KR20070009062A - Polygonal helix antenna for rfid reader - Google Patents

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KR20070009062A KR1020050064032A KR20050064032A KR20070009062A KR 20070009062 A KR20070009062 A KR 20070009062A KR 1020050064032 A KR1020050064032 A KR 1020050064032A KR 20050064032 A KR20050064032 A KR 20050064032A KR 20070009062 A KR20070009062 A KR 20070009062A
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주재율
임성균
오이석
박익모
김영길
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아주대학교산학협력단
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Abstract

A polygonal helix antenna for an RFID reader is provided to adjust a reflective loss characteristic and an operational frequency of a wide band by adjusting an electrical length according to a frequency in a limited antenna size. A polygonal helix antenna for an RFID reader includes a path section. The path section is matched with a feeding line(11), and is operated as an antenna of a predetermined frequency band. The path section forms a polygonal shape when the path section is viewed from a radiation plane in parallel with a ground plane(14). The antenna section has at least one bent shape to the ground plane or a vertical direction. The antenna section comprises a single antenna path of a polygonal shape when the antenna section is viewed from the radiation plane.

Description

알에프아이디 리더용 다각형 헬릭스 안테나 {Polygonal Helix Antenna for RFID Reader}Polygonal Helix Antenna for RFID Reader

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 UHF 대역 RFID 리더용 단겹 구조 다각형 헬릭스 안테나(polygonal helix antenna)의 사시도이다.1 is a perspective view of a single-layer polygonal helix antenna for a UHF band RFID reader according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 나타낸 안테나를 화살표 방향으로 바라 본 측면도이다.FIG. 2 is a side view of the antenna shown in FIG. 1 as viewed in the direction of the arrow. FIG.

도 3은 도 1에 나타낸 안테나를 위에서 내려다본 평면도로서, 안테나 선로가 단겹의 다각형 구조를 이룬다. FIG. 3 is a plan view of the antenna shown in FIG. 1 from above, wherein the antenna lines form a single polygonal structure.

도 4는 도 1에 나타낸 안테나의 다각형 구조를 평면형 구조로 펼쳐놓은 전개도이다. FIG. 4 is a development view in which the polygonal structure of the antenna shown in FIG. 1 is unfolded into a planar structure.

도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 UHF 대역 RFID 리더용 다겹 구조 다각형 헬릭스 안테나의 사시도이다. 5 is a perspective view of a multi-layered polygonal helix antenna for a UHF band RFID reader according to a second embodiment of the present invention.

도 6은 도 5에 나타낸 안테나를 화살표 방향으로 바라 본 측면도이다.FIG. 6 is a side view of the antenna shown in FIG. 5 as viewed in the direction of the arrow. FIG.

도 7은 도 5에 나타낸 안테나를 위에서 내려다본 평면도로서, 안테나 선로가 2겹의 다각형 구조를 이룬다.FIG. 7 is a plan view of the antenna shown in FIG. 5 from above, wherein the antenna lines form a two-ply polygonal structure.

도 8은 도 5에 나타낸 안테나의 다각형 구조를 평면형 구조로 펼쳐놓은 전개도이다. FIG. 8 is a development view in which the polygonal structure of the antenna shown in FIG. 5 is unfolded into a planar structure.

도 9는 도 4와 도 8의 점선부분을 확대한 그림으로서 피치각(pitch angle) (θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6)의 증가 또는 감소에 의해서 선로의 형태가 이루어지는 것을 보인다. 9 is an enlarged view of the dotted line of FIGS. 4 and 8, and the shape of the line is increased or decreased by the pitch angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 , θ 5 , and θ 6 . Seems to be made.

도 10은 단겹 구조 안테나와 2겹을 갖는 다겹 구조 최적화 안테나의 크기에 따른 방사 이득을 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing the radiation gain according to the size of the single-layer structure antenna and the multi-layer structure optimization antenna having two layers.

도 11은 다겹 구조 안테나의 주파수에 따른 반사손실 특성 그래프이다.11 is a graph of return loss characteristic according to the frequency of a multi-ply antenna;

도 12는 다겹 구조 안테나의 전방향(θ = 0°)에서 안테나의 주파수에 따른 원형편파 특성을 나타내는 축비 (Axial Ratio) 그래프이다.12 is an axial ratio graph showing circular polarization characteristics according to the frequency of an antenna in all directions (θ = 0 °) of a multi-ply antenna.

도 13은 다겹 구조 안테나의 전방향(θ = 0°)에서 912 MHz의 단일 편파이득 그래프이다.FIG. 13 is a single polarized gain graph of 912 MHz in all directions (θ = 0 °) of a multi-ply antenna; FIG.

도 14는 다겹 구조 안테나의 Φ = 0°에서 912 MHz의 안테나 방사이득 그래프이다.FIG. 14 is a graph of antenna radiation gain of 912 MHz at Φ = 0 ° of a multi-ply antenna. FIG.

도 15는 다겹 구조 안테나의 Φ = 90°에서 912 MHz의 안테나 방사이득 그래프이다.FIG. 15 is a graph of antenna radiation gain of 912 MHz at Φ = 90 ° of a multi-ply antenna; FIG.

도 16a~16d는 피치각 개수가 1, 2, 3, 4인 다겹 구조 안테나의 펼친 형태를 각각 도시한다.16A to 16D show the unfolded forms of the multi-ply structure antennas having pitch angles of 1, 2, 3, and 4, respectively.

도 17은 다겹 구조 안테나의 피치각의 수가 14, 16, 19일 때의 반사손실 특성 그래프이다.17 is a graph of return loss characteristics when the number of pitch angles of a multiple-ply antenna is 14, 16, and 19. FIG.

도 18은 다겹 구조 안테나의 피치각의 수가 14, 16, 19 일 때의 원형 편파 축비 그래프이다.FIG. 18 is a graph of circular polarization axial ratio when the number of pitch angles of a multi-ply antenna is 14, 16, and 19. FIG.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **

10: 단겹의 다각형 헬릭스 구조의 안테나10: antenna of single layer polygonal helix structure

11: 안테나 급전선 동축선로11: antenna feeder coaxial line

12: 유전체 기판12: dielectric substrate

13: 마이크로스트립 선로(외부단 안테나 선로)13: microstrip line (external antenna line)

14: 접지면14: ground plane

31: 다각 구조의 외부단 안테나의 내부각 31: internal angle of the external antenna of the polygon structure

41: 외부단 안테나 선로의 인쇄모양41: Print shape of the external antenna line

42: 외부단 안테나 선로의 일부 구간42: some sections of the external antenna line

43: 1/4파장 정합기 선로43: 1 / 4-wave matcher track

50: 2겹의 다각형 헬릭스 구조의 안테나50: two-layered polygonal helix structure

51, 81: 외부단 안테나 선로와 내부단 안테나 선로의 연결 선로51, 81: connection line between the external antenna line and the internal antenna line

52: 마이크로스트립 선로(내부단 안테나 선로)52: Microstrip line (internal antenna line)

71: 다각 구조의 내부단 안테나의 내부각71: internal angle of the internal antenna of the polygonal structure

82: 내부단 안테나 선로의 인쇄모양82: print pattern of internal antenna line

91: 안테나의 피치각91: pitch angle of the antenna

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 UHF 대역 (860 MHz ~ 960 MHz) 무선통신식별(Radio Frequency Identification: RFID) 리더(reader)용 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna, and more particularly, to an antenna for a UHF band (860 MHz to 960 MHz) Radio Frequency Identification (RFID) reader.

