KR20110131514A

KR20110131514A - 미앤더 선로와 계단형 선로를 이용한 433㎒＆ 900㎒ｒｆｉｄ 리더용 이중 대역 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR20110131514A
Application number: KR1020100050980A
Authority: KR
Inventors: 강승택; 임동진
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-07

Abstract

본 발명은 RFID(Radio-Frequency Identification) 리더(Reader)용 433MHz & 900MHz이중대역 다이폴 안테나에 관한 것으로, 433MHz 단일 대역용 기존 안테나와 비교하여 이중급전이 아니면서 900MHz의 추가 공진특성을 가져 면적을 효율적으로 사용하면서도 RFID 리더 안테나로 적합한 성능을 가지는 안테나의 설계와 그 구조에 관한 것이다.

Description

미앤더 선로와 계단형 선로를 이용한 433㎒＆ 900㎒ＲＦＩＤ 리더용 이중 대역 다이폴 안테나 {Dual-band Dipole Antenna Using Meander Lines and Stepped Lines for the 433MHz ＆ 900MHz RFID Reader}

본 발명은 RFID(Radio-Frequency Identification) 리더(Reader)용 433MHz & 900MHz이중대역 다이폴 안테나에 관한 것으로, 특히, 433MHz 단일 대역용 종래 안테나와 비교하여 이중급전이 아니면서 900MHz의 추가 공진 특성을 포함하여 면적을 효율적으로 사용하면서도 RFID 리더 안테나로 사용하는데, 적합한 성능을 가지는 다이폴 안테나의 설계와 그 구조에 관한 것이다.

본 발명은 RFID(Radio-Frequency Identification) 영역 중 리더기 구성의 핵심부품인 RFID 리더 안테나 설계부분에 관한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같은 안테나는 종래의 반파장(Half-wavelong) 길이의 이중 대역 다이폴 안테나를 나타내고 있다.

도 1에 나타낸 안테나의 크기는 높은 주파수 영역인 2 GHz 대역과 5 GHz 대역에서 공진을 일으켜 전자파를 방사한다. 상기 주파수보다 낮은 900 MHz의 주파수는 물론 훨씬 더 낮은 433MHz의 주파수에 상기 안테나 구조를 응용하게 되면 안테나 크기가 상당히 커지며 길이 증가에 따른 무게가 증가하여 상기 안테나 무게를 감당하기 위한 지지대가 부수적으로 필요하고 상기 지지대는 안테나의 방사특성을 나쁘게 하는 단점이 존재한다.

따라서 이러한 단점을 극복하기 위해 선형이 아닌 평면에 안테나 방사체 패턴을 만들고 이러한 패턴은 주로 2GHz나 900MHz RFID 시스템 용 안테나로 사용하고 있다. 이러한 안테나는 본 발명에서 요구하는 433MHz와 900MHz에서 공진하여 이중 대역을 만족하고 있다. 또한, 상기 안테나는 기본적인 다이폴 안테나와 매우 유사한 복사패턴을 나타내고 있으며, 종합적으로 일반적인 단일 대역 다이폴 안테나와 유사한 성능을 이중 대역에서 만족한다. 하지만, 안테나의 길이가 파장의 약 1/2로 비교적 큰 크기이므로 여러 시스템에 적용하기에는 무리가 있다.

본 발명은 433MHz와 900MHz의 이중 대역을 이중 급전 구조가 아닌 단일 급전구조를 사용하는 RFID(Radio-Frequency Identification) 리더용 안테나에 관한 것이다. 종래 방식으로 일반적인 다이폴 안테나로 구성할 경우 안테나의 총 길이가 파장의 1/2 길이를 갖게 되므로 안테나 크기가 크게 되며, 상기 안테나 크기로 인하여 여러 가지 시스템에 사용하기가 쉽지 않다.

따라서 상기 다이폴 안테나에 미앤더 선로와 계단형 선로를 이용하여 기존 안테나보다 작은 크기로 유사한 성능을 보이는 이중 대역 다이폴 안테나를 설계하는 것이 본 발명의 과제이다.

