KR200385306Y1 - 케이스가 구비된 무선주파수식별시스템용 패치안테나 - Google Patents

Abstract

본 고안은 리더, 안테나, 태그로 구성된 무선주파수식별시스템에서 쓰이는 안테나에 관한 것으로 안테나의 유전체를 세라믹으로 구성하고, 외부에 케이스가 형성된 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나에 관한 것이다.

본 고안에 의한 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는 세라믹 유전체를 사용하여, 유전체의 크기를 대폭 소형화 시켜 안테나 자체의 경량화, 소형화가 가능하며, 케이스를 구비하여 관리대상 물품이 금속제품인 경우에도 RFID용 안테나와 가깝게 밀착되는 경우에도 안테나의 인식률 저하의 영향을 줄일 수 있으며, 내구성이 뛰어나고, 열에 강하며, 금속제품에도 사용하면서도 수신율을 더 높일 수 있어 외부의 충격과 열에 약한 유전체 및 접지판을 파손 및 인식률 저하의 문제점을 해결하기에 적합한 효과가 있다.

본 고안의 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는 세라믹으로 형성되어 있는 유전체세라믹, 상기 유전체세라믹의 일측면에 구비되는 전도성막, 상기 유전체세라믹의 타측면에 구비되는 접지판, 상기 유전체세라믹의 급전구에 삽입되는 급전핀으로 구성되는 패치안테나; 상기 패치안테나와 동일한 형상으로 상기 전도성막측에 구성되는 상부케이스; 상기 접지판에 구성되는 하부케이스로 구성되는 케이스가 구비되어 형성된다.

Description

케이스가 구비된 무선주파수식별시스템용 패치안테나{cased microstrip ceramic patch antenna for radio frequency identification system}

본 고안은 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나에 관한 것으로, 보다 상세히 설명하면 리더, 안테나, 태그로 구성된 무선주파수식별시스템에서 쓰이는 안테나에 관한 것으로 안테나의 유전체를 세라믹으로 구성하며, 외부에 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나에 관한 것이다.

RFID는 창고의 물품관리, 수퍼마켓, 주차관리 등에 적용되고 있으며, 예를 들어 물품에 고유정보가 기록된 태그를 장착하면, 상기 태그를 통해 수신한 정보를 이용하여 콘트롤러에서는 현재 진열대에 남아있는 물품수량 등을 자동으로 파악할 수 있고, 소비자가 별도로 계산을 하지 않더라도 구입해간 물품에 대한 정보도 용이하게 수집할 수 있어, 신용카드로 결제할 수 있는 등의 편리함으로 제공할 수 있어 우리의 생활에 꼭 필요한 시스템이 되었다.

RFID(radio frequency identificatio; RFID)란 바코드, 마그네틱, IC-card 등과 같은 자동인식의 한 분야로서 초단파나 장파를 이용하여 기록된 정보를 무선으로 인식하는 최첨단 방식이다. 이러한 RFID의 원리는 안테나를 통해 태그에 저장된 정보를 수신하여 이를 콘트롤러가 인식하고 분석하여 상기 태그가 장착된 물품의 고유정보를 취득할 수 있도록 하는 것으로서, 이는 주파수를 이용하기 때문에 눈·비·바람·먼지·자속 등 환경의 영향을 받지 않으며, 통과 속도가 빨라 이동 중에도 인식이 가능하고, 원거리에서도 인식이 가능하며 제조과정에서 유일한 ID를 부여하여 위조가 불가능하다는 특징이 있다.

무선주파수식별시스템은 일반적으로 리더, 안테나, 태그로 구성되어 있으며, 안테나는 태그와 리더 사이에서 중개역할을 담당하는데, 전파로써 신호를 보내 태그를 활성화시키거나 비활성화시키고, 데이터를 읽고 쓰는 역할을 담당한다.

안테나의 종류는 셀 수도 없을 만큼 많지만, 일반적으로 사용되는 고주파 안테나 종류는 Dipole Antenna, Monopole Antenna, Patch Antenna, Horn Antenna, Parabolic Antenna, Helical Antenna, Slot Antenna 등이 있다.