RFID는 유비쿼터스 컴퓨팅 개념을 실현시키는 데 있어 주요 수단들 중의 하나로 중요성이 높아지고 있으며, 최근의 연구 동향에 따르면 전파특성이 우수한 UHF 대역에서 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. RFID is gaining in importance as one of the major means for realizing the ubiquitous computing concept. According to the recent research trend, a lot of researches are conducted worldwide in the UHF band having excellent propagation characteristics.

RFID 장치는 크게 인식정보를 저장하고 있는 태그와 그 정보를 읽는 리더로 구분 할 수 있다. 태그와 리더는 각각에 장착된 안테나를 이용해 전자기파를 매개체로 정보의 전달을 수행한다. RFID는 HF 대역 (13.56 MHz), UHF 대역 (860 MHz ~ 960 MHz), ISM 대역 (2.4 GHz) 등과 같이 여러 가지 대역에서 실현되고 있다. 그러나 HF 대역의 RFID는 자계결합 방식을 사용해서 안테나 인식영역이 매우 협소하다는 단점을 갖고 있다. ISM대역의 RFID는 주변 환경에 민감하여 전체 RFID 시스템의 성능이 가변적이라는 단점을 갖고 있다. 반면에 UHF 대역은 수동태그의 인식률 및 인식거리가 가장 뛰어날 뿐만 아니라 전자파 방사 방식을 사용해서 다량의 태그를 동시에 빠른 속도로 인식할 수 있는 장점이 있다. 또한 주변 환경에 매우 안정적이고 태그와 태그 칩의 저가 생산이 가능해서 현재 RFID의 사용 대역 중 가장 각광 받고 있는 대역으로 알려져 있다.The RFID device can be largely classified into a tag storing recognition information and a reader reading the information. The tag and reader use the antennas attached to each other to transmit information through the electromagnetic wave. RFID is realized in several bands, such as the HF band (13.56 MHz), the UHF band (860 MHz to 960 MHz), and the ISM band (2.4 GHz). However, the RFID of the HF band has a disadvantage that the antenna recognition area is very narrow by using the magnetic field coupling method. RFID in ISM band is sensitive to the surrounding environment and has the disadvantage that the performance of the entire RFID system is variable. On the other hand, the UHF band has the best recognition rate and recognition distance of passive tags, and it has the advantage of recognizing a large number of tags at the same time using electromagnetic radiation. In addition, it is known to be the most popular band among RFID use bands because it is very stable in the surrounding environment and low-cost production of tags and tag chips is possible.

UHF 대역의 RFID 시스템에서는 리더와 태그를 연결하는 안테나의 역할이 중요하다. 특히 태그 전원을 리더 안테나의 전파로 공급받는 수동형 RFID는 리더 안테나의 특성에 따라 시스템의 통신효율이 결정된다. 효과적인 RFID 리더 안테나 는 동작주파수 대역에서 반사손실이 거의 없어야 하며 (VSWR < 2) 양질의 원형편파(Axial Ratio < 3 dB)를 갖도록 설계되어야 한다. 또한 리더 안테나는 원거리 인식과 다중 태그 인식이 가능하도록 높은 방사 이득과 시스템에서 요구하는 방사 패턴을 가져야 하며, 안테나의 크기는 주어진 공간을 효율적으로 활용하기 위해서 작아야 한다. In the UHF band RFID system, the role of the antenna connecting the reader and the tag is important. In particular, passive RFID, which receives tag power through radio waves of the reader antenna, determines the communication efficiency of the system according to the characteristics of the reader antenna. An effective RFID reader antenna should have little return loss in the operating frequency band (VSWR <2) and be designed to have good circular polarization (Axial Ratio <3 dB). In addition, the reader antenna must have a high radiation gain and the radiation pattern required by the system to enable remote recognition and multi-tag recognition, and the size of the antenna must be small to efficiently use a given space.

현재 원형편파를 방사하는 송수신용 안테나는 많이 개발되었으나 그것을 그대로 RFID 리더 안테나로 사용하기에는 적합하지 않은 측면이 있다. RFID에 적합한 송수신용 리더 안테나의 개발이 필요하며 리더 안테나에 부합되는 안테나 특성을 가져야 한다. At present, many antennas for transmitting / receiving circular polarization have been developed, but there is a side that is not suitable for use as an RFID reader antenna. It is necessary to develop a reader antenna for transmitting / receiving suitable for RFID and have an antenna characteristic that matches the reader antenna.

현재 상용화 되어있는 기존의 RFID 리더 안테나는 마이크로스트립을 이용한 패치형 안테나가 일반적이다. 그러나 패치형 안테나는 반사손실 대역폭과 원형편파 대역폭이 협소하다는 단점을 갖고 있을 뿐만 아니라 리더 안테나의 중요한 특성인 안테나 인식영역을 제어하기가 매우 힘들다. 즉, 안테나 인식영역을 좌우하는 안테나 방사패턴이 단일 패치형 안테나의 경우 패치의 전방(broadside) 방향으로 방사되기 때문에 이 문제점을 해결하기 위해서는 어레이 방식을 써야 한다는 단점을 갖고 있다. 다른 예로서 헬릭스(helix) 안테나의 경우는 원통형(cylindrical), 구형(spherical), 반구형(hemispherical), 사각실선 헬릭스(quadrifilar helix) 등 종류가 많으며 일반적으로 양질의 원형편파를 방사하나 이득, 반사손실 대역폭, 빔폭, 제작의 용이성 면에서 서로 장단점을 갖고 있기 때문에 RFID 리더용 안테나 설계를 위해서는 새로운 유형의 안테나가 요구된다.Conventional RFID reader antennas currently commercially available are patch antennas using microstrip. However, the patch antenna has a disadvantage in that the return loss bandwidth and the circular polarization bandwidth are narrow, and it is very difficult to control the antenna recognition area, which is an important characteristic of the reader antenna. That is, since the antenna radiation pattern which determines the antenna recognition area is radiated in the frontside direction of the patch in the case of a single patch type antenna, an array method is required to solve this problem. As another example, there are many types of helix antennas such as cylindrical, spherical, hemispherical, and quadrifilar helix, and generally emit high-quality circular polarization, but gain and return loss. Because of their advantages and disadvantages in terms of bandwidth, beam width, and ease of fabrication, a new type of antenna is required to design antennas for RFID readers.

본 발명은 앞에서 제시된 필요성에 의해서 창안된 것으로서, 양질의 원형편파 특성을 가져 태그의 방사편파에 상관없이 송수신 할 수 있는 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention has been made in view of the necessity set forth above, and an object thereof is to provide an antenna capable of transmitting / receiving irrespective of a radiation polarization of a tag having a high quality circular polarization characteristic.

본 발명은 또한 태그의 원거리 인식이 용이하도록 높은 방사이득을 가지는 안테나를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide an antenna having a high radiation gain to facilitate remote recognition of a tag.

또한, 본 발명은 방사패턴의 제어가 용이하여 시스템에서 요구하는 인식영역을 만족시킬 수 있는 안테나를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide an antenna that can easily control the radiation pattern to satisfy the recognition area required by the system.

나아가, 본 발명은 저렴한 가격으로 대량생산이 가능한 구조를 가지는 안테나를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Furthermore, another object of the present invention is to provide an antenna having a structure capable of mass production at a low price.

