KR20110040815A - 다중 연관 패치를 구비한 광대역 안테나 및 무선 주파수 인식 어플리케이션을 위한 공면 접지 기술 - Google Patents

Abstract

무선 주파수 인식 시스템에 사용되는 안테나가 개시되며, 해당 안테나는 기준 접지와, 안테나 공급부와, 안테나 공급부에 전기적으로 결합되어 HF와 UHF 신호 중 하나를 미드-필드 전송 및 수신하는 1차 패치 안테나 요소와, HF와 UHF 신호 중 하나를 전송 및 수신하도록 1차 패치 안테나 요소의 에지에 각각 전기적으로 결합되어 HF와 UHF 광대역 신호 중 하나를 미드-필드 전송 및 수신하는 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소를 포함한다. 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소는 HF와 UHF 신호 중 하나의 이득 향상을 제공한다.

Description

다중 연관 패치를 구비한 광대역 안테나 및 무선 주파수 인식 어플리케이션을 위한 공면 접지 기술{BROADBAND ANTENNA WITH MULTIPLE ASSOCIATED PATCHES AND COPLANAR GROUNDING FOR RFID APPLICATIONS}

본 출원은, 그 전체 내용이 본 출원에 포함되는 것으로서, 2008년 6월 6일 출원된 미국 특허 가출원 번호 제61/059,665호의 우선권을 주장하며, 또한 2007년 10월 8일자 출원된 미국 특허 가출원 제60/978,389호의 우선권을 주장하는 발명의 명칭이 "공면 기준 접지 및 부유 접지 방식의 RFID 패치 안테나"인 2008년 10월 8일자 출원된 미국 특허 출원 제12/247,994호의 부분 연속 출원이다.

본 발명은 모두 기하학적으로 동일 평면에 있거나 가깝게 이격된 평행한 평면에 있는 둘 이상의 접속된 방사 요소와 기준 접지 도전체를 구비하고, 또한 선택적으로 패치 시스템과 정전하 방출을 위한 접지 도전체 사이에 직접적인 전기 단락 접속[DC 폐쇄 단락(DC closed short circuit)]을 포함하는 비용이 저렵하고 두께가 얇은 소형의 광대역 패치 안테나에 관한 것이다. 이런 패치 안테나 또는 이런 패치 안테나의 어레이는 UHF-대역 신호가 패치 안테나를 거쳐 판독기(송수신기)와 태그(트랜스폰더) 사이에서 전송되는 무선 주파수 인식(RFID) 어플리케이션의 용도를 가진다. 본 발명은 RFID 어플리케이션에 특별한 용도를 가지는데, 이 RFID 어플리케이션에서는, RFID 태그 물품의 더미를 수용하고 RFID 스마트 선반, 스마트 카운터-탑 또는 그 밖의 RFID-가능 표면과 같은 표면 위로 적절히 제어된 지향성 UHF 신호가 방사되는 공간을 형성하여, RFID 태그와 통신하기엔 UHF 신호가 너무 약한 공간 내의 널 구역(null zones) 또는 위치의 범위 및 정도를 감소시키면서 공간 내의 물품을 안테나에 부착된 RFID 판독기로부터 나오는 UHF 신호를 이용하여 신뢰성 있게 판독될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 개선된 대역폭을 갖는 본 발명은 안테나 주변 환경의 물품 및 자재가 태그와 판독기(송수신기)의 동작 주파수에서 벗어나게 통상의 협대역의 종래 기술에 따른 안테나의 공명 주파수에 크게 영향을 미치는(즉, 공명 주파수를 변경하거나 또는 공명 주파수의 중대한 이동을 야기하는) 상황에서 특별한 용도를 가진다.

전자 물품 감시의 무선 주파수 인식(RFID) 시스템과 그 밖의 형태는 그 위치 또는 적재가 소정의 경제적 안전성 또는 기타 관심 대상인 물품을 추적하는데 그 사용이 점증하고 있다. 이들 용례에서, 통상 트랜스폰더 또는 태그가 추적 대상 물품에 부착되거나 그 내부에 배치되며, 이들 트랜스폰더 또는 태그는 판독기가 직간접으로 부착된 네트워크를 통해 사람이나 소프트웨어 어플리케이션으로 태그(및 유추에 의해 물품)의 위치를 보고하는 송수신기 또는 판독기와 적어도 단속적으로 통신한다. RFID 어플리케이션의 예로는 매장 내에 일반 판매를 위해 제공되는 소매 물품의 추적과, 매장 사실 내, 매장 선반 고정 시설, 디스플레이, 카운터, 케이스, 진열장, 수납장 또는 그 밖의 고정 시설 상의 물품 재고 관리와, 판매 지점 및 매장 출구를 통과하는 물품의 추적이 있다. 또한 현존하는 물품 추적 어플리케이션은 물품이 소매 공급 체인을 통해 이동되므로 창고, 분배 센터, 트럭, 밴, 선박 컨테이너 및 물품의 보관 및 이송을 위한 그 밖의 지점을 포함한다. RFID 기술의 어플리케이션의 다른 영역은 소정 환경에서 고가 물품(반드시 일반 판매를 목적으로 하는 것은 아닌)이 도난, 손실 또는 분실을 방지하고 자산 관리 체인의 보전성을 유지하도록 추적되는 자산 추적을 포함한다. RFID 어플리케이션의 이러한 용례는 단지 예시로서 주어진 것으로 해당 기술에 대한 많은 다른 용례들이 존재함은 물론이다.

RFID 시스템은 통상 판독기 안테나를 사용하여 디지털 신호로 인코딩된 전자기 반송파를 RFID 태그로 방사한다. 이와 같이 판독기 안테나는 태그와 판독기 사이의 통신을 용이하게 하고 이런 통신의 품질에 영향을 미치는 중요한 성분이다. 판독기 안테나는 판독기로부터의 신호 수반 교류 전류를 태그 내에 위치된 인접하는 제2 안테나를 위한 적절한 신호 수반 요동 전자기장 또는 전자기파로 변환하거나, 대안으로서 (태그로부터 전송되거나 태그에 의해 변조된) 신호 수반 요동 전자기장 또는 전자기파를 판독기에 의한 복조와 판독기와의 통신을 위한 신호 수반 교류 전류로 변환하는 역과정을 또한 용이하게 하는 트랜스듀서로서 간주될 수 있다. 일반적으로 말하면, 판독기 안테나의 공명 특성과 튜닝(조정 가능성)은 안테나의 기하학적 형상과 크기, 적층(소재 층)과 구성 및 제조 소재는 물론, 안테나 주변의 환경의 특성에 의해 결정된다. 이상적으로, RFID 안테나는 큰 대역폭을 갖게 되는데, RFID 태그와 판독기가 동작하도록 설계된 주파수 근처 또는 그 주파수를 중심으로 상대적으로 넓은 주파수 범위에서 신호를 효과적으로 발생시키고 수신할 것이다. 충분한 대역폭의 안테나의 경우, 안테나 주변의 우발적이고 주로 제어 불가능한 변화에 기인하는 시스템 공명 특성의 작은 변화로 인해 안테나 주파수가 설계 주파수를 크게 벗어나 변화되지는 않을 것이다. RFID 시스템에 사용되는 안테나의 종류는 패치 안테나, 슬롯 안테나, 쌍극자 안테나, 루프 안테나 및 많은 다른 종류와 이들 종류의 변형을 포함한다.

패시브 RFID 시스템의 경우, RFID 태그는 전자기 반송파에 의해 구동된다. 구동되면, 패시브 태그는 무선 주파수(RF) 신호를 해석한 후 통상은 전자기 반송파에 시간 지정된 간헐적 교란을 형성함으로써 적절한 응답을 제공한다. 태그 응답을 인코딩하는 이들 교란은 판독기 안테나를 거쳐 판독기에 의해 감지된다. 액티브 RFID 시스템의 경우, 태그는 배터리와 같은 자체 전원을 포함하며, 자체 전원은 태그가 자체 반송파와 인코딩된 RF 신호를 생성하는 것에 의해 판독기와의 RF 통신을 개시하거나, 태그의 데이터 처리 속도를 높이거나 태그의 응답 전력을 높이는 것에 의해 태그 성능과 그에 따른 태그와 판독기 간 통신의 최대 거리를 향상시키는 데 사용될 수 있다.