마이크로스트립안테나(microstrip antenna)는 평면 안테나의 한 가지로써, 절연체 양면에 접착한 도체판 중 한 쪽의 도체판을 스트립(strip, 얇은 강판)으로 한 것을 마이크로스트립 선로라 하며, 이 판을 인쇄판으로 제작하여 미세 구조로 할 수 있기 때문에 마이크로란 이름이 붙었다. 스트립과 도체판이 2개의 급전선이 되어 선로가 된다. 스트립 선로를 종단에서 반파장 위치로 절단하고, 전송 선로 대신에 스트립의 중심에 엇갈린 점을 지판의 아래 측에서 동축 선로에 급전한 것이 마이크로스트립 안테나이다. 스트립의 폭을 넓게 하면 주파수 대역폭이 넓어지고 전파도 방사하기 쉽게 된다. 정방향으로 한 마이크로스트립 안테나를 네모형 패치 안테나, 원으로 한 것을 원형 패치 안테나라 한다. 마이크로스트립 안테나는 인쇄기판으로 제작하기 때문에 대량 생산에 적합하며 높이가 낮고 평면상으로 되어 견고하다는 등의 여러 가지 특징이 있다. 이 때문에 대량의 작은 안테나를 필요로 하는 어레이 안테나 소자로서 많이 사용된다. 최근 무선통신의 이용이 급증하고 있고 안테나의 대중화에 부응하기 위해, 안테나의 성능을 원하는 만큼 유지하면서 소형화, 저렴화, 대량 생산이라는 또 다른 욕구를 충족시켜야 한다. 이런 욕구를 충족 시킬 수 있는 안테나 중의 하나가 마이크로 스트립 안테나이다. 반면 마이크로 스트립 안테나는 일반적으로 주파수 대폭이 작고 효율이 낮은 특징을 가지나 그것이 지닌 장점들 때문에 최근 많이 연구 개발 되고 있다.

또한 RFID 시스템은 현재 다양한 분야에 걸쳐 사용되고 있으며, 특히 스틸 소재의 제품이 사용되는 응용분야는 매우 다양하다. 그 응용분야는 제철소의 롤샵 및 스틸 자체 이력관리, 가스통 관리, 원자로의 드럼통 등이 대표적인 응용분야이다. 먼저 제철소의 경우는 스틸 자체에 태그를 붙여 스틸 제품을 관리하는 분야, 롤샵내에 롤을 관리하는 롤샵 분야 등이 있다. 스틸 제품 관리는 생산된 냉연 코일에 사람이 바코드를 부착하기 때문에 첫째 동시에 여러 바코드를 읽을 수 없으며, 둘째 데이터를 읽고 쓰기가 불가능하며, 셋째 주위환경에 따라 분진이나 습도 등 바코드 주위가 훼손 될 경우 정확한 데이터를 확보할 수 없을 뿐만 아니라 인식할 수 있는 거리도 한정적이다. 롤샵의 경우는 제철소 내의 열악한 환경 즉, 수십도 까지 올라가는 고열, 냉각을 위한 냉각수, 분진 등으로 바코드나 광센서 같은 인식 장비를 사용할 수 없었다. 그래서 각각의 롤을 분필로 기입하는 등 수작업에 의해 진행하는데 이는 지워지거나 기입한 정보가 항상 지정위치에서 볼 수 없기 때문에 매우 불합리하였다. 그래서 롤의 측면에 태그를 부착하고 크레인이나 PDA와 같은 장비에 RF 리더기를 적용하여 사용함으로써 인식률이 증가하고, 작업의 편의성을 올릴 수 있었으나, 종래의 마이크로스트립안테나는 유전체 기판으로 주로 쓰이는 테프론이나 렉솔라이트 등의 가격이 높아 안테나의 제조가격이 높아지게 되고, 사용되는 유전율이 보통 1.17~10.3의 범위에 있기 때문에 안테나의 크기를 소형화, 경량화 시킬 수 없었으며, 관리대상 물품이 금속 성질의 제품일 경우 관리대상 물품이 RFID용 안테나와 가깝게 밀착 될 경우 인식률이 현저하게 낮아지게 되며, 또한 안테나를 구성하는 유전체 및 접지판은 열에 약하기 때문에 파손과 인식률 저하의 문제점이 있었다.

