KR20100024403A - 고 이득 ｒｆｉｄ태그 안테나 - Google Patents

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KR20100024403A
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rfid
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치 호 청
로스 데이비드 머치
Original Assignee
더 홍콩 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀러지
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Abstract

태그의 판독 범위 거리를 두 배로 만들 수 있는 무선 주파수 식별(radio frequency identification; RFID) 태그 안테나의 비전반적인(non-pervasive) 변경이 제공된다. 반사기 및 하나 이상의 유도기와 같은 기생 소자가 야기(Yagi) 안테나를 형성하기 위해 적절한 간격으로 부가된다. 그 결과, 안테나의 이득이 증가되고 따라서 RFID 태그의 판독 범위도 증가된다. 태그 안테나의 이득은 기존의 RFID 태그의 직접 연결 또는 변경 없이 증가될 수 있다. 하지만, 방향성이 증가하기 때문에, 태그된 물체가 복수의 방향에서 판독될 수 있도록 복수의 RFID 태그가 물체에 부착될 수 있다.
무선 주파수 식별, RFID 태그, RFID 판독기, ASIC, 기생 소자, 반사기, 유도기

Description

고 이득 ＲＦＩＤ태그 안테나{HIGH GAIN RFID TAG ANTENNAS}
본 출원은 2007년 6월 7일에 출원된 미국 임시 출원 번호 60/942,596호에 U.S.C. 제119(e) 하의 우선권을 주장한다. 본 발명은 일반적으로 수동 초고주파(ultra high frequency) 무선 주파수 식별 태그(radio frequency identification tag)와 같은 무선 주파수 식별 태그에 관한 것이다.
최근, 무선 주파수 식별(radio frequency identification; RFID) 시스템은 상업적 용도에 있어서 대중적인 것이 되었다. 그 적용은 예컨대, 지능 운송 시스템[예컨대, 자동차 도난 방지, 자동화된 주차, 고속 요금(toll) 징수, 교통 관리], 상업[예컨대, 공장 자동화, 재고(inventory) 관리 및 추적, 상품 도난 방지, 추적 및 도서관 책 도난 방지, 소포 및 문서 추적, 가축 추적, 상품 분배, 제어된 스키 리프트(ski lift) 접근, 운임(fare) 징수] 및 보안[예컨대, 빌딩 및 시설(facility)로의 접근 제어, 게이트된(gated) 커뮤니티(community), 기업 캠퍼스(corporate campus) 및 공항으로의 제어된 접근; 낮은 위험도의 활동이 촉진되는 안전한 국경 통과(secure border crossing) 및 컨테이너 선적(container shipment)과 같은 미국 국토 안보(U.S. Homeland Security) 어플리케이션(application); 사람 또는 애완 동물 추적]을 포함한다.
일반적인 RFID 시스템은 예컨대, 보다 복잡한 장치[예컨대, 판독기, 질문기, 비콘(beacon)]로 연결되어 통신하는, 통신 경로의 일단 상의 간단한 장치[예컨대, 태그(tag) 또는 트랜스폰더(transponder)]를 포함한다. RFID 태그는 일반적으로, 그들이 고밀도로 경제적으로 배치되고 트랙(track)된/태그된 물체에 부착될 수 있도록 작고 저렴하다. RFID 태그는 또한 다양한 환경에서 잘 동작하여야 한다. RFID 판독기는 일반적으로 보다 유능한 전기 장치이고 보통 유선 또는 무선 연결에 의해 호스트(host) 컴퓨터 또는 호스트 네트워크에 연결된다. RFID 시스템은 읽기 전용(read-only)(RFID 태그로부터 판독기로의 데이터 전송만) 또는 읽기-쓰기용(read-write)(데이터가 RFID 태그 메모리 예컨대, EEPROM으로 기록될 수 있음)일 수 있다.
종래에는, RFID 태크는 일반적으로, 비록 다른 기술이 사용되더라도[예컨대, 표면 탄성파(surface acoustic wave) 장치 또는 동조 공진기(tuned resonator)], 단일 커스텀(custom) CMOS 회로[예컨대, 어플리케이션 특정 집적 회로(application specific integrated circuit) 또는 ASICS], 및 안테나(antenna)의 두 개의 컴포넌트(component)를 포함한다. 태그는 배터리(battery) 또는 다른 물리적으로 연결된 전원(power source)(예컨대, 능동 RFID 내에서)에 의해서, 판독기에 의해 보내진 무선(radio) 신호의 정류(rectification)에 의해서(예컨대, 수동 RFID 내에서), 또는 둘의 조합(예컨대, 반수동 RFID)에 의해 전력이 공급될 수 있다. RFID 태그는 일반적으로, 코딩된 방식(coded manner)으로 태그 안테나의 로딩(loading)을 변경함으로써, 또는 무선 신호를 생성, 변조, 및 송신함으로써 판독기로 데이터를 송신 한다.
