KR20080012883A - Ｒｆｉｄ 안테나 - Google Patents

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KR20080012883A
KR20080012883A KR1020077027129A KR20077027129A KR20080012883A KR 20080012883 A KR20080012883 A KR 20080012883A KR 1020077027129 A KR1020077027129 A KR 1020077027129A KR 20077027129 A KR20077027129 A KR 20077027129A KR 20080012883 A KR20080012883 A KR 20080012883A
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KR1020077027129A
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베자드 타바솔리 호조우리
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트랜스퍼시픽 테크놀러지스, 엘엘씨
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Abstract

무선식별(RFID) 트랜스폰더에 특히 사용하기 적합한 안테나. 제 1 및 제 2 하프 영역들은 각각 표면상 주로 방사 특성을 정의하는 직선의 전도성 영역들 및 표면상 상기 안테나의 양의 반응 특성을 생성하는 나선의 전도성 영역들을 포함한다. 상기 직선의 전도성 영역들은 상기 안테나를 RFID 트랜스폰더로 연결하기 위한 피드 포인트를 가지며, 나아가 각각 나선의 전도성 영역들에 연결된다. 상기 제 1 및 제 2 하프 영역들은 상기 안테나를 쌍극형으로 특성화시키며, 상기 직선의 전도성 영역들을 연결하는 선택적인 루프 영역을 추가하는 것은 안테나를 접힌 쌍극형으로 특성화시킬 수 있다.
무선 주파스, 트랜스폰더, 태그, RFID, 안테나

Description

ＲＦＩＤ 안테나 {RFID ANTENNA}
본 발명은 일반적으로 전자 통신에 관한 것으로, 더 상세하게는 조건-반응 지시 시스템, 더 상세하게는 탐지가능한 장치 또는 태그, 더 상세하게는 신호 송신 및 수신을 위한 특정 공중파 집전기 구조를 갖는 탐지가능한 장치 또는 태그에 관한 것이다.
무선식별(Radio Frequency Identification, RFID) 시스템은 오늘날 광범위하게, 사용이 늘고 있다. 도 1(종래 기술)은 호출기(interrogator) 및 트랜스폰더(transponder)를 포함하는 예시적인 RFID 시스템을 도시한 개략도이다. 일부 RFID 시스템에서 "식별" 정보는 제조과정동안 트랜스폰더 내에 기록되어 절대 변경되지 않으며, 호출기는 단지 리더(reader)가 된다. 그러나, 다른 시스템들에서, 트랜스폰더 내의 식별 정보는 변경될 수 있으며, 호출기는 리더 및 라이터(writer) 양쪽 모두로 사용될 수 있다. 이 관점에서, 여기서 사용되는 "호출기" 라는 용어는 일반적으로 리더, 라이터, 또는 양쪽 모두를 의미한다. "트랜스폰더" 와 "태그" 는 거의 동의어가 되어 있으며 여기서도 그렇게 사용된다.
RFID 태그는 일반적으로 수동형 또는 능동형으로 분류된다. 수동형 RFID 태그는 트랜스폰더 회로 및 안테나를 포함하는데 반해, 능동형 RFID 태그는 추가적으 로 배터리, 연료-셀, 또는 그 동등물과 같은 전원을 포함한다. 트랜스폰더 내 회로는 오늘날 단일 집적 회로 내에 내장되며, 따라서, "트랜스폰더 칩" 이란 용어가 종종 사용된다.
도 1은 수동형 RFID 태그를 도시한다. 상기 태그들은 주로 이 논의에서 예들로 사용되며, 그 이유는 오늘날 상기 태그들이 매우 일반적으로 사용되는 유형이며, 상기 태그들이 대개 본 발명과 함께 사용되는 것에 의해 큰 이점을 갖기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 많은 능동형 RFID 디자인들 또한 본 발명의 사용에 의해 이점을 가질 것이라는 것이 이해되어야 한다.
수동형 RFID 태그는 외부에서 제공된 무선 주파수(radio frequency, RF)파로부터 에너지를 추출한다. 전형적으로 이 RF파는 태그 내에 정보를 판독하거나 기록하도록 안테나를 여기시키는데 사용되는 호출기 신호이다. 내장된 에너지원의 결여는 수동형 RFID 태그들을 더 싸게 제조하도록 하며, 더 지속적이고, 더 신뢰성있게 만든다. 이것은 또한 수동형 RFID 태그들을 친환경적으로 만드는데, 그 이유는 전원에 전형적으로 사용되는 비환경 친화적인 물질들을 포함하지 않기 때문이다. 그러나, 내장된 에너지원의 결여는, 또한 호출기 신호 내에 주어진 에너지와 관련하여 수동형 RFID 태그의 효율적인 작동 범위를 제한한다. 예를 들어, 작동 범위를 증가시키도록 하거나 또는 호출기와 태그 사이의 신호 전파가 다소 제한된다고 할 때, 수동형 RFID 태그와 함께 사용되는 호출기는 바로 업무를 수행하도록 큰 전력 레벨에서 호출기 신호를 방사하여야 한다.
