KR20070011659A - 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조 - Google Patents

슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명의 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조는 상기 한 개 이상의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴 안테나에 각각 한 쌍 이상의 슬롯홀을 형성하여 슬롯-임피던스 매칭을 구현하도록 한 장치이다.
슬롯홀을 구비한 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나는 슬롯홀을 이용하여 슬롯-임피던스 매칭을 구현한 미앤더 또는 루프 형태를 가지는 한 개 이상의 다이폴 안테나를 연결포트를 통하여 상기 안테나 중앙의 RF회로 입력단과 직렬로 연결한 것이다.
본 발명의 슬롯홀을 구비한 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조에 있어서는 슬롯홀을 이용한 임피던스 매칭 방법을 구현함으로써 안테나의 반사손실을 감소시킬수 있고, 입력임피던스의 리액턴스를 변화시킴으로써 안테나의 특성을 개선시킬수 있다.
슬롯홀, 임피던스, 매칭, 미앤더, 루프, 평면 안테나

Description

슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조{Flat dipole antenna structure operating slot-impedance matching}
도1는 종래 동박형 루프 안테나 구조
도2은 종래 여러 개의 미앤더 형태의 다이폴 안테나를 연결한 여러 형태의 실시례
도3은 본 발명의 슬롯홀을 구비한 평면 다이폴 안테나 실시례1
도4은 본 발명의 슬롯홀을 구비한 평면 다이폴 안테나 실시례2
도5은 본 발명의 슬롯홀을 구비한 평면 다이폴 안테나 실시례3
슬롯 안테나(2005. 03. 07. 특허공개 제10-2005-0021226호)
본 발명은 전자태그(Radio Frequency Identification)용 안테나에 관한 것으로, 특히 지향성 전파수신 구조를 가지는 슬롯-임피던스 매칭(slot-impedance matching)을 구현한 미앤더 또는 루프(meander or loop) 형태의 평면 안테나 구조에 관한 것이다.
사물에 RFID, 고기능 센서등을 부착하여 유,무선 가입자망과 연동함으로써 이용자 를 중심으로 각 사물의 정보를 수집.가공하고, 이를 기반으로 서비스를 제공할 수 있는 USN(Ubiquitous Sensor Network)기술이 향후 정보통신의 핵으로 떠오르고 있다. 그 USN기술은 먼저 인식정보를 제공하는 전자태그(RFID)를 중심으로 발전하게 되었으며, 그 전자태그(RFID)의 지향성 안테나 패턴의 수요가 꾸준히 늘어남에 따라, 다이폴 안테나를 채용하는 무선통신 평면 안테나 구조가 개시되게 되었다.
통상적으로, RFID 기술은 전파 신호, 즉 라디오 주파수를 이용한 무선 인터페이스를 통해 사물의 정보를 원격으로 주고 받을 수 있는 기술로서, 기존 바코드의 단점을 보완하여 사물의 정보화를 촉진함으로써 향후 USN환경의 핵심 기술로 활용될 예정이다. 그러한 USN환경에서 RFID 기술은 정보를 원격에서 주고 받을 수 있는 안테나 파트가 필요하며, 고품질의 지향성 통신을 행하는데 있어서 매우 중요한 기능을 담당하는 전자태그는 평면안테나 패턴의 기술로서 구현할 수 밖에 없다. 능동 전자태그(Active RFID) 송신의 경우의 안테나 파트는 내장된 RF회로 블록에서 공급되는 전기적 신호를 받아 설정된 특성으로 전파를 방사하고, 수신의 경우의 안테나 패턴은 공간에서 유입되는 전파 중에서 필요한 전파를 최적으로 수신하도록 설계된다.