본 고안은 상기에서와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 유전체 기판을 다양한 유전율을 갖는 세라믹을 사용하여 경량화, 소형화, 저가격화 시킴으로써 효율을 높이고, 케이스를 구비하여 내구성이 뛰어나고, 열에 강하며, 금속제품에도 사용하면서도 수신율을 더 높일 수 있는 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안의 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는 세라믹으로 형성되어 있는 유전체세라믹, 상기 유전체세라믹의 일측면에 구비되는 전도성막, 상기 유전체세라믹의 타측면에 구비되는 접지판, 상기 유전체세라믹의 급전구에 삽입되어 상기 전도성막에 전기적으로 결합하여 급전하는 급전핀으로 구성되어 상기 유전체세라믹의 급전구를 통해 상기 급전핀이 삽입되어 형성되며, 상기 전도성막은 상기 유전체세라믹에 형성된 급전구를 덮도록 구성하여 상기 유전체세라믹의 급전구에 삽입되어 결합되는 급전핀과 전기적으로 결합하게 되고, 상기 접지판의 급전구는 상기 유전체세라믹의 급전구의 크기보다 크도록 형성하여 상기 급전핀과 절연되도록 형성되는 패치안테나; 상기 패치안테나와 동일한 형상으로 상기 전도성막측에 구성되는 상부케이스; 중앙부에 급전구가 천공되어 구비되며, 상기 접지판에 구성되는 하부케이스로 구성되는 케이스가 구비되어 온도안정성이 우수함과 더불어, 안테나의 크기를 대폭 축소할 수 있으며, 제조단가를 낮춰 효율적인 생산이 가능하게 함으로써 안테나의 효율을 더 높일 수 있도록 구성되어 하는 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나를 제공하고자 한다.

이하, 본 고안의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 특징적인 구성과 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 패치안테나의 구조도이고, 도 2는 본 고안에 따른 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나의 분해 사시도이며, 도 3은 상기 도 1의 A-A'선을 따른 단면도이다.

본 고안의 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는, 중앙부에 급전구(111)가 천공되어 구비되고, 세라믹으로 형성되어 있는 유전체세라믹(110), 상기 유전체세라믹(110)의 일측면에 구비되는 전도성막(120), 상기 유전체세라믹(110)의 타측면에 구비되며, 중앙부에 급전구(131)가 천공되어 형성된 접지판(130), 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 삽입되어 상기 전도성막(120)에 전기적으로 결합하여 급전하는 급전핀(140)으로 구성되어 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)를 통해 상기 급전핀(140)이 삽입되어 형성되며, 상기 전도성막(120)은 상기 유전체세라믹(110)에 형성된 급전구(111)를 덮도록 구성하여 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 삽입되어 결합되는 급전핀(140)과 전기적으로 결합하게 되고, 상기 접지판(130)의 급전구(131)는 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)의 크기보다 크도록 형성하여 상기 급전핀(140)과 절연되도록 형성되는 패치안테나(100); 상기 패치안테나(100)와 동일한 형상으로 상기 전도성막(120)측에 구성되는 상부케이스(210); 중앙부에 급전구(222)가 천공되어 구비되며, 상기 접지판(130)에 구성되는 하부케이스(220)로 구성되는 케이스(200)가 구비되어 형성된다.

또한, 상기 하부케이스(220)는 금속재질로 구성될 수 있다.

상기 패치안테나(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유전체세라믹(110), 상기 유전체세라믹(110)의 일측면에 구비되는 전도성막(120), 상기 유전체세라믹(110)의 타측면에 구비되는 접지판(130), 상기 전도성막(120)에 전기적으로 결합하여 급전하는 급전핀(140)으로 구성된다.

상기 유전체세라믹(110)은 중앙부에 급전구(111)가 천공되어 구비되고, 유전율이 4.0~110 인 세라믹으로 구성되어있다. 상기 유전체세라믹(110)은 마이크로스트립 기판인 유전체로서, 정삼각형, 직사각형, 원형, 정사각형, 환형 등의 여러 가지 형태로 제작할 수 있다. 일반적으로 세라믹의 유전율은 4.0~110 사이의 다양한 값을 갖는다. 유전체 기판으로 쓰이는 상기 유전체세라믹(110)의 유전율은 4.0~110 사이의 값을 다양한 세라믹으로 형성한다.

부가적으로, 유전율(dielectric constant, permittivity)이란 두개의 전하가 서로 반발력이나 흡인력을 작용하고 있을 때 전하의 세기와 작용하는 힘의 상호작용을 표시할 때 사용되는 비례상수 이다. 따라서 유전율은 전하 힘을 작용하고 있는 두 전하 사이에 존재하는 물질(매질)의 종류에 따라 다르다. 또한 축전기의 극판 사이에 유전체로서 어떤 물질을 넣을 때의 정전 용량과 아무것도 넣지 않은 경우의 정전 용량의 비로써, 일반적으로 유전체의 유전율은 항상 1보다 크다. 대기의 유전율은 예를 들면 1.000335라고 하는 것과 같이 1보다 약간 큰 값이지만, 그 값은 대기 중에 포함된 수증기의 함유량에 따라 크게 좌우되며 전파의 전파(傳播)에 영향을 준다.