더 나아가, 본 발명은 리더 시스템과 정합을 이루어 반사손실 없이 동작할 수 있는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다. Furthermore, an object of the present invention is to provide an antenna that can operate without return loss by matching with a reader system.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 급전선로와 정합을 이루어 소정 주파수대역의 안테나로 동작되며, 안테나 선로는 접지면과 나란한 방사 평면에서 보았을 때 다각형 모양을 이루는 선로구간을 포함하며, 상기 안테나 선로는 상기 접지면과 수직한 방향으로 적어도 하나의 지점에서 꺾인 형상을 갖는 다각형 헬릭스 구조의 안테나가 제공된다.According to the present invention for achieving the above object, is matched with the feed line is operated as an antenna of a predetermined frequency band, the antenna line includes a line section forming a polygonal shape when viewed from the plane of radiation parallel to the ground plane, The antenna line is provided with an antenna having a polygonal helix structure having a shape bent at at least one point in a direction perpendicular to the ground plane.

바람직한 일 구성예에 따르면, 상기 안테나 선로는, 상기 방사 평면에서 보았을 때, 다각형 모양의 안테나 선로 한 겹만으로 이루어져, 상기 안테나가 단겹 다각형 헬릭스 구조로 될 수 있다. 또한, 바람직한 다른 구성예에 따르면, 상기 안테나 선로는, 상기 방사 평면에서 보았을 때, 크기가 다른 다각형 모양의 안테나 선로들이 다겹으로 중첩되어, 상기 안테나가 다겹 다각형 헬릭스 구조로 될 수 있다. 이 경우, 상기 안테나 선로는 외부단 안테나 선로, 적어도 한 단 이상의 내부단 안테나 선로, 그리고 각 단의 안테나 선로를 서로 연결하는 연결선로를 구비한다. 이처럼, 본 발명의 안테나는 안테나의 원거리 인식 특성을 향상시키도록 내부에 적층 구조 형태를 형성할 수 있다. 특히 외겹 안테나와 그 내부에 반복되는 다수의 단들로 구성되는 적층 구조 사용 시 내부단의 안테나 구조에 의해서 고이득의 방사특성을 보인다. 나아가, 본 발명의 안테나는 피치각과 여러 단의 안테나 구조에 의해서 선로가 감기는 횟수, 전기적 길이, 안테나 높이가 결정된다. 이처럼, 본 발명의 안테나는 적층 구조와 피치각의 변화로 안테나 복사패턴 조절이 용이한 장점이 있다.According to a preferred configuration, the antenna line, when viewed in the radiation plane, consists of only one layer of polygonal antenna line, the antenna may be a single-layer polygonal helix structure. In addition, according to another preferred configuration, the antenna line, when viewed in the radiation plane, the antenna lines of different polygonal shape of different sizes overlap each other, the antenna may be a multi-polygon helix structure. In this case, the antenna line includes an external antenna line, at least one or more internal antenna lines, and a connection line connecting each antenna line to each other. As such, the antenna of the present invention may form a stacked structure therein to improve the remote recognition characteristics of the antenna. In particular, when using a laminated structure composed of an outer layer antenna and a plurality of stages repeated therein, the antenna structure of the inner stage shows high gain radiation characteristics. Furthermore, in the antenna of the present invention, the number of times the line is wound, the electrical length, and the antenna height are determined by the pitch angle and the antenna structure of the stage. As described above, the antenna of the present invention has an advantage in that the antenna radiation pattern can be easily adjusted by changing the stack structure and the pitch angle.

상기 안테나 선로는, 다각형 모양으로 절곡된 유전체 기판면에 인쇄되어 상기 방사 평면에서 보았을 때 다각형을 이루는 마이크로 스트립 선로로 만들어지는 것이 바람직하다. 즉, 안테나 선로가 인쇄된 유전체는 다각형 모양으로 접어 안테나 본체 선로는 접지면과 나란한 방향에서 보았을 때 꺾여서 나타나는 다각구조를 갖는다. 다각형의 각수와 꺾인 각도를 조절하여 선로에 유기된 전류의 회전 각속도 조절할 수 있고, 이는 양질의 원형편파 복사특성을 가질 수 있도록 한다. 상기 유전체 기판은 접어서 다각형 관 형상을 유지할 수 있는 재질의 기판인 것이 바람직하다. 이러한 기판의 예로는 종이판재를 들 수 있다. 이처럼, 본 발명의 안테나의 상용화가 가능하도록 하기 위해서, 안테나의 본체 선로는 가격이 저렴하고 대량생산이 용이한 유전체 기판 위에 마이크로스트립 구조로 구현되고, 유전체 기판을 접어서 다각형 구조로 제작이 가능하다. The antenna line is preferably made of a microstrip line which is printed on the surface of the dielectric substrate bent in a polygonal shape to form a polygon when viewed in the radiation plane. That is, the dielectric on which the antenna line is printed is folded in a polygonal shape so that the antenna main body line has a polygonal structure that appears to be folded when viewed in a direction parallel to the ground plane. By adjusting the angle and angle of the polygon, it is possible to control the rotational angular velocity of the current induced in the line, which makes it possible to have good circular polarization radiation characteristics. The dielectric substrate is preferably a substrate of a material that can be folded to maintain a polygonal tubular shape. Examples of such substrates include paper board materials. As such, in order to enable commercialization of the antenna of the present invention, the main body line of the antenna is implemented in a microstrip structure on a dielectric substrate which is inexpensive and easy to mass-produce, and the dielectric substrate may be folded into a polygonal structure.

또한, 상기 안테나 선로는 상기 접지면과 수직한 방향으로 다수 지점에서 꺾여서 음과 양의 피치각을 갖는 구조인 것이 바람직하다. 상기 피치각은 선로에 유기된 전류 위상이 일정하게 감소하여 선로에 진행파가 형성되도록 하는 값으로 정해진 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 안테나의 구조에 따르면, 안테나 선로의 피치각(pitch angle)이 증가와 감소를 다수 회 반복할 수 있으며, 피치각의 변화점도 변화시킬 수 있는 구조를 가진다. 피치각의 다양한 변화는 전류가 원형편파를 방사할 때 나타나는 전류특징인 일정한 위상변화를 제공한다. 본 발명의 안테나의 향상된 선로 자유도는 안테나 선로의 총 전기적 길이를 증가시켜 안테나의 크기를 소형화 할 수 있으며, 선로에 유기된 전류 위상을 일정하게 감소하도록 조절하여 광대역 원형편파 복사가 용이한 진행파를 형성한다. In addition, the antenna line is preferably a structure having a negative pitch and a positive pitch by bending at multiple points in a direction perpendicular to the ground plane. The pitch angle is preferably set to a value such that the current phase induced in the line is constantly reduced so that traveling waves are formed in the line. That is, according to the structure of the antenna of the present invention, the pitch angle (pitch angle) of the antenna line can be repeated a number of times to increase and decrease, and has a structure that can change the change point of the pitch angle. Various changes in pitch angle provide a constant phase change, which is a current characteristic that appears when a current emits a circular polarization. The improved line freedom of the antenna of the present invention increases the total electrical length of the antenna line, thereby minimizing the size of the antenna, and adjusts to reduce the current phase induced in the line uniformly, thereby forming a traveling wave with easy circular polarization radiation. do.

나아가, RFID 리더 안테나로 이용될 수 있도록, 상기 급전선로는 50Ω의 임피던스를 가지며, 상기 안테나의 동작주파수는 860 MHz ~ 960 MHz의 주파수 대역인 것이 바람직하다. Furthermore, in order to be used as an RFID reader antenna, the feed line has an impedance of 50 Ω, and the operating frequency of the antenna is preferably in the frequency band of 860 MHz to 960 MHz.

