KR20100116870A - 극초단파 ｒｆｉｄ 리더용 미앤더 안테나 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기 - Google Patents

극초단파 ｒｆｉｄ 리더용 미앤더 안테나 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기 Download PDF

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Abstract

RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하는 RFID 리더의 소형화를 위하여 복수의 제1 패턴, 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴을 포함하는 RFID 리더용 미앤더 안테나가 개시된다. 복수의 제1 패턴은 기판 상에 평행하게 형성된다. 복수의 제2 패턴은 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시킨다. 제3 패턴은 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴 또는 마지막 패턴의 한쪽 끝단과 연결되고, 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된다. RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가진다.

Description

극초단파 ＲＦＩＤ 리더용 미앤더 안테나 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기{Meander antenna for UHF RFID reader and portable electronic device including the same}
본 발명은 극초단파(UHF, ultra-high frequency) RFID 리더용 미앤더 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휴대용 전자기기의 내부 및 외부에 실장이 가능하도록 소형화된 극초단파 RFID 리더용 미앤더 안테나에 관한 것이다.
최근에, 교통카드 또는 출입통제 카드 등으로 RFID(Radio-Frequency Identification) 시스템이 널리 쓰이고 있다. 보편적으로 사용되는 13.56MHz 대역의 RFID 시스템 외에도, 400MHz 대역의 RFID 시스템은 컨테이너 수출입 시스템 등에 사용되고, 900MHz 대역의 극초단파(UHF, ultra-high frequency) RFID 시스템은 고속도로 통행 시스템 등에 사용된다.
RFID 시스템은 리더(reader) 부분과 태그(tag 또는 transponder) 부분으로 이루어진다. RFID 태그의 경우 간단한 태그 칩과 안테나로 구성되므로 소형화에 대한 연구가 많이 진행되었지만, RFID 리더의 경우 이제까지 고정용으로 사용되어왔고 여러 칩들이 시스템을 이루어야 하므로 크고 무거운 것이 일반적이다. 또한, 종 래의 RFID 리더에서 가장 큰 크기를 차지하는 부분은 안테나부인데, 안테나의 크기가 RFID 리더의 특성에 큰 영향을 미치기 때문이다. 안테나가 크게 되면 미세한 전파도 감지해서 멀리 떨어져 있는 RFID 태그도 인식할 수 있으며, 고속도로의 하이패스(Hipass) 시스템에 사용되고 있는 자동차가 통과할 수 있는 아주 큰 안테나가 좋은 예이다.
하지만, 최근에 모바일용 RFID 시스템이 표준화가 이루어지고 있고, 휴대폰 단말기, PDA 등에 RFID 리더가 탑재되어야 할 필요성이 증가하고 있다. 이를 위해서는 RFID 리더 자체가 소형화되어야 한다. 또한, RFID 리더에서 가장 큰 크기를 차지하는 부분은 안테나부이므로, RFID 리더의 안테나가 소형화되어야 한다.
도 1은 종래의 다이폴(dipole) 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 다이폴 안테나(100)는 동작주파수부(110)와 안테나부(120)를 포함하여 구성되고, 안테나부(120)는 대칭적으로 형성된 같은 형태의 2개의 안테나 구조(122, 124)를 포함하여 구성된다.
안테나부(120)의 길이는 RFID 시스템의 동작주파수의 반파장에 따라 결정된다. 하기의 [수학식 1]은 극초단파 RFID 시스템의 동작주파수인 900MHz의 파장의 길이를 계산한 식이며, 하기의 [수학식 2]는 하기의 [수학식 1]에 따라 900MHz의 동작주파수를 가지는 종래의 다이폴 안테나(100)의 안테나부(120)의 길이를 계산한 식이다.
[수학식 1]
Figure 112009024677762-PAT00001
[수학식 2]
Figure 112009024677762-PAT00002
상기의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에서
Figure 112009024677762-PAT00003
는 동작주파수의 파장의 길이를 나타내며, f는 동작주파수를 나타내며, c는 빛의 속도를 나타낸다.
