SMA)에 접속되어 있다. 게이트의 입력(609)은 바이어스 스위치(603)에 접속되어 있고 그에 의해 하이에서 로우로 입력 바이어스를 변경할 수 있다. 저항기(604)의 한 끝은 그 저항기(604)의 다른 끝이 디지털 그라운드(606)에 접속되어 있는 반면에 게이트(602)의 입력(609)에 접속되어 있다. 바이어스 스위치(603)의 한 끝은 논리 하이로서 CMOS 게이트에 의해 인식되는 전형적인 경우 +5V와 등가인 전압 레벨의 +V 볼트에 접속되어 있다. 네트워크 분석기(608)의 출력 포트에 접속되어 있는 DC 차단 캐패시터(607)는 게이트 출력이 그라운드로 풀링되는 것을 방지하기 위해 이용된다. 도 7에 도시된 1개의 포트의 산란 파라미터(S11)는 1GHz와 3GHz의 사이에서 두 곡선(701,702)을 HIGH와 LOW 의 게이트 출력과 비교하여 측정된 것이다. S11은 신호원, 즉 네트워크 분석기로 다시 반사되는 신호량의 측정이다. 네트워크 분석기와 테스트 회로간의 결합을 최적화하기 위해서는 어떠한 조치도 이루어지지 않고 있으나 출력 상태가 전환되는 시점의 2.45GHz에서 S11은 2-3 dB의 변화를 나타내고 있다. 또다른 측정은 유사한 결과를 낳는 XOR 게이트(74HC86)에서도 이루어지지 않는다. 상기 2-3dB의 변화가 고품질의 바이어싱된 다이오드에 의해 생성될 결과보다 작다면, 상기 측정 결과는 짧은 범위의 RFID 애플리케이션에 충분할 만큼 크다. 보다 중요한 것은 비용이 대폭 저감되었다는 것이다. 또한, CMOS 게이트는, 누설 전류외에도, 천이(transition)간에 저전력의 전지를 전원으로 하는 태그에서 요구되는 전력의 소비의 저감이라는 결과를 낳는 전류를 파생한다.
도 8은 별개의 74HC 집적 회로에 의해 어셈블링되는, 시뮬레팅된 1개 칩의 CMOS REID 태그의 블록도이다. 수동 프로그래밍 스위칭(807)과 내장된 전지(도시되지 않음)를 갖고 있다는 점에서 기능적으로 완전히 태그(101)와는 다르다. 상기 회로는 서브캐리어(802)를 발생하는 27.7 kHz 클록(801)을 포함한다. 이 주파수는 그 출력이 프로그래머블 시프트 레지스터(806)를 구동하는 870 Hz 클록(804)을 생성하는 D 플립 플롭(도시되지 않음)을 토글(toggle)하는 회로(803)에 의해 분주비 16으로 분주된다. 리셋 클록 회로(805)는 태그가 최초로 전력이 투입되는 시기에 회로(806,802)를 리셋하기 위해 이용된다. 프로그래머블 시프트 레지스터(806)의 출력의 데이터 스트림(808)과 서브 캐리어(802)는 XOR 게이트(809)의 2입력에 인가되어, 그 위상이 데이터의 스트림의 위상과 180도 반전(alternate)되는 출력 캐리어가 XOR 게이트(809)에서 출력된다. 이 게이트 출력 신호는, 이진 위상 천이 변조(BPSK)를 이용하고, 약 2.5 GHz 로 동조되는 보우 타이 안테나(812)의 1다리에 접속되어 있는 1개의 인버터 게이트(810)에 의해 버퍼링된다. 보우 타이 안테나의 다른 다리는 그라운드에 접속되어 있다.