상기 과제를 해결하기 위해 도 1과 같은 다이폴 구조의 반 파장 공진을 사용하면서도 안테나 크기를 줄이기 위한 것이 본 발명의 가장 큰 목적이며, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 이중 대역 다이폴 안테나의 선로를 여러 가지 방법을 이용하여 900MHz 공진 구조를 전체 면적으로 하고, 파장이 더 큰 433MHz 공진도 동시에 발생시키는 방법으로 해결하고자 한다. 상기 안테나를 구성하는 선로를 변형하여 작은 면적에 나타내는 방법에는 여러 가지가 있으며 방법에 따라서 복사 패턴의 변형 문제나 안테나 성능 감소가 생길 수 있다.

그러나 선로의 변형으로 인하여 발생할 수 있는 복사 패턴의 변형 문제나 안테나 이득 및 효율 성능의 감소를 줄이기 위하여 안테나 성능에 영향을 끼치지 않으면서도 길이를 줄이는 방법을 찾고, 3D 전자기파 모의 실험을 통하여 그 타당성을 검증한 뒤 실제 제작과 측정을 통하여 본 발명의 타당성을 검증하고자 한다.

따라서 본 발명의 다이폴 안테나는 외부에서 제공되는 케이블과 연결 가능하도록 설계되어, 도 3에 도시된 바와 같이 특정 임피던스 값을 가지면서 일정 RF 신호를 입력받도록 연결되는 급전부(301)와 상기 급전부로부터 두 주파수에 해당하는 길이를 가지는 두 다이폴 안테나(302, 303)와 결합하는 선로, 나선형인 미앤더 선로로 이루어진 다이폴 안테나 및 계단형 선로로 이루어진 다이폴 안테나를 결합한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다이폴 안테나는 RFID (Radio-Frequency Identification) 고정형 리더기 및 이동형 리더기 등에 적용되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다이폴 안테나는 다중 대역을 사용하기 위한 용도로 서로 다른 길이의 안테나를 결합하여 다중 공진을 만들어내는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 두 주파수 중 하나인 433MHz의 주파수는 미앤더 선로로 구성되고 나머지 하나인 900MHz의 주파수는 계단형 선로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 RFID 리더용 이중 대역 다이폴 안테나는 안테나 자체의 크기를 반 정도로 줄일 수 있으며, 동시에 양호한 이중 대역 주파수 특성을 보이며, 주파수 다이버시티 성능을 보이고 있다. 본 발명에서 설계하여 제조된 안테나는 낮은 주파수 대역인 433MHz 파장의 약 1/4에 해당하는 크기로써 종래 다이폴 안테나에 비하여 상대적으로 1/2 정도의 크기로 제조될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 이중 대역 다이폴 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 기본 구조인 Y형 이중 대역 다이폴 안테나 모의실험 주파수 응답 결과이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 미앤더 선로와 계단형 선로를 이용한 RFID 리더용 이중 대역 다이폴 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3 안테나의 급전부의 상세 모습이다.
도 5는 도 3 안테나의 모의 실험 주파수 응답 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3 안테나의 433MHz 주파수에서의 모의 실험 표면 전류 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3 안테나의 900MHz 주파수에서의 모의 실험 표면 전류 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 3 안테나의 433MHz 주파수에서의 모의 실험 3D 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 3 안테나의 900MHz 주파수에서의 모의 실험 3D 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 10a, 10b는 도 3 안테나의 433MHz 주파수에서의 모의 실험 극좌표 표현 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 11a, 11b는 도 3 안테나의 900MHz 주파수에서의 모의 실험 극좌표 표현 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 3 안테나의 모의 실험 성능을 나타내는 도면이다.
도 13a, 13b는 제작된 도 3 안테나의 모습을 나타내는 도면이다.
도 14는 제작된 도 3 안테나의 측정 주파수 응답 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 제작된 도 3 안테나의 433MHz 주파수에서의 측정 3D 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 제작된 도 3 안테나의 900MHz 주파수에서의 측정 3D 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 17a, 17b는 제작된 도 3 안테나의 433MHz 주파수에서의 측정 극좌표 표현 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 18a, 18b는 제작된 도 3 안테나의 900MHz 주파수에서의 측정 극좌표 표현 복사 패턴 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 도 3 안테나의 측정 성능을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 RFID 리더용 이중 대역 다이폴 안테나의 구성 및 동작을 상세히 설명한다. 도 1은 종래의 이중대역 다이폴 안테나를 나타내는 도면으로서, 2 GHz 대역과 5GHz 대역에서 공진을 일으키는데 상기 주파수보다 낮은 주파수에 상기 구조를 응용하면 지지대가 필요하고 지지대로 인해 안테나 자체의 크기가 상당히 커진다.