안테나부(120)의 전체 길이가 약 16.6cm라면, 이를 휴대폰 또는 PDA와 같은 일반적인 소형의 휴대용 전자기기에 실장하는 것은 어렵다. 따라서 동일한 효율을 유지하면서 소형화된 RFID 리더용 안테나가 필요하게 되었다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 휴대용 전자기기의 내부 및 외부에 실장이 가능하도록 소형화된 극초단파 RFID 리더용 미앤더 안테나를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 일 목적은 휴대용 전자기기의 내부 및 외부에 실장이 가능하도록 소형화된 극초단파 RFID 리더용 미앤더 안테나를 포함하는 휴대용 전자기기를 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하는 RFID 리더용 미앤더 안테나는 복수의 제1 패턴, 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴을 포함한다. 상기 복수의 제1 패턴은 기판 상에 평행하게 형성된다. 상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시킨다. 상기 제3 패턴은 상기 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴 또는 마지막 패턴의 한쪽 끝단과 연결되고, 상기 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된다. 상기 RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가진다.
실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 길이의 합은 상기 동작주파수의 파장 길이의 절반보다 크거나 같을 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴은 대칭적으로 형성된 다이폴(dipole) 구조일 수 있다. 상기 복수의 제1 패턴의 길이는 모두 10.5mm 내지 11.5mm이며, 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 모두 3.8mm 내지 4.2mm이며, 상기 제3 패턴의 길이는 10.25mm 내지 11.25mm이며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 폭은 모두 0.32mm 내지 0.42mm일 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부, 상기 복수의 제2 패턴 중 일부 및 상기 제3 패턴은 제1 기판 상에 형성되고, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부 및 상기 복수의 제2 패턴 중 일부는 상기 제1 기판의 측면에 수직으로 연결된 제2 기판 또는 제3 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴은 대칭적으로 형성된 다이폴 구조일 수 있다. 상기 복수의 제1 패턴 중 일부의 길이는 4.75mm 내지 5.25mm이고 일부의 길이는 9.5mm 내지 10.5mm이며, 상기 복수의 제2 패턴 중 일부의 길이는 1.9mm 내지 2.1mm이고 일부의 길이는 3.8mm 내지 4.2mm이며, 상기 제3 패턴의 길이는 10.25mm 내지 11.25mm 이며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 폭은 모두 0.32mm 내지 0.42mm일 수 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하는 RFID 리더를 포함하는 휴대용 전자기기에 있어서, 상기 RFID 리더는 RF 송신부, RF 수신부 및 RFID 리더용 미앤더 안테나를 포함한다. 상기 RF 송신부는 제1 RF 신호를 발생시킨다. 상기 RF 수신부는 상기 RFID 태그에서 발생된 제2 RF 신호를 호스트 컴퓨터에 전송한다. 상기 RFID 리더용 미앤더 안테나는 상기 제1 RF 신호를 전송하고, 상기 제2 RF 신호를 수신한다. 상기 RFID 리더용 미앤더 안테나는 복수의 제1 패턴, 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴을 포함한다. 상기 복수의 제1 패턴은 기판 상에 평행하게 형성된다. 상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시킨다. 상기 제3 패턴은 상기 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴 또는 마지막 패턴의 한쪽 끝단과 연결되고, 상기 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된다. 상기 RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가지고, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴은 대칭적으로 형성된 다이폴 구조이며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 길이의 합은 상기 동작주파수의 파장 길이의 절반보다 크거나 같다.
실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부, 상기 복수의 제2 패턴 중 일부 및 상기 제3 패턴은 제1 기판 상에 형성되고, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부 및 상기 복수의 제2 패턴 중 일부는 상기 제1 기판의 측면에 수직으로 연결된 제2 기판 또는 제3 기판 상에 형성될 수 있다.
실시예에 따라서, RFID 리더용 미앤더 안테나는 신체의 일부분과 접촉되도록 상기 휴대용 전자기기의 외부에 실장될 수 있다.