수동 RFID 태그는 일반적으로 안테나 레이아웃(layout)을 포함하는 스트랩(strap) 상에 탑재된 집적 회로를 포함한다. 125kHz 또는 13MHz에서 동작할 수 있는 수동 태그는, 다년간 발전되어 왔다. 종래에는, 125kHz 또는 13MHz에서 동작하는 수동 트랜스폰더는 안테나로 코일(coil)을 사용했다. 이러한 트랜스폰더는 판독기 안테나의 자기장 내에서 동작하고 그들의 판독 거리(distance)는 일반적으로 약 1.2 m보다 적게 제한된다. 이러한 시스템은 이러한 저주파에서 보다 적당한 크기의 안테나의 낮은 효율로 손해를 본다. 더 높은 데이터율, 더 긴 판독 거리 및 작은 안테나 사이즈에 대한 요구 때문에, 초고주파(UHF) 대역 RFID 트랜스폰더에 관하여, 특히 868/915 MHz 및 2.4GHz 산업, 과학 및 의학(Industrial, Scientific and Medical, ISM) 대역에 대하여, 큰 관심이 존재한다.
더 긴 판독 거리에 대한 요구가 915MHz 및 2.4GHz ISM 대역에서 동작하는 RFID 태그의 배치에 박차를 가함에 따라, 이는 또한 적절한 안테나 설계의 배치를 필요로 하게 되었다. 복수의 요소들이 수동 태그의 판독 범위(range) 거리에 영향을 미친다. 이는 송신기 유효 등방성 복사 전력(effective isotropic radiated power, EIRP), 태그에 전력을 공급하기 위한 최소 임계 전력, 안테나 및 태그 간의 정합(matching) 및 태그 안테나의 이득(gain)을 포함한다. 최소 전력 공급(power up) 임계값이 최신식 집적 회로 설계 기술에 의해 제한되는 반면 송신기 EIRP에 대한 최대 허용값은 지방 정부 규제(local country regulation)에 의해 결정된다. 따라서, 더 좋은 정합 및 더 높은 안테나 이득은 태그 판독 범위를 향상시키기 위한 효과적인 방법이 될 수 있다.
RFID 태그 안테나의 상기 기술된 결점은 단지 현재의 안테나의 몇 가지 문제의 개요를 제공하기 위한 것으로 의도되고, 전체를 망라하는 것으로 의도되지 않는다. 현재 기술의 다른 문제점은 후술하는 본 발명의 여러 가지 비한정적인 실시예의 기술의 검토로부터 보다 명확해질 수 있다.
후술은 본 발명의 몇 가지 측면의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 개략적인 요약을 제시한다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니다. 이는 본 발명의 주요 또는 필수 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 서술하기 위한 것으로 의도된다. 이의 유일한 목적은 후에 제시될 보다 세부적인 기술에 대한 도입부로서 개략적인 형태로 본 발명의 몇 가지 개념을 제시하는 것이다.
일 측면에 따르면, RFID 태그 및 반사기(reflector) 및 유도기(director)와 같은 하나 이상의 기생 소자(parasitic element)를 가지는 태그된 물체가 제공된다. 기생 소자는 RFID 안테나에 매우 근접하여[예컨대, 100 mm이내로] 배치되고, 본질적으로, 또는 대부분은, RFID 태그의 안테나의 세로축에 평행하다. 예를 들면, 일 실시예에서, 두 개의 유도기 및 반사기는 두 개의 유도기로부터 태그 안테나의 반대 측 상에 반사기가 있도록 배치된다. I-타입(type) 안테나 또는 스퀴글(squiggle) 안테나와 같은 여러 가지 RFID 안테나 설계가 사용 될 수 있다. 기생 소자는 RFID 태그의 안테나를 직접 변경하거나 연결되지 않고 부가될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 태그된 물체는 기생 소자의 방향성 효과(directionality effect)에 대항하여(counter) 복수의 RFID 태그를 가진다. 태그된 물체는 제품 포장, 접근(access) 포브(fob) 및 카드(예컨대, 사원 ID 카드, 주차권, 건물 접근 카드), 기계 소모품(잉크 카트리지, 토너 카트리지), 수술 도구, 종이 기반(paper-based) 파일, 기계 부품, 동물, 및 전자 금융 거래 카드 및 포브[예컨대, 직불(debit) 카드, 교통 카드(transit pass), 요금]를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
다른 측면에 따르면, 수동 RFID 태그의 판독 거리를 향상시키는 방법이 제공된다. 방법은 표면에 RFID 태그를 부착하는 단계와 그 다음 RFID 태그의 안테나의 세로축에 실질적으로 평행한 기생 소자를 부가하는 단계를 포함한다. 유리하게, 기생 소자의 부가는 RFID 태그의 직접 변경 없이 일어날 수 있다. 따라서, 기생 소자 없는 상업적으로 이용 가능한 태그는 태그의 제조 후에 또는 물체로의 태그의 부착 후에 부가된 기생 소자를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 기생 소자는 태그 제조 동안에 부가될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 기생 소자를 가진 복수의 RFID 태그 및 그 태그와 통신하는 RFID 판독기를 가진 RFID 시스템이 제공된다.