특히 패시브 RFID 시스템의 경우, 니어-필드(near-field) 대 파-필드(far-field) 거동과 관련하여 RFID 시스템과 그 안테나의 거동을 구별하는 것이 편리하기도 하다. "니어-필드"와 "파-필드"는 상대적인 용어이고, "니어"와 "파"의 용어가 의미를 갖는 것은 반송파의 파장과 관련된 것이다. 소정 어플리케이션에 관련된 거리가 반송파의 길이와 안테나의 크기보다 훨씬 클 경우, 해당 어플리케이션은 파-필드 어플리케이션이고, 때로 (안테나로부터의 거리가 먼 곳에서) 해당 안테나는 (대부분의 전자 통신 어플리케이션에서처럼) 포인트 소스로서 보일 수 있다. 다른 한편, 소정 어플리케이션에 관련된 거리가 파장과 안테나 크기보다 훨씬 짧은 경우, 안테나(예컨대, 판독기 안테나와 태그 안테나) 사이의 관련 전자기적 상호 작용은 니어-필드 상호 작용이다. 이런 경우, 반응성 전기 또는 자기 성분이 전자기(EM) 장을 지배하며, 결합된 두 안테나 간의 상호 작용은 전자기장의 교란을 통해 발생한다. 대상 어플리케이션이 반송파의 파장 정도의 거리를 갖는 경우, 그 상황은 보다 복잡해서 단순히 니어-필드 또는 단순히 파-필드로서 간주될 수 없다. 본 특허 출원에서는 이런 상황을 "미드-필드(mid-field)"라 지칭한다.

상용 RFID 시스템에 의해 사용되는 두 개의 공통 주파수 대역은 HF(13.56MHz)와 UHF(약 850 내지 950MHz, 특정 대역은 해당 국가에 따른다)이다. RFID 태그 부착 소비 물품은 일반적으로 제조 및 분배로부터 최종 소매점까지 공급 체인을 통해 많은 어플리케이션에서 사용되기 때문에, 소매점 선반의 기능적 필요 조건은 태그 주파수의 선택에 영향을 미치는 여러 세트의 요소 중 하나일 뿐이다. 공급 체인에서는 다양한 상거래 파트너에게 중요한 많은 요소와 필요 조건이 존재하며, 이런 복잡한 상황에서 스마트 선반, 랙(racks), 진열장, 그 밖의 소매점, 창고 및 기타 영업용 고정 시설의 상부와 내부에 있는 태그 부착 물품을 추적하기 위해 HF와 UHF가 널리 사용된다. 미국 특허 제7,268,742호, 제6,989,796호, 제6,943,688호, 6,861,993호, 제6,696,954호, 제6,600,420호 및 제6,335,686호 모두는 스마트 선반, 진열장 및 관련 고정 시설에 대한 RFID 안테나 어플리케이션을 다루고 있다. 13.56 MHz 전파는 22 m(72 피트)를 조금 넘는 파장을 가지는 한편, RFID 어플리케이션에 사용되는 UHF 방사의 파장은 대략 1/3 미터, 또는 약 12 인치이다. 선반, 진열장, 랙, 카운터 및 그 밖의 이런 고정 시설 상에 있거나 내부에 있는 태그 부착 물품의 추적 및 감시를 포함하는 물품-레벨 RFID 어플리케이션의 거리 특성치는 피트 단위(예컨대, 0.5 피트 내지 수 피트)이므로, UHF 기술이 이용될 경우, 안테나 상호 작용은 니어-필드, 파-필드 및 미드-필드임이 분명하다. 이 경우, 판독기 안테나 종류의 선택이 미비하거나 적절한 종류의 설계가 미비하면 전체 RFID 시스템의 성능 저하와 어플리케이션 고장을 가져올 수 있다. 그 원인 중 하나는 미드-필드 상황에서 판독기 안테나로부터 방출되는 전기장과 자기장이 관련 표면(예컨대 태그 부착 물품을 보유하는 소매점 선반 표면)에서 크게 변하기 때문이다. (UHF 방사의 파장이 수 인치에 불과하기 때문에) 전기장과 자기장은 어느 한 위치에서 강하고 몇 인치 떨어진 다른 위치에서는 크게 약할 수 있으며, UHF 시스템의 전반적 거동은 13.56MHz 어플리케이션에서 조사되는 것보다 훨씬 더 복잡하다. 따라서, UHF 태그가 선반과 그 밖의 보관용 고정 시설 상에서의 RFID 물품의 추적에 사용되는 경우 판독기 안테나의 설계가 중요하게 된다.

통상적으로, 패시브 RFID 시스템의 검출 범위는 예컨대 패시브 UHF RFID 시스템의 경우 수 피트 미만일 수 있는 짧은 범위에서 신호 강도에 의해 제한된다. 패시브 UHF RFID 시스템에서의 이런 판독 범위 제한으로 인해, 많은 어플리케이션은 모든 태그, 특히 태그 부착 물품이 하나의 고정 안테나가 설치된 정착 또는 고정 판독기의 검출 범위보다 훨씬 큰 공간에 보관되어 있는 경우의 모든 태그를 검출하기 위해 태그 부착 물품의 그룹 주변에서 수동으로 이동될 수 있는 휴대용 판독기 유닛을 사용한다. 그러나 휴대용 UHF 판독기 유닛은 여러 단점을 가진다. 첫 번째는 스캐닝 동작과 관련하여 노동 비용을 수반한다. 고정 기반 시설(fixed infrastructure)은 일단 지출되면 노동 비용이 시스템에 관련하여 진행되는 수동 시스템인 경우보다 훨씬 저렴하게 작동할 수 있다. 또한, 휴대용 유닛은 판독되는 태그의 정확한 위치와 관련하여 불명료성을 야기할 수 있다. 예컨대, 판독기 위치는 사용자에 의해 주지될 수 있으나, 판독 과정 중 태그의 위치는 주어진 어플리케이션에서 충분히 잘 인식되지 않을 수 있다. 즉 휴대용 RFID 판독기를 사용함으로 인해 공간 분해능 확실성(spatial resolution)은 단지 수 피트가 될 수 있고, 많은 어플리케이션은 수 인치의 공간 분해능 내에서 태그 부착 물품의 위치를 인식할 것을 필요로 한다. 휴대용 RFID 판독기는 고정식 판독기 및 안테나 시스템의 경우보다 쉽게 분실되거나 도난당할 수도 있다.

휴대용 UHF RFID 판독기의 대안으로서, 충분한 전력으로 구동되는 대형의 고정식 판독기 안테나를 사용하여 많은 태그 부착 물품을 검출할 수 있다. 그러나, 그러한 안테나는 사용이 불편하고 외관이 좋지 않을 수 있고, 방사 전력이 허용 가능한 법규 또는 규정 한계치를 초과할 수 있다. 또한, 이들 판독기 안테나는 매장 내에 또는 공간이 수요가 많은 그 밖의 장소에 위치되는 경우가 많아서 그런 대형 판독기 안테나를 사용하는 것은 비용이 많이 들고 불편하다. 또한, 단일의 대형 안테나를 사용하여 넓은 영역(예컨대, 소매점 선반 세트, 전체 진열장 또는 전체 카운터 등)을 조사할 경우, 선반 고정 시설의 특정 스폿 또는 작은 서브-섹션에 태그 부착 물품의 위치를 해상하는(resolve) 것이 불가능하다는 것에 주목해야 한다. 일부 어플리케이션에서, (만일 선반에 작은 물품이 다수 존재하고 수동 검색 및 분류 시간을 최소화하고자 할 경우) 수 인치의 공간 분해능으로 태그 부착 물품의 위치를 식별하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 단일의 대형 판독기 안테나의 사용은 바람직하지 않은데, 그 이유는 일반적으로 원하는 공간 분해능으로 해당 물품의 위치를 찾는 것이 불가능하기 때문이다.

대안으로서, 완전 자동화된 이동형 안테나 시스템을 사용할 수 있다. 미국 특허 제7,132,945호는 이동형 또는 스캐닝 안테나를 채용한 선반 시스템을 개시한다. 이런 접근법은 상대적으로 큰 영역을 조사할 수 있도록 하고 노동력을 필요로 하지 않는다. 그러나, 상용 선반 시스템에 가동부를 도입하는 것이 실행 불가능한 것으로 판명되는데, 이는 가동부를 포함하는 머신에서도 종종 볼 수 있는 것처럼 높은 시스템 비용, 심화된 설치 복잡성, 높은 유지 비용 및 시스템 정지 시간에 따른 불편 때문이다. 빔-형성 스마트 안테나는 가동부 없이 좁은 폭의 빔으로 공간을 스캔할 수 있다. 그러나, 액티브 장치로서 이들은 통상적으로 패시브 안테나에 비해 크고 고가이다.

