KR20010090811A

KR20010090811A - 태그를 그 주위로부터 자기적으로 감결합하기 위한 병렬공진 회로를 구비한 무선 식별 태그

Info

Publication number: KR20010090811A
Application number: KR1020017005527A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 에프. 더써어드 갤러거; 시니치로 이누이
Original assignee: 네일 디. 오스틴; 체크포인트 시스템즈 인코포레이티드
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-10-19
Also published as: ES2205899T3; EP1127469B1; JP2002529982A; AU751418B2; DE69910061T2; TW460852B; JP4261065B2; DE69910061D1; CN1146250C; ATE246382T1; AU1112900A; KR100632716B1; CA2349409C; CN1324545A; EP1127469A1; US6072383A; DK1127469T3; EP1127469A4; CA2349409A1; AR020961A1

Abstract

무선 식별(RFID : radio frequency identification) 태그(tag) 회로는 자기 감결합(magnetic decoupling)과 진폭 변조를 제공한다. 상기 회로는 제 1 인덕터 및 이에 직렬 결합된 제 2 인덕터, 제 1 커패시터, 제 2 커패시터, 및 스위치로 구성된다. 상기 회로는 직렬 결합된 제 1 및 제 2 인덕터와 제 1 커패시터의 병렬 결합으로 형성되는 제 1 공진 회로를 포함한다. 제 1 공진 회로는 제 1 공진 주파수를 갖는다. 상기 회로는 또한 상기 제 2 커패시터와 스위치의 직렬 결합으로 형성되는 제 2 회로를 포함한다. 상기 제 2 커패시터와 스위치의 직렬 결합은 상기 제 2 인덕터에 병렬로 결합된다. 직렬 결합된 상기 제 2 커패시터와 스위치의 일단은 상기 직렬 결합된 제 1 및 제 2 인덕터 사이의 공통 결합점(common connection)에 결합된다.

Description

태그를 그 주위로부터 자기적으로 감결합하기 위한 병렬 공진 회로를 구비한 무선 식별 태그{RFID TAG HAVING PARALLEL RESONANT CIRCUIT FOR MAGNETICALLY DECOUPLING TAG FROM ITS ENVIRONMENT}

물품 식별 및/또는 절도 방지의 목적으로 물품에 태그(tag)를 부착하는 것이 공지되어 있다. 예들 들어, 많은 물품들이 코드화된 정보를 포함하는 바코드(bar code)를 이용하여 식별되는데, 이 코드화된 정보는 바코드를 스캐너의 판독(reading) 범위 내에서 통과시킴으로써 판독된다. 많은 물품들은 또한 절도 탐지 및 방지에 사용하기 위한 목적으로 공진 트랜스폰더(transponder) 또는 공진 태그(resonant tag)를 포함한다. 고유 또는 준-고유(semi-unique)의 식별 코드를 리턴(return)시키는 수동 공진 태그(passive resonant tag)가 개발되어 왔다. 이러한 태그는 일반적으로 식별 코드를 저장하는 집적 회로(IC)를 포함한다. 이러한 "지능형(intelligent)" 태그는 인테로게이터(interrogator) 또는 리더(reader)의 영역 내에서 탐지된 태그와 연관된 물품 또는 사람에 대한 정보를 제공한다. 이들 태그는 원거리에서 신속하게 신호를 받을 수 있어서 선호된다. 미국 특허 등록 번호 US 5,446,447호(카아니 외), US 5,430,441호(비클리 외), 및 US 5,347,263호(캐롤 외)에 의하면, 상기와 같은 지능형 태그의 세 가지 예가 개시되어 있다.

무선 식별(RFID : radio frequency identification) 태그 또는 카드는 일반적으로 IC(집적회로)에 전기적으로 결합된 공진 안테나 회로(resonant antenna circuit)를 포함한다. IC는 본질적으로 디지털방식으로 인코딩된 정보(digitally encoded information)를 저장하기 위한 프로그램 가능한 메모리(programmable memory)이다. 인테로게이터(송신 안테나)는 RFID 태그의 공진 주파수의 전자계(electromagnetic field)를 생성시킨다. 태그가 인테로게이터의 전자계 내에 위치될 때, 태그의 공진 안테나 회로에 AC 전압이 유도되며, 이 전압은 IC에 내부 DC 전압(internal DC voltage)을 공급할 수 있도록 IC에 의해서 정류된다. 태그가 인테로게이터의 전자계 쪽으로 이동함에 따라, 유도된 전압은 증가한다. 내부 DC 전압이 IC의 적절한 동작을 보장할 수 있는 수준에 이르면, IC는 저장하고 있던 데이터를 출력한다. 이러한 데이터를 출력하기 위해, IC는 안테나 회로를 가로질러 여분의 커패시터 또는 인덕터를 펄스 발생시간 동안 스위칭하면서 일련의 데이터 펄스(a series of data pulses)를 발생시키는데, 이는 태그의 공진 주파수를 변경시키며, 태그를 동작 주파수로부터 이조시킨다(detune). 즉, 태그는 스스로를 이조시키면서 데이터 펄스를 발생시키는데, 이러한 데이터 펄스는 태그에 의해 소비되는 에너지의 양을 변경시킨다. 인테로게이터는 그 전자계 내의 에너지 소비를 탐지하며 그 변화량을 데이터 펄스로 바꾼다(translate).

상기와 같은 RFID 태그 또는 카드가 공지되어 있지만, 이들 태그의 동작과 관련된 기술적인 난점과 제한점들이 여전히 존재한다. 인테로게이터의 인테로게이션 영역(interrogation zone) 내에 있는 다수의 RFID 태그를 판독하는데 따른 문제점은 거의 동시에 하나 이상의 태그가 인테로게이터에 의해서 활성화될 수 있다는 것이다. 이러한 태그들이 서로 근접하게 위치될 때, 하나의 태그에 의해서 발생되는 필드(field)가 다른 태그에 의해서 발생되는 필드를 외란(disturbance)시킬 수 있다. 이러한 상호 인덕턴스(mutual inductance)의 문제는 위에서 설명된 바와 같이, 이조(detuning)에 의해서 태그의 정보를 송신하는 RFID 태그의 경우에 특히 두드러지게 된다. 그 결과, 태그의 효과적인 판독 거리가 감소하며, 태그의 변조(modulation)가 전적으로 비효과적이 되는데 이는 태그의 변조가 공진되는 태그(또는 그에 근접한 태그)에 따라 달라지기 때문이다. 그래서, 다른 태그들에 의해서 야기되는 상기와 같은 이조는 저장된 정보의 판독을 불가능하게 하거나 거의 불가능하게 만든다.