전형적으로, 전자태그의 안테나 패턴은 도1과 같이 적용되는 RF회로에 맞는 동박형 루프(loop) 안테나 구조로 이루어져 있다. 상기 루프 안테나 구조는 평면 안테나로서 현재 UHF(Ultra High Frequency) 주파수 대에서 통상적으로 사용되며, 루프 안테나를 통과하는 전파가 전자기파로 변환되게 구현하였다. 상기 루프 안테나 구조는 RF회로 입력단을 중심으로 일정거리 이격된 루프방식을 가지며, 해당 주파수에 적합한 횟수만큼의 루프 패턴 형태로 만들어진다. 상기 전자태그 안테나 패턴에 있 어서, 종래의 루프 안테나는 굵기가 가는 동박의 여러 루프를 통한 전파수신으로 전파수신거리가 짧으며, 편파 특성이 강하게 작용하여, 효율적인 전파수신이 되지 않으며, 가는 동박의 구현을 위한 동박 부식(Etching)으로 불량율이 많은 단점이 있다. 그러므로, 상기한 문제들을 해결할 수 있는 개선된 기술이 본 분야에서 절실히 요구되는 실정이다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 기판에 여러 개의 미앤더 형태의 다이폴 안테나를 연결한 것이 개시되어 있다. 도2는 상기한 바와 같이 기판에 여러 개의 미앤더 형태의 다이폴 안테나를 연결한 여러 형태의 도면을 보여준다.
이러한 전자태그(RFID) 안테나 구조는 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 형태의 평면 다이폴 안테나 구조를 가지고 있으며, 상기 패턴을 마이크로 칩으로 된 RF회로 입력단의 수에 따라 배치함으로써 평면상에 지향성을 가지는 안테나가 된다.
그러나 종래의 미앤더 다이폴 안테나는 그 장점에도 불구하고 전계성분이 반대방향으로 분포되어 서로 상쇄됨으로서 방사되는 전자기장 에너지가 줄어드는 단점이 있어서 굳이 미앤더를 적용하지 않는 단순한 형태의 슬롯 안테나(2005. 03. 07. 특허공개 제10-2005-0021226호)도 개시되어 있다.
일반적으로 안테나와 선로를 정합(impedance matching)하는 방법은 스터브, λ/4 공진기를 이용하는 방법, T-임피던스 매칭법, 슬롯(Slot)-임피던스 매칭법 등 다양한 방법이 사용할 수 있다. 일반적인 슬롯-임피던스 매칭법으로 종래의 미앤더(meander) 형태의 다이폴 안테나 구조는 공진점에서의 반사 손실이 4dB로써 안테나의 특성이 매우 나쁜 것으로 지적되고 있다.
종래의 전자태그 안테나가 가지는 안테나 특성 예컨대, 전파 수신거리와 편파특성 및 특수태그용 안테나 패턴을 전반적으로 개선하는 것도 필요해진다.
본 발명의 목적은 동박 루프 조합형을 채용하는 대신에 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 또는 루프(meander or loop) 형태의 개선된 안테나 패턴을 제공함에 있다. 본 발명에서 "미앤더 또는 루프 형태"의 안테나라 함은 미앤더 또는 루프 형태로 된 것뿐만 아니라 미앤더와 루프의 조합으로 된 것을 포함하는 의미이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전파 송수신 효율을 안정적이면서 향상된 전파 송,수신 거리를 갖는 전자태그 평면안테나 구조를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 이론에 따른 전자태그 안테나 구조는 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 또는 루프 형태의 개선된 안테나 구조로 이루어져 있다.
상기한 본 발명의 목적들, 특징, 그리고 구조상의 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 기술되는 본 발명의 상세하고 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 도면들 내에서 서로 동일 내지 유사한 부분들은 설명 및 이해의 편의상 동일 내지 유사한 참조부호들로 가급적 기재됨을 주목하여야 한다.
일반적으로 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴 안테나는 상호 대칭형의 미앤더 또는 루프 형태의 도전체(이하 다이폴1,2라 한다)와; 상기 다이폴(1,2)를 연결하는 연결포트(1p,2p)와; 상기 다이폴이 부착되는 기판(3)과; RF회로 입력단(Input point,4) 으로 구성된다.
