KR20090109356A - 알에프아이디 리더 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 안테나를 통하여 태그와 통신하는 RFID 리더의 임피던스 조절 방법은, 상기 안테나가 안정된 상태에서의 제1 리턴 로스를 계산하고, 상기 제1 리턴 로스에 근거해서 상기 RFID 리더 내에서의 제2 리턴 로스를 계산하며, 실제 신호 전송 환경에서의 제3 리턴 로스를 측정하고, 그리고 상기 제3 리턴 로스와 상기 제2 리턴 로스의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절한다.

Description

알에프아이디 리더 및 그것의 동작 방법{RFID READER AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 알에프아이디 리더(RFID reader)에 관한 것이다.
무선 주파수 인식 기술을 채용한 시스템 가운데 하나인 RFID 시스템은 고유한 식별 정보가 부여된 태그(eletronic tag 또는 transponder)와 무선 주파수를 사용하여 태그로부터 비접촉식으로 정보를 독출할 수 있는 RFID 리더(reader 또는 interrogator)로 구성된다. 이러한 RFID 시스템은 태그와 리더 사이의 상호 통신 방식에 따라 상호 유도 방식과 전자기파 방식으로 구분되고, 태그가 자체 전력으로 동작하는 지의 여부에 따라서 능동형과 수동형으로 구분되며, 사용하는 주파수에 따라서 장파, 중파, 단파, 초단파 및 극초단파형으로 구분된다.
주파수가 약 900MHz인 UHF(ultra-high frequency) 대역을 사용하는 RFID 시스템은 ISO 18000-6 Type A/B EPC C1, C1-Gen2 등 다양한 표준을 바탕으로 한 고정형 리더(stantionary reader) 및 휴대형 리더(handheld reader) 등을 이용한 다양한 응용 분야에서 적용되고 있다. 최근 RFID 시스템은 예컨대, 공급망 관리(supply chain management, SCM), 이력 관리(traceability management, TM), 자 산 관리(asset management, AM), 생산 관리(production management, PM) 등에 적용되고 있다.
특히 UHF 대역의 RFID 시스템은 인식 거리가 길어서 다양한 응용 서비스를 가능하게 한다. 그러나 RFID 시스템은 셀룰러(cellular) 통신과 같은 이종 무선 통신과의 간섭 또는 멀티 리더 환경에서 리더들 간의 간섭 및 충돌 등의 문제를 내포하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 RFID 주파수 대역에서의 스펙트럼 마스크(spectrum mask)를 제정하고, 스펙트럼 마스크로도 해결할 수 없는 멀티 리더 환경에서의 간섭 및 충돌은 주파수 천이(frerquency hopping, FP)나 액세스 전 채널 모니터(listen before talking, LBT)와 같은 채널 액세스 방법이 제안되고 있다.
도 1은 RFID 시스템의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, RFID 시스템은 호스트 컴퓨터(10), RFID 리더(20), RF 안테나(30) 그리고 태그(40)를 포함한다. RFID 리더(20)는 안테나(30)를 통하여 태그(40)와 통신하며, 태그(40)로부터 전송된 태그 ID를 호스트 컴퓨터(10)로 전송한다.
일반적으로 안테나(30)의 임피던스 매칭(impedance matching) 특성은 RF 방사 전력에 영향을 끼친다. 또한, 안테나(30)의 임피던스 매칭값은 채널별 및 사용 환경에 의해서 상당한 영향을 받는다. 예컨대, 사용자가 안테나(30)에 접촉할 때 안테나의 리턴 로스(return loss) 특성 곡선이 변화하고, 임피던스 매칭값이 변화함에 따라서 RF 방사 전력이 변화하게 된다. 도 1에 도시되지 않은 휴대용 RFID 리더의 경우 사용자의 접촉 발생 빈도는 더욱 높다.
도 2a 및 도 2b는 안테나 리턴 로스에 따른 임피던스 매칭값들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 2a 및 도 2b에서, B1, B2는 미국에서 할당된 주파수 대역을 예시적으로 보여주며, B3, B4는 한국에서 할당된 주파수 대역을 예시적으로 보여준다. 또한 m1-m4는 주파수 대역들(B1-B4) 각각에서의 주파수 임피던스 매칭값들이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 주변 환경 또는 사용자가 안테나에 접촉하는 등의 이유로 안테나 리턴 로스 특성이 채널별로 동일하지 않을 경우 임피던스 매칭값이 채널마다 달라진다. 임피던스 값의 변화에 따라서 RF 방사 전력이 달라진다. RF 방사 전력이 일정하지 않게 되면 RF 전송 효율이 낮아지고 안정된 동작 특성의 구현이 어려워진다.