원거리 판독(long range reading application)에는 고도로 변조된 AM 필드(AM field)를 필요로 한다. 높은 AM 변조도(degree of AM modulation)는 안테나의 자계(magnetic field)에 최대의 필드 외란(field disturbance)을 제공함으로써 얻어진다. 각각의 필드 외란 이후 태그의 로딩 효과(loading effect)가 완전히 제거될 때, 및 판독 대상 태그로부터의 신호가 다른 태그들로부터의 노이즈와 혼합되거나 이들로부터의 간섭에 의해서 감쇠(attenuation)되지 않을 때, 최대의 필드 외란(최대 진폭 차로 표시됨)이 얻어진다. 그래서, 태그를 그 주위로부터 효과적으로 감결합시키지 못하는 종래의 방법은 원거리 판독을 가능케 하지 못한다.

인근의 태그를 외란시키거나 태그에 영향을 미치는 필드를 발생시키는 RFID 태그의 문제점을 최소화하는 한 가지 방법이, "RFID 태그를 자기적으로 감결합시키기 위한 장치(Apparatus for Magnetically Decoupling an RFID Tag)" 라는 명칭의, 1998년 3월 5일 출원되어 계류 중인 미국 특허 출원 번호 제 U.S. 09/035,027호에 기술되어 있으며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 병합되어 있다. 이 방법에 따르면, RFID 트랜스폰더는 데이터를 저장하기 위한 집적회로와 이 집적회로에 전기적으로 결합된 인덕터를 포함한다. 인덕터는 제 2 코일에 전기적으로 결합된 제 1 코일을 포함한다. 공진 커패시터가 집적회로와, 제 1 및 제 2 코일 중 적어도 하나에 전기적으로 결합되며, 그래서 이러한 공진 커패시터 및 적어도 하나의 결합된 코일은 소정의 제 1 공진 주파수를 갖는다. 제 2 코일을 통해서 전류가 선택적으로 흐를 수 있도록 제 1 위치(first position)와 제 2 위치(second position)를 갖는 스위치가 구비되어 있다. 스위치가 제 1 위치에 있을 때, 제 1 공진 주파수의 또는 제 1 공진 주파수에 근접한 외부 필드(external field)에 대한 트랜스폰더의 노출(exposure)은 인덕터에 전압을 유도하며, 제 1 전류(first current)가 인덕터를 통해서 제 1 방향(first direction)으로 흐르도록 야기하여, 로컬 필드(local field)를 발생시킨다. 스위치가 제 2 위치에 있을 때, 제 1 공진 주파수의 또는 제 1 공진 주파수에 근접한 외부 필드에 대한 트랜스폰더의 노출은 인덕터에 전압을 유도하며, 제 1 전류가 제 1 코일(first coil)을 통해서 제 1 방향으로 흐르도록 야기하여 제 1 로컬 필드를 발생시키며, 제 2 전류가 제 2 코일을 통해서 제 2의반대 방향으로 흐르도록 야기하여 제 2의 로컬 필드를 발생시킨다. 제 1 로컬 필드와 제 2 로컬 필드의 합은 0(영)으로 접근한다.

이러한 필드 상쇄(field canceling) 방법은 충분히 실현성이 있지만, 몇 가지 단점을 갖는다. 예를 들어, 회로 구성은 1 권선 코일 (one turn coil)에 약 3배 더 많은 전류가 흐르도록 요구되는, 1 권선 코일과 직렬인 3 권선 코일(three turn coil)을 이용한다. 이는 저 임피던스 스위치가 1권선 코일을 가로질러 접속되어야 할 때 특히 달성하기 어렵다. 또한 필드 상쇄 방법은 코일 사이의 상호 결합(mutual coupling)이 임계 결합이며 실험에 의해서 조절되어야 하기 때문에 설계에 있어서 신축성(flexibility)을 제한한다.

따라서, RFID 태그가 근처의 다른 RFID 태그 또는 다른 공진 카드 또는 태그를 외란시키거나 영향을 미치는 필드를 발생시키지 않도록 하기 위한 다른 방법의 필요성이 대두된다. 본 발명은 이러한 필요를 충족시킨다.

본 발명은 무선 식별(RFID : radio frequency identification) 태그(tag)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 상기와 같은 RFID 태그에 사용되는 회로에 관한 것이다.

도 1은 태그가 제 1 공진 주파수로 공진 가능한 상태의 태그와 인테로게이터를 도시하는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 등가 회로도.

도 2는 태그가 그 주위로부터 감결합되며 제 1 공진 주파수로 공진 가능하지 않은 상태의 태그와 인테로게이터를 도시하는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 등가 회로도.

도 3은 도 1과 도 2에 도시된 태그의 패키지 구성(packaging configuration)의 일 실시예를 도시하는 도면.

도 4는 도 1과 도 2에 도시된 태그의 패키지 구성의 제 2 실시예를 도시하는 도면.