본 발명에 따르면, RFID 리더용 안테나에 미앤더 구조를 적용하고 휴대용 전자기기의 크기에 맞게 접힌 구조를 적용하여, 휴대용 전자기기의 내부 및 외부에 실장이 가능하도록 크기가 작으면서도 높은 효율을 가지는 효과가 있어 RFID 리더용 미앤더 안테나의 성능 향상을 가져온다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않 는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, RFID 리더용 미앤더 안테나(200)는 기판(210), 복수의 제1 패턴(231, 232, 233, 234, 235, 236, 237), 복수의 제2 패턴(251, 252, 253, 254, 255, 256) 및 제3 패턴(270)을 포함하여 구성된다.
RFID 리더용 미앤더 안테나(200)는 RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하며, 상기 RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가진다. 상기 동작주파수 대역은 바람직하게는 880MHz 내지 920MHz일 수 있고, 더욱 바람직하게는 약 900MHz일 수 있다.
기판(210)의 일면에 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(270)이 형성된다. 일 실시예에서, 기판(210)의 재료는 FR4(Flame Retardant Type4)가 사용될 수 있으며, 다른 실시예에서, 기판(210)의 재료는 유리, 세라믹, 테플론, 에폭시와 같은 단단한 물질이거나, 폴리이미드(polyimide), 플라스틱과 같은 얇고 유연한 유기 물질(organic material)이 사용될 수 있다. 또한 실시예에 따라서, 기판(210)의 재료가 FR4인 경우 기판(210)의 두께는 약 0.2mm일 수 있다.
상기 복수의 제1 패턴은 기판(210)상에 평행하게 형성된다. 실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴은 동일한 간격으로 형성될 수도 있고, 서로 다른 간격으로 형성될 수도 있다. 또한 실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴의 길이는 모두 동일할 수도 있고, 일부의 길이가 다를 수도 있다. 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)는 상기 복수의 제1 패턴이 동일한 간격으로 형성되고 그 길이가 모두 동일한 경우를 나타낸다. 이 경우 상기 복수의 제1 패턴의 길이는 모두 10.5mm 내지 11.5mm 일 수 있고, 바람직하게는 약 11mm일 수 있다.
상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시킨다. 예를 들어, 최초의 제2 패턴(251)은 상기 복수의 제1 패턴 중 최초의 제1 패턴(231)과 두번째 제1 패턴(232)의 왼쪽 끝단을 연결하고, 두번째 제2 패턴(252)은 두번째 제1 패턴(232)과 세번째 제1 패턴(233)의 오른쪽 끝단을 연결한다. 실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴이 동일한 간격으로 형성된 경우 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 모두 동일하고, 상기 복수의 제1 패턴이 서로 다른 간격으로 형성된 경우 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 서로 상이할 수 있다. 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)는 상기 복수의 제1 패턴이 동일한 간격으로 형성되어 상기 복수의 제2 패턴의 길이가 모두 동일한 경우를 나타낸다. 이 경우 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 모두 3.8mm 내지 4.2mm 일 수 있고, 바람직하게는 약 4mm일 수 있다.
제3 패턴(270)은 상기 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴(231) 또는 마지막 패턴(237)의 한쪽 끝단과 연결되고, 상기 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된다. 이 경우 제3 패턴(270)은 상기 복수의 제1 패턴 중 마지막 패턴(237)의 제2 패턴(256) 이 연결되지 않은 끝단에 형성되는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)에서 제3 패턴(270)의 길이는 10.25mm 내지 11.25mm일 수 있고, 바람직하게는 약 10.75mm일 수 있다. 또한 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(270)의 폭은 모두 0.32mm 내지 0.42mm일 수 있고, 바람직하게는 0.37mm일 수 있다.