따라서 본 발명의 목적은 안테나로부터 출력되는 RF 방사 전력이 일정한 값을 유지될 수 있도록 동작하는 알에프아이디 리더 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 안테나를 통하여 태그와 통신하는 RFID 리더의 임피던스 조절 방법은: 상기 안테나가 안정된 상태에서의 제1 리턴 로스를 계산하는 단계와, 상기 제1 리턴 로스에 근거해서 상기 RFID 리더 내에서의 제2 리턴 로스를 계산하는 단계와, 실제 신호 전송 환경에서의 제3 리턴 로스를 측정하는 단계, 그리고 상기 제3 리턴 로스와 상기 제2 리턴 로스의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 단계를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제3 리턴 로스를 측정하는 단계는, 신호를 전송하지 않는 상태에서 채널의 전력을 측정하는 단계, 그리고 정현파 신호를 전송하면서 안테나를 통해 반사되는 상기 제3 리턴 로스를 측정하는 단계를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 임피던스 조절 단계는, 상기 제3 리턴 로스에 상기 채널의 전력을 보정하는 단계, 그리고 보정된 제3 리턴 로스와 상기 제2 리턴 로스의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 안테나를 통하여 태그와 통신하는 RFID 리더는:상기 안테나의 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭 블록, 그리고 상기 안테나를 통해 반사되는 신호의 값을 측정하고, 측정된 값에 따라서 상기 임피던스 매칭 블록을 제어하기 위한 임피던스 제어 신호를 출력하는 임피던스 매칭 제어기를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 수신 블록과;
전송 신호를 출력하는 전송 블록, 그리고 상기 전송 블록으로부터 출력되는 상기 전송 신호를 증폭해서 상기 임피던스 매칭 블록으로 전달하는 전력 증폭기를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 임피던스 매칭 제어기는, 상기 수신 블록 및 전송 블록들로부터 반사되는 제1 반사 신호, 상기 전력 증폭기로부터 반사되는 제2 반사 신호 그리고 상기 안테나로부터 반사되는 제3 반사 신호를 리턴 로스로서 입력받고, 상기 리턴 로스에 대응하는 임피던스 제어 신호를 출력한다.
이 실시예에 있어서, 상기 임피던스 매칭 제어기는, 상기 안테나가 안정된 상태에서 초기 리턴 로스를 계산하고, 상기 초기 리턴 로스에 근거해서 상기 제1 및 제2 반사 신호들의 합을 추정하고, 실제 신호 전송 환경에서의 상기 리턴 로스를 측정하고, 그리고 상기 리턴 로스 및 상기 제1 및 제2 반사 신호들의 합의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절한다.
본 발명에 의하면, 알에프아이디 리더의 안테나로부터 출력되는 RF 방사 전력이 일정한 값을 유지될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 RFID 리더를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, RFID 리더(300)는 안테나(200)와 연결된 임피던스 매칭 블록(301), 저항(302), 전력 증폭기(power amplifier, 304), 방향성 결합기(directional coupler, 303), 수신 블록(320), PLL(phase lock loop, 330), 송신 블록(340), 임피던스 매칭 제어기(350) 그리고 베이스밴드(baseband, 360)를 포함한다.
수신 블록(320)은 저잡음 증폭기(low noise amplifer, 320), 곱셈기(multiplier, 322), 저대역 필터(low pass filter, 323), 평균화기(average, 324), 그리고 아날로그-디지털 변환기(325)를 포함한다.
송신 블록(340)은 구동 증폭기(drive amplifier, 341), 곱셈기(342), 저대역 필터(343), 그리고 디지털-아날로그 변환기(344)를 포함한다.
안테나(200)를 통해 수신된 신호는 방향성 결합기(303)를 통해 수신 블록(320)으로 전달된다. 송신 블록(340)으로부터 출력되는 신호는 전력 증폭기(304), 방향성 결합기(303) 및 임피던스 매칭 블록(301)을 통해 안테나(200)로 전달된다.