불행히도, 성공적인 호출기-태그 통신을 보장하도록 호출기 신호의 전력 레 벨을 단순히 증가시키는 것이 언제나 가능하지 않다. 예를 들어, 단순한 비효율은 배터리 수명과 호출기 내 열 소실과 같은 문제들을 악화시킬 수 있다. 더 심각한 문제는, 하나의 시스템에 대해 의도된 RF 에너지 방사는 다른 전자 시스템과 간섭을 일으킬 수 있으며, 극한 경우에, 예를 들어, 인간, 동물, 식물, 등등의 생물학적 시스템에 대해 위험할 수 있다. 이 이유 때문에, 대부분의 정부는 RF 에너지 방사 레벨을 제한하며, 미국과 유럽은 이 점에 대해 주목할 만하다.
도 1을 다시 참조하면, 안테나, 매칭 네트워크, 변조기, 정류기, 및 논리 부-회로(logic sub-circuit)를 포함하는 예시적인 수동형 RFID 태그가 도시된다. 상기 안테나는 오늘날 RFID 시스템에 자주 사용되는 쌍극형(dipole-type)이다. 상기 매칭 네트워크는 이하에 설명되는 바와 같이, 선택적이므로, 점선으로 도시된다. 도 1 내의 매칭 네트워크, 변조기, 및 정류기 내에 도시된 회로는 단지 표본일 뿐이며, 논리 부-회로 내에는 어떤 회로도 도시되지 않았는데, 그 이유는 회로가 매우 다양하게 변할 수 있으며, 이 논의에서 특별히 밀접한 관련이 없기 때문이다. 안테나 및 매칭 네트워크는 대개 분리된 구성요소로 실행되어야 하나, 변조기, 정류기, 및 논리 부-회로는 오늘날 대개 단일 집적 회로 "트랜스폰더 칩"으로써 실행된다.
일시적으로 매칭 네트워크를 무시하면, 상기 안테나는 트랜스폰더 칩의 "전단(front end)"에 연결되며, 안테나에 작용하는 호출기 신호의 전자기장은 트랜스폰더 칩이 정류하기 전에 주어진 임계치(threshold) 이상의 전압을 갖는 출력 신호를 생성해야 한다.
수신된 호출기 신호를 정류하는 것은 다양한 목적을 충족시킬 수 있다. 수동형 RFID 태그에서, 논리 부-회로가 작동하는데 필요한 전력을 공급하며, 또한 궁극적으로 트랜스폰더가 후방 산란(backscatter) 방사로써 호출기로 식별 정보를 다시 "전송"하도록 하는 변조기가 작동하는데 필요한 전력을 공급한다. 추가적으로, 만약 트랜스폰더에 정보를 제공하면, 정류는 호출기 신호를 복조한다. 트랜스폰더가 후에 판독되는 때에 "응답" 하는 식별 정보로 논리 부-회로가 프로그램되거나 논리 부-회로가 수용할 수 있도록 다른 어떠한 프로그램되는 경우에 복조한다. 추가적으로, 호출기 신호의 RF 담체(carrier)는, 유효한 호출기 신호, 예를 들어, 특정 부-담체(sub-carrier) 주파수에서 작동하는 트랜스폰더에 대한 일부 지시를 포함할 수 있다. 이것은 트랜스폰더가 다른, 무효한 RF 신호들에 의해 전압이 가해지더라도 휴지(silent) 상태를 유지하도록 한다.
안테나에 의해 생성되는 전압을 극대화하여, 트랜스폰더로 제공되는 에너지를 증가시키도록, 안테나와 트랜스폰더 사이의 임피던스는 사용되고 있는 특정 호출기 신호의 작동 주파수에 부합(match)해야 한다. 이 임피던스 부합을 향상시키는 공지된 하나의 접근은 분리된 성분들의 어느 하나, 예를 들어, 유도자(inductor) 및 축전지 네트워크 또는 마이크로스트립 구조와 같은 분배된 구성요소들의 회로를 이용하는 것이다. 도 1에 도시된 유도자 및 축전지 부합 네트워크는 예이다. 불행히도, 이러한 접근들은 종종 바람직하지 못한데, 그 이유는 비용, 복잡성, 및 RFID 태그의 크기를 증가시키며, 효율을 감소시키기 때문이다.