RFID 리더용 안테나가 도 2와 같은 미앤더 구조를 가지도록 형성됨으로써 크기가 줄어든다. 다만 단순한 직선 형태의 안테나와 달리 패턴 간의 전자파 간섭(coupling) 등이 발생하기 때문에 미앤더 구조 사이에 캐패시턴스(capacitance)와 인덕턴스(inductance) 값이 추가로 발생한다. 따라서 동일한 동작주파수를 가지는 직선 형태의 안테나와 비교했을 때 패턴의 총 길이는 길어질 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(270)은 다이폴(dipole) 구조로 형성될 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 미앤더 구조를 가지는 경우 패턴의 총 길이는 직선 형태의 안테나의 길이보다 길어질 수 있으므로, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(270)의 길이의 합은 상기의 [수학식 1]을 통해 계산되는 상기 RFID 시스템의 동작주파수의 파장 길이의 절반보다 크거나 같다. 하기의 [수학식 3]은 도 2에 도시된 다이폴 구조의 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)를 설계하기 위한 식이다.
[수학식 3]
Figure 112009024677762-PAT00004
상기의 [수학식 3]에서 Lt는 패턴의 총 길이이며, a는 상기 복수의 제2 패턴 중 하나의 길이이며, b는 상기 복수의 제1 패턴 중 하나의 길이이며, c는 제3 패턴(270)의 길이이며, N은 상기 복수의 제1 패턴 중 하나 및 이와 연결된 상기 복수의 제2 패턴 중 하나로 형성된 미앤더 섹션의 개수이며,
Figure 112009024677762-PAT00005
는 상기 RFID 시스템의 동작주파수의 파장 길이이다.
예를 들어, 상기 RFID 시스템의 동작주파수가 900MHz일 때, 상기의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 따라 파장 길이의 절반은 16.6cm 즉, 166mm이며, 이는 일반적인 다이폴 안테나의 총 길이와 같다. 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)의 패턴의 총 길이를 구하기 위해 상기의 [수학식 3]에 a=4mm, b=11mm, c=10.75mm, N=6을 대입하여 계산하면, RFID 리더용 미앤더 안테나(200)의 패턴의 총 길이(Lt)는 223.5mm로 계산되며, 상기 계산된 일반적인 다이폴 안테나의 총 길이보다 길어짐을 확인할 수 있다. 하지만 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)의 실제 크기(l)는 74.94mm로 일반적인 다이폴 안테나에 비해 소형화 되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, RFID 리더용 미앤더 안테나(300)는 제1 기판(312), 제2 기판(314), 제3 기판(316), 복수의 제1 패턴(331, 332, 333, 334, 335, 336, 337, 338, 339, 340), 복수의 제2 패턴(351, 352, 353, 354, 355, 356, 357, 358, 359) 및 제3 패턴(370)을 포함하여 구성된다.
RFID 리더용 미앤더 안테나(300)는 RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하며, 상기 RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가진다. 상기 동작주파수 대역은 바람직하게는 880MHz 내지 920MHz일 수 있고, 더욱 바람직하게는 약 900MHz일 수 있다.
제1 기판(312)과 제2 기판(314), 제1 기판(312)과 제3 기판(316)은 각각 연결되어 있고, 특히 제2 기판(314) 및 제3 기판(316)은 제1 기판(312)의 측면에 수직으로 연결된다. 이 경우 제2 기판(314)과 제3 기판(316)은 평행하게 형성될 수 있다. 또한 제1 내지 제3 기판(312, 314, 316) 상에 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(370)이 형성된다. 이 경우 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(370)이 서로 연결될 수 있도록 제1 내지 제3 기판(312, 314, 316)의 바깥쪽 면에 상기 패턴들이 형성되는 것이 바람직하다. 실시예에 따라서, 제1 내지 제3 기판(312, 314, 316)의 재료가 FR4인 경우 제1 내지 제3 기판(312, 314, 316)의 두께는 약 0.2mm일 수 있다.
