KR20120007945A - 2단 급전 슬릿을 가진 마이크로스트립 안테나 및 제조 방법 - Google Patents

2단 급전 슬릿을 가진 마이크로스트립 안테나 및 제조 방법 Download PDF

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KR20120007945A
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손해원
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한국전자통신연구원
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Abstract

마이크로스트립 패치(microstrip patch)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 종축 방향(longitudinal)으로 2단의 급전 슬릿(2-step feed slit)을 형성한 후, 급전 슬릿의 길이와 폭을 조정함으로써 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 가지는 태그칩에 효율적인 임피던스 정합이 가능한 태그 안테나 및 제조 방법을 개시한다.
일실시예로서, 안테나 및 이를 이용한 RFID 태그는, 금속면 또는 고유전율을 가지는 물체에 부착되어 사용될 경우에도 우수한 특성을 제공하고, 태그 안테나는 방사 패치(radiating patch)와 접지면(ground plane) 사이에 비아(via)를 사용하지 않으므로, 유연한 플라스틱 기판 위에 전도성 원단으로 만든 패치를 부착한 형태로도 쉽게 제작이 가능하며, 이에 따라 유연한 구조의 태그 안테나를 쉽게 만들 수 있다.

Description

2단 급전 슬릿을 가진 마이크로스트립 안테나 및 제조 방법{MICROSTRIP ANTENNA WITH TWO-STEP FEED SLIT AND MANUFACTURE METHOD}
본 발명의 실시예들은 안테나 및 RFID(Radio Frequency Identification) 태그(tag)에 관한 것으로서, 마이크로스트립 패치(microstrip patch)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 종축 방향(longitudinal)으로 2단의 급전 슬릿(2-step feed slit)을 형성한 유연한 구조의 평면(planar) 안테나 및 제조 방법에 관한 것이다.
RFID 태그는 상품이나 대상물에 부착되어 RFID 리더(reader)와 함께, 자재 관리, 보안 등의 다양한 분야에 사용된다. 일반적으로, RFID 태그를 부착한 물체가 RFID 리더의 인식 영역(read zone)에 놓이게 되면, RFID 리더는 특정한 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 RF 신호를 변조하여 태그에게 질문(interrogation) 신호를 보내고, RFID 태그는 리더의 질문에 응답한다. 즉, RFID 리더는 특정 주파수를 가지는 연속적인 전자파(continuous electromagnetic wave)를 변조하여 태그에게 질문 신호(interrogating signal)를 송출하고, RFID 태그는 내부 메모리에 저장된 자신의 정보를 리더에게 전달하기 위하여, 리더로부터 송출된 전자파를 후방산란 변조(back-scattering modulation)시켜 리더에게 되돌려 보낸다.
후방 산란 변조란 리더로부터 송출된 전자파를 RFID 태그가 산란시켜 리더에게 되돌려 보낼 때, 그 산란되는 전자파의 크기나 위상을 변조하여, 태그의 정보를 보내는 방법이다.
수동형 RFID 태그는 리더로부터 송출되는 전자파를 정류하여 자신의 동작 전원으로 이용한다. 따라서 수동형 태그가 정상적으로 동작하기 위해서는 태그에 수신되는 신호의 세기가 특정 문턱값(threshold) 이상이 되어야 한다. 수동형 RFID 시스템의 인식 거리(read range)를 향상시키기 위해서는 리더의 송출 전력을 크게 하면 된다. 그러나 리더의 송출 전력은 미국의 FCC(Federal Communication Commission)를 비롯한 각 국의 지역 규정(local regulation)에 따른 규제를 받으므로 무조건 크게 할 수는 없다. 주어진 리더의 송출 전력에 대하여 인식 거리를 최대화하기 위해서는 RFID 태그가 효율적으로 리더로부터 송출된 전자파를 수신하여야 한다.
RFID 태그의 효율을 높이는 한 방법으로 별도의 정합 회로(matching circuit)를 사용하는 방법이 있다. 일반적으로 RFID 태그는 안테나, RF 전단부(front-end)와, 신호처리부를 포함하며, RF 전단부와 신호처리부는 1개의 칩(chip)으로 제작된다. 정합 회로를 사용하는 방법은 별도의 정합 회로를 통해 안테나와 RF 전단부를 공액 정합시켜 안테나에서 RF 전단부로 전달되는 신호의 세기를 극대화하는 방법이다. 그러나 커패시터와 인덕터의 조합으로 구성되는 정합 회로는 칩에서 많은 면적을 요구하게 되므로 소형화 및 비용 측면에서 이를 칩 내부에 포함하기는 곤란하다.