이하에서는 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1 ~ 도 9는 본 발명에 따른 대표적인 표본 안테나 두 가지의 구조를 예시적으로 제시한다. 도 1~4에 제시된 안테나(10)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 것 으로서, 5각형의 외부 안테나 단을 갖는 단겹 구조의 polygonal helix 안테나이다. 도 5~8에 제시된 안테나(50)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다겹 구조의 안테나의 일예로서, 특히 5각형의 외부 안테나 단과 4각형의 내부 안테나 단을 갖는 2겹 구조 안테나를 나타낸 것이다.1-9 exemplarily show the structure of two representative sample antennas according to the present invention. 1 to 4, according to the first embodiment of the present invention, is a polygonal helix antenna having a single layer structure having an external antenna stage of a pentagon. The antenna 50 shown in FIGS. 5 to 8 is an example of a multi-ply antenna according to the second embodiment of the present invention. In particular, the antenna 50 shows a 2-ply antenna having a pentagonal external antenna stage and a pentagonal internal antenna stage. .

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 단겹 구조의 polygonal helix 안테나(10)의 구조를 설명한다. 도 1은 이 안테나(10)의 사시도이고, 도 2와 3은 각각 도 1에 도시된 안테나의 측면도와 상면도이고, 도 4 는 도 1의 단겹 구조 안테나의 평면형 인쇄구조를 나타내는 전개도이다. 도시된 안테나(10)는 polygonal helix 안테나의 표본 안테나 구조로서, 이 안테나(10)는 유전체 기판(12) 표면위에 마이크로스트립 선로(13)의 단일 선로가 인쇄되어 형성된다. 마이크로스트립 선로(13)의 시작단은 예컨대 20cm × 20cm 크기의 접지면(14)에 50Ω의 급전선 동축선로(11)로부터 정합되어 급전된다. First, the structure of the polygonal helix antenna 10 having a single layer structure according to the first embodiment of the present invention will be described. 1 is a perspective view of this antenna 10, FIGS. 2 and 3 are side and top views, respectively, of the antenna shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a development view showing a planar printing structure of the single-layer antenna of FIG. The illustrated antenna 10 is a sample antenna structure of a polygonal helix antenna, which is formed by printing a single line of the microstrip line 13 on the surface of the dielectric substrate 12. The start end of the microstrip line 13 is fed from a 50 Ω feed line coaxial line 11 to a ground plane 14 having a size of 20 cm x 20 cm, for example.

좀 더 구체적으로, 안테나(10)는 외부단 안테나 부분(41)내에 마이크로스트립 선로로서 구성되며, 1/4파장 정합기(quarter-wave transformer)(43)에 의해서 광대역 반사손실 대역폭을 갖게 된다. 유전체 기판(12)은 예컨대 두꺼운 종이와 같은 값은 재질을 사용할 수 있다. 마이크로스트립 선로(13)는 유전체 기판(12)의 한 쪽 표면에 인쇄하여 구현된다. 유전체 기판(12)은 다수의 절곡선(42)을 따라 접어서 다각형 관 형상을 이루도록 하여 접지면(14)에 세워서 설치한다. 이에 따라 안테나(10)는 도 3에 도시된 것처럼 위에서 보았을 때 다각 구조의 안테나 외형을 갖는다. More specifically, the antenna 10 is configured as a microstrip line in the outer antenna portion 41 and has a broadband return loss bandwidth by a quarter-wave transformer 43. The dielectric substrate 12 may be made of a material such as a thick paper. The microstrip line 13 is implemented by printing on one surface of the dielectric substrate 12. The dielectric substrate 12 is installed along the ground plane 14 so as to form a polygonal tube shape by folding along a plurality of bend lines 42. Accordingly, the antenna 10 has a polygonal antenna shape when viewed from above as shown in FIG. 3.

또한, 도 4와 이의 부분확대도인 도 9를 참조하면, 절곡선(42)에 의해서 구분되는 안테나(10)의 마이크로스트립 선로(13)는 측면에서 볼 때 여러 지점에서 상하로 다양하게 꺾이는 형태를 취하여 다양한 피치각(91: θ1, θ2, ..., θ6)의 변화를 가지는 구조로 된다. 마이크로스트립 선로(13)가 인쇄된 유전체 기판(12)이 접혀서 형성되는 다각 구조의 다각형 수와 다각 구조의 내부 각(31)은 자유롭게 설정할 수 있으며, 파레토 유전자 알고리즘(Pareto Genetic Algorithm)과 같은 최적화 기법을 적용해서 최적 설계 값을 찾을 수 있다. In addition, referring to FIG. 4 and a partially enlarged view of FIG. 9, the microstrip line 13 of the antenna 10 divided by the bending line 42 is variously bent up and down at various points when viewed from the side. By taking the equation, a structure having a change in various pitch angles 91 (θ 1 , θ 2 , ..., θ 6 ) is obtained. The polygon number of the polygonal structure formed by folding the dielectric substrate 12 on which the microstrip line 13 is printed and the internal angle 31 of the polygonal structure can be freely set, and an optimization technique such as Pareto Genetic Algorithm The optimal design value can be found by applying.

도 5 내지 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다겹 구조의 다각형 헬릭스(polygonal helix) 안테나(50)의 구조를 도시하는데, 도 5, 6, 7은 각각 이 안테나의 사시도, 측면도와 상면도이고, 도 8은 도 5의 다겹 구조 안테나(50)의 평면형 인쇄구조를 나타내는 전개도이다. 도시된 안테나(50)는 다겹 구조의 일예인 2겹 구조의 안테나이다. 5 to 8 show a structure of a polygonal helix antenna 50 having a multi-ply structure according to a second embodiment of the present invention. FIGS. 5, 6, and 7 are perspective, side and top views, respectively, of the antenna. 8 is a development view showing a planar printing structure of the multi-layered antenna 50 of FIG. 5. The illustrated antenna 50 is a two-ply antenna, which is an example of a multi-ply structure.

2겹 구조의 polygonal helix 안테나(50)는 외부단 안테나 부분(41)의 내부에 내부단 안테나 부분(82)이 배치되고, 이들 두 부분(41, 82)의 스트립라인(13, 52)은 연결 부분(81)의 스트립라인(연결선로)(51)으로 연결되어 2겹 구조의 안테나를 이룬다. 안테나는 유전체 기판(12) 위에 마이크로스트립 선로 구조로 구현되며 예컨대 20 cm × 20 cm의 접지면(14)에 50Ω의 급전선 동축선로(11)로부터 정합되어 급전된다. 이 안테나(50)는 제1 실시예의 단겹 구조의 안테나(10)를 외부단 안테나 부분(41)으로 삼고 그 안에 내부단 안테나 부분(82)을 추가하여 연결 부분(81)으로 서로 연결한 구조로 볼 수 있다. In the two-ply polygonal helix antenna 50, the inner antenna part 82 is disposed inside the outer antenna part 41, and the striplines 13 and 52 of these two parts 41 and 82 are connected to each other. It is connected to the stripline (connecting line) 51 of the part 81 to form a two-ply antenna. The antenna is embodied in a microstrip line structure on the dielectric substrate 12 and is matched and fed from a feed line coaxial line 11 of 50 Ω to a ground plane 14 of 20 cm x 20 cm, for example. The antenna 50 has a structure in which the antenna 10 having the single-layer structure of the first embodiment is used as the outer end antenna part 41 and the inner end antenna part 82 is added therein, and the connecting parts 81 are connected to each other. can see.

