KR20110123632A - 유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속에 부착 가능하며 광대역에서 인식거리를 확보할 수 있는 UHF 대역 RFID 태그 안테나에 관한 것으로 금속면 위에 형성되는 안테나의 신호를 접지하는 접지부와 유전체부, 접지부와 단락핀으로 전기적으로 연결되는 급전선로에 연결되는 방사체부로 형성되며 방사체부에는 RFID 태그 인식거리 기준으로 한 광대역 특성을 나타나게 고안한 2중 U슬롯으로 이루어진 것을 특징으로 하는 UHF 대역 광대역 금속태그 안테나에 관한 것이다.
따라서 본 발명은 방사체에 2중 U슬롯을 형성하여 전세계 UHF 대역 RFID 주파수인 860 ~ 960 ㎒ 대역에서 금속에 부착되더라도 안테나 성능의 변화가 없이 사용가능하고 RFID 태그 안테나의 인식거리가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나{BROADBAND RFID METAL TAG ANTENNA USING UHF BAND AND ATTACHABLE TO METAL SURFACE}

본 발명은 금속에 부착 가능하며 광대역에서 인식거리를 확보할 수 있는 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나에 관한 것으로 특히 금속면에 대한 영향을 최소화 하여 금속면 위에 형성되며, 주파수 변동에 따른 인식거리의 변화를 줄이고 주파수 변동에 따른 RFID 태그의 성능에 지장을 주지 않으며 RFID 태그 인식거리 기준으로 한 광대역 특성을 나타내도록 설계한 2중 U슬롯(Folded u-Slot)으로 이루어진 UHF 대역의 광대역 RFID 금속 태그 안테나에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 일반적으로 금속에 부착되는 RFID 태그 안테나의 구조는 역 L형 구조를 갖는 안테나 또는 PIFA 안테나 구조를 갖는다. 이러한 금속에 부착되는 RFID 태그 안테나의 대표적인 예로 대한민국 등록특허공보 제10-0819196호(발명의 명칭 : 금속에 부착 가능한 UHF대역 RFID 태그 안테나 ; 이하 '인용발명'이라 함)가 있으며, 이는 도 1에서 보는 바와 같이, 태그 안테나(100)의 신호를 접지하는 접지부(10)와, 상기 접지부(10)의 상부층에 형성되는 제 1 유전체부(20)와, 상기 제 1 유전체부(20)의 상부층에 형성되는 금속부(30)와, 상기 금속부(30)의 상부층에 형성되는 제 2 유전체부(40) 및 상기 제 2 유전체부(40)의 상부층에는 상기 금속부(30)와 일측이 전기적으로 연결되는 꺽인급전선로(51)와 상기 꺽인급전선로(51)의 타측에 연결되는 방사체(52)로 형성되는 방사부(50)로 이루어지며, 상기 방사체(52)에는 L자형 슬롯(54)을 구비하여서 된 것이다.

이러한 인용발명은 방사체(52)에 L자형 슬롯(54)을 형성하여 1/2λ으로 공진함으로써 전체 태그 안테나의 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있고, 방사부(50)와 급전부 사이에 금속부(30)를 다층구조로 형성하고, 전계의 최대점 및 최소점이 방사부(50)에서 동시에 형성되어 접지부(10)로 유기되는 전류량을 줄이게 됨으로써 태그 안테나가 임의의 어떠한 위치에 부착되더라도 안테나 성능의 변화가 없이 사용이 가능한 효과가 있다.