사용되는 RFID 태그와 호출기 사이의 가능한 동작 범위를 향상시키며, 수신 되는 호출기 신호의 대부분을 만들도록, 트랜스폰더 칩의 RF 회로에 직접 부합하는 안테나를 구비한 RFID 태그의 생산이 가능한 것은 명백히 매우 바람직하다. 불행히도, 이것은 지금까지 다른 바람직하지 못한 결과들 없이 가능하지 않았다.
최적의 임피던스 부합을 달성하도록 트랜스폰더 안테나는 트랜스폰더 칩의 임피던스와 결합해야 한다. 그러나, 다이오드와 축전지의 사용에 기인하여, 트랜스폰더 칩의 전단에서 정류기는 양의 실수 성분과 음의 허수 성분 모두를 포함하는, 거의 모든 경우에서 복소수 값인 입력 임피던스를 갖는다. 따라서, 안테나의 임피던스는 동일한 실수 성분과 양의 허수 성분을 가져야 한다. 이것은 공명 쌍극과 비교하여, 안테나 크기의 증가를 요구하며, 전체적인 트랜스폰더의 크기 및 비용을 감소시키려는 보통의 디자인 목표와 상반된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 무선식별(Radio Frequency Identification, RFID) 트랜스폰더들(또는 "태그들")에 사용하기 위한 향상된 안테나 구조 및 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예는 무선식별(RFID) 트랜스폰더에 사용하기 위한 안테나이다. 제 1 및 제 2 하프(half) 영역은 각각 직선의 전도성 영역과 나선의 전도성 영역을 포함하도록 제공된다.
상기 직선의 전도성 영역들은 주로 안테나의 방사 특성을 정의하며, 나선의 전도성 영역들은 안테나의 양의(positive) 반응 특성을 생성한다. 상기 직선의 전도성 영역들 각각은 안테나가 RFID 트랜스폰더로 연결될 수 있는 피드 포인트(feed point)를 가진다. 상기 직선의 전도성 영역들은 효율적으로 각각의 나선의 전도성 영역들과 연결되며, 제 1 및 제 2 하프 영역들을 갖는 것에 의해, 안테나를 쌍극형으로 특성화시킨다.
즉, 또한 본 발명의 다른 바람직한 실시예는 앞서 언급한 실시예의 모든 구성요소들을 가지며, 추가적으로 제 1 및 제 2 하프 영역들의 직선의 전도성 영역들을 연결하는 루프(loop) 영역을 가져서, 안테나를 접히는(folded) 쌍극형으로 더 특성화시키는 무선식별(RFID) 트랜스폰더에 사용하기 위한 안테나이다.
본 발명의 장점은 고효율로 수동형 RFID 태그들에 사용하기에 특히 적합하다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 또한 많은 능동형 RFID 태그 디자인들에 사용하는데 꽤 적합하고 유리하다.
본 발명의 다른 장점은 소형 크기를 갖는 단순한 구조로 실행될 수 있어서, 크기가 제한되는 적용분야들에 사용하기 적합하고, 제조 및 재료 요건을 매우 저렴하게 한다는 것이다.
본 발명의 다른 장점은 지속적이며 신뢰성 있는 트랜스폰더 탐지를 촉진하면서, 많은 기존의 디자인들에 비해 모든(omni) 방향의 안테나 패턴을 가능하게 한다는 것이다.
본 발명의 또 다른 장점은 추가적이며, 분리된 회로 요소들을 실행하지 않으면서 사용되는 RFID 장치의 정류기와 잘 부합한다는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들 및 장점들은 발명을 실행하는 현재의 최적의 알려진 모드(mode)의 설명 및 도면과 함께 여기서 설명되는 바람직한 실시예의 산업상 적용의 설명에 의해 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
본 발명의 목적들 및 장점들은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1 (종래 기술)은 내부에 호출기, 트랜스폰더, 및 표준 회로를 포함하는 예시적인 RFID 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 쌍극형 안테나를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 쌍극형 안테나를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 접힌(folded)-쌍극형 안테나를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 다른 접힌-쌍극형 안테나를 도시한다.
도면들에서, 유사한 참조 번호가 유사하거나 동종의 구성요소들 또는 단계들을 나타내도록 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 무선식별(Radio Frequency Identification, RFID) 트랜스폰더에 사용하기 위한 안테나이다. 여기의 도면들, 특히 도 2 내지 5에서, 본 발명의 바람직한 실시예들은 일반적인 참조 부호 10, 30, 50 및 70으로 도시된다.