전술한 접근법의 단점을 극복하기 위해, 고정된 어레이의 소형 안테나를 소정의 UHF RFID 어플리케이션에 사용한다. 이런 접근법의 경우, 예컨대 미국 특허 제7,084,769호에 설명되는 바와 같이, 넓은 영역에 걸쳐 있는 다수의 판독기 안테나가 소정 종류의 스위칭 네트워크를 통해 단일의 판독기 또는 판독기 그룹에 연결된다. RFID-가능 선반, 진열장, 케이스, 랙 또는 그 밖의 고정 시설의 내부 또는 상부에 있는 소형의 태그 부착 물품의 추적 또는 재고 조사를 포함하는 스마트 선반 및 그 밖의 유사 어플리케이션은 작은 안테나의 고정 어레이를 사용할 수 있다. 스마트 선반과 유사 어플리케이션에서 태그 부착 고정 물품의 추적에 있어서, 고정된 어레이의 작은 안테나들은 휴대용 안테나, 단일의 대형 고정 안테나를 갖는 시스템 및 이동 안테나 시스템에 비해 여러가지 장점을 제공한다. 우선, 해당 안테나 자체는 작고 그에 따라 각각의 안테나 주변의 공간을 조사하는데 상대적으로 적은 전력이 필요하다. 따라서, 한 번에 하나씩 이들 안테나에 질의하는 시스템에서, 해당 시스템 자체는 상대적으로 적은 전력(통상 1와트에 크게 못미침)을 필요로 한다. 또한, 큰 어레이의 작은 안테나 각각에 질의함으로써 시스템은 상대적으로 적은 전력으로 큰 영역을 조사할 수 있다. 또한, 안테나 어레이에 사용되는 UHF 안테나는 일반적으로 소형이고 (제한된 전력과 0.3 내지 1 m(1 내지 3 피트) 미만의 범위에 기인하여) 특정의 알고 있는 공간 위치를 이용하여 작은 공간을 조사하기 때문에, 어레이 내의 특정 안테나에 의해 판독되는 태그 부착 물품은 0.025 내지 0.3 m(1 내지 12 인치)의 동일한 공간 분해능으로 위치 결정된다. 따라서, 작은 안테나의 고정 어레이를 사용하는 시스템은 휴대용 RFID 판독기와 상대적으로 큰 안테나를 적은 수만큼 사용하는 시스템보다 정밀하게 태그 부착 물품의 위치를 결정할 수 있다. 또한, 어레이 내의 각 안테나는 상대적으로 작기 때문에 안테나를 선반 또는 그 밖의 보관 고정 시설 내에 숨기기가 훨씬 쉬워서 미관을 개선하고 외부의 파괴적 사건(예컨대 어린이의 호기심에 기인하는 조작이나 대중 일반에 의한 악의적 작동)에 의한 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 고정 안테나의 어레이는 가동부를 포함하지 않아서 전술한 바와 같은 가동부와 관련된 어떤 단점도 겪지 않는다. 또한, 그런 안테나 어레이에 사용되는 것과 같은 작은 안테나는 (단일의 대형 안테나의 교체 비용에 비해) 단일의 안테나 요소의 고장시의 교체 비용이 저렴할 수 있다. 또한, 고정 어레이의 안테나는 태그 부착 물품의 스캐닝 실행시 특별한 수작업을 필요로 하지 않고, 따라서 휴대용 판독기 및 안테나 시스템과 관련되거나 이동형 카트 접근 방식과 관련된 고가의 노동 비용을 태그 부착 물품에 관련하여 발생시키지 않는다.

스마트 선반 및 유사 어플리케이션의 경우, 안테나 어레이에 사용되는 안테나가 간소하고 저렴하고 기존의 기반 설비에 장착이 용이하고 안테나 근방에서 사람들의 시야로부터 은닉하기 용이하다는 경제적 및 미적인 이유와, 또한 안테나를 신속하게 설치 및 접속할 수 있다는 점에서 중요하다. 이들 어플리케이션의 필요 조건은 전체 안테나 두께를 줄이는 안테나 구성에 보다 쉽게 부합된다. 즉, 얇거나 낮은 형상의 안테나는 숨기기 쉽고 특별한 변형 없이 기존의 기반 설비에 장착이 용이하다. 또한, 얇은 안테나에 소재가 적게 사용되기 때문에 안테나 두께를 줄임으로써 안테나 비용이 저감되는 경향이 있다. 비용 및 설치 편의성의 이유로, 안테나에 부착되는 RF 공급 케이블 또는 와이어와 관련하여 가장 단순하고 가능한 구성을 가지는 것이 또한 바람직하다. 바람직하게는, 부착은 안테나 기재를 관통하는 홀이나 특수 채널, 와이어 또는 도전성 비아(via)를 필요로 하지 않고도 일 표면 상에서 일 위치에 수행되어야 할 것이다. 또한, UHF 안테나의 설계는 방사된 전기장 및 자기장이 태그와 판독기 간의 통신을 용이하게 하기엔 너무 약한 안테나 사이 또는 안테나 주변의 "데드 존(dead zone)" 또는 작은 영역이 없이 안테나 근처의 공간에서 RFID 태그의 판독을 허용하는 것이 중요하다. 스마트 선반 및 유사 어플리케이션에 사용되는 안테나에 대한 다른 필요 조건은 다양한 태그 안테나 배향성(tag antenna orientation)(즉, 태그 방향 독립성 또는 적어도 그러한 이상적인 상태에 근접하는 거동)으로 물품을 판독할 수 있는 능력을 가지는 것이다.

전술한 바와 같은 안테나 시스템에 사용될 수 있는 종래의 패치 안테나, 슬롯 안테나, 쌍극자 안테나 및 그 밖의 통상의 UHF 안테나 종류는 일반적으로 다층형이다. 미국 특허 제6,639,556호는 이런 층상 구조와 RF 공급을 위한 중심홀을 갖는 패치 안테나 구성을 보여준다. 미국 특허 제6,480,170호는 삽입 유전체의 양면에 기준 접지와 방사 요소를 갖는 패치 안테나를 보여준다. 다층 안테나 구성은 과다한 제조 비용과 과대한 안테나 두께(안테나 설치시 기존의 기반 설비로의 장착을 복잡하게 하고 안테나를 시야로부터 감추는 것이 더 어려워진다)를 야기할 수 있다. 다층 안테나 구성은 연결 와이어(예컨대 안테나와 판독기 간의 동축 케이블)의 부착부의 형태를 복잡하게 하는 경향도 있는데 이는 신호 캐리어와 기준 접지의 접속이 다른 층에서 이루어지기 때문이다.

UHF 스마트 선반 어플리케이션의 경우, 안테나 종류에서 패치 안테나가 훌륭한 선택이 되는데, 이는 패치 안테나로부터 방사되는 전기장 및 자기장이 안테나의 평면에 수직인 방향에서 우세하기 때문이며, 그에 따라 안테나는 선반 표면의 상부 또는 내부에 위치될 수 있고 선반 바로 위의 영역에 RFID-액티브 공간을 형성할 수 있으며 선반의 표면에 안착된 태그 부착 물품을 상대적으로 쉽게 판독할 수 있다. 물론, 이것은, 편리하고 실용적인 전력 입력이 주어진 경우, 특별한 패치 안테나 구성이 충분한 대역폭과 방사 효율을 취득함으로써 태그 부착 안테나가 신뢰성 있고 일관적으로 판독될 수 있도록 안테나 주변에 충분히 큰 공간을 형성한다는 것을 가정한 것이다. 종래 기술에 설명된 종래의 패치 안테나는 유전체 물질의 상부에 형성된 도전재의 주 방사 요소를 가진다. 유전체 물질의 아래(즉, 반대쪽 측면)에는 통상 기준 접지 요소가 위치되며, 해당 접지 요소는 안테나에 의해 전송 또는 수신되는 신호에 대해 전기적으로 접지되는 도전재의 평면 층이다. 종래 기술에 널리 알려진 전형적인 패치 안테나 구성의 경우, 안테나의 주 방사 요소 및 기준 접지 요소는 유전체 물질(소정의 경우 단순히 공기 스페이서)로 분리된 평행한 평면에 존재한다. 또한, 통상의 경우, 주 방사 요소와 기준 접지 요소는 하나가 다른 것의 바로 위에 있거나 하나가 그 각각의 평행한 평면에서 다른 것과 실질적으로 중첩되도록 제조된다. 이런 다층 패치 안테나 구성의 단점은 안테나와 RFID 판독기 간의 신호 전달을 수행하는 피복 케이블 또는 트위스트 와이어 쌍의 접속부가 유전체 물질에 의해 분리된 두 곳의 개별 높이에서 안테나에 부착되어야만 해서 유전체 층 내에 접속 홀이나 비아를 필요로 한다는 것이다.