아래의 관련 부분의 달성을 위해서, 본 발명의 특정 설명적인 측면이 아래의 기술 및 첨부된 도면과 관련하여 본 명세서에 기술된다. 하지만, 이러한 측면은 본 발명의 원리가 채용될 수 있는 여러 가지 방법 중 몇몇을 나타내고, 본 발명은 이러한 모든 측면 및 그들의 등가물을 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 다른 장점 및 신규한 측면은 도면과 관련하여 고려될 때 본 발명의 아래의 세부적인 기술로부터 명백해 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실행을 위해 적합한 동작 환경을 일반적으로 도시하는 예시적이고 비한정적인 블록도이다.
도 2는 RFID 태그의 블록도 묘사이다.
도 3a 및 도 3b는 기생 소자와 함께 추가될 수 있는 RFID 태그의 여러 가지 설계를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따라 추가된 기생 소자를 가진 RFID 태그를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 기생 소자를 가진 RFID 태그 및 비변경된(unmodified) RFID 태그에 있어서 주파수에 대한 임피던스(impedance) 곡선의 실수부 및 허수부의 그래프이다.
도 6은 기생 소자를 가진 RFID 태그 및 기생 소자가 없는 RFID 태그의 시뮬레이트(simulate)된 반사 손실(return loss)를 도시하는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 기생 소자를 가진 RFID 태그의 시뮬레이트된 패턴(pattern)을 도시하는 그래프이다.
도 8은 기생 소자를 가진 RFID 태그의 증가된 판독 범위를 결정하기 위한 실험의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 9는 RFID 안테나의 이득을 향상시키는 방법의 예시적인 순서도이다.
본 발명은 이제 유사 참조 번호가 예시, 실례, 또는 예증으로서 이용되는 수단을 참조하는데 사용되는 도면을 참조로 하여 기술된다. 본 명세서에 "예시적"으로 기술된 임의의 측면 또는 설계는 반드시 다른 측면 또는 설계보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 단어 "예시적"의 사용은 명확하게 개념을 제시하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "또는"은 배타적인 "또는"보다는 포괄적인 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 다른 방법으로 특정되거나 문맥에서 명백하게 하지 않는 한, "X는 A 또는 B를 채용한다"는 임의의 자연스러운 포괄적인 변경을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 채용하거나; X가 B를 채용하거나; 또는 X가 A와 B 모두를 채용하는 경우, "X는 A 또는 B를 채용한다"는 임의의 후술하는 실례 하에서 만족된다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용되는 "하나"는 다른 방법으로 특정되거나 단일 형태를 지시하는 것으로 문맥에서 명백하게 하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
여러 가지 비한정적인 실시예에서, 안테나의 축에 관해서 반사기 및/또는 유도기를 배치하기 위해 몇 가지 치수가 주어진다. 예를 들면, 일 실시예에서, 반사기는 안테나 축으로부터 약 50 mm 및 약 100 mm 사이에 배치되고, 하나 이상의 유도기는 안테나 축으로부터 약 40 mm 및 약 100 mm 사이에 배치된다. 하지만, 분명 이러한 치수는 비한정적인 예시로서 고려되어야 한다. 이와 관련하여, 이러한 치수는 RFID 방사(radiation)의 파장에 의존하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 주파수가 약 900MHz이면, 상응하는 파장은 약 300mm이다. 그러므로, 이러한 치수는 파장의 약 1/6 및 1/3 사이로 설정될 수 있다. 따라서, 900MHz의 특정 예에서, 치수는 약 50 내지 100mm이다.
900 MHz는 많은 VHF 태그가 동작하는 근사(approximate) 주파수이기 때문에, 900MHz는 본 명세서에서 대표적이지만 비한정적인 주파수로서 사용된다. 따라서, 본 명세서에서 주어진 여러 가지 결과 및 치수는 900MHz 근처의 주파수를 위한 것이지만, 이러한 예시는 비한정적인 것으로 고려되어야 한다. 900MHz를 제외한 주파수 f(MHz 단위)에 대해, 치수는 본 명세서에 기술된 바와 같은 비슷한 효과를 획득하기 위해 900/f로 스케일(scale)되거나 곱하여 질 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실행을 위해 적합한 동작 환경을 일반적으로 도시하는 예시적이고 비한정적인 블록도이다. 동작 RFID 시스템은 일반적으로 RFID 판독기(106) 앞에 RFID 태그(102)를 포함한다. RFID 판독기(106)는 RFID 태그(102)를 활성화 시킬 의도로 EM 방사에 RFID 태그(102)를 노출한다. 그리고 RFID 태그(102)는 원하는 동작[예컨대, 재고(inventory) 제어, 요금 수집 등을 달성하기 위해 인코딩된 데이터 신호를 판독기로 반환]을 취한다. 비록 RFID 판독기(106)는 독립형(standalone) 장치일 수 있지만, 일반적으로 판독기는 상기 기술된 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 외부 시스템(예컨대, 108, 110)에 연결된다. 예를 들면, 데이터 저장 및 분석의 목적을 위하여, 또는 다른 동작[예컨대, 계좌에서 직불(debit), 고갈된 재고를 재정렬, 다운스트림(downstream) 제조 단계의 시작, 등]을 시작하기 위하여 판독기에 의해 수신된 데이터는 시스템(108 또는 110)으로 송신될 수 있다. 비록, 표시 목적을 위하여 도 1은 한정된 수의 RFID 판독 기(106) 및 RFID 태그(102)를 도시하였지만, 일반적인 구현은 이에 한정되지 아니하고, 임의의 수의 판독기, 태그, 및 외부 연결 그리고 이들의 조합이 시스템 설계의 의도된 기능에 따라 존재할 수 있다.