본 발명은 제 1 인덕터와, 이에 직렬로 연결된 제 2 인덕터와, 제 1 커패시터와, 제 2 커패시터, 및 스위치를 포함하는 트랜스폰더를 제공한다. 제 1 공진 회로(first resonant circuit)와 제 2 회로(second circuit)가 상기 트랜스폰더에 형성된다. 제 1 공진 회로는 직렬 연결된 제 1 및 제 2 인덕터와, 제 1 커패시터를 병렬 연결하여 구성한다. 제 1 공진 회로는 제 1 공진 주파수를 갖는다. 제 2 회로는 제 2 커패시터와 스위치를 직렬 연결하여 구성한다. 제 2 커패시터와 스위치의 직렬 연결부는 제 2 인덕터에 병렬 연결된다. 특히, 직렬 연결된 제 2 커패시터와스위치의 일단은 직렬 연결된 제 1 및 제 2 인덕터 사이의 공통 결합점(common connection)에 연결된다. 스위치가 개방(open)될 때, 제 2 회로는 트랜스폰더에 최소한의 영향을 미치거나 전혀 영향을 미치지 않으며, 제 1 공진 회로는 상기 트랜스폰더가 제 1 공진 주파수의 또는 제 1 공진 주파수에 근접한 외부 필드에 노출될 때 제 1 공진 주파수로 공진한다. 스위치가 닫혀질(close) 때, 제 2 회로는 제 1 공진 주파수의 전류의 흐름을 차단하거나 최소화하는 기능을 하는 고 임피던스 병렬 공진 회로(high impedance parallel resonant circuit)를 형성하며, 그래서 트랜스폰더가 외부 필드로부터 상당한 양의 전력을 유인(draw)하는 것을 방지하고 제 1 공진 주파수로 공진하는 것을 방지한다. 그 결과, 트랜스폰더는 그 주위로부터 감결합된다.

다음의 본 발명의 바람직한 실시예와 전술한 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 고찰될 때 보다 온전히 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 예시를 위해서, 현재 바람직하다고 여겨지는 실시예가 도면에 도시되어 있다. 하지만, 본 발명은 도시된 구성과 수단에 한정되지는 않는다.

특정 용어가 여기서 편의상 사용되었을 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 도면에서, 동일한 도면 번호가 여러 도면에 걸친 동일 구성 요소를 지칭하는데 사용되었다.

도 1과 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 등가 회로도(equivalent circuit diagram)이다. 도 1과 도 2는 동일한 회로를 나타내지만, 그 상태는 서로 다르다. 도 1과 도 2의 회로에 대해서 상세히 설명하고, 그 다음에 회로도의 동작 이론에 대한 논의가 이어진다. 여기서 설명된 본 발명의 실시예는 무선 식별(RFID : radio frequency identification) 태그 또는 트랜스폰더(transponder)와 함께 사용된다.

도 1은 RFID 리더(reader) 또는 인테로게이터{이하, "인테로게이터(interrogator)(10)" 라 함}와 공진 RFID 장치, 태그 또는 트랜스폰더{이하, "트랜스폰더(12)" 라 함}에 대한 등가 전기 회로도이다. 인테로게이터(10)는 전자계를 발생시키기 위한 트랜스미터 코일(transmitter coil) 또는 안테나(16)에 전기적으로 결합된 전압원(voltage source)(14)을 포함한다. 안테나(16)는 1차적으로 인덕턴스(L₀)로 구성되지만, 등가 직렬 저항(R₀)과 커패시턴스(C₀)도 또한 구비하는데, 이들은 함께 직렬 RLC 회로를 구성한다. 이러한 구성 요소들은 전류 흐름(current flow)(I₀)을 갖는 'Loop 0'로 표시된 전류 루프(current loop)를 형성한다.

인테로게이터(10)와 트랜스폰더(12)는 도 1에 상호 인덕턴스(M_OT)로 도시된 유도성 결합(inductive coupling)에 의해서 서로 통신이 이루어진다(communicate). 유도성 결합에 의해서 공진 태그 또는 트랜스폰더와 통신하는 인테로게이터는 당 분야에 널리 공지되어 있다. 예를 들면, 인테로게이터는 월튼에게 허여된 미국 특허 등록 번호 U.S. 3,752,960호, U.S. 3,816,708호 및 U.S. 4,580,041호에 기술되어 있으며, 이들 모두는 본 명세서에 참조로 병합되어 있다. 따라서, 인테로게이터(10)는 도시되어 있지 않으며, 구체적으로 설명하지 않는다. 여기서는 인테로게이터(10)는 트랜스폰더(12)의 공진 주파수의 또는 이 공진 주파수에 근접한 전자계를 형성한다고만 언급해 둔다. 전자계 내에 놓이도록 트랜스폰더(12)가 인테로게이터(10)에 충분히 가까이 위치할 때, 트랜스폰더(12)에 전압이 유도된다. 트랜스폰더(12)가 인테로게이터(10)에 의해 생성된 전자계 쪽으로 이동할 때, 상기 유도 전압은 트랜스폰더(12) 내의 전압 수준이 트랜스폰더(12)를 동작시키고 상기 장치가 그 원하는 목적에 따라 작동되기에 충분할 때까지 증가하는데, 이에 대해서는 아래에 보다 상세히 설명되어 있다. 인테로게이터(10)는 한 쌍의 스마트 페데스탈(smart pedestal)(도시되지 않음)이나, 휴대용 RFID 스캐너(도시되지 않음)로 또는 다른 방법으로 물리적으로 구현될 수 있다.

인테로게이터(10)에 의해 생성되는 인테로게이션 신호(interrogation signal)는 바람직하게는, 주기 신호 또는 펄스 신호(periodic or pulsed signal)에 반대되는 일반적으로 연속 신호(continuous signal)이다. 인테로게이션 영역(interrogation zone)은 전자계 내의 영역으로서 이 영역 내에서는 트랜스폰더(12)를 동작시키기에 충분하도록 지능형 트랜스폰더(12) 내에 전압이 유도된다. 그래서, 인테로게이션 영역의 크기는 적어도, 부분적으로는 전자계의 강도(strength)에 의해서 정해진다. 인테로게이터(10)는 일반적으로 인테로게이션 영역 내에 위치한 다수의 트랜스폰더(12)( 및 그와 관련된 물품)로부터의 전송 신호(transmission)를 탐지한다.

지능형 장치(intelligent device) 또는 트랜스폰더는 널리 공지되어 있으며, 다양한 범위의 것들에 이용될 수 있다. 미국 특허 등록 번호 제 U.S. 5,430,441호(비클리 외.)에는 인테로게이션 신호에 응답하여 디지털방식으로 인코딩된 신호(digitally encoded signal)를 송신하는 트랜스폰딩 태그(transponding tag)가 개시되어 있다. 비클리 외의 특허에 개시된 태그는 다수의 유전체 층(dielectric layer)과 전도체 층(conductive layer)으로 형성된 강성 기판(rigid substrate)으로 구성되며, 상기 기판의 홀(hole) 내에 완전히 삽입된(embedded) 집적 회로와 전도성 포일 트레이스(conductive foil trace)에 접착된 탭(tab)을 포함한다. 트랜스폰더(12)의 물리적 구조는 도 3과 도 4를 참고하여 아래에 설명되어 있다.