좀 더 구체적으로 보면, 이 안테나(50)는 유전체 기판(12) 위에 인쇄된 마이크로스트립 선로(13, 51, 52)로 구현되는데, 유전체 기판(12)으로는 제1 실시예와 같이 값이 저렴한 두꺼운 종이를 이용할 수 있다. 예컨대 하나의 유전체 기판(12) 위에 도 8에 도시된 것처럼 마이크로스트립 선로(13, 51, 52)를 인쇄한 다음, 여러 개의 절곡선(42)(도 8에서 '점선'으로 표시됨)을 따라서 유전체 기판을 접어서 도 5와 같이 2겹 구조의 다각 관 형태의 구조로 만든다. 이렇게 하면, 마이크로스트립 선로(13, 51, 52)는 절곡선(42) 지점에서 꺾여서 도 7의 평면도에 도시된 바와 같은 2겹으로 된 다각형 구조의 안테나 외형을 이룬다. 또한, 도 6과 8, 그리고 도 9에서 도시된 바와 같이 절곡선(42)에 의해서 구분되는 안테나 단면에서는 안테나 선로가 여러 지점에서 수직방향으로 다양하게 꺾여서 여러 가지의 피치각(91)을 가진다. 외부단 안테나 부분(41)의 1/4파장 정합기(43)에 의해서 광대역 반사손실 대역폭을 갖게 된다. More specifically, the antenna 50 is implemented with microstrip lines 13, 51, 52 printed on the dielectric substrate 12, which is inexpensive as the first embodiment. Thick paper can be used. For example, the microstrip lines 13, 51, and 52 are printed on one dielectric substrate 12 as shown in FIG. 8, and then the dielectric along several bend lines 42 (indicated by 'dotted lines' in FIG. 8). The substrate is folded to form a multi-layered tubular structure having a 2-ply structure as shown in FIG. 5. In this way, the microstrip lines 13, 51, and 52 are folded at points of the bend line 42 to form a double-layered polygonal antenna as shown in the plan view of FIG. 6, 8, and 9, antenna cross-sections divided by the bend lines 42 have various pitch angles 91 by variously bending the antenna lines in the vertical direction at various points. The quarter-wave matcher 43 of the outer antenna portion 41 has a wideband return loss bandwidth.

도면에서는 2겹구조의 안테나를 예시적으로 보였지만, 제2 실시예에 따른 안테나는 내부 안테나 단의 수를 3겹 또는 그 이상의 다겹구조로 만들어질 수 있다. 나아가, 1/4파장 정합기(43), 수직방향의 피치각(91), 유전체 기판(12)이 접혀서 형성되는 마이크로스트립 선로의 다각 구조의 다각 수와 형태, 그리고 외부단 안테나의 다각 구조 내부각(31)과 내부단 안테나의 다각 구조 내부각(71) 등은 자유롭게 설정할 수 있다. 이들 요소들 역시 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)과 같은 최적화 기법을 적용해서 최적화 값을 찾을 수 있다. Although the antenna of the two-ply structure has been exemplarily illustrated in the drawings, the antenna according to the second exemplary embodiment may have a three-ply or more multi-ply structure with the number of internal antenna stages. Furthermore, the number and shape of the polygon structures of the quarter-wave matcher 43, the pitch angle 91 in the vertical direction, and the microstrip line formed by folding the dielectric substrate 12, and the inside of the polygon structure of the external antenna The angle 31 and the inner angle 71 of the polygonal structure of the inner stage antenna can be freely set. These factors can also be found by applying optimization techniques such as genetic algorithms.

다음으로, 본 발명의 안테나의 세부 설계변수 결정에 고려되어야 할 주요 사항은 크게 다음 세 부분이다. Next, the main points to be considered in determining the detailed design parameters of the antenna of the present invention are largely the following three parts.

(1) 급전부(1) feeder

본 발명의 안테나는 광대역의 반사손실 대역폭을 확보하기 위해서 급전부의 후속부분에 1/4 파장 정합기를 사용한다. 일반적으로 헬릭스 안테나는 100~200Ω의 임피던스 값을 일정하게 가지며 이로 인해서 광대역의 반사손실 대역폭을 확보할 수 있다. 그러나 급전부의 특성 임피던스 50Ω에 정합시키기 위해서는 정합기를 필요로 하며 본 발명에서는 안테나 선로가 시작하는 부위에 1/4 파장 정합기를 사용해서 100~200Ω인 안테나 본체 임피던스를 50Ω 낮추어 급전 임피던스에 정합시킨다.The antenna of the present invention uses a quarter-wave matcher in the subsequent portion of the feeder to secure the broadband return loss bandwidth. In general, the helix antenna has a constant impedance of 100 to 200 Ω, thereby securing a wide bandwidth return loss bandwidth. However, in order to match the characteristic impedance of the feeder to 50Ω, a matcher is required. In the present invention, a quarter-wave matcher is used at a portion where the antenna line starts to lower the antenna main body impedance of 100 to 200Ω by 50Ω to match the feed impedance.

(2) 안테나 선로의 피치각(2) pitch angle of antenna line

본 발명의 안테나는 광대역의 원형편파 대역폭을 확보하기 위해서 선로의 피치각 증가와 감소를 다수 회 반복할 수 있으며 피치각의 변화점도 변화시킬 수 있는 구조를 가진다. 피치각은 반드시 선로에 유기된 전류 위상이 일정하게 감소하여 선로에 진행파가 형성되도록 결정되어야 한다. The antenna of the present invention has a structure capable of repeating the pitch angle increase and decrease of the line a plurality of times to change the circular polarization bandwidth of the line, and also changes the change point of the pitch angle. The pitch angle must be determined so that the current phase induced in the line is constantly reduced so that a traveling wave is formed in the line.

(3) 안테나선로의 다각구조(3) Polygonal structure of antenna line

다각구조의 모양의 안테나 선로에 유기된 전류의 회전 각속도를 조절할 수 있다. 원형편파의 각속도는 다음의 식에 의해서 결정되며 E1(0,t)와 E2(0,t)는 방사 정면에서 보았을 때 원형편파의 수평과 수직 성분을 의미한다.It is possible to adjust the rotational angular velocity of the induced current in the antenna line of the polygonal structure. The angular velocity of circular polarization is determined by the following equation and E 1 (0, t) and E 2 (0, t) represent the horizontal and vertical components of circular polarization when viewed from the front of the radiation.

Figure 112005038329925-PAT00001
Figure 112005038329925-PAT00001

Figure 112005038329925-PAT00002
Figure 112005038329925-PAT00002

위의 식과 같이 회전 각속도는 시간에 따른 E1(0,t)와 E2(0,t)의 비율에 의해서 결정된다. 본 발명의 안테나는 선로에 진행파가 형성되었다는 전제하에 각단의 선로의 길이가 대략 파장의 정수배가 되도록 하면 원형편파 복사가 용이한 회전 각속도를 얻을 수 있다.As shown in the equation above, the rotational angular velocity is determined by the ratio of E 1 (0, t) and E 2 (0, t) over time. The antenna of the present invention can obtain a rotational angular velocity that is easy to circularly polarize radiation if the length of the line at each end is approximately an integer multiple of the wavelength, provided that the traveling wave is formed in the line.