예로서, 수동 후방 산란(back-scattered) RFID 시스템(100)은 일반적으로 아래와 같이 동작한다. RFID 판독기(106)는 RFID 태그 안테나에 의해 수신되는 비변조된(unmodulated) 반송파(carrier)의 기간에 변조된(modulated) 신호(112) [RFID 판독기(106)로부터 방사하는 실선으로 도시됨]를 송신한다. 비변조된 기간 동안 안테나 단말(terminal) 상에 일어난 RF 전압은 직류(dc)로 변환된다. 이러한 전압은 RFID 태그(102)의 ASIC에 전력을 공급하고, RFID 태그(102)는 그 전단(front end) 복소 RF 입력 임피던스를 변경함으로써 RFID 태그 내에 저장된 정보를 ASIC로 돌려보낸다. 임피던스는 일반적으로 두 개의 상이한 상태 간[예컨대, 공액 정합(conjugate match) 및 다른 임피던스 간]에 토글(toggle)하여 효과적으로 후방 산란 신호(114)(RFID 태그 안테나로부터 방사하는 점선으로 도시됨)를 변조한다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 RFID 태그(102)의 블록도가 도시된다. RFID 태그는 안테나(204)와 전기 통신하는 ASIC(202)를 포함한다. 다른 집적 회로가 ASIC를 대체하여 사용될 수 있다. 이물질 검출(foreign object detection)과 같은 각 물체에 대한 고유 식별자가 필요하지 않은 RFID 어플리케이션(application)을 제외하고, ASIC는 고유 식별자(unique identifier)와 관련된다. 전기 통신은 전도성 경로(206)를 통해 이루어질 수 있다.
유리하게, RFID 태그 안테나의 이득은 기존의 RFID 태그의 직접 연결 또는 변경 없이 증가될 수 있다. 변경은 야기(Yagi) 안테나로서 RFID 태그의 안테나를 재구성(reconfigure)하기 위해 기생 안테나 소자를 부가하는 단계를 포함한다. 많은 RFID 태그 안테나 설계는 보통, 차분 입력 피드(differential input feed)가 ASIC로 제공될 수 있도록 기본 접힌 다이폴(folded dipole)의 변이(variation)에 기반한다. 정확한 설계는 부가적인 용량성(capacitive) 또는 유도성(inductive) 부하(loading), 단락(short) 또는 사행 구조(meandering structure)의 정합(matching)을 포함할 수 있지만, 대부분의 설계는 접힌 다이폴 접근법으로부터 얻어질 수 있다. 예를 들면, 일반적인 RFID 태그 설계가 도 3a 및 도 3b에 도시된다. 도 3a의 태그(300)는 길이를 줄이기 위한 끝에 있는 용량성 부하 및 안테나 및 ASIC(304) 간의 정합을 수행하기 위한 유도성 스터브(stub)를 가지는 접힌 다이폴 구조를 가진 I-타입(type) 안테나(302)를 가진다. 다른 예시적인 RFID 태그(350)는 도 3b에 도시되고 안테나(352)는 사행(meandering) 소자[이하 스퀴글(squiggle) 안테나라 함] 및 ASIC(354)를 가진 기본 접힌 다이폴 구조를 가진다.