도 2는 2개의 영역들(12, 14)로 구성되는 본 발명에 따른 안테나(10)를 도시한다. 제 1 영역(12)은 주로 방사 성분들, 여기서는 직선의 전도성 트레이스 들(straight conductive traces, 16)로 구성되는 반면, 제 2 영역(14)은 실질적으로 반응성 성분들, 여기서는 나선의 전도성 트레이스들(spiral conductive traces, 18)로 구성된다. 여기서 도면들에 도시된 나선들은 전형적이며, 임의의 구부러진 개수, 길이, 폭 등을 가질 수 있다.
쌍극형 안테나의 특징적인 방식으로, 여기서의 안테나(10)는 우측 쌍극 하프(22)와 거울 상을 이루는 좌측 쌍극 하프(20)를 갖는다. 이러한 안테나(10)의 하프들은 영역(12, 14)에 대응하지 않으며, 영역(12, 14)과 혼동되지 않아야 한다. 안테나(10)의 좌측 쌍극 하프(20)는, 우측 쌍극 하프(22)와 마찬가지로 제 1 영역(12) 및 제 2 영역(14) 모두를 포함한다. 각각의 제 1 영역(12)은, 안테나(10)를 트랜스폰더 칩(미도시)으로 연결하기 위해, 피드 포인트(24)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각의 제 1 영역(12)은 또한, 직접 또는 간접적으로, 각각의 제 2 영역(14)을 연결한다.
사용에 있어서, 제 2 영역들(14)(도 2의 나선의 전도성 트레이스들(18))의 나선 구조들은 실질적으로 안테나(10)의 임피던스의 허수부를 증가시킨다. 상기 나선 구조의 사용은 더 소형의 크기에서 임피던스의 양의(positive) 반응 성분을 생성하므로, 종래의 구불구불한 선(meander-line) 구조보다 특히 유리하다.
도 3은 도 2의 안테나(10)의 쌍극형 원리를 확장한 다른 안테나(30)를 도시한다. 안테나(30)는 또한 2개의 영역들(12, 14)로 구성되나, 여기서 제 2 영역(14)은 2개의 영역들, 즉, 4개의 나선의 전도성 트레이스들(18)을 포함하는 서브-영역(14a)과 서브-영역(14b)을 갖는다.
도 4는 또한 2개의 영역들(52, 54)로 구성되는 본 발명에 따른 안테나(50)를 도시한다. 제 1 영역(52)은 주로 방사 성분들(직선의 전도성 트레이스들(56))로 구성되며, 제 2 영역(54)은 실질적으로 반응성 성분들(나선의 전도성 트레이스들(58))로 구성된다. 여기서 안테나(50)는 또한 좌측 접힌 쌍극 하프(60) 및 거울 상인 우측 접힌 쌍극 하프(62)를 가지며, 각각의 제 1 영역(52)은 트랜스폰더 칩과 연결하기 하기 위한 피드 포인트(64)를 포함하고, 또한 각각의 제 1 영역(52)은, 직접 또는 간접적으로, 각각의 반응성 제 2 영역(54)을 연결한다. 그러나, 도 2의 쌍극 안테나(10)와 달리, 도 4의 안테나(50)는, 통상적으로 전도성 루프들이 접힌 쌍극형 안테나를 생성하는데 사용되는 방법으로 쌍극 하프들(60, 62)을 연결하는 루프 영역(66)을 포함한다.
여기서도, 사용에 있어서, 제 2 영역들(54)(도 4의 나선의 전도성 트레이스들(58))의 나선 구조들은 실질적으로 안테나(50)의 임피던스의 허수부를 증가시키며, 구불구불한 선에 기반한 디자인과 같은 종래의 구조들과 구별된다.
도 5는 도 4의 안테나(50)의 접힌 쌍극형 원리를 확장한 다른 안테나(70)를 도시한다. 안테나(70)는 또한 2개의 영역들(52, 54)로 구성되나, 여기서 제 2 영역(54)은 2개의 영역들, 즉, 4개의 나선의 전도성 트레이스들(58)을 포함하는 서브-영역(54a)과 서브-영역(54b)을 갖는다.
본 발명에 의해 제공되는 이익은 실질적이다. 예를 들어, 915 MHz에서 입력 임피던스가 63 옴(Ohm)의 허수부를 갖는 표준(직선의) 쌍극 안테나에서, 길이는 160 mm 이상이 되어야 한다. 그러나, 도 2의 실시예(안테나(10))를 사용하면, 길이 가 단지 50 mm 이고 폭이 단지 8 mm 이어도 동일한 값을 달성할 수 있으며, 이는 표준 쌍극에 비해 상당한 개선이다.