상기 복수의 제1 패턴은 제1 및 제2 기판(312, 314)상에 평행하게 형성된다. 일 실시예에서, RFID 리더용 미앤더 안테나(300)가 다이폴 구조로 형성되는 경우, 상기 복수의 제1 패턴은 제1 내지 제3 기판(312, 314, 316)상에 평행하게 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴은 동일한 간격으로 형성될 수도 있고, 서로 다른 간격으로 형성될 수도 있다. 또한 실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴의 길이는 모두 동일할 수도 있고, 일부의 길이가 다를 수도 있다. 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)는 상기 복수의 제1 패턴이 서로 다른 간격으로 형성되고 일부의 길이가 다른 경우를 나타낸다. 이 경우 상기 복수의 제1 패턴 중 제2 기판(314)의 끝부분에 형성된 패턴(331)의 길이는 4.75mm 내지 5.25mm일 수 있고, 바람직하게는 약 5mm일 수 있다. 그 외의 제1 패턴들(332, 333, 334, 335, 336, 337, 338, 339, 340)의 길이는 9.5mm 내지 10.5mm일 수 있고, 바람직하게는 약 10mm일 수 있다.
상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시키며, 제1 및 제2 기판(312, 314)상에 형성된다. 일 실시예에서, RFID 리더용 미앤더 안테나(300)가 다이폴 구조로 형성되는 경우, 상기 복수의 제2 패턴은 제1 내지 제3 기판(312, 314, 316)상에 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴이 동일한 간격으로 형성된 경우 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 모두 동일하고, 상기 복수의 제1 패턴이 서로 다른 간격으로 형성된 경우 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 서로 상이할 수 있다. 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)는 상기 복수의 제1 패턴이 서로 다른 간격으로 형성되어 상기 복수의 제2 패턴의 길이가 서로 상이한 경우를 나타낸다. 이 경우 복수의 제2 패턴 중 일부(354, 355, 356, 357, 358, 359)의 길이는 1.9mm 내지 2.1mm일 수 있고, 바람직하게는 약 2mm일 수 있다. 복수의 제2 패턴 중 나머지 일부(351, 352, 353)의 길이는 3.8mm 내지 4.2mm일 수 있고, 바람직하게는 약 4mm일 수 있다.
제3 패턴(370)은 상기 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴(331) 또는 마지막 패 턴(340)의 한쪽 끝단과 연결되고, 상기 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된다. 이 경우 제3 패턴(370)은 상기 복수의 제1 패턴 중 마지막 패턴(340)의 제2 패턴(259)이 연결되지 않은 끝단에 형성되는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)에서 제3 패턴(370)의 길이는 10.25mm 내지 11.25mm일 수 있고, 바람직하게는 약 10.75mm일 수 있다. 또한 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(370)의 폭은 모두 0.32mm 내지 0.42mm일 수 있고, 바람직하게는 0.37mm일 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 제3 패턴(370)은 다이폴(dipole) 구조로 형성될 수 있다. 하기의 [수학식 4]는 도 3에 도시된 다이폴 구조의 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)를 설계하기 위한 식이다.
[수학식 4]
Figure 112009024677762-PAT00006
상기의 [수학식 4]에서 Lt는 패턴의 총 길이이며, a는 상기 복수의 제2 패턴 중 길이가 긴 패턴의 길이이며, a'는 상기 복수의 제2 패턴 중 길이가 짧은 패턴의 길이이며, b는 상기 복수의 제1 패턴 중 길이가 긴 패턴의 길이이며, b'는 상기 복수의 제1 패턴 중 길이가 짧은 패턴의 길이이며, c는 제3 패턴(370)의 길이이며, N1은 상기 복수의 제1 패턴 중 길이가 긴 패턴 및 이와 연결된 상기 복수의 제2 패턴 중 길이가 긴 패턴으로 형성된 제1 미앤더 섹션의 개수이며, N2는 상기 복수의 제1 패턴 중 길이가 긴 패턴 및 이와 연결된 상기 복수의 제2 패턴 중 길이가 짧은 패턴으로 형성된 제2 미앤더 섹션의 개수이며,
Figure 112009024677762-PAT00007
는 상기 RFID 시스템의 동작주파수의 파장 길이이다.