유전율값이 나타내는 의미하는 특성을 살펴보면, 유전율값이 설계에 영향을 미치는 가장 중요한 factor라면 역시 파장 문제이다. 유전율이 높아지면 그 유전체 내에서 진행하는 전자기파의 파장이 Dielectric Constant의 제곱근값으로 나누어지는, 즉 관내파장(Guided Wavelength)값을 가지기 때문에 회로의 구조 크기 자체에 결정적인 영향을 미치게 된다. 일반적으로 회로의 크기를 줄이는 가장 간단한 방법중 하나가 기판이나 공진기로 사용되는 유전체를 보다 고유전율의 재질로 교체하는 방법이다. 그 외에도 굳이 크기를 줄인다는 측면 말고도 유전율이 다른 재질을 혼용하여 각 재질에 맞는 파장성분을 활용하거나, 유전율 조작에 의한 다중파장 생성을 통해 특성을 만들어내는 경우도 있다. 어쨌든 일반적으로 유전율값이 높은 기판을 사용하였을 경우는 기판의 크기가 작아지고, 유전율값이 낮은 기판을 사용하였을 경우는 기판의 크기가 커지게 된다.

일반적으로 세라믹은 종래에 유전체로 쓰이던 물질들에 비해 유전율이 매우 높고 다양함은 물론이고, 온도의 변화에 따른 안정도가 매우 높아 경량화, 소형화에 아주 적합한 특징이 있다.

상기 전도성막(120)은 상기 유전체세라믹(110)의 일측면에 구비되며, 원칙적으로 정삼각형, 직사각형, 원형, 정사각형, 환형 등의 여러 가지 형태를 가질 수 있으며, 상기 전도성막(120)은 일측이 절단되도록 구성되어 상기 전도성막(120)에 의해 형성되는 복사전계가 변동되도록 한다. 또한 상기 전도성막(110)은 일반적으로 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 도전성 물질로 구성되어 안테나의 방사면을 형성한다.

상기 접지판(130)은 상기 유전체세라믹(110)의 타측면에 구비되며, 중앙부에 급전구(131)가 천공되어 형성되며, 상기 접지판(130)의 급전구(131)는 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)의 크기보다 크도록 형성하여, 상기 급전핀(140)과 절연되도록 한다.

상기 급전핀(140)은 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 삽입되어 상기 전도성막(120)에 전기적으로 결합하여 급전하며, 원하는 임피던스 특성을 위치를 적당히 조절하여 변화 시킬 수 있고, 급전점과 전도성막(120) 사이의 결합을 최소화시키는 접지면에 위치한다. 상기 급전핀(140)은 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 대응되는 크기의 지름으로 형성된다.

본 고안의 패치안테나(100)는 상기 유전체세라믹(110)의 상면에 전도성막(120)이 구비되고, 상기 유전체세라믹(110)의 하면, 즉 상기 전도성막(120)이 구비된 타측면의 전체 표면에 상기 접지판(130)이 구성된다. 또한 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)를 통해 상기 전도성막(120)에 전원을 공급하기 위한 급전핀(140)이 삽입되어 형성되며, 상기 전도성막(120)은 상기 유전체세라믹(110)에 형성된 급전구(111)를 덮도록 구성하여 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 삽입되어 결합되는 급전핀(140)과 전기적으로 결합하게 되고, 상기 접지판(130)은 상기 접지판(130)의 급전구(131)는 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)의 크기보다 크도록 형성하여 상기 급전핀(140)과 절연되도록 형성한다.

상기 케이스(200)는 상부케이스(210)와 하부케이스(220)로 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 상부케이스(210)는 상기 패치안테나(100)와 동일한 형상으로 상기 전도성막(120)측에 구성된다. 상기 하부케이스(220)는 중앙부에 급전구(222)가 천공되어 구비되며, 상기 접지판(130)에 구성된다.

상기 상부케이스(210)와 하부케이스(220)는 합성수지로 형성된다. 이는 상기 패치안테나(100)의 접지판(130)에 영향을 주지 않도록 하기 위함이며, 또한 관리대상 물품의 영향을 받지 않기 위함이다. 또한 제철소 등의 온도가 높은 환경에서도 패치안테나(100)의 내구성을 증가시키기 위해서 이기도 하다.

또한 상기 하부케이스(220)는 금속재질로 형성될 수 있다. 상기 하부케이스(220)를 금속재로 형성할 경우, 더욱 견고하여 내구성이 증가되며 상기 패치안테나(100)의 전도성막(120)의 측면이 아닌 접지판(130)측에 결합이 되기 때문에 안테나의 수신률에도 영향이 없을 뿐만 아니라, 상기 접지판(130)과 상호작용하여 오히려 수신거리가 확장된다.