방사 요소와 기준 접지 도전체 간의 간극 크기(즉 유전체 층의 두께)는 주어진 유전체 물질에서 그러한 간극 두께가 주로 안테나의 대역폭을 결정하므로 종래의 패치 안테나에서 핵심적인 설계 파라미터이다. 간극이 감소함에 따라 대역폭은 좁아진다. 안테나의 대역폭이 너무 좁으면, 주어진 어플리케이션에서 안테나의 튜닝이 매우 어려워지고, 정상 동작 중 환경의 제어 불가한 변화(예컨대 안테나에 의해 감시되는 영역 내로 예기치 않고 변칙적으로 금속 물체, 사람의 손 또는 그 밖의 물품이나 물질이 도입되는 것)에 의해 공명 주파수의 이동이 야기될 수 있고 이런 공명 주파수의 이동은 과도하게 좁은 대역폭과 결합하여 안테나의 중대한 파장 변경(detuning)과 RFID 태그 검출 및 판독의 실패를 가져올 수 있다. 따라서, 주어진 어플리케이션에서, 실제적인 이유로 인해 전형적인 패치 안테나 구성에서 접지면과 방사 요소 사이의 거리에 대한 하한이 존재하며 이것은 안테나의 전체 두께를 제한한다.

전통적인 패치 안테나의 두께에 대한 다른 제한은 방사 효율(전자기 방사로서 안테나 내로 방사되는 총 전기 에너지의 비율)에 기인한다. 유전체 두께 또는 기준 접지와 방사 요소 간의 간극이 너무 작으면, 방사 효율은 안테나로 유입되는 에너지가 유전체와 그 주변으로 흐르는 열로 너무 많이 소비되기 때문에 너무 낮아진다.

이상의 논의로부터 (1) 패치 안테나 구성은 UHF 스마트 선반 및 유사 어플리케이션에 효과적으로 사용될 수 있으며, (2) 패치 타입의 안테나의 사용은 보다 유리할 수 있고 높은 대역폭과 방사 효율의 요건에 의해 부여된 안테나의 두께에 대한 제한을 극복하는 여러 방안이 존재한다면 이전에 논의된 실질적인 스마트 선반의 요건을 보다 완벽히 만족할 수 있음이 분명해졌다. 또한, 이런 논의는 공급 케이블 또는 와이어의 부착을 간소화하는 패치 안테나를 위한 새로운 구성을 찾는데 유익할 수 있다. 또한, 이런 논의는 종래의 패치 안테나 구성의 경우에 가능한 것보다 UHF 방사를 보다 균일하게 또한 안테나를 포함하는 선반의 표면(즉 방사 요소의 평면 위의 영역)에 대해 보다 큰 면적에 걸쳐 전파하도록 하는 새로운 안테나 구성을 찾는 데 유익할 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 상대적으로 짧은 파장(약 12 인치)의 UHF 방사는 선반 상의 어느 위치에서도 효과적이고 일정하게 태그를 판독하고자 하는 UHF 스마트 선반의 설계자에게 도전 과제를 제공할 수 있다. 보다 양호한 UHF 안테나 구성은 이런 문제점을 최소화하여 안테나의 에지 바로 위와 주변 영역에 양호한 "전기 및 자기장 전파(field spreading)" 또는 "전기 및 자기장 형성(field shaping)"을 허용할 수 있다. 이런 개선된 패치 안테나 구성은 발명의 명칭이 "공면 기준 접지 및 부유 접지를 구비한 RFID 패치 안테나"이고 2008년 10월 8일자 출원된 미국 특허 출원 제12/247,994호에 기술되어 있다. 상기 특허 출원에 기술된 실시예는 제1 평면의 방사 요소와 제2 평면의 기준 접지 요소 사이에 실질적인 중첩이 생기지 않도록 동일 평면에 또는 근접 이격된 평행 평면에 방사 요소와 기준 접지 요소를 갖는 패치 안테나 구성을 포함한다. 즉 방사 요소와 접지 요소는 접지 요소 위에 방사 요소가 적층되기보다 나란히 위치된다. 해당 발명은 이전 특허 출원에 설명된 바와 같은 다양한 실시예에서 종래의 패치 안테나 구성의 전술한 한계를 극복하여 대역폭과 방사 효율을 희생하지 않으면서 매우 얇은 새로운 패치 안테나를 도출하고 있다. 또한, 해당 발명은 종래의 패치 안테나 접근법보다 훨씬 단순한 안테나 공급 케이블 부착을 허용한다. 또한, 해당 발명은 안테나 주변에 보다 균일하게 분포된 UHF 장을 허용하고, 이는 데드 존을 쉽게 회피할 수 있게 만들고 스마트 선반 설계자가 안테나 주변에 균일하게 전기 및 자기장을 전파 또는 형성할 수 있도록 한다. 해당 발명은 그 다양한 실시예 중에서, 특히 기준 접지 요소 외에도 주 방사 요소와 기준 접지를 보유하는 평면 아래에 위치되도록 부유 접지 요소(들)를 구현하는 실시예가 정상적으로는 종래의 패치 안테나에 있어 튜닝의 곤란을 야기하곤 하는 작은 물리적 공간 내에 국한된 저전력 RFID 신호와 근접 배치된 다수의 RFID 태그로부터 정보를 얻는 것이 바람직한 유사한 어플리케이션은 물론, RFID 스마트 선반 어플리케이션에서 우수한 안테나 이득과 대역폭 및 튜닝 강건성을 가져온다.

본 발명은 1차 방사 요소에 직접적으로 그리고 전기적으로 연결되는 추가의 2차 방사 요소를 부가함으로써 "공면 기준 접지 및 부유 접지를 갖는 RFID 패치 안테나"에 대해 2008년 10월 8일 출원된 미국 특허 출원 제12/247,994호의 사상의 연장이다. 이들 하나 이상의 2차 방사 요소는 1차 방사 요소를 포함하는 동일 평면에 위치되어 도전성 트레이스에 의해 한 곳 이상의 에지에서 1차 방사 요소에 부착된다. 이들 2차 방사 요소는 1차 방사 요소와 유사한 크기와 형상을 가지거나, 다소 협소하여 높은 종횡비를 가질 수 있다. 이전의 특허 출원에 기재된 공면 안테나 구성에 하나 이상의 2차 방사 요소를 추가하는 것은 여러 가지 장점을 제공한다. 우선, 대역폭이 증가된다. 둘째, 주어진 대역폭 요건을 만족하도록 얇은 안테나가 구성될 수 있다. 마지막으로, 안테나 방사 이득이 증가된다(즉, 공간 스캔에 적은 전력이 요구된다).

일 실시예에 따르면, 예컨대 RFID 판독기와 RFID 태그 또는 트랜스폰더 사이에서 RF 신호를 전송 및 수신하기 위해 보관 고정 시설(예컨대 선반, 진열장, 서랍 또는 랙) 내에 배치되는 판독기 안테나가 제공된다.

특정 양태에서, 무선 주파수 인식 시스템에 사용되는 안테나로서, 기준 접지와, 안테나 공급부와, 상기 안테나 공급부에 전기적으로 결합되어 HF와 UHF 신호 중 하나를 미드-필드 전송 및 수신하는 1차 패치 안테나 요소와, HF와 UHF 신호 중 하나를 전송 및 수신하도록 상기 1차 패치 안테나 요소의 에지에 각각 전기적으로 결합되어 HF와 UHF 광대역 신호 중 하나를 미드-필드 전송 및 수신하는 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소를 포함하는 안테나가 기술된다. 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소는 HF와 UHF 신호 중 하나의 이득 향상을 제공한다.

다른 양태에서, ESD 보호를 위한 직류 접속부가 제공된다.

설명된 바와 같은 판독기 안테나는 다음에 한정되는 것은 아니지만, 각각의 안테나의 경우, 안테나의 1차 방사 요소와 기준 접지 요소가 동일한 기하학적 평면 내에 위치되거나, 방사 안테나 요소와 기준 접지 요소 사이에서 중첩이 없거나 거의 없이 유전체 적층체에 의해 분리된 두 개의 평행하고 근접하여 이격된 평면에 위치되고, 또한 하나 이상의 2차 방사 안테나 요소가 1차 방사 요소를 포함하는 동일 평면과 그에 인접하게 배치되거나, 1차 및 2차 방사 요소 간에 중첩이 없거나 거의 없이 그리고 각각의 2차 방사 요소가 도전성 트레이스에 의해 1차 방사 요소의 에지에 전기적으로 결합되도록, 하나 이상의 근접하여 이격된 평행한 평면에 배치되는 구성을 포함하여 다양한 구성으로 배치될 수 있다.

또한, 선택 사항으로서, 안테나 주변의 전기장 또는 자기장 세기 또는 형상을 개선, 제어 또는 최적화하기 위해 하나 이상의 부유 접지 평면(들)이 방사 안테나 요소의 기하학적 평면에 평행한 평면에 또는 그 평행한 평면과 동일한 평면에 포함될 수 있다.