본 발명의 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조에서는 상기와 같은 문제점을 개선할 수 있는 방법으로 다이폴(1,2)에 각각 슬롯홀(slot hole, 1h,2h)을 구비한 슬롯-임피던스 매칭회로를 사용하는 것을 새로이 제안한다.
본 발명의 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조는 상기 한 개 이상의 미앤더 또는 루프 형태(미앤더와 루프의 조합으로 된 것을 포함한다)의 다이폴(1,2)에 각각 한 쌍 이상의 슬롯홀(1h,2h)을 형성하여 슬롯-임피던스 매칭을 구현하도록 한 장치이다. 상기 각 다이폴에 형성된 슬롯홀(1h,2h)은 안테나 패턴간의 상호작용으로 마이크로 칩이 부착된 RF 회로에 전기적 에너지를 유도 하는 수단으로 기능한다.
도3 내지 도5의 본 발명의 각 실시례는 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴(1,2)과; 각 다이폴에 형성된 슬롯홀(1h,2h)과; 연결포트(1p,2p)와; 기판(3)과; RF회로 입력단(4)을 포함하고, 안테나 특성에 맞게 정의된 한 쌍 이상의 슬롯홀이 구비된 한 개 이상의 평면 다이폴 안테나를 연결포트를 통하여 상기 안테나 중앙의 RF회로 입력단과 직렬로 연결하여 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조로 되어 있음을 알 수 있다.
본 발명에 있어서 도전체로 된 다이폴(1,2)은 전기전도도가 양호한 금속성 재질, 예컨대 구리 성분을 포함하는 금속판 또는 동박을 원재료로 사용하고, 다이폴의 길이와 폭, 수평으로 구부리는 횟수와 모양, 슬롯의 폭 등은 안테나의 특성에 따라 정의된다. 예컨대, 900 MHz 주파수 대역을 사용하는 전자태그인 경우 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴 안테나의 동박의 폭은 전파수신거리에 따라 결정한다.
그 다이폴이 부착되는 기판(3)은 유전체로서 필름재질은 PI, PET, 종이 등 전파효율을 극대화하는 유전율 계산에 의하여 전자태그의 적용범위에 따라 제품의 특성에 맞춰 적용하는 것이 바람직하다.
도3 내지 도5는 수 개의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴 안테나에 슬롯홀을 구비하여 슬롯-임피던스 매칭을 적용한 수 개의 미앤더 또는 루프 형태의 평면 다이폴(1.2) 안테나를 연결한 평면도이다. 여기서, "슬롯홀을 구비한 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 또는 루프 형태 다이폴 안테나"라는 용어는 종래의 다이폴 형태의 구조를 가지는 전자태그 안테나(도1 및 도2)와 각별히 구별되는 것으로, 슬롯홀을 이용하여 슬롯-임피던스 매칭을 구현한 미앤더 또는 루프 형태를 가지는 한 개 이상의 다이폴 안테나로서 안테나 특성에 맞게 정의된 한 쌍 이상의 슬롯홀이 구비된 한 개 이상의 평면 다이폴 안테나를 연결포트를 통하여 상기 안테나 중앙의 RF회로 입력단과 직렬로 연결한 것이다.
도3 내지 도5에서 각기 하나의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴(1,2) 안테나의 슬롯홀(1h,2h)은 상기 다이폴에 대체로 1쌍 이상의 사각이나 원형의 구멍(hole) 형태로 수평을 이루며, 참조부호 1p 또는 2p는 슬롯-임피던스 매칭 연결포트를 가리킨다.
