KR20010044243A

KR20010044243A - 전력 전송장치를 이용한 무 전지 rfid

Info

Publication number: KR20010044243A
Application number: KR1020010003643A
Authority: KR
Inventors: 윤충섭
Original assignee: 윤충섭
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2001-06-05

Abstract

본 발명은 RFID 관한 것으로, 기존 무 전지 태그로는 비교적 낮은 주파수(수십 MHz이하)의 신호를 수신부(receiver)에서 보내면 태그는 변조된 백스캐터(modulated back scatter) 기법을 이용하여 변조된 무선 신호를 송신하는 방법이 있고, 수신부에서 보내는 마이크로파 대역(수GHz) 전자파를 렉테나(Rectenna)의 방법에 의해서 직류전력으로 변화하여 태그에 필요한 전원을 사용하는 방법도 이다. 이러한 방법들은 송신 거리에 많은 제약을 받고 있다. 반면, 본 발명에서는 태그(10)에서 송신하기 위한 전원은 전력 전송장치(power transmitter)로부터 받고, 이 교류 전원을 직류 변환장치(11)를 걸쳐 태그 안에 있는 RF 장치(6,12,13)를 가동시키면 이미 내장되어 있는 코드를 인코딩(13, Encoding)하여 송신하게 된다. 수신부(9)는 이 신호를 받아 디코딩(Decoding)을 한다. 태그에 전원을 공급하는 전력 전송장치(2)에서는 전자기파로 전력을 전달하게 되는데 이 때 보내는 주파수는 송신하는 주파수와는 다른 주파수를 사용한다. 태그에서 여기되는 전력은 트래스퍼머(transformer)의 원리를 이용하게 된다.

Description

전력 전송장치를 이용한 무 전지 RFID {Passive Radio Frequency Identification(RFID) using Power Transmitter}

자동화 산업, 유통업, 가축관리 등에서 객체 식별 장치는 무엇보다 중요하다. 접촉식으로 사용되는 바 코드(bar code) 시스템은 레이저 광학을 이용하여 제품에 표시되어 있는 바코드를 읽는다. 이러한 빛을 이용한 객체 식별에는 정확한 정보를 얻기 위해서는 바 코드의 손상이 없어야 한다. 환경이 열악한 조건에서는 사용이 힘들다. 이를 극복하기 위하여 라디오 주파수를 이용한 전자 객체 식별 장치를 사용하고 있는데, 식별 대상에 내부 전지에 의해서 작동되는 능동(Active) RFID가 있고, 전원을 외부의 전자기파를 받아 이것을 이용하여 작동되는 수동(Passive) RFID가 있다.

현 수동 RFID가 가지고 있는 가장 큰 약점은 송신 거리가 짧다는 것이다. 송신 거리를 더 길게 하기 위해서는 요구되는 파워는 크게되고 이에 해당하는 전력장치는 복잡하게 되고 송신거리도 1m 이상을 보낼 수가 없게된다.

일반적으로 RF의 신호를 효과적으로 수신하기 위해서는 작동되는 주파수의 파장의 크기에 해당되는 안테나를 사용하여야 하는데, 기존 수동 RFID에서 사용되는 주파수는 ISO가 인정한 123KHz와 13.56MHz이다. 이에 해당되는 안테나의 크기는 2.4km(125KHz), 22.12m(13.56MHz)가 필요하다. 이러한 크기의 안테나는 현실적으로 불가능하게 되어 이 대역에서의 통신방법은 VHF나 UHF 사용하는 방법과 다르게된다. 즉 자기 쌍극 안테나(2,4 : magnetic dipole antenna)를 사용하는데 이 방법은 태그와 수신사이의 자기유도(magnetic induction coupling)의 원리를 이용한다.

수신기 1차 코일에서 보내는 전자기파는 태그 2차 코일에서 여기가 되는데 여기되는 전력으로 태그의 데이터를 인코딩을 하여 보낸다. 인코딩 데이터에 의해서 수신되는 코일을 On/Off함으로 2차 코일의 변화가 1차 코일의 변화를 야기 시킨다. 이 방법은 변조된 백스캐터 기법(modulated back scatter technology)이라고 하며, 1차코일의 변화는 100Volt 크기에 그 변화량은 0.1Volt의 차이로 감지하게 된다.

백스캐터 기법은 자기장의 크기가 거리의 3제곱()로 반비례가 된다는 점이다. 이로 인하여 송신 거리가 매우 한정된다는 것이다.

반면, 마이크로파 대역의 무 전지 태그는 2.45GHz와 5.8GHz가 있다. 이 대역은 1m 정도의 범위 내에서 마이크로파 전력 전송 기술을 이용한 무 전지화가 가능하게된다. 정류기(Rectifier)와 안테나(Antenna)의 합성으로 사용되는 렉테나(Rectenna)는 수신 마이크로파를 직접 직류전력으로 변화하는 소자인데, 마이크로파가 조사되면 전기적으로 공진하여 중앙부가 전류의 배로 된다. 이 전력은 저역 필터를 통하여 통신에 필요한 전력으로 사용하게 된다. 통신은 반이중 통신(Half Duplex : 양방향 통신이 가능하지만 동시에는 불가능한 형태)으로 실시된다.