그러나 이런 안테나의 구조는 유전율을 갖는 유전체(20, 40)와 방사체(52)간의 거리가 가깝고 L자형 슬롯(54)를 구비한 인용발명의 안테나 구조상 주파수 대역폭이 좁아서 RFID 전 대역 주파수 (860 ~ 960 ㎒)에서 약 40 ㎒ 이하에서만 RFID 금속태그가 인식이 되며, 또한 방사효율이 낮아서 보편적으로 5 m 이하로 인식거리가 짧게 되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0819196호

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 금속에 부착되는 RFID 태그 안테나의 주파수 대역폭을 넓히면서 RFID 전 대역 주파수인 80 ㎒ 이상에서 인식되며, 또한 80 ㎒ 주파수 대역에서 인식거리가 6 m 이상으로 원거리 인식이 가능하며 금속에 부착 가능한 UHF 대역의 광대역 RFID 금속 태그 안테나를 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 금속면 위에 부착되는 접지부와, 상기 접지부의 상부층에 형성되는 유전체부와, 상기 유전체부의 상부층에는 단락핀으로 연결되는 전선로와, 상기 전선로의 둘레에 방사체로 형성되는 방사부로 구성되되, 상기 방사부의 방사체에 두 개의 U자형 슬롯이 겹쳐진 형태의 2중 U슬롯이 구비되어서 된 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 방사체에 2중 U슬롯을 형성하여 전세계 UHF 대역 RFID 주파수인 860 ~ 960 ㎒ 대역에서 금속에 부착되더라도 안테나 성능의 변화가 없이 사용가능하고 RFID 태그 안테나의 인식거리가 향상되는 유용한 효과가 있다.

도1은 인용발명의 구성을 나타내는 사시도.
도2는 본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 나타내는 구성도.
도3,4는 본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 구체적인 실시예의 특성을 나타내는 그래프.
도5,6은 EPCglobal Static Test 시스템 구성도.
도7은 EPCglobal Static Test를 위하여 금속판에 부착된 본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그의 실 사진.
도8 내지 도11은 측정 결과 그래프.
도12는 본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나 내부의 실 사진.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도 2로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 금속면(1) 위에 부착되어 신호를 접지하는 접지부(2)와, 상기 접지부(2)의 상부층에 형성되는 유전체부(3)와, 상기 유전체부(3)의 상부층에는 단락핀(5)으로 전기적으로 연결되는 전선로(4)와, 상기 전선로(4)에 RFID 태그 칩이 본딩되고, 상기 전선로(4)의 격리된 둘레에 두 개의 U자형 슬롯(71,72)이 겹쳐진 형태로 에칭(Etching)된 방사체(7)로 형성되는 방사부(6)로 구성 될 수 있다.

이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면,

전술한 접지부(2)와 전선로(4)는 유전체에 홀을 뚫어 단락핀(5)을 사용해서 전기적으로 연결되어 있으며, 전선로(4)와 방사체(7)가 연결되는 지점에 RFID 태그 칩이 레이져 방식으로 본딩이 되고, RFID 태그 칩은 Alien 사의 higgs-3 로 구성되는 것이 가장 바람직하며, RFID 태그 칩의 임피던스는 20 - 197 Ω 정도가 바람직하다.

또한 전술한 방사부(6)의 방사체(7)에 크기가 다른 두 개의 U자형 슬롯(71,72)이 RFID 태그 칩을 둘러싸도록 겹쳐진 형태의 2중 U슬롯이 구비된다.

여기에서 특별히 전술한 방사부(6)의 겹쳐진 두 개의 U자형 슬롯(71, 72)은 각각의 길이(L)와 폭(W)을 조절하여 RFID 태그 안테나의 주파수에 따른 임피던스의 실수성분 및 허수성분 조절할 수 있으며, 두 개의 U자형 슬롯(71,72) 중 작은 제 1 U자형 슬롯(u-slot1)(71)은 860 ~ 960 ㎒를 기준으로 높은 주파수의 임피던스 성분을 조절하고, 큰 제 2 U자형 슬롯(u-slot2)(72)은 860 ~ 960 ㎒를 기준으로 낮은 주파수의 임피던스 성분을 조절하는 역할을 하게 되어 전세계 UHF 대역 RFID 주파수인 860 ~ 960 ㎒ 대역에서 금속에 부착되더라도 안테나 성능의 변화가 없이 사용가능하고 RFID 태그 안테나의 인식거리를 향상 시킬 수 있는 것이다. 즉, 접지부(2)가 바로 금속면(1) 위에 부착이 되며 일반적으로 금속면(1)의 크기는 200 * 200 mm에서 최적의 인식거리 특성을 갖고 다른 크기에서는 특성이 떨어지지만 본 발명에 의한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 두 개의 U자형 슬롯(71,72)의 길이와 폭만을 변경하면 금속면(1)위에 어떠한 위치에 부착되더라도 안테나 성능의 변화가 없이 사용이 가능하다.