도3 내지 도5에서 보는 바와 같이 각기 슬롯홀을 포함한 하나의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴(1,2) 안테나는 각 RF회로의 중심에서 대칭형으로 연결됨을 알 수 있다. 각기 슬롯홀을 포함한 하나의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴(1,2) 안테나는 하나의 슬롯홀을 포함한 미앤더 또는 루프 형태의 도전체 폴(1)이 그 대향되는 방향에서 점대칭 혹은 선대칭의 형상을 이루는 다른 슬롯홀을 포함한 미앤더 또는 루프 형태의 도전체 폴(2)과 연결포트(4,5)로 연결되어 이루어 지고, 상기 연결포트 중간에서 RF회로 입력단을 직렬로 연결하여 슬롯-임피던스 매칭이 이루어 지도록 한 것이다. 따라서 각 다이폴 회로의 중심에서 동일한 거리에 있는 각 회로의 폭은 서로 동일하고 각 회로간의 간격도 동일한 것이 바람직하다.
상기 구조로 된 평면 다이폴 안테나는 한 개 이상의 평면 다이폴 안테나 회로의 중앙에 중심이 정의되고, 중심에서 멀리 방사해 나감에 따라 미앤더 또는 루프 구조에 에너지를 저장하는 캐패시터 기능을를 하게 된다.
본 발명의 슬롯홀을 구비한 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조에 있어서는 슬롯홀을 구비한 슬롯-임피던스 매칭 방법을 구현함으로써 안테나의 반사손실을 감소시킬수 있고, 입력임피던스의 리액턴스를 변화시킴으로써 안테나의 특성을 개선시킬수 있다.
공진 주파수에서 태그 칩과 안테나가 완전한 공액 정합(임피던스 매칭)을 이루기 위해서는 태그 안테나와 입력 임피던스의 리액턴스를 변화시킴으로써 안테나의 특성을 개선시킬 수 있음을 다음의 수식을 통하여 알 수 있다.
슬롯-임피던스 매칭이 되는 양쪽 단자에서 들여다본 Tag 안테나의 입력 임피던스는 아래의 식과 같다.
Figure 112005039482982-PAT00001
------------------------------- ①
여기서
Figure 112005039482982-PAT00002
는 방사부의 등가 임피던스이고,
Figure 112005039482982-PAT00003
는 슬롯-임피던스 매칭이 되는 양쪽단자의 등가 임피던스이며, M은 방사부와 급전 루프 간의 상호 인덕턴스이다. 방사부가 무한히 긴 도선이라고 가정할 때, 상호 인덕턴스 M은 아래 식과 같이 주어진다.
Figure 112005039482982-PAT00004
---------------------------------------- ②
여기서
Figure 112005039482982-PAT00005
는 자유 공간의 투자율이다.
공진 주파수 (
Figure 112005039482982-PAT00006
)부근에서 방사부의 임피던스는 주파수의 함수로서 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005039482982-PAT00007
------------------------------- ③
여기서
Figure 112005039482982-PAT00008
는 반사부가 공진할 때, 임피던스의 저항 성분이며,
Figure 112005039482982-PAT00009
는 방사부의 quality factor이다. 슬롯-임피던스 매칭이 되는 양쪽단자의 임피던스는 아래의 식과 같다.
Figure 112005039482982-PAT00010
------------------------------- ④
여기서
Figure 112005039482982-PAT00011
는 T-임피던스단의 자체 인덕턴스로서 아래 식과 같이 주어진다.
Figure 112005039482982-PAT00012
--------- ⑤
여기서
Figure 112005039482982-PAT00013
이고,
Figure 112005039482982-PAT00014
이며,
Figure 112005039482982-PAT00015
는 슬롯-임피던스 매칭을 이루는 도선의 등가반경이다. 기판 위에 평면 구조로 인쇄된 슬롯-임피던스 매칭단의 경우 도선의 선폭을
Figure 112005039482982-PAT00016
라고 할 때,
Figure 112005039482982-PAT00017
가 된다.
식 ③과 ④로부터 Tag 안테나의 입력 임피던스
Figure 112005039482982-PAT00018
는 식 ⑥,⑦과 같이 주어진다.
Figure 112005039482982-PAT00019
------------------------------------- ⑥
Figure 112005039482982-PAT00020
---------------------------- ⑦
여기서
Figure 112005039482982-PAT00021
이다.