본 발명의 안테나의 최적 설계변수는 최적화 기법과 성능 예측 시뮬레이터를 동시에 사용하여 결정할 수 있다. 본 발명의 안테나를 RFID용 리더 안테나 로 적용 시, 예컨대 파레토 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화 기법으로 안테나 설계를 할 수 있다. 이 파레토 유전자 알고리즘의 구체적 사용 예는 다음과 같다.The optimal design parameters of the antenna of the present invention can be determined using the optimization technique and the performance prediction simulator simultaneously. When applying the antenna of the present invention as a reader antenna for RFID, it is possible to design the antenna by an optimization technique using, for example, Pareto genetic algorithm. Specific examples of use of this Pareto genetic algorithm are as follows.

표본 안테나들은 EM시뮬레이션 툴에 의해서 성능이 예측된 후, 비용평가함수에 의해서 적합성이 평가된다. 평가된 안테나들은 우열 순위가 결정된 후 유전 법칙이 적용되어 최적화 설계 구조가 도출된다. 리더 안테나를 위한 비용평가함수는 식 (2) ~ (5)로 구성하였다.The sample antennas are estimated for performance by the EM simulation tool and then evaluated for conformance by the cost evaluation function. After evaluating the antennas, the optimized laws are applied to the optimized antennas. The cost evaluation function for the reader antenna is composed of equations (2) to (5).

Figure 112005038329925-PAT00003
(2)
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Figure 112005038329925-PAT00004
(3)
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Figure 112005038329925-PAT00005
(4)
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Figure 112005038329925-PAT00006
(5)
Figure 112005038329925-PAT00006
(5)

식 (2)와 (3)에서 Eff Reader 는 동작 주파수에서의 안테나 효율을 의미한다. BW RFID 는 RFID용 주파수 대역폭을 나타내며 본 발명에서는 전 세계적으로 사용되는 UHF 대역인 860~960 MHz에 근거하여 100 MHz로 설정하였다. BW Reader CPBW Reader 는 각각 설계된 안테나가 가지는 반사손실 대역폭(S11<-10 dB)과 원형편파 대역폭(axial ratio<3 dB)을 나타낸다. 식 (1)과 (2)를 이용한 비용평가에 있어서, Return loss Quality(RQ)와 Axial ratio Quality(AQ)는 동작 대역폭 내에서 반사손실과 원형편파 축비(axial ratio)의 질적 평가를 위해서 추가되었다. RQAQ에 의해서 안테나는 860~960 MHz 대역에서 적은 반사손실과 양질의 원형편파 축비를 고르게 갖게 된다. In equations (2) and (3), Eff Reader is the antenna efficiency at the operating frequency. BW RFID represents a frequency bandwidth for RFID and is set to 100 MHz in the present invention based on the UHF band 860 ~ 960 MHz used worldwide. The BW Reader and CPBW Reader represent the return loss bandwidth (S11 <-10 dB) and circular polarization bandwidth (axial ratio <3 dB) of the designed antenna, respectively. In cost estimation using Equations (1) and (2), Return loss Quality ( RQ ) and Axial ratio Quality ( AQ ) were added for qualitative evaluation of return loss and circular polarization axial ratio within operating bandwidth. . RQ and AQ allow the antenna to have a low return loss and a good circular polarization ratio in the 860-960 MHz band.

식 (4)는 리더 안테나의 크기를 제한하기 위해서 안테나를 포함하는 가장 작은 구의 반경 r에 파수(wave number) k(2π/λ)를 곱한 kr로 안테나 크기를 표준화(Size Norm )하여 설정하였다. Equation (4) was set to the antenna size to the product of the wave number (wave number) k (2π / λ) to the smallest sphere radius r kr comprising an antenna Standardization (Size Norm) to limit the size of the reader antenna.

식 (5)는 리더 안테나의 인식 영역을 최적화하기 위한 비용평가 함수식이다. 이 식은 리더 안테나로부터 최대 인식거리를 리더 안테나의 인식영역(RR Reader )으로 계산한 후, 요구되는 이상적 인식영역 RR RFID 과 비교하여 정량화 한 것이다. 본 발명에서 이상적 인식영역 RR RFID 은 물류 개찰구 환경으로 가정하여 9m2의 넓이를 갖는 3m× 3m 사각 영역으로 설정하였다. 보유한 상용 RFID 리더의 규격에 맞추어 입력단 전력 P T 는 1W, 최소 인식전력 P R,min (minimum detectable power)은 -50 dBmW로 설정하였다. 태그 안테나 방사 이득 G Tag 는 다이폴 안테나가 방사할 때 E-평면상의 편파에 대한 이득으로 하였으며 G Reader 는 리더 안테나의 방사 이득을 나타낸다.Equation (5) is a cost evaluation function for optimizing the recognition region of the reader antenna. This equation calculates the maximum recognition distance from the reader antenna to the reader antenna's recognition zone ( RR Reader ) and quantifies it by comparing it with the ideal ideal recognition zone RR RFID . In the present invention, the ideal recognition area RR RFID is set to a 3m × 3m rectangular area having a width of 9m 2 on the assumption of a logistics ticket gate environment. According to the standard of commercial RFID reader, input power P T was set to 1W and minimum detectable power P R, min (minimum detectable power) was set to -50 dBmW. Tag Antenna Radiation Gain G Tag is the gain of polarization on the E-plane when the dipole antenna emits. G Reader represents the radiation gain of the reader antenna.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 안테나들의 특성에 관해 설명하기로 한다. 도 10은 제1 실시예에 따른 단겹 구조의 안테나(10)와 제2 실시예에 따른 2겹 구조 안테나(50) 각각의 크기에 대한 이득 특성을 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 이들 두 안테나(10)와 (50) 간의 성능차이를 보여주는데, 그래프에 나타난 안테나 크기(kr)에 따른 방사이득(Gain log(dB)) 데이터를 보면, 2겹 구조의 안테나가 방사이득면에서 단겹 구조보다 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 2겹 이상의 다겹 구조 안테나가 단겹 구조 안테나보다 더 우수한 이득특성을 보인다. 도 10에서 점선은 제한된 안테나의 주어진 크기에서 가질 수 있는 이론적인 방사이득의 최대값을 의미한다.Next, the characteristics of the antennas according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a graph showing gain characteristics of the size of each of the antenna 10 having a single layer structure according to the first embodiment and the antenna structure 50 having a double layer structure according to the second embodiment. This graph shows the performance difference between these two antennas (10) and (50) .Gain log (dB) data according to the antenna size (kr) shown in the graph shows that the antenna of the two-ply structure It can be seen that better than single-layer structure in. In general, two or more multi-layer antennas show better gain characteristics than single-layer antennas. The dotted line in FIG. 10 means the maximum theoretical radiation gain that can be obtained at a given size of the limited antenna.

도 11은 제2 실시예에 따른 다겹 구조 표본 안테나(50)의 반사손실 대역폭을 나타낸다. 실제 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 대략적으로 비슷하게 나타났다. 유전자 알고리즘의 최적화 결과, 최적화 된 안테나들은 모두 세계적인 UHF대역 RFID 사용 주파수인 860MHz~960MHz 에서 매우 적은 반사손실과 양질의 원형편파 특성을 가지며 동작하였다. 특히, UHF 대역 RFID의 동작 주파수 912 MHz에서도 적은 반사손실과 양질의 원형편파 특성을 보여준다.11 shows the return loss bandwidth of the multi-ply structured sample antenna 50 according to the second embodiment. The actual measurement results are roughly similar to the simulation results. As a result of the optimization of the genetic algorithm, the optimized antennas all operated with very low return loss and good circular polarization characteristics at 860MHz to 960MHz, the UHF band RFID frequency. In particular, the UHF band RFID shows low return loss and good circular polarization even at the operating frequency of 912 MHz.