요약하면, 본 발명은 무선식별(RFID) 시스템, 더 상세하게는 RFID 장치들에 사용하기 위한 안테나에 관련된 것으로, 여기서 임피던스는 트랜스폰더 칩 내의 무선 주파수(RF) 회로와 관련하여 더욱 최적으로 부합한다. 2개의 주요한 영역들이 안테나를 형성하고, 그 중 하나는 주로 방사 성분들, 예를 들어, 전도성 금속 트레이스들로 구성되며, 나머지 하나는 실질적으로 반응성 성분들, 예를 들어 나선의 금속 트레이스들로 구성된다. 이 영역들은, 직접 또는 간접적으로, 트랜스폰더 칩을 연결하기에 적합한 피드 포인트들을 갖는 주로 방사 성분들과 연결된다. 선택적으로, 지금까지 설명된 본 발명의 안테나의 접힌 쌍극 구조에, 주로 종래의 방법으로, 루프 영역을 제공하는 것에 의해 루프 안테나 특성들이 추가될 수 있다.
다양한 실시예들이 상기 설명되었으나, 예시로써 기재된 것이며, 제한적이 아님을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위는 상기 설명된 예시적인 실시예들에 의해 제한되지 않아야 하며, 이하의 청구항들과 그들의 동등물에 따라서만 정의되어야 한다.

Claims (16)

  1. 무선식별(Radio Frequency Identification, RFID) 트랜스폰더에 사용하기 위한 안테나로서,
    주로 상기 안테나의 방사 특성을 정의하는 직선의 전도성 영역; 및
    상기 안테나의 양(positive)의 반응 특성을 생성하는 나선의 전도성 영역을 각각 구비하는 제 1 하프 영역과 제 2 하프 영역을 포함하며,
    상기 직선의 전도성 영역은 상기 안테나가 상기 RFID 트랜스폰더에 연결될 수 있는 피드 포인트를 구비하고,
    상기 직선의 전도성 영역은 그에 대응하는 나선의 전도성 영역에 효율적으로 연결됨으로써, 상기 안테나를 쌍극형으로 특성화하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 하프 영역과 상기 제 2 하프 영역은 하나의 평면 내에 위치하는 대향하는 거울 상인 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 하프 영역과 상기 제 2 하프 영역은 인쇄 회로 기판 트레이스들로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 나선의 전도성 영역들은 각각 2개의 대향하는 나선-형상의 서브-영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 하프 영역 및 상기 제 2 하프 영역의 상기 직선의 전도성 영역들을 연결하여, 상기 안테나를 접힌(folded) 쌍극형으로 특성화하는 루프 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 하프 영역과 상기 제 2 하프 영역은 하나의 평면 내에 위치하는 대향하는 거울 상인 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 하프 영역과 상기 제 2 하프 영역은 인쇄 회로 기판 트레이스들로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 나선의 전도성 영역들은 각각 2개의 대향하는 나선-형상의 서브-영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  9. 무선식별(Radio Frequency Identification, RFID) 트랜스폰더에 사용하기 위한 안테나로서,
    무선 주파수(RF) 에너지를 방사하거나 수용하는 제 1 및 제 2 쌍극 수단을 포함하고;
    상기 제 1 및 제 2 쌍극 수단은 각각 주로 상기 안테나의 방사 특성을 정의하는 직선의 전도성 수단을 구비하며;
    상기 제 1 및 제 2 쌍극 수단은 각각 상기 안테나의 양의 반응 특성을 생성하는 나선의 전도성 수단을 더 구비하며;
    상기 각 직선의 전도성 수단은 일단에서 그에 대응하는 상기 나선의 전도성 수단과 효율적으로 연결되고, 그의 타단은 상기 안테나를 상기 RFID 트랜스폰더로 연결하는 피드 포인트를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 쌍극 수단들은 하나의 평면 내에 위치하는 대향하는 거울 상인 것을 특징으로 하는 안테나.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 쌍극 수단들은 인쇄 회로 기판 트레이 스들로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 나선의 전도성 수단들은 각각 2개의 대향하는 나선-형상의 서브-영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 쌍극 수단 및 상기 제 2 쌍극 수단의 상기 직선의 전도성 수단들을 연결하여, 상기 안테나를 접힌(folded) 쌍극형으로 특성화하는 루프 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 쌍극 수단들은 하나의 평면 내에 위치하는 대향하는 거울 상인 것을 특징으로 하는 안테나.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 쌍극 수단들은 인쇄 회로 기판 트레이스들로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 나선의 전도성 수단들은 각각 2개의 대향하는 나선-형상의 서브-영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
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