본 발명의 트랜스폰더(12)는 집적 회로(IC)(18)에 전기적으로 결합된 안테나회로(20)를 포함한다. 안테나 회로(20)는 인테로게이터(10)의 무선 주파수에 따라서 소정의 무선 주파수(RF)로 공진하는 공진 회로를 포함하는데, 이에 대해서는 아래에서 보다 상세히 논의된다. 안테나 회로(20)는 하나 이상의 용량성 요소(capacitive element)에 전기적으로 결합된 하나 이상의 유도성 요소(inductive element)를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 안테나 회로(20)는, 'Loop 1'으로 표시된 직렬 전류 루프(series current loop) 내의 용량성 요소 또는 제 1 공진 커패시터(24)(C_T)와 전기적으로 결합된 하나의 유도성 요소인 인덕터, 또는 코일(22)(L_T)의 조합으로 구성된다. 인덕터(22)는 실제로, 도 2에 분명하게 도시된 바와 같이, 직렬로 배선된 두 개의 코일로 이루어져 있다. 인덕터(22) 및 공진 커패시터(24)(C_T)는 IC(18)와 병렬로 결합되어 있다.

당업자가 잘 인지하고 있는 바와 같이, 안테나 회로(20)의 동작 주파수는 인덕터(22)와 공진 커패시터(24)의 값들에 의존한다. 인덕터(22)의 크기와 커패시터(24)의 값은 안테나 회로(20)의 원하는 공진 주파수를 기본으로 하여 결정된다. 본 발명의 일 실시예에서, 트랜스폰더(12)는 13.56 MHz에서 동작하도록 구성된다. 트랜스폰더(12)가 약 13.56 MHz에서 공진하는 것이 바람직하지만, 트랜스폰더(12)는 다른 주파수에서 공진하도록 구성될 수도 있으며, 트랜스폰더(12)의 정확한 공진 주파수가 본 발명을 한정하진 않는다. 그래서, 안테나 회로(20)가 13.56 MHz 이외의 무선 주파수, 실례로 마이크로파(극초단파) 주파수와 같은, 다른 주파수에서도 동작할 수 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다.

저항(26)(R_T)이 인덕터(22)와 직렬 연결되어 도시되어 있는데, 이는 전력 손실(power loss)에 의한 인덕터(22)의 등가 직렬 저항(equivalent series resistance)을 나타낸다. 또한, 안테나 회로(20)가 하나의 유도성 요소, 즉 인덕터(22)와, 하나의 커패시터(24)로 구성되지만, 다수의 인덕터와 커패시터 요소를 이용하는 것 역시 가능하다. 예를 들어, 다수의 요소로 된 공진 회로가 전자 보안 및 감시 분야에 공지되어 있는데, 이러한 예는 여기에 참조로 병합되어 있는, "전자 보안 시스템에 사용하기 위한 활성/비활성 보안 태그(Activatable/Deactivatable Security Tag for Use with an Electronic Security System)" 라는 명칭의 미국 특허 등록 번호 제U.S. 5,103,210호(로드 외.)에 기술되어 있다. 바람직한 안테나에 대해서 설명되어 있지만, IC(18)로/로부터 에너지를 결합시키기 위한 임의의 수단이 사용될 수 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다.

도 2를 참조하면, 트랜스폰더(20)는 또한 'Loop 2'로 표시된 제 2 전류 루프 경로(second current loop path)를 포함한다. 'Loop 2'는 스위치(30)(S₁)와 직렬을 이루는 제 2 커패시터(28)(C_SW)를 포함한다. 저항(32)(R_SW)이 커패시터(28) 및 스위치(30)와 직렬 연결되어 도시되어 있다. 저항(32)은 전력 손실에 의한 상기와 같은 구성 요소들의 등가 직렬 저항을 나타낸다. 위에서 논의된 바와 같이, 인덕터(22)는 실제로, 도 2에 명확히 도시된 바와 같이, 직렬로 배선된 두 개의 코일로 구성된다. 'Loop 2'는 제 2 커패시터(28)(C_SW)와, 인덕터(22)의 두 코일 중 어느 하나및 그 등가 저항(도 2에 보다 상세히 도시됨)과, 저항(32)(R_SW), 및 스위치(30)(S₁)를 포함한다. 도 1에서, 스위치(30)(S₁)는 개방 또는 OFF 상태이며, 'Loop 2'는 인덕터(22)(L_T)와 커패시터(24)(C_T)로 구성된 공진 회로의 동작에 영향을 미치지 않는다.

도 2에는 스위치(30)(S₁)가 닫혀진(closed) 또는 ON 상태인 등가 회로가 도시되어 있다. 도 2에는 또한 직렬로 배선된 두 개의 인덕터{22₁(L_1T)과 22₂(L_2T)}로 구성된 인덕터(22)가 보다 상세히 도시되어 있다. 인덕터(22₁)(L_1T)는 제 1 코일이며, 인덕터(22₂)(L_2T)는 제 2 코일이다. 제 2 커패시터(28)(C_SW)는 두 개의 인덕터{22₁(L_1T)과 22₂(L_2T)} 사이의 결합점(connection)에 연결된 스위치(30)(S₁)에 직렬로 연결되어 있다. 두 개의 인덕터{22₁(L_1T)과 22₂(L_2T)}는 상호 인덕턴스(M₁₂)를 통해서 서로 결합되어 있다. 두 개의 인덕터 코일의 직렬 조합(series combination)은 제 1 공진 커패시터(24)(C_T)와 병렬을 이룬다. 도 1의 저항(26)은 각각의 인덕터(22₁과 22₂)에 상응하는 등가 저항(26₁과 26₂)으로 도 2에 표시되어 있다. Loop 2가 도 2에 보다 분명하게 도시되어 있으며, 커패시터(28)(C_SW)와, 인덕터(22₂)(L_2T)와, 저항(26₂)(R_2T)과, 저항(32)(R_SW), 및 스위치(30)(S₁)를 포함한다. 스위치(30)가 닫혀질 때, 커패시터(28)(C_SW)와 인덕터(22₂)(L_2T)에 의해서 병렬공진 회로(parallel resonant circuit)(34)가 형성된다. 위에서 논의된 바와 같이, 병렬 공진 회로(34)의 임피던스는 이상적으로는 무한 값(infinite)을 갖는다. 하지만, 구성 요소(components)와 스위치(30)(S₁)에서의 저항 손실로 인해서 실현될 수 있는 최대 임피던스가 제한을 받게되며, 저항(26₂)(R_2T)과 저항(32)(R_SW)으로 모델화 된다.