예를 들어, 상기 RFID 시스템의 동작주파수가 900MHz일 때, 상기의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 따라 파장 길이의 절반은 16.6cm 즉, 166mm이며, 이는 일반적인 다이폴 안테나의 총 길이와 같다. 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)의 패턴의 총 길이를 구하기 위해 상기의 [수학식 4]에 a=4mm, b=10mm, c=10.75mm, d=2mm, e=5 mm, N1=3, N2=6을 대입하여 계산하면, RFID 리더용 미앤더 안테나(300)의 패턴의 총 길이(Lt)는 259.5mm로 계산 계산되며, 상기 계산된 일반적인 다이폴 안테나의 총 길이보다 길어짐을 확인할 수 있다. 하지만 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)의 실제 크기는 일반적인 다이폴 안테나에 비해 소형화 되었다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(300)는 미앤더 안테나의 일부가 접혀서 마주보는 구조이므로 더 많은 전자파 간섭이 발생하게 되고, 따라서 동일한 주파수에서 공진이 발생하도록 하려면 미앤더 섹션의 폭을 줄이고 개수를 늘려서 촘촘하게 설계해야 하기 때문에, 도 2에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)보다 패턴의 총 길이가 더 길어진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나가 포함된 RFID 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, RFID 시스템(400)은 RFID 리더(410) 및 RFID 태그(430)를 포함하여 구성된다. RFID 리더(410)는 RF 송신부(411), RF 수신부(413) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(415)를 포함하여 구성되고, RFID 태그(430)는 RF 프런트엔드(431), 신호처리부(433) 및 태그 안테나(435)를 포함하여 구성된다.
RF 송신부(411)는 제1 RF 신호를 발생시키고 RFID 리더용 미앤더 안테나(415)로 전달한다. RF 수신부(413)는 RFID 태그(430)에서 발생되고 RFID 리더용 미앤더 안테나(415)를 통해 수신된 제2 RF 신호를 호스트 컴퓨터(미도시)에 전송한다. RFID 리더용 미앤더 안테나(415)는 RF 송신부(411) 및 RF 수신부(413)와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제1 RF 신호를 RFID 태그(430)로 전송하고, RFID 태그(430)로부터 상기 제2 RF 신호를 수신한다. RFID 리더용 미앤더 안테나(415)의 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다.
RF 프런트엔드(431)는 RFID 리더(410)로부터 수신된 상기 제1 RF 신호를 직류전압으로 변환하여 신호처리부(433)가 동작하는 데 필요한 전력을 공급하며, 수신된 상기 제1 RF신호로부터 기저대역 신호를 추출한다. 신호처리부(433)는 상기 제2 RF 신호를 발생시키고 태그 안테나(435)로 전달한다. 태그 안테나(435)는 RF 프런트엔드(431) 및 신호처리부(433)와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제1 RF 신호를 RFID 리더(410)로부터 수신하고, RFID 리더(430)로 상기 제2 RF 신호를 전송한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나가 포함된 RFID 리더를 포함하는 휴대용 전자기기를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 휴대용 전자기기(500)는 본체(510) 및 RFID 리더를 포함하여 구성되며, 상기 RFID 리더는 RFID 리더용 미앤더 안테나(520), RF 송신부(530) 및 RF 수신부(540)를 포함하여 구성된다.
상기 RFID 리더의 구성요소 중 RF 송신부(530) 및 RF 수신부(540)는 본체(510)의 내부에 실장되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나(520)는 본체(510)의 외부에 실장된다. RFID 리더용 미앤더 안테나(520)를 본체(510)의 외부에 실장함으로써 RFID 리더용 미앤더 안테나(520)의 유전체가 신체의 일부분과 접촉될 수 있고, 신체의 전도성 물질에 의해 RFID 리더용 미앤더 안테나(520)의 전기장(electrical field)에 영향을 주어 방사(radiation)가 더 많아질 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하여 설명하기로 한다.
하기의 [표 1]은 도 2에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)에 손가락을 접촉한 경우와 그렇지 않은 경우에 각각 RFID 태그의 인식거리를 실험한 결과이다.