이득은 기생 소자를 부가하고 야기 안테나를 형성함으로써 상당히 증가될 수 있다. 야기 안테나는 다이폴 안테나 및 하나 이상의 기생 소자의 어레이(array)를 포함한다. 야기 안테나는 베어(bare) 다이폴 안테나에 비하여 방향성(directionality)을 증가시킨다. 기생 소자는 단일 반사기 및 하나 이상의 유도기를 포함할 수 있다. 하지만, 하나의 반사기에 유도기가 없거나 하나 이상의 유도기에 반사기가 없는 것과 같은 기생 소자의 다른 조합도 가능하다. 일 실시예에 따르면, 반사기는 구동 소자(driven element)(RFID 태그) 뒤에 배치될 수 있고 태그 의 동작 파장의 반(1/2)보다 조금 더 길 수 있다. 하나 이상의 유도기는 구동 소자의 앞에 배치되고 1/2 파장보다 조금 더 짧다. 10 dBi 이상의 이득은 비변경된(unmodified) RFID 안테나와 비교하여 기생적으로(parasitically) 변경된(modified) RFID 안테나에서 달성될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 상업적으로 이용 가능한 "I" 타입 RFID 태그(300)가 일 실시예에 따른 기생적으로 변경된 RFID 안테나(400)를 도시하기 위해 사용된다. 원래의 상업적으로 이용 가능한 RFID 태그(300)는 구동 소자로 사용되고, 하나의 반사기(402) 및 두 개의 유도기(404, 406)가 구동 소자의 안테나의 세로 축에 본질적으로 평행하게 부가된다. 변경은 기존의 RFID 태그의 직접 연결 또는 변경 없이 수행되고 따라서 유리하게, 커스터마이즈(customize)된 RFID 어플리케이션을 위하여 변경되는 태그 후 제조 공정(post-tag manufacture)일 수 있다. 이 예에서, RFID를 판독하기 위한 신호(미도시)가 도면의 하부에서 올 것이다. 부가적인 기생 소자도 또한 다른 실시예에서 필요한 대로 부가될 수 있다.
반사기(402) 및 유도기(404, 406)의 길이를 위해 여러 가지 치수가 사용될 수 있다. 이 예에서, 태그 안테나의 세로축 및 반사기 간의 거리(D1)에 대한 치수는 70mm이고, 태그 안테나의 세로축 및 유도기(404) 간의 거리(D2)는 55mm이며, 유도기(404) 및 유도기(406) 간의 거리(D3)는 70mm이다. 하지만, 반사기(402) 및 유도기(403, 404)는 RFID 태그의 의도된 환경 및 동작 파장에 대하여 실험적으로 결정된 여러 가지 거리로 배치될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 반사기(402)는 세로 안테나 축으로부터 약 50mm 및 약 100mm 사이에 배치될 수 있고 유도기는 세 로 안테나 축으로부터 약 40mm 및 약 100mm 사이에 배치될 수 있다. 이 예에서, 915MHz의 동작 파장에 대해, 반사기(402)의 길이(L1)는 158mm이고 유도기(404, 406)의 길이(L2)는 140mm이다. 하지만, 2.4GHz의 산업, 과학 및 의학(Industrial, Scientific and Medical, ISM) 대역과 같은 상이한 동작 파장에 대하여 상이한 길이가 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 상기 언급한 바와 같이, 도 4a의 실시예와 관련하여 주어진 바와 같은 이러한 치수는, 이러한 값이 RFID 방사의 파장에 의존한다고 한정되지 아니하는 것으로 고려되어야 한다.
도 4b를 참조하면, 야기 설계가 흠결된 상업적으로 이용 가능한 RFID 태그에 결정된 거리로 기생 소자를 부가하는 한 가지 방법이 도시된다. 하지만, 각 소자가 개별적으로 부가되는 것과 같이, 결정된 거리로 다른 방법으로 부가될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한 RFID 태그는 적절한 거리로 표시한 기생 소자와 함께 제조될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 도면에 따르면, 기생소자(402, 404, 406)의 일부 또는 전부는 연성(flexible) 배킹 물질(backing material)과 같은 배킹 물질(450)에 부착된다. 이러한 배킹 물질은 태그될 물체의 표면에 부착될 수 있다. 그 다음, 그 배킹 물질(460)을 가진 RFID 태그는 기생 소자를 가진 배킹 물질(450)의 상부 상에 배치될 수 있다. 또는, 기생 소자의 일부 또는 전부는 배킹 물질 상에 배치될 수 있고 이미 부착된 RFID 태그를 덮어 배치될 수 있다. 배킹 물질은 유리하게 기존의 RFID 태그 근처의 배킹 물질 및 그 관련된 배킹 물질 상의 기생 소자의 배치의 배향을 맞추는(orient) 것을 돕는 홀(hole)을 포함한다.
설계는 완전히 기능적인 RFID 태그를 가진 시뮬레이션(simulation) 및 실험 에 의해 조사된다. 도 4a 내의 안테나 기하 구조(geometry)에 대한 시뮬레이트(simulate)된(500, 520) 및 측정된(510, 530) 임피던스 곡선이 도 5a에 도시된다. 임피던스 곡선은 임피던스의 실수부(520, 530) 및 허수부(500, 510)에 대하여 도시된다. 상업적으로 이용 가능한 안테나의 임피던스는 도 5b에 도시된 바와 같은 기생 소자가 없는 안테나와 비교할 때, 반사기 및 하나 이상의 유도기를 도입한 후에 왜곡된다. 특히, 시뮬레이트된(550, 570) 및 측정된(560, 580) 임피던스 곡선이 허수부(550, 560) 및 실수부(570, 580) 곡선 모두와 함께 도 5b에 도시된다. 실수부 및 허수부 모두에서 관찰될 수 있는 바와 같이 임피던스는 5 Ω 단위로 변화된다.