지금까지 인테로게이터(10)와 트랜스폰더(12)의 구성(structure)에 대해서 명시하였으며, 이제 두 개의 등가 회로의 동작 이론에 대해서 설명한다.

트랜스폰더의 공진 주파수가, 본 실시예에서는 13.56 MHz로 제시된 제 1 공진 주파수 또는 기본 주파수(fundamental frequency)로부터 멀리 떨어져 있을 때, 트랜스폰더(12)는 인테로게이터(10)에 로딩 효과(loading effect)를 거의 또는 전혀 미치지 않게 되며, 또한 제 1 공진 주파수로 공진하는 필드에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않게 된다. 보다 중요하게는, 트랜스폰더(12)가 근접한 다른 트랜스폰더에 로딩 효과를 거의 또는 전혀 미치지 않게 된다. 그래서, 트랜스폰더는 그 주위로부터 감결합 또는 "차단(cloaked)"되게 된다.

공진 회로는 어떤 방식으로 연결되어 있느냐에 따라서 선택적으로 단락(short) 또는 개방될 수 있다. 직렬 공진 회로는 공진 주파수에서 단락 회로를 형성하지만, 병렬 공진 회로는 공진 주파수에서 개로(open circuit)를 형성한다. 본 발명은 트랜스폰더의 공진 주파수에서 개로를 형성할 수 있도록 커패시터(28)(C_SW)와 인덕터(22₂)(L_2T)를 포함하는 고 임피던스(이상적으로는, 무한값의 임피던스)의 제 2 공진 회로를 이용한다. 개로를 형성하기 위해서 스위치(30)(S₁)는 닫혀지거나 ON 위치(도 2 참조)에 있어야 한다. 개로는 커패시터(C_T)로부터 인덕터(L_1T)를 절단(disconnect)하는 기능을 하며, 그래서 트랜스폰더(12)가 제 1 공진 주파수로 공진하는 것을 방지한다. 스위치(S₁)가 닫혀질 때, Loop 1 또는 Loop 2에는 전류(I₁또는 I₂)가 거의 또는 전혀 전류가 흐르지 않는다. {본 실시예에서의 논의는 이상적인 조건으로 가정한다. 실제로는, 전류(I₁과 I₂)는 영(zero)이 아니고, 거의 무시할 수 있는 값이다.} 개로에는 전류가 흐르지 않기 때문에, 트랜스폰더(12)는 주위의 전자계로부터 전력을 유인하지 않으며 전자계에 리더(reader)를 혼동시킬 수도 있는 어떠한 외란도 발생시키지 않는다. 그래서, 고 임피던스의 병렬 공진 회로가 스위칭될 때, 트랜스폰더(12)는 거의 또는 전혀 에너지를 소비하지 않으며, 그래서 시스템 리시버 안테나(system receiver antenna)에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않으며, 본질적으로 자성 주위(magnetic environment)로부터 단절된다.

스위치(S₁)가 개방 또는 OFF 위치(도 1 참조)에 있을 때, 제 2 공진 회로는 아무런 영향을 미치지 않으며, 트랜스폰더(12)는 정상적인 방법으로 제 1 공진 주파수로 공진한다.

스위치(S₁)는 두 가지 다른 기능을 수행할 수 있다. 첫 번째는 제 1 공진 주파수 신호의 수신에 따라 트랜스폰더(12)가 활성화될 수 있도록 스위치(S₁)가 개방 위치로 되어 유지될 수 있거나, 또는 트랜스폰더(12)를 영구적으로 작동 정지(shut down)시키고{즉, 트랜스폰더(12)를 슬리프(sleep)상태로 만들고} 그래서 트랜스폰더(12)가 주위와 간섭되는 것을 방지하도록 닫혀진 위치로 되어 유지될 수 있다.

두 번째로, 스위치(S₁)는, 인덕터(L_T)와 커패시터(C_T)를 포함하는 안테나 회로를 동조(tune) 또는 이조(detune)시키기 위해서 저장된 데이터 패턴{즉, 트랜스폰더의 IC 칩(18)에 저장된 식별 데이터}에 따라 개방 위치와 닫혀진 위치 사이에서 선택적으로 이동될 수 있으며, 그럼으로써 저장된 데이터가 리더로 전송될 수 있도록 한다. 그래서, 본 발명은 안테나 회로를 동조시키거나 이조시키고 데이터를 리더로 전송하기 위해서 변조 커패시터 대신에 스위치(S₁)를 이용할 수 있다. 변조 및 차단이 진행되는 동안의 트랜스폰더의 상태인 스위치가 닫혀진 위치에서, 트랜스폰더(12)는 본질적으로 주위로부터 단절된다.

그래서, 스위치(S₁)는 닫혀진 위치에서 다음과 같은 두 가지 목적으로 이용된다:

(1) 순간적으로 스위치(S₁)를 닫아서 트랜스폰더(12)로부터 정보를 전달함으로써, 스위치(S₁)는 IC(18)의 내부 코드를 RF 캐리어(carrier) 상으로 진폭 변조(amplitude modulation)하는데 이용된다. 원거리 판독에는 고도로 변조된 AM 필드를 필요로 한다. 이러한 방법은 트랜스폰더(12)가 인테로게이터(10)에 미치는로딩 효과를 선택적으로 제거함으로써, 안테나의 자계에 최대의 외란을 제공하여 고도의 AM 변조를 제공한다.