Figure 112005039482982-PAT00022
일 때 Tag 안테나의 입력 임피던스(
Figure 112005039482982-PAT00023
)는 식 ⑧,⑨와 같이 주어진다 .
Figure 112005039482982-PAT00024
--------------------------- ⑧
Figure 112005039482982-PAT00025
--------------------------- ⑨
공진 주파수에서 태그 칩과 안테나가 완전한 공액 정합을 이루기 위해서는
Figure 112005039482982-PAT00026
이고,
Figure 112005039482982-PAT00027
가 되도록 태그 안테나 임피던스를 조정하면 된다. 그 런데, 식⑧과 ⑨에서 알 수 있듯이 제안된 구조의 태그 안테나에서 입력 임피던스의 저항성분(
Figure 112005039482982-PAT00028
)은 상호 유도계수 M만의 함수이며, 리액턴스 성분(
Figure 112005039482982-PAT00029
)는 T-임피던스 매칭단의 자체 인덕턴스
Figure 112005039482982-PAT00030
만의 함수이다. 따라서
Figure 112005039482982-PAT00031
와
Figure 112005039482982-PAT00032
을 서로 독립적으로 조정할 수 있다.
이는 제안된 구조의 태그 안테나가 임의의 임피던스를 가지는 태그칩에 손쉬운 임피던스 매칭이 가능한 구조임을 보여주는 것이며, 태그 안테나의 임피던스와 입력 임피던스의 리액턴스를 변화시킴으로써 안테나의 특성을 개선시킬 수 있다는 것을 보여준다.
또한 본 발명의 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 또는 루프 형태를 가지는 평면 안테나는 다수의 다이폴 안테나를 직렬로 연결한 것은 물론 양면 기판(PCB)이나 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)로 된 평면 기판 구조에서도 각각의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴 패턴을 연결포트를 통해 상기 안테나 중앙의 RF회로 입력단에 연결하는 구조를 할 수 있다는 것에 유의하라.
상기한 구성으로 이루어진 안테나 패턴에 따르면, 지향성 특성을 갖는 전파수신으로 전자태그의 안정성 있는 전파 송,수신거리가 향상되는 이점이 있게 된다. 또한, 크기 및 면적에 따른 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 또는 루프 형태를 직렬로 여러개 모양을 자유자재로 구현하면서 요구 거리에 비례하는 전자태그 안테나의 개발을 쉽게 할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 슬롯-임피던스 매칭을 이용한 미앤더 또는 루프 형태의 평면 다이폴 안테나 구조에 따르면 안테나 특성이 개선되므로 전자태그의 전파 송수신 효율을 높이는 효과가 있다. 또한, 일정한 형태의 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴과 연동되는 슬롯-임피던스 매칭의 표준화로 개발기간 단축 및 주파수에 맞는 안테나 패턴을 쉽게 구현할 수 있어서 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 미앤더 또는 루프 형태의 다이폴과(1,2); 상기 각 다이폴(1,2)에 형성된 슬롯홀(1h,2h)과; 연결포트(1p,2p)와; 기판(3)과; RF회로 입력단(4)을 포함하고, 한 쌍 이상의 슬롯홀이 구비된 한 개 이상의 평면 다이폴 안테나가 연결포트(1p,2p)를 통하여 상기 안테나 중앙의 RF회로 입력단(4)과 직렬로 연결된 것으로 RF 신호를 감지하고 각 안테나 패턴간의 상호작용으로 RF회로에 전기적 에너지를 유도하는 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조
  2. 양면 기판에서 제1항의 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조
  3. 제1항 및 제2항에 있어서 RF회로의 중심에서 동일한 거리에 있는 각 다이폴 회로의 폭이 서로 동일하고, 각 회로간의 간격이 동일한 슬롯-임피던스 매칭을 구현하는 평면 다이폴 안테나 구조
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