바람직한 실시예에서, RFID-가능한 보관 고정 시설은 다중 패치 안테나를 구비하며, 각각의 패치 안테나는 각각의 패치 안테나의 1차 및 2차 방사 요소와 공면이거나 실질적으로 공면인 자체의 기준 접지 요소를 가진다.

또한, 다른 실시예에서, 이들 RFID-가능한 고정 시설은 안테나가 관리 제어 시스템에 의해 선택, 활성화 또는 그렇지 않으면 관리되는 지능화 네트워크를 사용하여 실시된다.

본 발명의 이들 양태와 특징 및 다른 양태와 특징은 첨부 도면과 관련한 본 발명의 특정 실시예에 대한 하기의 설명의 검토를 통해 당업자에게 분명해질 것이다.

도 1은 종래 기술에 전형적인 패치 안테나 구성을 도시한다.
도 2는 이전의 특허 출원에 기술된 바와 같은 공면 기준 접지를 갖는 패치 안테나를 도시한다.
도 3은 2차 방사 안테나 요소가 1차 방사 안테나 요소에 인접 배치되어 그에 연결된 패치 안테나의 예를 도시한다.
도 4는 높은 종횡비의 사각 형상을 갖는 공면 기준 접지와 공면 2차 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나의 예를 도시한다.
도 5는 높은 종횡비의 사각 형상을 갖는 공면 기준 접지와 두 개의 공면 2차 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나의 예를 도시한다.
도 6은 안테나 패치와 기준 접지 평면에 연결되는 동축 케이블의 상세도이다.
도 7은 대안적인 방사 안테나 요소 형상의 예를 도시한다.
도 8은 안테나 규격 라벨과 함께 컴퓨터 시뮬레이션에 사용되는 전통적인 패치 안테나 구성을 도시한다.
도 9는 도 8의 치수로 도시한 전통적인 패치 안테나 구성의 리턴 손실에 대한 도표이다.
도 10은 전통적인 패치 안테나의 안테나 기재(유전체 층)의 두께의 함수로서 대역폭에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 11은 안테나 규격 라벨과 함께 컴퓨터 시뮬레이션에 사용되는 공면 기준 접지를 갖는 듀얼 패치 안테나를 도시한다.
도 12는 도 11에 도시된 듀얼 패치 안테나에 대한 리턴 손실에 대한 도표이다.
도 13은 다른 방향으로 배향된 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나의 예를 도시한다.
도 14는 다른 방향으로 배향된 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나 어레이의 예를 도시한다.
도 15는 대안적인 구성의 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나 어레이의 예를 도시한다.

본 발명의 실시예와 어플리케이션을 설명한다. 다른 실시예들도 실현될 수 있으며, 본 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 개시된 실시예를 변경할 수 있다. 여기에 개시된 실시예들은 RFID 시스템의 분야에 적용되는 것으로 특별히 설명되었지만, 본 발명은 동일하거나 유사한 문제를 갖는 임의의 기술에 구체화될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

하기의 설명에서는 명세서의 일부를 형성하고 여러 실시예를 예시하는 첨부 도면을 참조한다. 다른 실시예들도 활용될 수 있으며 제공되는 설명의 범위를 벗어나지 않고 구조적 변화와 작동적 변화를 행할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 종래 기술의 패치 안테나를 도시한 도면이다. 이 구성에서, 지지용 유전체 물질(100)은 방사 안테나 요소(110)(유전체의 상부측)와 기준 접지 요소(120)(유전체의 바닥측)를 분리한다. 공급점(135)은 공급 케이블(도시 생략)의 접지 요소가 기준 접지(120)에 부착될 수 있도록 유전체 내에 구멍을 필요로 한다. 본 출원에서 설명되는 방사 안테나 요소 각각은 이들이 패치 안테나 구성을 사용하여 형성되고, 특히 본 출원에서 설명되는 바와 같이 파장과 유사한 미드-필드 전송을 위해 HF와 UHF 신호의 전송 및 수신 모두에 대해 사용되기 때문에, 패치 안테나 요소로도 지칭된다. 이들 안테나 요소는 본 출원에서 추가로 설명되는 바와 같이 구리나 그 밖의 도전성 금속으로 된 박판 시트로 형성되거나, 박판 절연 시트 상에 잉크 인쇄 또는 에칭되거나 다른 방식으로 제조된다.

도 2는 우선권 주장의 기초로서 원용되는 모 출원의 실시예에 따른 예시적인 패치 안테나 조립체를 도시한 도면이다. 해당 발명의 상기 실시예에서는 통상 인쇄 회로 기판에 사용되는 것과 같은 제1 지지용 유전체 물질(100)을 사용하여 방사 안테나 요소(110)와 기준 접지 요소(120)를 지지한다. 다른 실시예에서, 방사 안테나 요소는 구리나 그 밖의 도전성 금속일 수 있고 박판 플라스틱 시트[예컨대, 패치 안테나와 기준 접지용 구리와 마일러(Mylar) 상에 형성된 트레이스 요소(trace element)]와 같은 박판 절연 기재 상에 잉크 인쇄 또는 에칭되거나 다른 방식으로 제조될 수 있고, 해당 플라스틱 시트(도 2에는 도시 생략)는 원하는 경우 자체가 특정 설계 두께(예, 2mm 또는 3mm)의 발포 플라스틱과 같은 적절한 유전체 물질(100)의 상부에 배치되거나 적절한 유전체 물질을 갖는 선반 상의 설치를 위해 사용되기도 한다. 도 2에서, 부유 접지(130)는 중실형 금속판이고, 금속 포일 유전체 물질의 상부 또는 바닥면에 적층되거나 유전체 층(100) 위 또는 아래의 소정의 다른 알맞은 캐리어 표면(도 2에 도시되지 않음)에 적층된다. 대안으로서, 부유 접지(130)는 방사 안테나 요소(110)와 기준 접지 요소(120)를 지지하고 있는 동일한 회로 기판 또는 다른 유전체 물질 층(100)의 이면에 인쇄 또는 에칭된 도전체일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 부유 접지(130)를 지지하는 유전체 물질과 방사 안테나 요소(110)와 기준 접지 요소(120)를 지지하는 유전체 물질 사이에는 공기 충전 공간 또는 간극이 존재한다. 공기 충전 공간 또는 간극의 크기는 일 실시예에서 두 개의 인쇄 회로 기판의 에지를 고정된 이격 거리를 두고 보유하는 비도전성 지지부에 의해 유지된다. 다른 실시예에서, 이들 요소(110, 120, 130)는 모두 발포 플라스틱과 같은 단일의 유전체 물질의 양 측면 상에 제조된다. 안테나 패치(110), 기준 접지(120) 및 부유 접지(130)는 통상 고체 구리 금속 도금으로 이루어지지만, 안테나 조립체의 이들 요소를 위해 다른 종류의 전기 도전재가 사용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 신호는 일 실시예에서 동축 케이블(140)이 부착된 지점(150)에서 안테나로 공급되며, 해당 지점에서는 도시된 바와 같이 케이블 코어 도전체가 방사 안테나 요소에 납땜되고 케이블 피복 메시(mesh)가 기준 접지 요소에 납땜된다. 일 실시예에서, 안테나 패치(110)와 부유 접지(130) 사이의 총 이격 거리는 2mm와 3mm 사이지만, 더 크거나 작은 이격 거리도 사용될 수 있다. 용이한 공급은 이런 구성의 분명한 장점인데 이는 방사 안테나 요소(110)와 기준 접지 요소(120)가 동일한 평면에 있어서 서로 근접하여 배치되기 때문이다.

도 3은 일 실시예에 따른 예시적인 패치 안테나 조립체를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는, 2차 방사 안테나 요소(360)가 부가되어 도전성 트레이스(370)를 통해 1차 방사 안테나 요소(110)에 물리적으로 연결되어 있다. 일 실시예에서, 2차 방사 안테나 요소는 1차 방사 요소에 인접하여 공면에 배치된다. 다른 실시예에서, 2차 요소는 1차 및 2차 방사 요소 사이에 중첩이 없거나 거의 없이 하나 이상의 근접하여 이격된 평행한 평면에 배치될 수 있다. 대안 실시예에서 도전성 트레이스(370)는 방사 요소의 에지에 반드시 연결되어야 하는 것은 아닐 수 있음을 알아야 한다. 그러한 연결은 방사 요소의 내부일 수 있고 그 위치는 변할 수 있다.

본 발명에서, 2차 안테나 요소는 1차 안테나 요소의 3개 개방 측면 중 어느 한 측면에 제공될 수 있다. 도 3은 이들 위치 중 하나를 보여주지만 어떤 식이든 본 발명을 한정하는 것으로서 간주되어서는 안된다.