또한 실제 측정에 의하면, 다겹 구조의 최적화 안테나들은 단겹 구조의 최적화 안테나들보다 전방향 이득면에서 우월한 특성을 보였다. 즉, 다겹 구조의 최적화 안테나는 같은 안테나의 크기(kr)에서 이론적인 최대 방사 이득 값에 거의 가까운 이득 특성을 보였다. 도 12는 도 5의 표본 안테나의 전방향(θ = 0°)에서의 원형편파 축비를 나타내고 있으며 작동 주파수 912MHz에서 양질의 원형편파를 특성을 확인 할 수 있다. 도 13은 2겹 구조 안테나의 912 MHz에서 선형 안테나를 회전시켜 얻은 전방향(θ = 0°) 단일 편파 이득을 보여준다. 최대이득과 최소 이득의 차이를 고려해볼 때 표본 안테나는 양질의 원형편파를 방사한다. 도 14는 2겹 구조 안테나의 Φ = 0°에서 912MHz 의 안테나 방사이득 그래프이다. 또한, 도 15는 2겹 구조 안테나의 Φ = 90°에서 912MHz의 안테나 방사이득 그래프이다.Also, according to the actual measurement, the optimization antennas of the multi-layer structure showed superior characteristics in the forward gain than the optimization antennas of the single-layer structure. That is, the multi-layered optimized antenna showed a gain characteristic close to the theoretical maximum radiated gain value at the same antenna size ( kr ). FIG. 12 shows the circular polarization axial ratio in the omni-directional direction (θ = 0 °) of the sample antenna of FIG. 5, and it is possible to verify the characteristics of the high quality circular polarization at an operating frequency of 912MHz. FIG. 13 shows an omnidirectional (θ = 0 °) single polarization gain obtained by rotating a linear antenna at 912 MHz of a two-ply structured antenna. Considering the difference between the maximum gain and the minimum gain, the sample antenna emits a good circular polarization. FIG. 14 is a graph showing antenna radiation gain of 912 MHz at Φ = 0 ° of a double-ply antenna; FIG. FIG. 15 is a graph of antenna radiation gain of 912 MHz at Φ = 90 ° of a two-ply structure antenna.

본 발명의 제2 실시예에서 제시한 안테나(50)는 2겹 구조의 최적화 안테나로서, 안테나 크기(kr)가 3.2 정도 되고, 반사손실 대역폭 15.8%(904 MHz~1038 MHz), 원형편파 대역폭 31.9%(780 MHz ~1071 MHz), 약 6 dBi의 방사 이득, 91% 방사효율 특성을 가지는 것으로 측정되었다. 최적화된 다겹 구조 안테나들은 피치각의 변화 회수 제한에 따라 성능 차이를 보이며, 피치각의 변화 회수 증가는 반사손실 대역폭 및 원형편파 대역폭을 증가시키는 역할을 하는 것으로 확인되었다. 도 16a~16d는 각각 피치각(91) 변화 회수가 1, 2, 3, 4인 경우의 안테나선로의 평면형 인쇄구 조 전개도이다. 도 17은 피치각(91)이 14개, 16개, 19인 다겹 구조 안테나의 반사손실을 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 피치각의 변화 회수가 증가 할수록 안테나의 반사손실 대역폭이 커지는 것 보여준다. 도 18은 피치각(91)이 14개, 16개, 19개의 값을 갖는 다겹 구조 안테나의 전방향(θ = 0°) 원형편파 축비를 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 피치각의 변화 회수가 증가 할수록 안테나의 원형 편파 대역폭이 커지는 것 보여준다. 아래의 표 1은 피치각 변화회수와 안테나 성능 사이의 관계를 보인다.The antenna 50 proposed in the second embodiment of the present invention is a two-ply optimized antenna, having an antenna size ( kr ) of about 3.2, a return loss bandwidth of 15.8% (904 MHz to 1038 MHz), and a circular polarization bandwidth of 31.9. % (780 MHz to 1071 MHz), radiation gain of about 6 dBi, and 91% radiation efficiency. The optimized multi-layered antennas show performance differences according to the limited number of changes in pitch angle, and the increase in the number of changes in pitch angle increases the return loss bandwidth and the circular polarization bandwidth. 16A to 16D are planar printing structure development views of the antenna lines when the number of changes of the pitch angle 91 is 1, 2, 3, and 4, respectively. FIG. 17 is a graph showing return loss of a multi-ply antenna having 14, 16, and 19 pitch angles 91. This graph shows that the return loss bandwidth of the antenna increases as the number of pitch angle changes increases. FIG. 18 is a graph showing the omnidirectional (θ = 0 °) circular polarization axis ratio of a multi-layered antenna having a pitch angle 91 of 14, 16, and 19 values. This graph shows that the circularly polarized bandwidth of the antenna increases as the number of pitch angle changes increases. Table 1 below shows the relationship between the pitch angle change frequency and the antenna performance.

[표 1] TABLE 1

피치각 변화 회수Number of pitch angle changes 반사손실 대역폭Return Loss Bandwidth 원형 편파 대역폭Circular polarization bandwidth 1414 6.9%6.9% 14.18%14.18% 1616 15.35%15.35% 15.1%15.1% 1919 21.38%21.38% 33.2%33.2%

발명된 안테나는 다양한 피치각(91) 변화에 의해서 선로에 유기되는 전류의 위상이 조절되어 광대역에서 양질의 원형편파를 방사한다. 내부단 안테나의 수와 구조는 안테나가 동작할 때 방사 이득에 영향을 주며, 전방향(θ = 0°)에서 방사 이득을 높이기 위한 설계변수이다. 접지면과 평행한 안테나 방사 면에서 보았을 때, 나사 모양으로 감기는 횟수, 전체 선로의 모양과 전기적인 길이는 방사패턴과 반사손실 대역폭에 영향을 주며 특히 급전 주위의 1/4 파장 정합기는 안테나가 광대역의 반사손실 대역폭을 갖게 하여, 광대역에서 시스템이 적은 전력손실로 안정된 인식영역을 갖도록 한다.According to the invention, the phase of the current induced in the line is controlled by various pitch angles 91 to radiate high quality circular polarization in a wide band. The number and structure of internal antennas affects the radiation gain when the antenna is operating and is a design variable for increasing the radiation gain in all directions (θ = 0 °). When viewed from the antenna radiation plane parallel to the ground plane, the number of screw turns, the shape and electrical length of the entire line affects the radiation pattern and the return loss bandwidth, especially when the quarter-wave matcher around the feed By having a broadband return loss bandwidth, the system has a stable recognition area with low power loss in a wide band.