상기 상부케이스(210)와 하부케이스(220)의 체결은 열접합, 볼트결합 등의 다양한 방법으로 가능하나 본 실시예에서는 상기 상부케이스(210)에 결합돌기(211)을 구비하고, 상기 하부케이스(220)에 결합홈(221)을 구비하여 상기 상부케이스(210)와 상기 하부케이스(220)의 사이에 상기 패치안테나(100)를 위치시켜, 상시 상부케이스(210)의 결합돌기(211)와 상기 하부케이스(220)의 결합홈(220)의 결합으로 완성된다.

본 고안은 무선주파수 식별시스템용 태그의 구성에 사용되는 태그용 안테나에도 적용이 가능하여, 무선주파수식별표지의 수신율이 떨어지지 않도록 하면서도, 관리대상 물품이 금속으로 구성된 경우에도 금속제 물품의 영향을 받지 않아 금속 재질의 물품의 이력관리가 가능하도록 하는 효과가 있다.

상기와 같이 구성된 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는 유전율이 4.0~110 인 세라믹을 사용하여 유전체를 구성하여, 유전체의 크기를 대폭 소형화 시켜 안테나 자체의 경량화, 소형화와 안테나의 효율을 더 높일 수 있으며, 또한 본 고안의 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는 주파수 대역이 900㎒(902㎒~928㎒)대역인 RFID를 기반으로 한 시스템에 특히 유용하다.

이상, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 고안의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 고안에 의한 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나는 세라믹을 사용하여 유전체를 구성하여, 유전체의 크기를 대폭 소형화 시켜 안테나 자체의 경량화, 소형화가 가능하여 움직이는 물체뿐 만 아니라 소형물품에도 부착하여 사용이 가능하므로 안테나의 효율을 더 높일 수 있고, 편리한 사용을 가능하게 하며, 케이스를 구비하여 관리대상 물품이 금속제품인 경우에도 RFID용 안테나와 가깝게 밀착되는 경우에도 안테나의 인식률 저하의 영향을 줄일 수 있으며, 내구성이 뛰어나고, 열에 강하여, 알루미늄, 스틸, 합금, 복합구조물, 섬유강화플라스틱, 폴리카보네이트, 아크릴, 텍스타일 등 금속제품 뿐만 아니라 다양한 물품관리에도 사용이 가능하며, 수신율을 더 높일 수 있어 외부의 충격과 열에 약한 유전체 및 접지판을 파손 및 인식률 저하의 문제점을 해결하기에 적합한 효과가 있다.

도 1은 본 고안에 따른 패치안테나의 구조도,

도 2는 본 고안에 따른 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나의 분해 사시도,

도 3은 상기 도 1의 A-A'선을 따른 단면도.

<<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>>

100 : 패치안테나 110 : 유전체세라믹

111 : 급전구 120 : 전도성막

130 : 접지판 131 : 급전구

140 : 급전핀 200 : 케이스

210 : 상부케이스 211 : 결합돌기

220 : 하부케이스 221 : 결합홈

222 : 급전구

Claims (2)

1. 중앙부에 급전구(111)가 천공되어 구비되고, 세라믹으로 형성되어 있는 유전체세라믹(110), 상기 유전체세라믹(110)의 일측면에 구비되는 전도성막(120), 상기 유전체세라믹(110)의 타측면에 구비되며, 중앙부에 급전구(131)가 천공되어 형성된 접지판(130), 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 삽입되어 상기 전도성막(120)에 전기적으로 결합하여 급전하는 급전핀(140)으로 구성되어 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)를 통해 상기 급전핀(140)이 삽입되어 형성되며, 상기 전도성막(120)은 상기 유전체세라믹(110)에 형성된 급전구(111)를 덮도록 구성하여 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)에 삽입되어 결합되는 급전핀(140)과 전기적으로 결합하게 되고, 상기 접지판(130)의 급전구(131)는 상기 유전체세라믹(110)의 급전구(111)의 크기보다 크도록 형성하여 상기 급전핀(140)과 절연되도록 형성되는 패치안테나(100);

   상기 패치안테나(100)와 동일한 형상으로 상기 전도성막(120)측에 구성되는 상부케이스(210); 중앙부에 급전구(222)가 천공되어 구비되며, 상기 접지판(130)에 구성되는 하부케이스(220)로 구성되는 케이스(200)가 구비되는 것을 특징으로 하는 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하부케이스(220)는 금속재질로 구성된 것을 특징으로 하는 케이스가 구비된 RFID용 패치안테나.