2차 방사 요소의 형상과 비율은 1차 방사 요소(도 3에 도시됨)와 유사하거나, 2차 방사 안테나 요소(460)가 트레이스(470)를 통해 1차 방사 안테나 요소(110)에 연결된 도 4에 도시된 바와 같이 다른 형상과 비율을 가질 수 있다. 이런 높은 종횡비를 갖는 2차 방사 안테나 요소의 장점은 방사 대역폭이 다소 감소되더라도 도 3의 구성보다 소형인 안테나 구성에 있다.

다양한 실시예에 따르면, 패치 안테나는 매우 작아서 얇은 기재 상에 형성될 수 있다. 그 결과, 패치 안테나는 회로 성분을 손상시킬 수 있는 정전하의 축적에 민감하다. 예컨대 패치 안테나의 터치는 패치 안테나에 결합된 RF 성분을 파괴할 수 있는 정전기 방전(ESD) 펄스를 야기할 수 있다. 도 4는 축적된 전하를 안전하게 방전시킴으로서 ESD 보호를 제공하는 직류 단락 접속부(410, DC short connection)를 예시한다. 특히, 직류 단락 접속부(410)는 1차 방사 안테나 요소(110)와 기준 접지 요소(120) 사이에 정전하의 축적을 감소시키고 또한 대역 내외의 통신에 영향을 미치는 3차 고조파 신호를 크게 억제함으로써 안테나 성능을 향상시킨다.

직류 단란 접속부(410)는 1차 방사 안테나 요소(110) 및 기준 접지 요소(120)와 동일한 평면에 제공될 수 있다. 이에 비해, 마이크로 스트립 형태의 종래의 패치 안테나는 패치의 대칭성으로 인해 가상 접지(virtual ground)가되는 패치의 중심에 접지를 PCB 기판을 통해 연결할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 접지 접속의 경로를 기판을 통해 행하는 것이 가능하지 않거나 바람직하지 않을 수 있으므로 패치 및 접지와 공면인 직류 단락 접속부(410)를 제공하는 것이 유리하다.

일 실시예에서, 방사 대역폭을 더욱 증가시키기 위해 추가의 2차 방사 안테나 요소가 추가될 수 있다. 도 5는 트레이스(470, 570)를 통해 1차 방사 안테나 요소(110)에 연결된 두 개의 2차 방사 안테나 요소(460, 560)를 보여준다. 추가의 2차 안테나 요소가 추가된 다른 실시예가 존재함을 알아야 한다. 도 5는 예시만의 목적으로 제공되며, 본 발명의 범위와 적용을 제한하려고 의도된 것이 아니다.

도 6은 안테나 패치(110)와 기준 접지(120)에 대한 동축 케이블(140)의 접속 포인트(150)를 보다 상세히 보여준다. 동축 케이블(140)은 절연체(663)에 의해 분리된 코어 도전체(664)와 피복(662)을 포함한다. 케이블 접속 포인트(150)에서, 코어 도전체(664)는 땜납(668)으로 1차 방사 안테나 요소(110)에 연결된다. 또한, 피복(662)은 땜납(666)으로 기준 접지 요소(120)에 연결된다. 본 발명의 도면에 도시된 동축 케이블(140)은 본 발명에 의해 논의되는 어플리케이션에 필요한 신호와 기준 전압을 전달할 수 있는 마이크로 스트립선, 공면 선 또는 와이어 세트를 포함하는 다른 소정의 전송선으로 대체될 수 있음이 당업자에게 분명하며, 이런 대체는 본 발명의 취지를 벗어나지 않고 행해질 수 있다.

본 발명의 1차 및 2차 방사 안테나 요소는 소정의 패턴 또는 기하학적 형상(예, 정사각형, 직사각형, 원형, 자유 유동형 등)으로 구현될 수 있다. 이들 형상의 대안 중 일부가 도 7에 도시되는데, 직사각 형상(710), 일 대각선을 따른 코너가 제거된 직사각 형상(720), 슬롯을 갖는 직사각 형상(730), 두 개의 직교 슬롯을 갖는 직사각 형상(740), 원형 형상(750), 슬롯을 갖는 원형 형상(760) 및 두 개의 직교 슬롯을 갖는 원형 형상(770)을 포함한다. 이들 대안들은 예시만의 목적으로 제시된 것으로 본 발명의 범위 및 적용을 제한하고자 의도된 것이 아니다. 안테나 형상(720)에 사용된 것과 같은 잘라지거나 각진 코너와 도 7의 안테나 형상(730, 740, 760, 770)에 사용된 것과 같은 슬롯은 안테나 주변의 전기 또는 자기장을 보다 원형으로 극성화(circularly polarization)시켜서 태그 판독성을 향상시킨다.

본 발명의 1차 및 2차 방사 안테나 요소는 금속판, 금속 포일, 인쇄 또는 분사된 전기 도전성 잉크 또는 도료, 도전성 고분자 재료, 금속 와이어 메쉬 또는 그 밖의 기능적으로 등가인 재료(예, 필름, 판, 금속 플레이크 등) 또는 적절한 도전성을 갖는 소정의 다른 균질 또는 복합재로 구성될 수 있다. 안테나 기재(100)의 재료는 유전체 물질(예컨대 통상적으로 사용되는 인쇄 회로 기판용 재료) 또는 무시할 정도의 전기 도전성을 갖는 소정의 다른 재료(라미네이트식 또는 적층식 구조체에 사용될 수 있는 바와 같이, 이러한 무시할 정도의 전기 도전성을 갖는 둘 이상의 상이한 유형의 재료의 조합을 포함함)이다.

케이블(140)로서 도시된 전송선은 어느 단부에 또는 그 길이를 따라 위치된 캐패시터와 인덕터와 같은 튜닝 성분(도시 생략)을 가질 수 있다. 이들 튜닝 성분의 크기(예, 캐패시턴스 또는 인덕턴스)는 당업자에게 잘 알려진 실행에 따라 원하는 안테나의 매칭 및 대역폭 특성을 기초로 선택된다.

부유 접지 요소의 존재 여부, 크기 및 형상, 방사 안테나 요소와 부유 접지 요소 사이의 유전체 물질 및 그 두께, 1차 방사 안테나 요소와 부유 접지 요소 사이의 전기적 접속부 또는 "단락"의 존재 및 위치는 물론, 1차 및 2차 방사 안테나 요소와 기준 접지 요소의 형상, 1차 및 2차 방사 안테나 요소와 기준 접지 요소 사이의 상태 위치, 도전성 트레이스의 위치와 폭, 1차 방사 안테나 요소와 기준 접지 요소에 대한 공급 위치, 1차 및 2차 방사 안테나 요소 및/또는 기준 접지 요소 내의 슬롯, 슬릿 또는 그 밖의 보이드(void)의 크기 및 배치는 안테나 방사 대역폭, 방사 이득, 방사 패턴, 방사 효율 및 안테나 극성화를 최적화하기 위해 각각 개별적으로 또는 함께 조정될 수 있다. 또한, 안테나와 그것의 다양한 성분의 전술한 특성, 특히 안테나 요소의 형상, 슬롯, 슬릿 및 절단 코너의 특성은 원하는 안테나 크기에 도달하도록 조정될 수 있다. 예컨대 슬릿 또는 슬롯의 상세와 절단 코너의 특성은 안테나의 주파수 응답에 중대한 영향을 미치며 안테나의 대역폭의 증가에 이용될 수 있다. 대각 방향으로 코너가 절단된 하나의 사각형의 2차 방사 요소를 추가하는 것은 두 개의 고유의 공명 주파수를 안테나 특성에 제공하고, 높은 종횡비의 하나의 2차 방사 요소의 추가는 하나의 공명 주파수를 제공함을 볼 수 있다. 결국, 2차 방사 요소의 도입은 안테나 방사 대역폭을 확장시킨다. 패치 안테나의 대역폭은 유전체 기재의 두께가 감소될 때 줄어드는 것이 잘 알려져 있다. 본 발명에 따른 하나 이상의 2차 방사 안테나 요소의 추가는 안테나 대역폭을 희생시키지 않고 얇은 기재를 사용할 수 있게 한다. 2차 방사 요소의 다른 장점은 안테나 요소로부터 방사되는 전자기장의 조합 효과(건설적 및 파괴적 간섭)에 따른 이득 증가이다.

종래 기술에 전형적인 안테나 구성의 경우, 안테나 아래에 금속 물체를 배치하면 안테나의 공명 주파수가 변경되고 심각한 파장 변경이 야기될 수 있다. 이 문제는 본 발명에 의해 크게 완화되었다. 본 발명의 일 실시예의 안테나 구조는 금속판이나 다른 도전성 물체가 안테나 구조(소매용 또는 보관용 금속 선반과 같은) 아래 근접하여 배치되는 경우에도 억제된 전자기장에 기인하여 잘 동작한다. 금속 선반을 위해 도입된 부유 접지는 반사경으로서 동작하기 때문에, 방사는 일 방향으로만 일어날 수 있다. 그러므로, 안테나는 높은 이득을 가지지만 통상은 대역폭이 감소된다.