위의 두 실시예에 따른 안테나는 UHF대역 (860 MHz ~ 960 MHz) RFID 리더(reader)에 적용 가능한 안테나로서, 송수신에 적합한 고이득의 원형편파를 방사하 도록 설계된다. 기존 헬릭스 안테나가 일정한 피치각을 갖는 반면 본 발명의 안테나는 피치각이 자유롭게 증가 및 감소해서 광대역에서 원형편파를 방사하기 유리한 구조이다. 이러한 자유로운 피치각에 의해서 본 발명의 안테나는 제한된 크기에서 전기적 길이를 길게 할 수 있기 때문에 낮은 동작 주파수를 가지며 광대역에서 동작할 수 있는 점이 장점이다. 또한 본 발명의 안테나는 원거리 인식에 유리하도록 내부에 다겹의 안테나 구조를 가져서 방사이득 면에서 우수한 특성을 갖는다. 나아가, 안테나 본체는 실용적 목적에 부합되도록 저렴한 유전체 기판 위에 마이크로스트립 구조로 구성된다. Antenna according to the above two embodiments is an antenna applicable to the UHF band (860 MHz ~ 960 MHz) RFID reader (reader), is designed to radiate high-gain circular polarization suitable for transmission and reception. While the conventional helix antenna has a constant pitch angle, the antenna of the present invention has a structure in which the pitch angle is freely increased and decreased, which is advantageous for radiating circular polarization in a wide band. This free pitch angle is advantageous in that the antenna of the present invention has a low operating frequency and can operate in a wide band because the electrical length can be increased in a limited size. In addition, the antenna of the present invention has an excellent structure in terms of radiation gain by having a multi-layered antenna structure inside to favor the remote recognition. Furthermore, the antenna body is constructed of microstrip structures on inexpensive dielectric substrates to meet practical purposes.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예컨대 다겹 구조의 예로서 2겹 구조로된 안테나를 설명하였지만, 다각형 안테나 선로가 3겹 이상으로 중첩된 경우도 당업자라면 위 설명으로부터 비교적 용이하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다. As mentioned above, although preferred embodiments of the present invention have been described in detail, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains should realize the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that various modifications or changes can be made. For example, although an antenna having a two-ply structure has been described as an example of a multi-ply structure, even if a polygonal antenna line is overlapped with three or more plies, those skilled in the art will be able to change the embodiment relatively easily from the above description. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not depart from the technology of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 안테나는 전혀 새로운 구조의 헬릭스 안테나 즉, '다겹 구조 polygonal helix 안테나'로서, 다음과 같은 장점 내지 효과를 갖는다. As described above, the antenna according to the present invention is a helix antenna having a completely new structure, that is, a multi-layered polygonal helix antenna, and has the following advantages or effects.

본 발명의 안테나는 선로의 다양한 피치각에 의해서 원형편파 특성에 유리한 전류위상 특징을 가지며, 제한된 안테나 크기에서 주파수에 따른 전기적 길이를 일반적인 헬릭스 안테나보다 유동적으로 조절 할 수 있어서 광대역의 우수한 반사손실 특성과 동작주파수의 조절의 용이성을 갖는다. The antenna of the present invention has a current phase characteristic advantageous to circular polarization characteristics by various pitch angles of the line, and can control the electrical length according to the frequency in a limited antenna size more flexibly than the general helix antenna, so that the excellent return loss characteristics of the broadband and It is easy to adjust the operating frequency.

또한 본 발명의 안테나는 유전체 기판을 접어서 다양한 다각구조를 형성하기 때문에 원형편파의 각속도와 방사패턴의 조절이 용이하며, 내부단 안테나에 의해서 높은 이득의 방사 특성을 가져 원거리의 인식영역을 확보할 수 있다.In addition, since the antenna of the present invention folds the dielectric substrate to form various polygonal structures, it is easy to adjust the angular velocity and the radiation pattern of the circular polarization, and has a high gain radiation characteristic by the antenna of the inner stage to secure the recognition region at a long distance. have.

나아가, 본 발명의 안테나는 광대역에서 적은 반사손실, 양질의 원형편파 방사, 인식영역의 적응성 등의 특징을 가지며 저렴한 가격에 제작이 용이하다.Furthermore, the antenna of the present invention is characterized by low return loss in broadband, high quality circular polarization radiation, adaptability of recognition region, etc., and is easy to manufacture at low cost.

Claims (9)

급전선로와 정합을 이루어 소정 주파수대역의 안테나로 동작되며, 안테나 선로는 접지면과 나란한 방사 평면에서 보았을 때 다각형 모양을 이루는 선로구간을 포함하며, 상기 안테나 선로는 상기 접지면과 수직한 방향으로 적어도 하나의 지점에서 꺾인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나. The antenna line includes a line section having a polygonal shape when viewed from a radiation plane parallel to the ground plane, the antenna line being matched with a feed line, the antenna line being at least perpendicular to the ground plane. An antenna having a polygonal helix structure, characterized in that it has a shape bent at one point. 제 1항에 있어서, 상기 안테나 선로는, 상기 방사 평면에서 보았을 때, 다각형 모양의 안테나 선로 한 겹만으로 이루어진 단겹 다각형 헬릭스 구조의 안테나. The antenna of claim 1, wherein the antenna line comprises only one layer of polygonal antenna lines when viewed from the radiation plane. 제 1항에 있어서, 상기 안테나 선로는, 상기 방사 평면에서 보았을 때, 크기가 다른 다각형 모양의 안테나 선로들이 다겹으로 중첩된 다겹 다각형 헬릭스 구조의 안테나.The antenna of claim 1, wherein the antenna lines have multiple polygonal antenna lines of different sizes when viewed from the radiation plane. 제 3항에 있어서, 상기 안테나 선로는 임의의 다각형 모양의 외겹 안테나 선로와, 이 외겹 안테나 선로의 내부에 배치되어 다겹 구조를 이루는 적어도 한 겹 이상의 내겹 안테나 선로와, 그리고 이들 각 겹의 안테나 선로를 서로 연결하는 연결선로를 구비하는 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나.4. The antenna line of claim 3, wherein the antenna line comprises an outer polygonal antenna line having an arbitrary polygon shape, at least one or more inner layer antenna lines arranged inside the outer antenna line to form a multi-layer structure, and antenna layers of each layer. Antenna of a polygonal helix structure, characterized in that it comprises a connecting line for connecting to each other. 제 1항에 있어서, 상기 안테나 선로는 다각형 모양으로 절곡된 유전체 기판 면에 인쇄되어 지지되며 상기 방사 평면에서 보았을 때 다각형을 이루는 마이크로스트립 선로인 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나.The antenna of claim 1, wherein the antenna line is a microstrip line that is printed and supported on a surface of a dielectric substrate bent in a polygonal shape and forms a polygon when viewed from the radiation plane. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 기판은 접어서 다각형 관 형상을 유지할 수 있는 종이판재로 만들어진 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나.The polygonal helix structure antenna according to claim 1, wherein the dielectric substrate is made of a paper sheet capable of being folded to maintain a polygonal tubular shape. 제 1항에 있어서, 상기 안테나 선로는 상기 접지면과 수직한 방향으로 다수 지점에서 꺾여서 음과 양의 피치각을 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나.The antenna of claim 1, wherein the antenna line has a structure having negative and positive pitch angles by bending at multiple points in a direction perpendicular to the ground plane. 제 7항에 있어서, 상기 피치각은 선로에 유기된 전류 위상이 일정하게 감소하여 선로에 진행파가 형성되도록 하는 값으로 정해진 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나.8. The polygonal helix structure of claim 7, wherein the pitch angle is set to a value such that a current wave induced in a line is constantly reduced to form a traveling wave in the line. 제 1항에 있어서, 상기 급전선로는 50 Ω의 임피던스를 가지며, 상기 안테나의 동작주파수는 860 MHz ~ 960 MHz의 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 다각형 헬릭스 구조의 안테나.The polygonal helix antenna of claim 1, wherein the feed line has an impedance of 50 Ω and an operating frequency of the antenna is in a frequency band of 860 MHz to 960 MHz.
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