안테나는 동작 파장에 대하여 ASIC 칩(chip)과 함께 공액 정합되어야 한다. 이 예에서, 최대 전력 전송을 제공하기 위하여, 915MHz의 ISM 밴드가 사용되고 공액 정합이 약 Zs=30+110jΩ이다. 칩 임피던스가 대역에 걸쳐 일정하다고 가정하면 다음의 수학식 1을 이용하여 전력 반사(reflection) 계수 |S|2을 계산할 수 있다.
Figure 112009074816953-PCT00001
여기서, ZL은 안테나 임피던스이고 ZS는 칩 임피던스이다. -10dB 반사 손실(return loss)에 대한 대역폭(bandwidth)이 계산될 수 있다.
종래의 태그에 있어서, S11 곡선(610)이 도 6에 도시된다. S11에 대한 850MHz 내지 950MHz에서의 대역폭은 -10dB보다 작다. 시뮬레이트된 안테나 이득은 2.3dBi이다.
일 실시예에서, 부가된 기생 소자를 가진 태그 설계는 최대 이득에 대해서 뿐만 아니라 최대 대역폭에 대해서도 최적화된다. 기생 소자(야기 태그)를 가진 태그 설계에 대한 일 실시예에 따른 계산된 대역폭 곡선(600)이 도 6에 도시된다. 최대 시뮬레이트된 이득은 8.9dBi이고 시뮬레이트된 패턴은 도 7a 및 도 7b에 도시된다. 도 7a는 비변경된 안테나(710) 및 변경된 안테나(700)에 대하여 900MHz에서 90도의 파이(Phi)를 가진 공간에서 시뮬레이트된 패턴을 도시한다. 도 7b는 비변경된 안테나(730) 및 변경된 안테나(720)에 대하여 900MHz에서 0도의 파이(Phi)를 가진 공간에서 시뮬레이트된 패턴을 도시한다. 이득은 비변경된 설계와 비교하여 6dB 이상 증가된다.
접근법의 유효성을 실험적으로 증명하기 위해서, 기생 소자가 상업적으로 이용 가능한 태그에 부가되고 야기 소자를 가진 경우와 가지지 않은 경우의 판독 범위가 비교된다. 구성(setup)이 도 8에 도시된다. 태그(808)(비변경된 것 및 변경된 것 모두)에 대한 정확한 주파수에서 동작하는, 상업적으로 이용 가능한 RFID 판독기(802)가 테이블(table) 상에 수직으로 배치된 판독기 안테나로 판독 범위 치수를 결정하기 위해 사용된다. 그 다음, RFID 태그(808)는 약 2/3 파장 x 2/3 파장의 치수를 가진 발포 보드(foam board) 상에 배치되고, 발포 보드는 벤치(bench)(806) 상에서 태그 안테나가 판독기 안테나의 가운데와 동일한 레벨(level)에 있도록 조정된다. 900MHz 파장의 특별한 경우에, 2/3 파장 x 2/3 파장은 약 200mm x 200mm에 상응한다. 실험 동안 기생 소자를 가진 야기 태그 설계의 배향(orientation)은 야기 안테나의 방향성에 따랐다.
태그 범위 성능을 결정하기 위해, 초당 판독(reads per second)을 나타내는 태그 판독율(tag read rate)이 사용된다. 판독기로부터의 거리에 의존하여, 태그 판독율은 초당 0 내지 400 판독으로 다양해질 수 있다. 이 측정에서, 초당 50 판독의 판독율을 가진 범위의 태그는 신뢰할만한 판독 범위로 여겨진다. 0.5 와트(watt)의 판독기 EIRP에서, 비변경된 상업적으로 이용 가능한 "I" 타입 태그 및 야기 변경된 버전(version)에 대한 판독 범위는 각각 1.05m 및 2.20m이다. 따라서, 최대 판독 범위는 상업적으로 이용 가능한 RFID 태그 상의 변경을 사용하여 두 배 이상 증가될 수 있다.
다른 예가 표 1에 요약된다. 예를 들면, 약 4/5 파장 x 2/3 파장 x 4/15 파장의 치수를 가진 판지 상자(cardboard box) 및 여러 가지 고려된 내용물들은 헐겁게 싼 옷, 플라스틱 조각, 금속 조각인데 판독 성능은 태그가 상이한 물질 위 또는 근처에 배치되면 다양해지기 때문이다. 900MHz 파장의 특별한 경우에, 판지 상자에 대한 이러한 치수는 약 240mm x 200mm x 80mm이다. 예를 들면, 태그가 플라스틱을 넣은 박스 상에 배치되면, 빈 상자와 비교하여 판독 범위의 20% 이상 감소가 일어난다. 배경 물질(background material)의 유전체(dielectric) 및 유도 특성이 안테나 성능에 영향을 미칠 것이기 때문에 이러한 변화는 예견된다. 최소 판독 거리를 달성하기 위해, 기생 소자의 거리 및 숫자는 RFID 태그에 근접하여 나타난 물질에 따라 조정될 수 있다.