도 4에 표시된 바와같이 상기 회로는 도 3의 회로상에 실행된 테스트에서 이미 기술된 바와같이 테스트된다. 전송 안테나(403)의 +30 dBm CW 2.45 GHz의 신호는 보우 타이 안테나(411)를 일루미네이트 한다. CMOS 게이트/안테나 결합에 의해 BPSK 변조된 후방 산란 신호는 수신 안테나(404)에 의해 수신되고 서브 캐리어 주파수와 다운(down) 혼합된다. 이 신호는, 증폭후에, 스텍트럼 분석기(808)상에 표시된다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 같은 변조기로서 XOR 게이트를 이용하여 27.7kHz 의 클록 주파수에서 작동하는 시뮬레이트된 태그에서 발생된 신호를 표시한다. 최초의 파형도(top trace)는 변조되기 전의 원 클록(901)이다. 그 다음의 파형은 제 2 클록의 파형도(902)이며, 분주비 16으로 제 1 주파수를 분주한 것이다. 제 2 클록(902)은 XOR 변조기 게이트에 시프트 레지스터의 데이터 출력을 스트로브(strobe)하기 위해 이용된다. 제 3 클록은, 부분 변조된 결과(903)로서, 2천이를 보여주는 데이터 시퀀스의 일부이다. 마지막 클록은, 변조된 캐리어(904)로서, XOR 게이트에서 출력된 BPSK 변조 캐리어이다. 각 데이터의 천이에 상응하는 위상의 변화를 주시하라. 이것은 도 8의 CMOS 인버터 게이트(810)를 구동하는 신호이고, 상기 게이트(810)의 출력은 태그 안테나(812)에 접속되어 있는 변조 요소이다.
도 10은 다운컨버터(downconvert)의 MBS 신호의 스텍트럼 분석기 표시이다. 서브 캐리어 주파수(27.7 kHz)와 도 2에 도시된 태그 유닛의 변조 데이터 스트림(808)(도 8 참조)에 의해 생성된 870 Hz에서 기수 구간에 측파대(1002)가 분명히 표시되어 있음을 알 수 있다.
태그 설계를 단순화하고 태그의 제조 비용 및 시스템의 총 비용을 대폭 저감하는 MBS 안테나의 반사력 또는 임피던스를 변조하기 위해, 통상 이용되는 고품질의 다이오드를 저가의 상보형 메탈 옥사이드 반도체(CMOS) 게이트로 대체하여 이용함으로서, 저가의 후방 산란 변조기를 이용하는 저가의 RFID 태그 설계가 가능하다.

Claims (10)

  1. MBS를 이용하는 RFID 통신 시스템용 태그에 있어서,
    정보를 포함하는 데이터 저장 디바이스(203)와,
    상기 데이터 저장 디바이스에 전기적으로 접속되어, 정보를 수신하는 가변 임피던스 디바이스(202)와,
    임의 반사 계수를 갖고, 상기 수신된 정보에 따라 상기 가변 계수를 변조시키는 상기 가변 임피던스 디바이스에 접속되는 안테나(201)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태그.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 임피던스 디바이스는 CMOS 게이트인 것을 특징으로 하는 태그.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 저장 디바이스는 시트프 레지스터인 것을 특징으로 하는 태그.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 CMOS 게이트 회로는 인버터 게이트인 것을 특징으로 하는 태그.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 CMOS 게이트는 XOR 게이트인 것을 특징으로 하는 태그.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 CMOS 게이트는 OR 게이트인 것을 특징으로 하는 태그.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 CMOS 게이트는 AND 게이트인 것을 특징으로 하는 태그.
  8. MBS를 이용하는 RFID 통신 시스템용 태그에 있어서,
    임의 반사계수를 갖는 안테나(201,306) 와,
    상기 안테나에 전기적으로 접속되어 있는 집적회로로서, 상기 집적 회로에 저장된 정보에 따라 상기 안테나의 반사 계수를 변조하는 것을 특징으로 하는 태그.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 집적 회로는 정보를 저장하는 저장 디바이스(203)와, 상기 데이터 저장 디바이스에 접속되어 상기 저장 정보에 따라 상기 안테나의 반사계수를 변조하는 가변 임피던스 디바이스(202)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태그.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 데이터 저장 디바이스와 상기 가변 임피던스 디바이스는 게이트인 것을 특징으로 하는 태그.
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