[표 1]
Figure 112009024677762-PAT00008
상기의 [표 1]을 참조하면, 손가락 접촉이 RFID 리더용 미앤더 안테나(200)의 성능을 향상시켰음을 확인할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 신체 접촉에 따른 전기장의 분포를 시뮬레이션하기 위한 손가락의 모델을 나타내는 도면이다.
3D 필드 시뮬레이터(Field simulator)를 이용하여 시뮬레이션 하였으며, 손가락을 원통 모양으로 모델링하였다. 상기 모델링된 손가락의 길이는 7cm이며, 내부에 반지름 2.6mm의 뼈 부분, 상기 뼈 부분을 감싸고 있는 반지름 4mm의 지방 부분 및 상기 지방 부분을 감싸고 있는 반지름 5mm의 피부 부분으로 구성되어 있다. 하기의 [표 2]는 모델링된 상기 뼈 부분, 상기 지방 부분 및 상기 피부 부분의 유전율 및 전기전도율을 나타낸다.
[표 2]
Figure 112009024677762-PAT00009
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 없는 경우의 전기장 분포를 나타내는 그래프이고, 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 있는 경우의 전기장 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6b 및 도 6c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 유전체에 손가락 접촉이 있는 경우, 손가락의 전도성 물질에 의해서 전기장이 영향을 받아, 손가락의 근처에 놓인 미앤더 섹션에 더 많은 전기장이 분포하는 것을 볼 수 있고 이는 대칭적(symmetric)으로 안테나 내의 전기장의 분포에 영향을 주게 되어 전기장의 방사가 더 많아질 수 있다.
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 있는 경우 및 없는 경우 각각에 대해 주파수에 대한 입력반사계수(S11)를 나타내는 그래프이다.
도 6d를 참조하면, 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 있는 경우, 공진점에서 좀 더 낮은 입력반사계수 값을 가지게 된다. 낮은 입력반사계수를 가진다는 것은 해당 주파수의 신호를 잘 방사할 수 있다는 것을 의미하므로, 손가락 접촉이 있는 경우에 방사가 더 잘 일어나게 될 것을 예상할 수 있다.
도 7a는 도 2에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 주파수에 대한 입력 반사계수를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 도 2에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 900MHz에서의 3차원 지향성(3D directivity)을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 도 3에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 주파수에 대한 입력 반사계수를 나타내는 그래프이고, 도 8b는 도 3에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 900MHz에서의 3차원 지향성을 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 도 8a를 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 구조를 3D EM 시뮬레이터를 통해 시뮬레이션하여 성능을 평가한 그래프이다. 입력반사계수 그래프가 900MHz에서 공진점을 가지며 -15dB 이하로 떨어지는 것은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나가 900MHz 주파수의 신 호를 잘 방사할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 효율이 우수함을 나타낸다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 본 발명에 따르면, RFID 리더용 안테나에 미앤더 구조를 적용하고 휴대용 전자기기의 크기에 맞게 접힌 구조를 적용하여, 휴대용 전자기기의 내부 및 외부에 실장이 가능하도록 크기가 작으면서도 높은 효율을 가지는 효과가 있어 RFID 리더용 미앤더 안테나의 성능 향상을 가져오며, 휴대폰, PDA와 같은 휴대용 전자기기에 RFID 리더를 실장하는데 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 다이폴(dipole) 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나가 포함된 RFID 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나가 포함된 RFID 리더를 포함하는 휴대용 전자기기를 나타내는 블록도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나의 신체 접촉에 따른 전기장의 분포를 시뮬레이션하기 위한 손가락의 모델을 나타내는 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 없는 경우의 전기장 분포를 나타내는 그래프이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 없는 경우의 전기장 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 리더용 미앤더 안테나에 손가락 접촉이 있는 경우 및 없는 경우에 각각의 주파수에 대한 입력 반사계수(S11)를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 도 2에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 주파수에 대한 입력 반사계수를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 도 2에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 900MHz에서의 3차원 지향성(3D directivity)을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 도 3에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 주파수에 대한 입력 반사계수를 나타내는 그래프이고, 도 8b는 도 3에 도시된 RFID 리더용 미앤더 안테나의 900MHz에서의 3차원 지향성을 나타내는 그래프이다.