도 2는 본 발명의 기본구조인 Y 형 이중대역 안테나와 그 실험결과를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 RFID 리더용 이중 대역 다이폴 안테나 구조를 나타내는 도면으로서, 도 3을 참고하여 본 발명에 의한 안테나의 구성에 대하여 설명한다. 도 3의 301은 안테나의 급전부를 나타내며 상기 급전부를 도 4에 상세히 나타내고 있다. 도시된 바와 같이 상기 안테나는 크게 두 부분으로 나눌 수 있는데 급전 시 양극 부분이 연결되는 좌측 부분과 급전 시 음극 부분이 연결되는 우측 부분으로 나눌 수 있다. 또한, 주파수에 따라서 두 부분으로 나눌 수도 있는데, 도 3에서 상단에 보이는 302로 표기한 나선형의 선로를 미앤더 선로라고 하며 본 발명의 안테나에서는 미앤더 선로를 이용한 상단 부분이 433MHz의 주파수 통신을 위해 설계된 부분이다. 또한, 하단에 보이는 303으로 표기한 부분인 계단형의 선로 부분이 900MHz의 주파수 통신을 위해 설계된 부분이다. 본 발명은 상기 미앤더 선로와 계단형 선로가 결합 된 안테나를 말하며, 상기 급전부를 공유함으로써 하나의 안테나로 구성이 되었고 이에 따라서 주파수 다이버시티를 사용한 이중 대역 안테나라고 할 수 있다.

도 5 내지 도 12는 도 3에 도시된 본 발명의 미앤더 선로와 계단형 선로를 이용한 RFID 리더용 이중 대역 다이폴 안테나의 모의 실험 성능을 보여 주는 도면이다. 도 5는 도 3에 도시된 안테나의 주파수 응답 특성을 나타내고 있는데, 도 5에서 볼 수 있듯이 본 발명에서 목표로 하는 433MHz 와 900MHz의 주파수에서 반사 손실을 나타내는 S11이 각각 약 -11dB, -14dB를 보이고 있으므로 이중 대역 공진 특성을 만족함을 알 수 있다.

도 6과 도 7은 도 3의 본 발명의 안테나의 전류 분포를 나타내는 도면이다. 도 6은 433MHz, 도 7은 900MHz를 각각 나타내고 있으며, 도 6에서는 안테나의 상단부에 전류가 집중됨을 알 수 있고, 도 7에서는 안테나의 하단부에 전류가 집중됨을 알 수 있다. 이는 각각의 주파수에서 각각의 안테나 부분에 에너지가 집중됨으로써 안테나의 특성을 이루는 중요한 부분이다.