임피던스 매칭 제어기(350)는 수신 블록(320)으로 입력되는 신호를 이용하여 리턴 로스(return loss)를 추정한다. 임피던스 매칭 제어기(350)로 입력되는 신호를 리턴 로스 신호(RL)라 칭한다. 임피던스 매칭 블록(301)의 임피던스 매칭값을 제어하기 위한 제어 신호(ICTRL)를 출력한다.
임피던스 매칭 블록(301)은 제어 신호(ICTRL)에 응답해서 안테나(200)의 임피던스를 조절한다.
임피던스 매칭 제어기(350)로 입력되는 리턴 로스 신호(RL)는 수신 블록(320) 및 송신 블록(340)에서 야기되는 제1 반사 신호(Leak1), 전력 증폭기(304) 및 방향성 결합기(303)를 통과하면서 유입되는 제2 반사 신호(Leak2) 그리고 안테나(200)에서 반사되는 제3 반사 신호(Leak3)를 포함한다.
제1 반사 신호(Leak1) 및 제2 반사 신호(Leak2)의 값은 RFID 리더(300)의 특 성에 해당하며, 안테나(200)에서 반사되는 제3 반사 신호(Leak3)는 동작 환경 및 사용자의 접촉에 의해서 달라 질 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 임피던스 매칭 제어기가 임피던스 매칭 블록을 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 과정을 보여주는 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, 임피던스 매칭 제어기(350)는 우선 안테나가 안정된 상태에서 안테나를 통해 반사되는 제3 반사 신호(Leak3)의 값을 측정한다(410). 제3 반사 신호(Leak3)는 안테나의 리턴 로스이다.
제1 내지 제3 반사 신호들(Leak1-Leak3)의 합인 리턴 로스 신호(RL)에서 제3 반사 신호(Leak3)를 빼면 제1 및 제2 반사 신호들(Leak1, Leak2)의 값이 구해진다(420).
제1 및 제2 반사 신호들(Leak1, Leak2)의 값을 알고 있다면 실제 동작 환경에서 리턴 로스 신호(RL)와(430) 제1 및 제2 반사 신호들(Leak1, Leak2)의 차를 구하는 것에 의해 안테나(200)에서 반사되는 제3 반사 신호(Leak3)의 값을 알 수 있다(440). 임피던스 매칭 제어기(350)는 구해진 제3 반사 신호(Leak3)를 이용하여 임피던스 매칭 제어기(301)를 제어하기 위한 제어 신호(ICTRL)를 출력한다. 제어 신호(ICTRL)은 리턴 로스, 즉, 제3 반사 신호(Leak3)가 최소화될 수 있도록 하는 임피턴스 매칭 제어값이 된다.
도 5는 임피던스 매칭 값을 조절하기 위해 RFID 수신기에서 전송 및 수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, RFID 리더(300)는 전파를 송출하지 않고, 사용자는 채널들 의 RF 전력을 측정한다(501). 이 때 RFID 리더(300)의 송신 블록(340)은 동작하지 않으며 수신 블록(320)만 동작한다.
RFID 리더(300)는 정현파(Continuous Wave, CW) 신호를 송출하고, 임피던스 매칭 제어기(350)는 안테나(200)를 통해 반사되는 리턴 로스인 제3 반사 신호(leak3)를 측정한다. 임피던스 매칭 제어기(350)는 리턴 로스에 채널 전력을 보정한 후 제3 반사 신호(Leak3)를 계산한다(502). 제3 반사 신호(Leak3)에 대응하는 임피턴스 매칭 제어값은 제어 신호(ICTRL)로서 출력된다(503).
리런 로스 측정 및 임피던스 매칭값 조절 구간(504)은 RFID 리더(300)가 태그(미 도시됨)와의 통신을 준비하기 위한 프리앰블(preamble) 구간에서 수행된다.
다시 도 3을 참조하면, 임피던스 매칭 블록(301)은 인덕터와 커패시터를 이용한 회로 등으로 조합하여 구성될 수 있다. 인덕터와 커패시터는 직렬 또는 병렬로 조합하여 임피던스의 허수 성분을 증가 또는 감소시킬 수 있도록 연결된다. 또한 임피던스 매칭 블록(301)은 각각의 채널에서 반사 손실이 균일하게 되도록 임피던스가 조절되어야 하므로 변환 가능한 인덕터나 커패시터의 조합이 되도록 구성되어야 한다.