(2) 트랜스폰더(12)를 주위로부터 감결합하는데 스위치(S₁)가 이용되며, 그럼으로써 트랜스폰더(12)가 이조되거나, 가려지거나(shadow), 아니면 근처의 트랜스폰더들과 간섭될 수 있는 위험성을 최소화한다. 그래서, 트랜스폰더(12)는 태그가 달린 많은 물품들이 물리적으로 서로 가까이 위치하고 이러한 모든 물품들의 식별 코드를 판독하는 것이 바람직한 소매점과 같은 환경에 특히 적합하다. 물품의 코드가 판독되면, 닫혀진 위치의 스위치는 그 물품의 트랜스폰더를 주위로부터 자기적으로('물리적으로'와 반대 개념임) 단절시키며, 그래서 이조되거나, 가려지거나, 아니면 이웃한 물품의 트랜스폰더의 판독과 간섭되지 않는다.

위의 두 가지 예에서, 스위치(S₁)의 위치는

(1) 제 2 병렬 공진 회로와 함께 개로를 형성하여, 트랜스폰더(12)가 공진 주파수로 공진하는 것을 방지하고 트랜스폰더(12)를 그 주위로부터 감결합시키거나

(2) 제 2 병렬 공진 회로가 트랜스폰더(12)에 어떠한 영향도 미치는 것을 방지하여, 트랜스폰더(12)가 제 1 공진 주파수로 공진하는 것을 허용하는 정상적인 방법으로 트랜스폰더(12)가 동작되도록 하는 기능을 한다.

스위치(30)(S₁)가 개방되어 있는 도 1을 참조하면, 인덕터(22)(L_T)와 커패시터(24)(C_T)의 조합은로 주어지는 주파수 'f₀'로 공진하는데, 여기서 L_T= L_1T+ L_2T+ M₁₂이다.

도 2의 "스위치 닫힘" 상태에서 최상의 변조/차단을 달성하기 위해서, 회로 설계에서는 M₀₂(즉, L₀와 L_2T사이의 상호 인덕턴스/결합 계수)뿐만 아니라 M₁₂(L_1T와 L_2T사이의 상호 인덕턴스/결합 계수)도 최소화시켜야 한다. M₁₂는 두 개의 인덕터 코일(L_1T와 L_2T)의 기하학적 배향을 고려하여 배치함으로써 최소화할 수 있다. 이는 코일의 최적 중첩(optimum overlap)을 통해서 두 개의 코일 안테나 사이의 결합도(coupling)를 최소화시키는 종래의 방법을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 방법들은 종래 기술이므로, 여기서는 더 이상 상세히 기술하지 않는다.

스위치(30)(S₁)가 닫혀져 있는 도 2를 참조하면, 커패시터(28)(C_SW)와 인덕터(22₂)(L_2T)로 형성되는 병렬 공진 주파수는

로 주어진다. 병렬 공진 회로(34)의 주파수 'f _PAR'는f ₀와 같게 선택되며, 그래서 얻을 수 있는 최대의 임피던스 차와 영(0)에 가까운 결합 계수(coupling coefficient)를 제공한다. 코일의 기하학적 형상이 주어지고 순수(net) L_2T측정치가 얻어질 수 있기 때문에, L_2T, M₀₂및 M₁₂의 값들이 얻어진다. 그래서, 상기 수식은 C_SW에 대해서 해답이 얻어진다. 본 발명과 달리, 계류중인 미국 특허 출원 번호 제 U.S. 09/035,027호에 기술된 필드 상쇄 방법에 의하면, 코일 사이의 상호 결합은 임계 결합이며 실험에 의해서 조절되어야 한다. 커패시턴스의 값(C_SW)은 트랜스폰더(12)가 안테나로부터 탐지 가능한 최대 거리에 있을 때 발생하는 최악의 조건에 대해서 결정된다. 이러한 거리에서, 안테나와 트랜스폰더(12) 사이의 상호 결합은 최소가 되며, 총 인덕턴스는 트랜스폰더(12)의 인덕턴스에 의해 좌우된다. 즉, 트랜스폰더(12)와 안테나의 상호 인덕턴스는 트랜스폰더 코일의 인덕턴스보다 더 작다.

바람직하게는, 데이터를 저장하기 위해 제공된 IC(18)는 인테로게이터(10)에 의해 안테나 회로(20)에 유도되는 전압에 의해서 동작하는 수동 장치(passive device)이다. 즉, 트랜스폰더(12)가 전자계 내에 있도록 인테로게이터(10)에 충분히 가까이 위치될 때, 인덕터(22)에 유도된 전압은 IC(18)의 안테나 입력부(antenna input)(도시되지 않음)로 IC(18)에 전력을 공급한다. IC(18)는 안테나 입력부의 유도된 AC 전압을 내부에서 정류하여 내부 DC 전압원을 제공한다. 내부 DC 전압이 IC(18)의 적절한 동작을 보장할 수 있는 수준에 이르면, IC(18)는 IC(18)의 변조 출력부(modulation output)(도시되지 않음)에서 프로그램 가능 메모리에 저장된 디지털 값을 출력하는 기능을 한다.

위에서 논의된 바와 같이, IC(18)에 저장된 데이터를 리더(도시되지 않음)에 전송하는 한 가지 방법은 IC(18)의 변조 출력부와 안테나 회로(20)에 결합된 변조 커패시터를 이용하는 것이다. 이 방법에 의하면, 변조 출력부의 데이터 출력 펄스(data output pulse)는 저장된 데이터에 따라 안테나 회로(20)의 전체 커패시턴스를 변화시키기 위해서 그라운드 접속점(ground connection)을 형성하거나단절(breaking)시킴으로써 변조 커패시터를 안테나 회로(20)로 전환하거나 그 반대로 전환시키는데, 이러한 전체 커패시턴스의 변화는 안테나 회로(20)의 공진 주파수를 변화시켜서, 이 공진 주파수를 소정의 제 1 공진 주파수로부터 더 높거나 더 낮은 소정의 주파수로 이조시킨다. 그래서, 공진 안테나 회로(20)의 동조 및 이조로 인해 트랜스폰더(12)의 데이터 펄스가 생성되며, 그 결과 안테나 회로(20)는 단순 단일 주파수 응답 신호(simple single frequency response signal)를 리턴시키는 대신 미리 프로그램된 정보의 패킷(packet)을 포함하는 신호를 리턴시킨다. 물론, 당업자가 이해할 수 있다시피, 다른 적절한 변조 수단이 본 발명과 함께 이용될 수도 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명은 안테나 회로를 동조 및 이조시키고 데이터를 리더로 전송하기 위해 변조 커패시터 대신에 스위치(S1)를 사용할 수 있다.