본 발명은 무 전원의 태그의 송신 거리 한계를 극복하는 방법이다. 이를 해결하기 위한 것으로 전력 전송 장치(1, power transmitter)를 설치하여 효과적으로 송신거리를 획기적으로 증대하고자 한다.

도 1은 본 발명을 이용한 무선 송신 장치의 사시도

도 2는 본 발명에서 사용되는 전력 전달 장치의 원리를 나타내는 도면

도 3은 무 전원 태그의 개략도

본 발명에 따른 전력 전송장치를 이용한 무 전원 RFID 구성 및 작용을 본 발명에 따른 실시 예를 통하여 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 전력 전송장치를 이용한 무 전원 전자 객체 식별장치의 사시도를 나타내는데, 전력 전송과 데이터 송신/수신이라는 두 가지 기능을 가지고 있다.

- 전력 전송-

전력 전송은 수동 RFID 방식에서 사용하는 방법을 사용한다. 이 자기 쌍극 안테나(2,4 magnetic dipole antenna)를 통하여 발생하는 자기유도(magnetic induction coupling) 전류는 단지 송신하기 위한 전력으로만 사용한다. 도2에서 1차 코일(2)에서 직각방향()으로의 거리만큼 떨어진 곳에 생성되는 자기장의 크기는 아래 식과 같다.

: 공기중의 유전율, I : 1차 코일의 전류

N : 코일 턴 수 α : 1차 코일의 반경

또한, 2차 코일(4)에서 Faraday의 법칙에 의해 유도되는 전압은 아래와 같다.

: 1차 코일의 작동 주파수 N : 태그의 턴 수

: 태그의 면적 (㎡): 1차 코일로부터 전달되는 자기장

Q : Quality factor (5 ∼ 50) α : 1차 코일과 2차 코일과의 경사각

2차 코일(4)에서 유기되는 전압은 직류변환장치(11)를 통하여 직류를 장치 데이터 송신장치(12)와 인코딩장치(13)에 필요한 구동 전력을 공급하게 된다.

- 데이터 송신/수신장치 -

전력 전송 장치로부터 전력을 받은 태그는 작동을 하게 되어, 변조(AM, FM)된 신호를 태그 안테나(6)를 통하여 보내게 된다. 안테나(Antenna)는 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 주거나 그 반대의 기능을 수행하는 장치를 의미한다. 송신의 경우에는 송신기에서 보내고 싶은 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 멀리까지 보내고, 멀리서 송신된 전파를 수신하면 그 전파를 전기적인 신호로 바꾸어 수신기에 전달하여 준다. 작은 크기 안테나를 사용하기 위하여 사용 주파수는 커야한다. 가령 UHF 대역의 신호인 433.92MHz는 의 신호는 15.5cm의 직선형 안테나 크기면 된다. 직사각형의 안테나를 사용할 경우, 4 ∼ 10㎠의 면적을 가진 안테나면 되고, 코일 모양의 안테나 경우, 반경 3.2mm의 24 턴이면 된다. 반면, 수신 안테나(8)의 경우는 안테나 크기에 제약을 받지 않는다.

본 발명은 기존의 전력 송신장치(1)와 수신부(9)로부터 분리하여 데이터를 송수신하기 위한 변조 주파수와 다른 주파수를 이용하여 자기 유도를 위한 전력을 공급한다. 태그의 코일(4)은 이 유기 전력을 받아 데이터를 송신을 하기 위한 전력으로 공급된다.

상기한 바와 같이 구성되어 작동하는 무 전지 RFID는 전력 전송장치를 분리할 수 있어 설치 공간의 제한을 받지 않는다는 점이다. 또한 전력 전송하는 주파수보다 송수신하는 주파수를 높게하여 다른 무 전지 태그보다 지향성과 송신거리를 획기적으로 증대할 수 있다. 단, 효과적으로 전력을 공급하기 위하여 무 전지 태그가 일정한 거리 안에 놓여야한다는 점이다. 이러한 점은 전력 전송장치의 안테나의 모양을 사용 조건에 따라 달리할 수 있다. 가령 루프(roop)안테나는 문에 설치하여 출입을 관리할 수 있게되고, 솔레노이드 형의 안테나는 전력이 지향성을 가지고 있게 할 수 있어 원하는 위치에 전력을 전송할 수 있는 장점이 있다.

Claims

전력 전송장치를 수신부로부터 분리하여 송수신하기 위한 주파수와 다른 주파수를 이용하여 전력을 태그에 전송한다.
태그에 전력을 여기 시키기 위한 안테나를 설치하여 전력 전송 장치로부터 전송된 전력을 받고, 데이터를 송신을 위한 전력으로 사용한다.