정규 안테나로부터 임피던스 매칭 제어기로 반사되는 리턴 로스(RL)는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112008026794011-PAT00001
리턴 로스(RL)는 반사 계수(Γ)에 의해 결정된다. 반사 계수(Γ)는 RFID 리더(300)의 임피던스와 안테나(200)의 임피던스의 차에 의해 발생한다.
도 6은 RFID 리더의 임피던스 및 안테나의 임피던스를 보여주는 도면이다.
도 6에서 ZL은 RFID 리더의 임피던스를, Z0는 안테나의 임피던스를 나타내며, V-는 안테나로부터 RFID 리더로 반사된 전압 그리고 V+는 안테나로 입사된 전압이다.
반사 계수(Γ)는 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112008026794011-PAT00002
RFID 리더의 임피던스와 안테나의 임피던스가 같으면 임피던스 매칭이 되어서 반사 손실이 최소가 되고, RFID 리더로부터 전송되는 신호는 최적의 방사 조건을 갖게 된다. RFID의 초기 동작시 측정된 리턴 손실 정보를 바탕으로 각 채널에 대한 임피던스 보정이 수행되면, 각 채널에서의 임피던스는 최적의 매칭 특성을 갖게 되므로, 모든 채널에서의 송신 전력은 균일하게 된다.
도 1은 RFID 시스템의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 안테나 리턴 로스에 따른 임피던스 매칭값들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 RFID 리더를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 임피던스 매칭 제어기가 임피던스 매칭 블록을 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 과정을 보여주는 플로우차트이다.
도 5는 임피던스 매칭 값을 조절하기 위해 RFID 수신기에서 전송 및 수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.
도 6은 RFID 리더의 임피던스 및 안테나의 임피던스를 보여주는 도면이다.

Claims (7)

  1. 안테나를 통하여 태그와 통신하는 RFID 리더의 임피던스 조절 방법에 있어서:
    상기 안테나가 안정된 상태에서의 제1 리턴 로스를 계산하는 단계와;
    상기 제1 리턴 로스에 근거해서 상기 RFID 리더 내에서의 제2 리턴 로스를 계산하는 단계와;
    실제 신호 전송 환경에서의 제3 리턴 로스를 측정하는 단계; 그리고
    상기 제3 리턴 로스와 상기 제2 리턴 로스의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더의 임피던스 조절 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 리턴 로스를 측정하는 단계는,
    신호를 전송하지 않는 상태에서 채널의 전력을 측정하는 단계; 그리고
    정현파 신호를 전송하면서 안테나를 통해 반사되는 상기 제3 리턴 로스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더의 임피던스 조절 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 단계는,
    상기 제3 리턴 로스에 상기 채널의 전력을 보정하는 단계; 그리고
    보정된 제3 리턴 로스와 상기 제2 리턴 로스의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더의 임피던스 조절 방법.
  4. 안테나를 통하여 태그와 통신하는 RFID 리더에 있어서:
    상기 안테나의 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭 블록; 그리고
    상기 안테나를 통해 반사되는 신호의 값을 측정하고, 측정된 값에 따라서 상기 임피던스 매칭 블록을 제어하기 위한 임피던스 제어 신호를 출력하는 임피던스 매칭 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 수신 블록과;
    전송 신호를 출력하는 전송 블록; 그리고
    상기 전송 블록으로부터 출력되는 상기 전송 신호를 증폭해서 상기 임피던스 매칭 블록으로 전달하는 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭 제어기는,
    상기 수신 블록 및 전송 블록들로부터 반사되는 제1 반사 신호, 상기 전력 증폭기로부터 반사되는 제2 반사 신호 그리고 상기 안테나로부터 반사되는 제3 반사 신호를 리턴 로스로서 입력받고, 상기 리턴 로스에 대응하는 임피던스 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭 제어기는,
    상기 안테나가 안정된 상태에서 초기 리턴 로스를 계산하고,
    상기 초기 리턴 로스에 근거해서 상기 제1 및 제2 반사 신호들의 합을 추정하고,
    실제 신호 전송 환경에서의 상기 리턴 로스를 측정하고, 그리고
    상기 리턴 로스 및 상기 제1 및 제2 반사 신호들의 합의 차에 근거해서 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더.
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