이러한 본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 구체적인 실시예를 더욱 구체적으로 예시하면, 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나 크기는 90 × 50 × 3.2 ㎣이고, 단락핀(5)은 1mm 홀로 구성되며, 제 1 U자형 슬롯(71)은 길이 45 mm, 폭 24 mm, 슬롯 폭은 2mm로, 제 2 U자형 슬롯(72)은 길이 75 mm, 폭 40 mm, 슬롯 폭은 2mm 로 구성할 경우 도 3과 도 4와 같은 특성을 갖는다.

여기에서 도 3과 도 4는 금속면을 고려한 본 발명의 태그 안테나의 시뮬레이션 결과이다. 도3과 도4는 각각 태그 안테나의 반사손실과 태그 안테나의 스미스 차트를 나타내는 것이며, 이러한 도3과 도4에서 나타내었듯이 임피던스 변화가 주파수에 둔감한 것을 알 수 있다.

1. 또한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 특성/성능을 측정하기 위하여 실 환경성을 고려하여 도 5와 도 6으로 도시한 바와 같이, 두 개의 신호발생기(Signal Generator), RFID 에뮬레이터(Emulator), 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer) 및 이들을 인터페이스 하는 인터페이스 박스(Interface Box)를 구성하고, 반사파가 차단되는 차폐실 내 바닥으로부터 1.6m 높이에 본 발명에 의한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나가 구성된 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그를 설치하고, 이러한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그와 0.93m 간격을 두고 상기 인터페이스 박스를 통해 송수신하는 송, 수신기를 설치하여 측정 환경을 구축하였다.

이 때 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그는 실 환경성을 고려하여 200 × 200mm² 크기의 금속면(1)에 부착시킨 후 EPCglobal Static Test를 시행하였으며, 태그의 감도를 해당 지역의 중심주파수(Center frequency)에서 측정하였다.

이러한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그의 판독범위(Read Range) 측정 절차는

1) 정해진 주파수와 PR-ASK 신호를 방출

2) 신호의 크기는 태그의 응답을 받을 만한 최소의 EIRP로 방출

3) EIRP를 0.25dB step단위로 증가시켜 판독성공률(Success read rate)이 50%되는 지점의 EIRP를 기록

4) 상기 3)의 EIRP를 1dB 더 증가시킨 후 0.25dB 단위로 감소시키면서 판독성공률이 50% 이상 되는 지점의 EIRP를 기록

위에 수식에서 r = 트랜스미터 단에서부터 태그까지의 거리

mean( EIRPTX ) = 3) 과 4) 결과의 평균값 산출

하는 순으로 판독범위를 측정하였고, 태그 안테나의 방향에 따른 태그 감도(Tag sensitivity) 결정을 위한 배향 허용오차(Orientation Tolerance) 측정절차는

6) 상기 1)내지 5)를 통해 판독범위를 구한다. (방위각 및 앙각 0° )

2. 7) 방위각을 10, 20, 30 ~ 90도 까지 순차적으로 시계반대 방향으로 돌리면서 양 방위각 에 대해 EIRP를 계산한다.

8) 음 방위각 에 대해 EIRP를 구한다.

9) 양 앙각 (상향 회전) 에 대해 EIRP를 구한다.

10) 음 앙각에 대해 EIRP를 구한다.

등의 순으로 진행하였다. 그 결과 도 8과 같은 태그 안테나의 방향에 따른 인식거리 그래프를 구할 수 있다.