정보 패킷(데이터 펄스)은 보통 인테로게이터(10)와 결부된 수신 회로(receiving circuitry)(도시되지 않음)에 의해 수신되고 처리된다. 즉, 수신 회로는 IC(18)로부터 출력된 디지털 데이터 값을 산출하기 위해 인테로게이터(10)의 전자계 내의 에너지 소비량의 변화를 감지한다. 필요한 경우에, 상기 정보는 트랜스폰더(12)가 결부된 물품 또는 사람에 대한 식별 정보 또는 다른 정보를 제공하기 위해서, 인테로게이터(10) 또는 그와 결부된 회로에 의해서 디코딩된다. 현재는, 안테나 회로(20)에서 유도된 전압에 의해 전력을 공급하는 수동 IC(18)를 사용하는 것이 선호된다. 하지만, 예를 들면 밧데리(battery)와 같이, IC(18)에 전력을 공급하기 위한 다른 수단 역시 본 발명의 범위 내에 포함된다.

IC(18)는 또한 전력 복귀부(power return) 또는 그라운드 출력부(ground output)(도시되지 않음)와, 종래의 방법에서 IC(18)를 프로그램하는데(즉, IC에 저장된 디지털 값을 저장하거나 변경하는데) 이용되는 하나 이상의 추가적인 입력부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 현재의 바람직한 실시예에서, IC(18)는 128 비트(bit)의 비휘발성 메모리(non-volatile memory)를 포함한다. 물론, IC(18)가 더 크거나 작은 저장 용량을 가질 수 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다.

도 1과 도 2에 대한 등가 회로 모델이 아래에 주어져 있다:

,

R_1T: L₁의 저항, R_2T: L₂의 저항

N₁: L₁의 권수(number of turns), N₂: L₂의 권수

, α: 상수

,

, k_0T: L₀와 L_T사이의 결합 계수(거리에 종속)

, k₀₁: L₀와 L₁사이의 결합 계수(거리에 종속)

, k₀₂: L₀와 L₂사이의 결합 계수(거리에 종속)

, k₀₁: L₀와 L₁사이의 결합 계수(태그 구성에 종속)

도 1(스위치 OFF 인 경우)과 도 2(스위치 ON 인 경우)에 대한 수학적 해석이 아래에 주어져 있다.

스위치 OFF 인 경우

'Loop 0'에 대해서,

------- (1)

'Loop 1'에 대해서,

------- (2)

식 (1)과 (2)를 이용하면,

------- (3)

Y를Y=inv(Z)로 정의하면,

------ (4)

안테나의 임피던스 Z _ant-off는,

------ (5)

스위치 ON 인 경우

'Loop 0'에 대해서

----- (6)

'Loop 1'에 대해서

------ (7)

'Loop 2'에 대해서

------- (8)

식 (6), (7) 및 (8)을 이용하면,

----- (9)

Y'을Y'=inv(Z')로 정의하면,

------ (10)

안테나의 임피던스 Z _ant-on은,

------ (11)

본 발명의 실험 시뮬레이션에서 인테로게이터(10)(안테나)와 트랜스폰더(12)(태그)에 주어진 상수는 다음과 같다:

안테나의 경우:

f ₀ 가 13.56 MHz가 되도록 결정됨

태그의 경우:

f ₀ 가 13.56 MHz가 되도록 결정됨

k _0T2, C_SW및 R_SW값은 변할 수 있음.

도 3은 인덕터와, 커패시터 및 IC(18)를 모두 구비한 페이퍼 태그(papertag)로 구현된 트랜스폰더(12)의 패키지 구성에 대한 일 실시예이다. 이 패키지 구성은 네 개의 핵심 구성 요소인 인덕터(22₁)(L_1T)와, 인덕터(22₂)(L_2T)와, 제 1 공진 커패시터(24)(C_T) 및 제 2 커패시터(C_SW)의 배치를 보여준다. 인덕터(L_2T) 아래의 하단 층 전도체(bottom layer conductor)는 인덕터(L_2T)가 다른 트랜스폰더 코일 및 안테나와 감결합하는데 도움을 줄 수 있다. 스위치(30)(S₁)는 바람직하게는 IC(18)에 배치되지만, 이와 달리 개별 트랜지스터(discrete transistor)로 구현될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 커패시터(C_T와 C_SW)는 폴리에틸렌 유전체(polyethylene dielectric)가 사이에 삽입된 알루미늄 포일 플레이트(aluminium foil plate)로 제작된다. 이러한 제작 방법은 종래의 기술이며, 그래서 여기서는 더 이상 상세하게 설명하지 않는다. 다른 실시예에서는 다른 종류의 유전체(예를 들면, 세라믹, 탄탈륨) 및/또는 다른 종류의 형상 계수(form factor)를 갖는, 즉, 표면 실장형(surface mount)의 납 도금되거나 또는 후막(厚膜)이 인쇄된 커패시터(leaded or thick film printed capacitor)를 이용한 개별 칩 커패시터(discrete chip capacitor)가 사용된다. 커패시터 중 하나 또는 둘 모두가 IC 칩 내에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 커패시터, 예컨대 커패시터(C_T)가 코일(L_1T와 L_2T) 사이의 "분산(distributed)" 커패시턴스가 될 수 있다. 분산 커패시턴스는 종래 기술에 널리 공지된 개별 요소를 이용하는 것과는 반대로, 일정 길이의 인덕터로부터 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 두 개의 인덕터 코일(L_lT와 L_2T) 모두는 적층 알루미늄 구조(laminated aluminium structure)상에 에칭처리된다.