종래 기술에 따른 본 발명의 소정의 장점을 보여주기 위해 세부적인 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다.

도 8은 절단 코너를 갖는 정사각형 방사 안테나 요소(원형으로 극성화된 전기 또는 자기장의 생성 및 대역폭 증가를 위해)와 방사 안테나 요소의 평면 아래의 평면에 있는 정사각형 기준 접지 요소를 포함하는 특별한 실시예의 종래 기술의 패치 안테나를 보여준다. 도 8에서 거리 A는 0.118 m(4.65 인치)이고, 거리 B는 0.033 m(1.3 인치)이다. 코너 절단은 45도 각도로 행해짐에 유의하라. 거리 C(기준 접지 요소의 에지 길이)는 0.203 m(8 인치)이다. 도 8에서 두 개 평면 사이의 거리 D는 0.012 m(0.5 인치)이다. 도 8에서 안테나용 공급 포인트는 방사 요소로부터 0.075 m(2.975 인치)(거리 E)에, 방사 요소의 전방 에지로부터 0.010 m(0.415 인치)(거리 F)에 위치된다. 시뮬레이션에서는 두 개 평면 사이의 유전체 기재로서 공기가 사용되었다. 방사 요소와 기준 접지용으로 구리가 사용된다. 안테나 주변의 물질은 공기인 것으로 가정하였다. 도 9는 설명된 안테나에 대한 주파수의 함수로서 dB 단위의 리턴 손실(return loss)을 보여준다.

도 10은 공기 기재가 사용되는 경우 유전체 기재의 두께가 감소됨에 따라 대역폭(915 MHz의 중간 주파수에서)이 감소됨을 보여준다. 예를 들면, 대역폭은 0.012 m(0.5 인치) 공기 기재의 경우 대략 -7dB에서 14.8% 그리고 -10dB에서 10.5%이다. 도 10으로부터는 유전체 기재 두께가 1/8 인치로 감소될 때, 대역폭이 -10dB 리턴 손실에서 약 4%, 그리고 -7dB 리턴 손실에서 약 5%에 불과함에 주의하라.

도 11은 공면 기준 접지(120)(상부 및 하부 절반부로 분할됨), 공면 1차 방사 안테나 요소(110) 및 1차 방사 안테나 요소와 동일 크기 및 형상의 단일의 공면 2차 방사 안테나 요소(360)를 갖는 특정 예의 패치 안테나를 보여준다. 이 안테나는 다음의 요소 크기(도 11 참조)를 사용하여 컴퓨터로 시뮬레이션하였다: A(1차 및 2차 방사 요소의 길이)=0.151 m(5.96 인치); B=0.021 m(0.85 인치); G=0.019 m(0.75 인치); C(중심선으로부터 도전성 트레이스(370)의 오프셋)=0.002 m(0.1 인치); D=0.011 m(0.44 인치); E(기준 접지(120)를 공급하는 트레이스의 폭)=0.006 m(0.24 인치); F(1차 방사 요소(110)를 공급하는 트레이스의 폭)=0.006 m(0.24 인치); H=0.029 m(1.14 인치); I=0.002 m(0.1 인치); J=0.142 m(5.60 인치). 1차 및 2차 방사 안테나 요소는 정사각형(즉, 길이와 폭이 같다)임에 유의하라. 또한, 기준 접지와 1차 방사 요소의 두 개의 절반부의 이격 거리는 0.00025 m(0.01 인치)임에 유의하라. 시뮬레이션은 부유 접지 평면(도 11에 도시되지 않음)을 방사 및 기준 접지 요소를 포함하는 평면 아래 0.125 인치에 두고 수행하였다. 해당 0.003 m(0.125 인치) 간극은 볼라라 포옴(volara foam)의 유전 특성을 갖는 것으로 가정하였다.

도 12는 도 11의 안테나의 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 2차 방사 요소의 도입은 추가의 공명 피크를 가져왔다. 즉, 도 12는 3개의 피크를 보여주는 반면, 2차 방사 요소 없는 공면 안테나에 대응하는 이전의 특허 출원(미국 특허 출원 제60/978,389호)의 도 11은 단지 두 개의 피크만을 보여준다. 도 11의 듀얼 방사 요소 안테나의 대역폭은 도 12에 나타낸 데이터를 사용하여 계산될 수 있다. -7dB 리턴 손실에서 대역은 890 MHz로부터 970 MHz까지 연장하는데 이는 8.5%(930 MHz의 중심 주파수 기준)의 대역폭에 대응한다. -10dB 리턴 손실에서 대역폭은 7%이다. 따라서, 본 발명의 듀얼 방사 요소 안테나(예, 도 11에 도시됨)의 경우, 대역폭은 동일한 유전체 기재 두께에서 비교시 도 8에 도시된 종래 기술의 안테나보다 대략 75% 크다.

본 발명의 다른 실시예에서, 소매점 선반의 금속은 그 자체가 부유 접지로서 사용될 수 있고, 그렇지 않은 다른 대안으로서, 선반은 공통의 금속 시트가 RFID 태그를 보유하는 소매 물품과 같이 고정 시설 위에 배치될 수 있는 물체는 물론 부유 접지 평면과 또한 안테나 조립체 또는 안테나 조립체 어레이를 위한 물리적 지지부로서 사용되도록 구성될 수 있다.

도 13은 극성화의 향상을 위해 다른 방향으로 배향된 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나의 예를 도시한다. 특히, 직류 단락 접속부(410)의 존재로 인해 방사 안테나 요소(110)와 2차 방사 안테나 요소(460) 간의 상대 위상 이동이 변화된다. 방사 안테나 요소(110)에 대해 2차 방사 안테나 요소(460)를 예컨대 90도로 회전시키면 전체 주파수 대역에 걸쳐 양호한 원형 극성화 비율을 갖는 안테나를 제공할 수 있다.

도 13은 넓은 원형 극성 대역을 갖춘 하나의 구성만을 도시하는데, 단일 패치의 원형 극성 배향(좌측 또는 우측)을 변경하고 두 패치 사이의 상대적인 위상 이동[단일 패치의 배향과, 커넥터(470)의 위치 및 길이]을 변경함으로써, 다른 구성도 가능할 수 있다.

도 13은 도 4에서 직류 단락 접속부(410)와 관련하여 설명된 바와 유사한 방식으로 1-0 117을 통해 2차 방사 안테나 요소(460)에 연결되지만 오목한 접속부(117)를 더 포함하는 직류 단락 접속부(410)를 도시한다. 오목한 접속부(117)는 직류 단락 접속부가 패치 안테나 요소(110)의 중심에 가까운 위치에서 패치 안테나 요소(110)에 연결되도록 패치 안테나 요소(110)의 에지에 슬롯을 제공하기 위해 사용되며, 이에 따라 가상 접지는 방사가 주로 패치의 에지를 따라 일어나므로 트레이스(410)의 추가에 따른 안테나 성능에 영향을 미치지 않으면서도 지면에 접속될 수 있다. 또한, 도 13은 RF 신호를 공급하는 안테나 공급부(115)와 접지를 도시하며, 도 11을 참조하여 보다 상세히 살펴볼 수 있다.

도 14는 패치 안테나의 어레이의 예를 도시한다. 일 실시예에서, 어레이 내의 각각의 안테나는 동일 방향으로 배향될 수 있다. 예컨대 제1 안테나(즉, 110A와 460A 요소를 포함함)와 다른 안테나(즉, 110B와 460B 요소를 포함함)는 동일 방향으로 배향된다. 또한, 각 안테나는 다른 방향(도 13에 도시된 바와 같이)으로 배향된 방사 안테나 요소를 포함할 수 있다. 각 안테나는 좌측 방향의 원형 극성화 또는 우측 방향의 원형 극성화로 방사를 행할 수도 있다.

도 15는 다른 배열의 방사 안테나 요소를 갖는 패치 안테나 어레이의 예를 도시한다. 일 실시예에서, 제1 안테나(즉 110A와 460A 요소를 포함함)는 다른 안테나(즉 110B와 460B 요소를 포함함)에 대해 180도 각도로 회전될 수 있다. 안테나 어레이는 물론 예시된 두 개보다 많은 안테나를 포함할 수 있다. 안테나에 있어서 물리적인 배향성 및 원형으로 극성화된 배향성은 케이스별로 다른 어플리케이션 상황에 의해 결정된다.

다양한 실시예에 따르면, 각 안테나는 직류 단락 접속부(410)를 통해 접지(120)로 이어지는 자체의 경로를 구비한다.