또한 주파수 변화에 의한 태그 감도를 구하는 주파수 허용오차 측정절차는

11) 860MHz에서 상기 1)내지 5)를 통해 판독범위를 구한다.

12) 5 MHz 단위로 증가 시키면서 960 MHz까지 판독범위를 구한다.(총 21번)

13) 상기 12)에서 구한 결과를 도 9와 같이 표시한다.

14) 아래 수식을 이용하여 주파수 허용오차(%)를 구한다.

등의 순으로 진행하여 주파수 허용오차를 구할 수 있다.

이와 같은 측정절차에 의하여 본 발명에 의한 금속에 부착 가능한 광대역 UHF 대역 RFID 금속 태그 안테나의 측정 결과를 살펴보면,

판독범위 측정결과는 최대 인식거리 8.32 m이며, 한국주파수 인식거리 7.60 m ( @ 911.25 ㎒ )이다.

3. 배향 허용오차(Orientation Tolerance) 측정결과는 도 10로 도시한 표에서 보인 바와 같이, 배향 허용오차 측정결과 최대 인식거리는 7.87 m이고,

방위 측정결과 광대역 금속태그 빔폭(Beamwidth)은 인식거리 6m 기준 -20°~ 50°로 약 70°로 양호한 빔폭을 가짐을 확인할 수 있었으며,

앙각 측정결과 광대역 금속태그 빔폭(Beamwidth)은 인식거리 6m 기준 -30°~ 30°로 약 60°로 양호한 빔폭을 가짐을 확인할 수 있었고,

배향 허용오차 측정결과 개발된 광대역 금속태그는 좌표는 태그 중심을 기준으로 상하로는 약 60°, 좌우로는 약 70°까지 인식거리 6 m 이상을 인식할 수 있음을 알 수 있다.

또한 주파수 허용오차 측정결과를 살펴보면, 도 11로 도시한 표에서 보인 바와 같이, 주파수 허용오차 측정결과 광대역 금속태그 대역폭은 80 ㎒ (인식거리 6 m 기준) 의 인식거리 성능을 가짐을 확인 할 수 있었고, 광대역 금속태그 대역폭은 880 ~ 960 ㎒ 로 세계 최고 성능을 나타내고 있다.

이상과 같이, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능하다.

1:금속면 2:접지부 3:유전체부
4:전선로 5:단락핀 6:방사부
7:방사체 71:제 1 U자형 슬롯 72:제 2 U자형 슬롯

Claims (5)

1. 금속면 위에 부착되는 접지부와, 상기 접지부의 상부층에 형성되는 유전체부와, 상기 유전체부의 상부층에는 단락핀으로 연결되는 전선로와, 상기 전선로의 둘레에 방사체로 형성되는 방사부로 구성됨을 특징으로 하는 유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나.
2. 제 1항에 있어서,
   전술한 방사부에 형성되는 방사체에 두 개의 U자형 슬롯이 겹쳐진 형태의 2중 U슬롯(Foled u-Slot)이 구비되는 것을 특징으로 하는 유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나.
3. 제 2항에 있어서,
   전술한 방사부의 두 개의 U자형 슬롯의 길이(L)와 폭(W)을 조절하여 RFID 태그 안테나의 주파수에 따른 임피던스의 실수성분 및 허수성분 조절하는 것을 특징으로 하는 유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나.
4. 제 2항에 있어서,
   전술한 방사부의 두 개의 U자형 슬롯 중 어느 하나의 U자형 슬롯은 860 ~ 960 ㎒ 중 높은 주파수의 임피던스 성분을 조절하며, 다른 하나의 U자형 슬롯은 낮은 주파수의 임피던스 성분을 조절하는 특징을 갖는 유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나.
5. 제 1항에 있어서,
   전술한 방사부의 유전체 재질은 FR4이며, 접지면에 금속체가 바로 부착되는 것을 특징으로 하는 유에이치에프 대역을 사용하는 금속 부착 가능한 광대역 알에프아이디 금속 태그 안테나.

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