Claims (9)

  1. RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하는 RFID 리더용 미앤더 안테나로서,
    기판 상에 평행하게 형성된 복수의 제1 패턴;
    상기 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시키는 복수의 제2 패턴; 및
    상기 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴 또는 마지막 패턴의 한쪽 끝단과 연결되고, 상기 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된 제3 패턴을 포함하고,
    상기 RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가지는 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 미앤더 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 길이의 합은 상기 동작주파수의 파장 길이의 절반보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 미앤더 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴은 대칭적으로 형성된 다이폴(dipole) 구조인 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 미앤더 안테나.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 제1 패턴의 길이는 모두 10.5mm 내지 11.5mm이며, 상기 복수의 제2 패턴의 길이는 모두 3.8mm 내지 4.2mm이며, 상기 제3 패턴의 길이는 10.25mm 내지 11.25mm이며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 폭은 모두 0.32mm 내지 0.42mm인 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 미앤더 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부, 상기 복수의 제2 패턴 중 일부 및 상기 제3 패턴은 제1 기판 상에 형성되고, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부 및 상기 복수의 제2 패턴 중 일부는 상기 제1 기판의 측면에 수직으로 연결된 제2 기판 또는 제3 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴은 대칭적으로 형성된 다이폴 구조인 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 미앤더 안테나.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부의 길이는 4.75mm 내지 5.25mm이고 일부의 길이는 9.5mm 내지 10.5mm이며, 상기 복수의 제2 패턴 중 일부의 길이는 1.9mm 내지 2.1mm이고 일부의 길이는 3.8mm 내지 4.2mm이며, 상기 제3 패턴의 길이는 10.25mm 내지 11.25mm 이며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 폭은 모두 0.32mm 내지 0.42mm 인 것을 특징으로 하는 RFID 리더용 미앤더 안테나.
  7. RFID 시스템에서 RFID 태그와 반응하여 동작하는 RFID 리더를 포함하는 휴대용 전자기기에 있어서, 상기 RFID 리더는,
    제1 RF 신호를 발생시키는 RF 송신부;
    상기 RFID 태그에서 발생된 제2 RF 신호를 호스트 컴퓨터에 전송하는 RF 수신부; 및
    상기 제1 RF 신호를 전송하고, 상기 제2 RF 신호를 수신하는 RFID 리더용 미앤더 안테나를 포함하며, 상기 RFID 리더용 미앤더 안테나는,
    기판 상에 평행하게 형성된 복수의 제1 패턴;
    상기 복수의 제1 패턴 중 인접한 두 개의 제1 패턴의 한쪽 끝단을 연결하여 미앤더(meander) 구조를 형성시키는 복수의 제2 패턴; 및
    상기 복수의 제1 패턴 중 최초 패턴 또는 마지막 패턴의 한쪽 끝단과 연결되고, 상기 복수의 제2 패턴과 평행하게 형성된 제3 패턴을 포함하고,
    상기 RFID 시스템은 850MHz 내지 950MHz의 동작주파수 대역을 가지고, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴은 대칭적으로 형성된 다이폴 구조이며, 상기 복수의 제1 패턴, 상기 복수의 제2 패턴 및 상기 제3 패턴의 길이의 합은 상기 동작주파수의 파장 길이의 절반보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부, 상기 복수의 제2 패턴 중 일부 및 상기 제3 패턴은 제1 기판 상에 형성되고, 상기 복수의 제1 패턴 중 일부 및 상기 복수의 제2 패턴 중 일부는 상기 제1 기판의 측면에 수직으로 연결된 제2 기판 또는 제3 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  9. 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RFID 리더용 미앤더 안테나는, 신체의 일부분과 접촉되도록 상기 휴대용 전자기기의 외부에 실장되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
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