본 발명은 방사 안테나 요소의 크기, 형상, 두께, 보이드, 슬릿, 또는 슬롯 형태, 기준 접지 요소의 크기, 형상, 방사 안테나 요소에 의해 점유되는 평면의 2차원 에의 배치, 방사 안테나 요소와 기준 접지 요소 간의 이격 거리, 신호 공급선 또는 케이블의 방사 안테나 요소와 기준 접지 요소에 대한 부착의 위치 및 방법, 하나 이상의 부유 접지 요소의 존부, 부유 접지 평면의 크기, 형상 또는 두께, 부유 접지와 방사 안테나 요소 사이의 이격 거리, 기준 접지와 부유 접지로부터 방사 안테나 요소를 분리하는데 사용되는 유전체 물질(들), 방사 안테나 요소, 기준 접지 및 부유 접지의 제조에 사용되는 도전재(들), 어레이에 사용되는 안테나 조립체의 수, 또는 안테나 조립체나 안테나 조립체 어레이를 내장하고 보호하는데 사용되는 재료와 구조 등을 포함하여, 본 명세서에 설명되는 실시예의 하나 이상의 특징의 변경을 통해 상상할 수 있는 모든 실시예를 분명히 포함하고 포괄한다.

또한 본 발명은 안테나 조립체 어레이가 단일의 안테나 조립체(즉, 단일 패치 안테나)로 대체되는 모든 실시예를 포괄한다.

또한, 안테나 조립체가 두 개의 다른 평면을 점유하는 다양한 어레이의 안테나 조립체를 구성할 수 있음에 유의하여야 한다. 예컨대 조립체 중 일부가 제1 기하학적 평면 내에 위치되고 조립체 중 나머지가 제1 기하학적 평면에 수직인 제2 기하학적 평면 내에 위치되는 안테나 조립체 어레이를 구성할 수 있다. 이 실시예는 예시만의 목적으로 주어진 것으로 두 개 평면은 반드시 수직일 필요는 없다는 것을 알아야 한다. 또한, 안테나 조립체의 배치에 3개 이상의 기하학적 평면을 사용할 수 있는 것도 고려할 수 있다. 이런 다중-평면 어레이의 안테나 조립체는 예컨대 안테나에 의해 정보 수집되는 RFID 태그의 배향 상태를 모르거나 임의적이고 가변적인 것으로 알고 있는 소정의 어플리케이션에서 어레이의 강건성을 향상시킬 수 있다. 또한, 어플리케이션은 안테나 조립체를 여러 평면에 배치함으로써 형성될 수 있는 특정의 전기장 또는 자기장의 극성화를 요구할 수 있다. 다중 안테나 조립체를 다중의 평면에 배치하기 위해 상상할 수 있는 모든 실시예는 분명히 본 발명에 포함된다.

본 발명의 예시적인 실시예와 관련하여 동일 구성에 대해 특정 회로, 성분, 모듈 또는 크기를 개시하고 있지만, 구조적 또는 기능적으로 등가인 소정의 다른 회로(들), 성분(들), 모듈(들), 또는 크기(들)가 본 발명의 다양한 실시예의 구현에 이용될 수 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 개시된(또는 개시로부터 분명한) 특별한 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (21)

1. 무선 주파수(RF) 신호에 의한 무선 주파수 인식 시스템에 사용되는 안테나이며,
   기준 접지와,
   안테나 공급부와,
   상기 안테나 공급부에 전기적으로 결합되어 상기 RF 신호의 미드-필드 전송 및 수신을 위한 1차 패치 안테나 요소와,
   상기 RF 신호의 미드-필드 전송 및 수신을 행하는 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소를 포함하고,
   상기 RF 신호의 미드-필드 전송 및 수신을 행하는 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소의 각각은 상기 RF 신호의 전송 및 수신을 위해 상기 1차 패치 안테나 요소의 에지에 각각 전기적으로 연결되고 상기 RF 신호의 이득 향상을 제공하는
   안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1차 패치 안테나 요소와 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소가 형성되는 박판 절연 기재를 더 포함하는
   안테나.
3. 제2항에 있어서,
   상기 박판 절연 기재는 마일러(mylar)인
   안테나.
4. 제2항에 있어서,
   상기 RF 신호는 HF 광대역 신호와 UHF 광대역 신호 중 하나이며, 상기 박판 절연 기재는 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소와 조합하여 상기 HF와 UHF 광대역 신호 중 하나에 대해 충분한 대역폭을 제공하는
   안테나.
5. 제1항에 있어서,
   상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소는 상기 1차 패치 안테나 요소에 대해 다른 배향을 갖도록 회전되는
   안테나.
6. 제5항에 있어서,
   상기 다른 배향은 상기 1차 패치 안테나 요소와 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소 사이의 90°인
   안테나.
7. 제1항에 있어서,
   상기 기준 접지, 상기 1차 패치 안테나 요소 및 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소가 공면 전기 도전체로서 형성되는 박판 절연 기재를 더 포함하는
   안테나.
8. 제1항에 있어서,
   상기 1차 패치 안테나 요소와 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소는 근접하여 이격된 복수의 평행한 평면에 배열되고 실질적으로 서로 중첩되지 않는 안테나.
9. 제1항에 있어서,
   상기 1차 패치 안테나 요소는 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소와 다른 종횡비를 가지는
   안테나.
10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소는 상기 1차 패치 안테나 요소의 에지에 각각 전기적으로 연결되는 적어도 두 개의 패치 안테나 요소를 포함하는
    안테나.
11. 제1항에 있어서,
    상기 1차 패치 안테나 요소와 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소 중 각각의 요소에 실질적으로 평행하면서 이러한 각각의 요소와 중첩되는 부유 접지를 더 포함하는
    안테나.
12. 제1항에 있어서,
    상기 1차 패치 안테나 요소의 에지와 상기 기준 접지 사이에 직류 단락 접속부를 더 포함하고, 상기 1차 패치 안테나 요소와 상기 기준 접지 사이의 상기 직류 단락 접속부는 실질적으로 RF 신호를 간섭하지 않으며, 상기 직류 단락 접속부는 정전기 펄스를 위해 상기 1차 패치 안테나 요소로부터 상기 기준 접지까지 이르는 정전기 방출 경로를 제공하는
    안테나.
13. 제12항에 있어서,
    상기 1차 패치 안테나 요소와 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소 중 각각의 요소에 실질적으로 평행하면서 이러한 각각의 요소와 중첩되는 부유 접지를 더 포함하는
    안테나.
14. 제1항에 있어서,
    상기 기준 접지, 상기 안테나 공급부, 상기 1차 패치 안테나 요소 및 상기 하나 이상의 추가 패치 안테나 요소는 함께 안테나 조립체를 형성하며, 복수의 안테나 조립체를 더 포함하여 안테나 어레이를 제공하는
    안테나.
15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 조립체는 공통의 박판 절연 기재 상에 형성되는
    안테나.
16. 제14항에 있어서,
    상기 안테나 조립체 중 하나는 상기 복수의 안테나 조립체 중 다른 것들에 대해 다른 배향을 갖도록 회전되는
    안테나.
17. 무선 주파수(RF) 신호에 의한 무선 주파수 인식 시스템에 사용되는 안테나이며,
    기준 접지와,
    안테나 공급부와,
    상기 안테나 공급부에 전기적으로 결합되어 상기 RF 신호의 미드-필드 전송 및 수신을 행하는 패치 안테나 요소와,
    상기 패치 안테나 요소의 에지와 상기 기준 접지 사이에 제공되는 직류 단락 접속부를 포함하고,
    상기 패치 안테나 요소와 상기 기준 접지 사이의 상기 직류 단락 접속부는 실질적으로 RF 신호를 간섭하지 않으며, 상기 직류 단락 접속부는 정전기 펄스를 위해 상기 패치 안테나로부터 상기 기준 접지까지 이르는 정전기 방출 경로를 제공하는
    안테나.
18. 제17항에 있어서,
    상기 직류 단락 접속부가 상기 패치 안테나 요소의 중심에 가까운 위치에서 상기 패치 안테나 요소에 연결되도록, 상기 직류 단락 접속부는 상기 패치 안테나 요소의 에지에 슬롯이 형성된 오목한 접속부를 포함하는
    안테나.
19. 제18항에 있어서,
    상기 기준 접지와 상기 1차 패치 안테나 요소는 공면 전기 도전체들인
    안테나.
20. 제19항에 있어서,
    상기 패치 안테나 요소에 실질적으로 평행하면서 상기 패치 안테나 요소와 중첩되는 부유 접지를 더 포함하는
    안테나.
21. 제17항에 있어서,
    상기 패치 안테나 요소가 형성되는 박판 절연 기재를 더 포함하는
    안테나.

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