치수의 동일한 세트(set)가 또한 "I" 타입 상업적으로 이용 가능한 안테나(도 3a와 유사)를 상업적으로 이용 가능한 스퀴글 태그 안테나(도 3b와 유사)로 대체함으로써 수행될 수 있다. 스퀴글 설계가 원래의 태그보다 좁다고 하더라도, 도 4a에서와 같은 기생 소자에 대한 동일한 치수 및 구성이 이용될 수 있다. 스퀴글 타입 태그 및 야기 RFID 안테나에 대한 최대 판독 범위는 각각 0.92m 및 1.7m이고 판독 범위는 증가된다.
표 1은 주파수가 900MHz일 때 여러 가지 태그에 대한 판독 범위 및 여러 가지 물질 조합 상의 그들의 배치를 나타낸다.
발포 빈 상자 옷을 넣은 상자 플라스틱을 넣은 상자 금속을 넣은 상자
"I" 태그 1.05m 1.05m 0.98m 0.92m 0.61m
야기 "I" 태그 2.20m 1.85m 1.70m 1.34m 1.08m
스퀴글 태그 0.92m 0.82m 0.72m 0.7m 0.49m
야기 스퀴글 태그 1.7m 1.61m 1.34m 1.25m 1m
분명 표 1은 주파수가 900MHz인 특별한 경우에만 적용되지만 다른 주파수의 사용에서 비한정적으로 고려되어야 한다. 야기 안테나 설계의 두 가지 단점은 더 큰 크기 및 증가된 방향성이다. 방향성을 극복하고 RFID 태그된 물체의 배향에 관한 염려를 피하기 위해, 야기 설계를 가진 복수의 RFID 태그가 단일 태그된 물체 상에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 야기 설계를 가진 두 개의 RFID 태그가 서로 직교하도록 배향을 맞출 수 있다. 다른 실시예에서, 야기 설계를 가진 두 개의 RFID 태그가 서로 평행하지만 반대의 방향성을 갖도록 배향을 맞출 수 있다.
도 9로 와서, 본 발명에 따라 구현될 수 있는 방법론이 도시된다. 설명의 간략화의 목적을 위해, 방법론은 일련의 블록(block)으로 도시되고 기술되어 있지만, 본 발명은 블록의 순서에 의해 한정되지 아니하고, 따라서 일부 블록은, 본 발명에 따라, 본 명세서에 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 일어날 수 있다는 것이 이해되고 인식되어야 한다. 더불어, 본 발명에 따른 방법론을 구현하기 위해 도시된 블록 모두가 필요하지 않을 수도 있다.
도 9을 참조하면, RFID 태그의 판독 거리를 증가시키기 위한 예시적인 방법(900)이 도시된다. 단계(910)에서, RFID 태그는 태그된 물체 또는 RFID 태그의 연성 배킹 물질(예컨대, 기판, RFID 태그)의 표면과 같은 표면에 부착된다. 단계(920)에서, RFID 태그의 안테나로부터 기생 소자를 배치할 거리 뿐만 아니라 기생 소자의 수가 결정된다. 거리는 판독 환경에서의(예컨대, 제품 포장에서의) 고 유전체 물질 또는 태그된 물체가 만들어진 물질(예컨대, 금속 대 플라스틱)의 존재에 의존할 수 있다. 단계(930)에서, 기생 소자는 결정된 위치에 부가된다.
비록 도시되지 않았지만, 복수의 태그가 태그된 물체의 표면에 부착될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 단계(920)는 태그의 세트가 비슷한 판독 환경에서 사용되고 동일한 동작 주파수 및 세트 내의 각 태그를 위해 사용되는 거리에서 사용되도록 한번 실행될 수 있음을 인식할 것이다. 비슷하게, 거리는 미리 결정될 수 있고, 단계(920)는 실행되지 않을 수 있다. 예를 들면, 기생 소자의 일부 또는 전부는 그들 자체가, 안테나의 세로축으로부터 기생 소자를 배치할 올바른 거리의 결정 없이 기생 소자의 쉬운 부가를 가능하게 하는 연성 배킹 상에서 이용 가능할 수 있다.