도 8 내지 도 11b는 도 3에 도시된 본 발명의 안테나의 복사 패턴을 나타내고 있다. 도 8과 도 10a, 10b를 보면 기존 다이폴 안테나와 같은 복사 패턴을 갖는 것을 알 수 있다. 종래의 다이폴 안테나는 전 방향성 (Omni-Directional) 복사 패턴을 가지며 Z 축을 따라 양쪽에 영점 (Null point)를 가지는 사과 모양의 복사 패턴을 가지고 있다. 또한, 도 9와 도 11a, 11b를 보면 기존 다이폴 안테나의 복사패턴과 유사하지만 약간 다른 형태를 하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 안테나 상단부가 반사판 역할을 하여 에너지가 Y축을 따라 약간 집중되어 있는 모습을 볼 수 있으며 완전히 동그란 형태는 아니지만 통신을 할 수 있는 전 방향성 복사 패턴으로 볼 수 있다.

도 12는 도 3에 도시된 본 발명의 안테나의 전체적인 성능을 표로 나타내는 도면이다. 표에 나타난 바와 같이 433MHz, 900MHz의 주파수에서 각각 92.5%, 96.4%의 전체효율을 갖는다.

도 13a 내지 도 18b는 도 3 에 도시된 본 발명의 안테나를 실제 제작하여 측정한 결과를 나타내고 있다.

도 13a, 13b는 실제 제작된 안테나의 사진이다. 상기 안테나의 제작에는 상대 유전율 4.4와 손실 탄젠트 0.02를 갖는 두께 0.6mm의 FR-4 기판이 사용되었다. 급전부의 커넥터 연결을 위하여 설계시와 동일하게 SMA 커넥터를 부착하였고 그 커넥터를 이용하여 측정 환경에 설치하여 측정이 이루어졌다.

도 14는 벡터 네트웍 애널라이저 (Vector network analyzer)를 이용하여 측정된 도 3에 도시된 본 발명의 안테나의 주파수 특성을 나타내고 있다. 동그라미 부호로 표시된 붉은 선은 모의 실험 결과를 나타내고 있고, 사각형 부호로 표시된 검은 선은 측정 결과를 나타내고 있다. 전체적인 특성은 비슷하나 전반적으로 물결 (ripple) 형태의 특성이 나타나는데, 이는 측정환경의 문제로 볼 수 있으며, 측정 환경 개선을 통하여 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

도 15 내지 도 18b는 측정된 복사 패턴을 나타내고 있는데, 그 형태는 모의 실험 결과와 매우 유사하며 전 방향성 복사 패턴을 보이고 있다. 도 17a, 17b 및 도 18a, 18b 의 각각의 세 선은 각도가 30, 45, 90일 때의 복사 패턴을 나타내고 있다.

도 19는 안테나의 측정 성능을 알기 쉽게 표로 나타낸 도면이다.

본 발명은 이중 대역 다이폴 안테나 제작에 이용될 수 있다.

Claims

이중 대역 다이폴 안테나로서,
외부에서 제공되는 케이블과 연결 가능하도록 설계되어 특정 임피던스 값을 가지면서 일정 RF 신호를 입력받도록 마주보고 연결되는 급전부(301)와
상기 급전부로부터 두 주파수에 해당하는 길이를 가지고 상기 급전부와 마주보고 연결되는 두 다이폴 안테나(302, 303)와 결합하는 선로를 포함하며,
상기 급전부를 중심으로 나선형(ㄹ자 형태)인 미앤더 선로로 이루어진 다이폴 안테나와 계단형 선로로 이루어진 다이폴 안테나를 결합한 것을 특징으로 하는 이중 대역 다이폴 안테나.
제 1항에 있어서,
상기 미앤더 선로 및 계단형 선로로 이루어진 두 다이폴 안테나는 RFID (Radio-Frequency Identification) 고정형 리더기 및 이동형 리더기 등에 적용되어 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 다이폴 안테나.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 두 다이폴 안테나는 다중 대역을 사용하기 위한 용도로 서로 다른 길이의 안테나를 결합하여 다중 공진을 만들어내는 것을 특징으로 하는 이중 대역 다이폴 안테나.
제 1항에 있어서,
상기 두 주파수 중 하나인 433MHz의 주파수는 미앤더 선로로 구성되고 나머지 하나인 900MHz의 주파수는 계단형 선로로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 다이폴 안테나.