다른 실시예에서, 인덕터 코일 중 적어도 하나는 적층 알루미늄 구조상에 에칭처리되거나, 스탬핑(stamping) 처리된다. 이러한 인덕터 코일들은 적층 구조의 동일 측면 또는 반대 측면에 배치될 수 있다. 다른 인덕터 코일이 개별 인덕터 코일로부터 스탬핑 처리되거나 제작될 수 있다. 개별 인덕터 코일은 표면 실장형 또는 납 도금된 {쓰르 홀(through hole)} 형상 계수(form factor)를 가질 수 있다.

다른 실시예에서는 하나의 에칭처리 또는 스탬핑처리된 알루미늄 코일과 하나의 개별 코일을 이용하는데, 이는 표면 실장 패키지(surface mount package)에 배치될 수 있다. 이러한 실시예는 코일의 기하학적 배향에 대한 신축성을 부여하는데, 이는 두 코일 사이의 결합도를 최소화하는데 도움을 준다. 다른 실시예에서는 스탬핑처리된 코일을 개별 및/또는 에칭처리된 코일과 치환하여 이용할 수 있다. 이와 달리, 이러한 코일들은 구리 또는 알루미늄 와이어의 루프로 구현될 수도 있다. 이러한 방법은 재활용 목적의 견고한 태그에 흔히 사용된다. 인덕터 코일은 강자성 재료(ferromagnetic material)를 이용하여 제작될 수 있다.

비용을 우선으로 고려하는 경우에, 인덕터 코일 및/또는 커패시터 플레이트를 제작하는데 선호되는 재료는 알루미늄이다. 하지만, 비용이 1차적인 관심사가 아니라면, 높은 전도성을 갖는 다른 금속 재료도 인덕터 코일 및/또는 커패시터 플레이트의 제작에 사용될 수 있다. 이러한 재료에는 구리, 주석, 납, 니켈, 금, 은, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 백금, 및 이러한 금속의 합금들이 포함된다.

도 4에는 트랜스폰더(12)에 대한 패키지 구성의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 제 1 코일(L_1T)은 단층(single layer)의 페이퍼 태그 코일(paper tag coil)로 구현될 수 있다. 제 2 코일(L_2T)과 두 개의 커패시터(C_T와 C_SW)는 인쇄 회로(PC : printed circuit) 기판(36) 상에 배치된다. 제 2 코일(L_2T)은 높은 양호도(Q)를 갖는다. 스위치(30)(S₁)(도시되지 않음) 역시 PC 기판(36) 상에 배치된다.

당업자는 본 발명의 광범위한 사상으로부터 벗어남이 없이 전술한 실시예에 대해서 변경이 이루어질 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 그래서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항에 명시된 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 여러 변형 예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

제 1 인덕터 및 이에 직렬로 결합된 제 2 인덕터와, 제 1 커패시터와, 제 2 커패시터, 및 스위치를 포함하는 트랜스폰더(transponder)에 있어서,

(a) (ⅰ) 상기 직렬 결합된 제 1 및 제 2 인덕터와 (ⅱ) 상기 제 1 커패시터의 병렬 결합으로 구성되며, 제 1 공진 주파수를 갖는 제 1 공진 회로와,

(b) 상기 제 2 인덕터에 병렬 결합되고, 일단이 상기 직렬 결합된 제 1 및 제 2 인덕터의 공통 결합점(common connection)에 결합되는 상기 제 2 커패시터와 상기 스위치의 직렬 결합으로 구성되는 제 2 회로를 포함하여 구성되며,

상기 스위치가 개방될 때, 상기 제 2 회로는 상기 트랜스폰더에 대해서 최소한의 영향을 미치거나 또는 전혀 영향을 미치지 않으며, 상기 트랜스폰더가 상기 제 1 공진 주파수의 또는 이 공진 주파수에 근접한 외부 필드(external field)에 노출될 때 상기 제 1 공진 회로는 상기 제 1 공진 주파수로 공진하며,

상기 스위치가 닫혀질(close)될 때, 상기 제 2 회로는 상기 제 1 공진 주파수를 갖는 전류 흐름을 차단(block)하거나 최소화하는 기능을 하는 고 임피던스의 병렬 공진 회로를 형성하며, 그래서 상기 트랜스폰더가 상기 외부 필드로부터 임의의 상당한 양의 전력을 유인(draw)하는 것과 상기 제 1 공진 주파수로 공진하는 것을 방지하며, 그 결과 상기 트랜스폰더는 그 주위로부터 감결합(decouple)되는 것을 특징으로 하는 트랜스폰더.
제 1항에 있어서,

L_1T는 상기 제 1 인덕터의 인덕턴스이고,

L_2T는 상기 제 2 인덕터의 인덕턴스이고,

M₁₂상기 제 1 및 제 2 인덕터 사이의 상호 인덕턴스이고,

C_T는 상기 제 1 커패시터의 커패시턴스이고,

L_T= L_1T+ L_2T+ M₁₂로 주어질 때,

상기 제 1 공진 주파수는인 것을 특징으로 하는 트랜스폰더.
제 2항에 있어서,

L_2T는 상기 제 2 인덕터의 인덕턴스이고,

M₁₂는 상기 제 1 및 제 2 인덕터 사이의 상호 인덕턴스이고,

M₀₂는 상기 제 2 인덕터와 인테로게이션 안테나(interrogation antenna)의 인덕터 사이의 상호 인덕턴스이고,

C_SW는 상기 제 2 커패시터의 커패시턴스로 주어지고,

상기 스위치가 닫혀질 때, 상기 제 2 회로의 병렬 공진 주파수는 :

이며,

상기 인덕터와 커패시터의 값들은 병렬 공진 주파수f _PAR이 상기f ₀와 같게 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 트랜스폰더.
제 1항에 있어서, 상기 트랜스폰더는 무선 식별(RFID: radio frequency identification) 태그(tag)에 사용되는 무선 주파수 지능형 태그 회로(radio frequency intelligent tag circuit)인 것을 특징으로 하는 트랜스폰더.
제 4항에 있어서, (c) 상기 제 1 공진 회로에 결합되어 데이터를 출력하기 위한 집적 회로(IC: integrated circuit)를 더 포함하며,

상기 스위치의 상태를 변경함으로써 상기 데이터가 변조되어 상기 트랜스폰더로부터 상기 인테로게이션 리더(interrogation reader)로 전송되는 것을 특징으로 하는 트랜스폰더.