본 발명이 예시로서 본 명세서에 기술되었다. 분명 본 명세서에 개시된 발명은 이러한 예시들에 의해 제한되지 않는다. 나아가, 본 명세서에서 "예시적"이라고 기술된 임의의 측면 또는 설계는 반드시 다른 측면 또는 설계에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되는 것도 아니며, 당업자에게 알려진 예시적인 균등 구조 및 기술을 배제하는 것을 의미하는 것도 아니다. 아울러, 상세한 설명 또는 청구항에서 사용되는 "포함한다", "갖는다", "가지고 있다" 및 기타 유사한 단어들은 분명 추가적인 또는 기타 요소들을 배제하지 않는 열린 표현으로서 "포함한다"는 것을 의미하기 위한 것이다.
또한, 여러 가지 동작 파장에 대한 참조는 단지 예시적인 것이며 다른 지역 무선 통신 규제에 응하여 허용된 바에 따라 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 물체;
    세로축을 가지는 안테나 및 상기 안테나와 연결되어 통신하는 RFID 어플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)를 가지고 상기 물체에 부착되며 동작 파장에서 동작하는 제1 RFID 태그; 및
    상기 제1 RFID 태그의 안테나 축과 실질적으로 평행하며, 상기 제1 RFID 태그와 관련된 하나 이상의 기생 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기생 소자는 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기생 소자는 하나 이상의 유도기를 포함하며, 상기 반사기는 상기 안테나의 상기 하나 이상의 유도기 반대 측 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 안테나 축으로부터 동작 주파수와 관련된 파장의 약 1/6 및 상기 파장의 약 1/3 사이에 배치되고, 상기 하나 이상의 유도기는 상기 안테나 축으로부터 상기 파장의 약 2/5 및 상기 파장의 약 1/3 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 동작 파장의 반보다 조금 더 길고 상기 하나 이상의 유도기는 상기 동작 파장의 반보다 조금 더 짧은 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  6. 제1항에 있어서,
    세로축을 가지는 안테나 및 상기 안테나와 연결되어 통신하는 RFID 어플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)를 가지고 상기 물체에 부착되는 제2 RFID 태그; 및
    상기 제2 RFID 태그의 안테나 축과 실질적으로 평행하고, 상기 제1 RFID 태그와 관련된 상기 하나 이상의 기생 소자와 상이한 방향성으로 배향이 맞춰진 상기 제2 RFID 태그와 관련된 하나 이상의 기생 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 RFID 태그의 안테나 축은 실질적으로 상기 제2 RFID 태그의 안테나 축과 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 RFID 태그는 수동 RFID 태그인 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  9. 제1항에 있어서,
    특정 파장은 초고주파 대역 내에 있는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 태그된 물체.
  10. 세로 축을 가진 안테나를 가진 수동 RFID 태그를 표면에 부착하는 단계; 및
    상기 안테나에 근접하여 상기 RFID 태그의 안테나 축에 본질적으로 평행한 하나 이상의 기생 소자를 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 무선 주파수 식별 태그의 판독 거리를 증가시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수동 RFID 태그를 표면에 부착하는 단계는 상기 RFID 태그를 물체의 표면에 부착하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 이상의 기생 소자를 부가하는 단계는 상기 기생 소자를 상기 물체의 표면에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 무선 주파수 식별 태그의 판독 거리를 증가시키는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기생 소자를 부가하는 단계는 상기 기생 소자를 상기 RFID 태그의 배킹 물질에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 무선 주파수 식별 태그의 판독 거리를 증가시키는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기생 소자를 부가하는 단계는 반사기 및 하나 이상의 유도기를 부착하는 단계를 포함하되, 상기 반사기는 상기 안테나 축의 상기 하나 이상의 유도기 반대 측 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 수동 무선 주파수 식별 태그의 판독 거리를 증가시키는 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기생 소자를 부가하는 단계는 상기 안테나 축으로부터 상기 하나 이상의 기생 소자의 각각을 배치할 거리를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 무선 주파수 식별 태그의 판독 거리를 증가시키는 방법.
  15. 동작 파장을 가진 복수의 RFID 태그로서, 각 RFID 태그는,
    세로축을 가진 RFID 안테나;
    상기 RFID 안테나로부터 신호를 수신하도록 동작하는 어플리케이션 특정 집적 칩(ASIC); 및
    상기 안테나에 근접하고 안테나 세로축과 평행한 하나 이상의 기생소자를 포함하는 복수의 RFID 태그; 및
    상기 복수의 RFID 태그의 상기 동작 파장과 실질적으로 동일한 무선 주파수 에너지를 송수신하도록 동작하는 RFID 판독기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기생 소자는 반사기 및 하나 이상의 유도기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 동작 파장의 반보다 조금 더 길고 상기 하나 이상의 유도기 중 적어도 하나는 상기 동작 파장의 반보다 조금 더 짧은 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 안테나 축의 상기 하나 이상의 유도기 반대 측 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 RFID 안테나 및 상기 ASIC는 상기 하나 이상의 기생 소자를 포함하지 않는 상업적으로 이용 가능한 RFID 태그인 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 동작 파장은 산업, 과학, 및 의학(ISM) 대역인 것을 특징으로 하는 무선 주파수 식별 시스템.
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