본 발명의 일실시예는 마이크로스트립 패치(microstrip patch)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 종축 방향(longitudinal)으로 2단의 급전 슬릿(2-step feed slit)을 형성한 후, 급전 슬릿의 길이와 폭을 조정함으로써 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 가지는 태그칩에 효율적인 임피던스 정합이 가능한 태그 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예는 안테나 및 이를 이용한 RFID 태그가 금속면 또는 고유전율을 가지는 물체에 부착되어 사용될 경우에도 우수한 특성을 제공한다. 태그 안테나는 방사 패치(radiating patch)와 접지면(ground plane) 사이에 비아(via)를 사용하지 않으므로, 유연한 플라스틱 기판 위에 전도성 원단으로 만든 패치를 부착한 형태로도 쉽게 제작이 가능하며, 이에 따라 유연한 구조의 태그 안테나를 쉽게 만들 수 있는 안테나 제조 방법을 제공한다.
상기의 일실시예를 이루기 위한, 안테나는, 직사각형 모양을 갖는 방사패치; 및 방사패치의 한쪽 방사 에지로부터 연장되어 종축 방향으로 형성되며 복수단으로 구성된 급전 슬릿을 포함한다.
또한, 상기 일실시예를 달성하기 위한 기술적 방법으로서, 안테나 제조 방법은, 동작주파수에서 공진하도록 방사패치의 길이를 결정하는 단계; 방사패치의 한쪽 방사 에지에 상기 결정된 길이에 상응하도록 종축 방향으로 복수단으로 구성된 급전 슬릿을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 태그 안테나는 전도성 원단(conductive fabric)으로 만들어진 패치(patch)를 유연한 플라스틱 기판(substrate) 위에 부착함으로써 쉽게 제작이 가능하며, 이로 인해 유연한 특성을 가진다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 마이크로스트립 패치(microstrip patch)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 종축 방향(longitudinal)의 2단 급전 슬릿(2-step feed slit)을 형성한 후, 급전 슬릿의 길이와 폭을 조정함으로써 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 가지는 태그칩에 효율적인 임피던스 정합이 가능한 태그 안테나 및 이를 이용한 RFID 태그를 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 안테나 및 이를 이용한 RFID 태그는 금속면 또는 고유전율을 가지는 물체에 부착되어 사용되는 경우에도 우수한 특성을 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 태그 안테나는 방사 패치와 접지면(ground plane) 사이에 비아(via)를 사용하지 않으므로, 유연한 플라스틱 기판 위에 전도성 원단으로 만든 패치를 부착한 형태로도 쉽게 제작이 가능하며, 이에 따라 유연한 구조의 태그 안테나를 쉽게 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RFID 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나와 RF 전단부를 모델링한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나의 구조를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나 도면의 예시도이다.
도 5는 도 4의 태그 안테나의 입력 임피던스 및 반사 손실을 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RFID 시스템(100)의 구성에 대한 블록도를 나타낸다.
RFID 시스템(100)은 고유정보를 저장하는 RFID 태그(120), 판독 및 해독 기능을 갖는 RFID 리더(110), RFID 리더(110)를 통해 RFID 태그(120)로부터 읽어 들인 데이터를 처리하는 호스트 컴퓨터(미도시)로 이루어진다.
RFID 리더(110)는 RF 송신부(111), RF 수신부(112) 및 리더 안테나(113)를 포함하며, 리더 안테나(113)는 RF 송신부(111)와 RF 수신부(112)에 전기적으로 연결되어 있다. RFID 리더(110)는 RF 송신부(111) 및 리더 안테나(113)를 통해 RF신호를 RFID 태그(120)에 전송한다. 또한, RFID 리더(110)는 리더 안테나(113) 및 RF 수신부(112)를 통해 RF신호를 RFID 태그(120)로부터 수신한다. 미국특허 4,656,463호에 제시된 바와 같이, RFID 리더(110)의 구성은 당 업계에 잘 알려져 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
RFID 태그(120)는 RF 전단부(front-end, 121), 신호처리부(122) 및 태그 안테나(123)를 포함한다. 수동형 RFID 태그인 경우, RF 전단부(121)는 수신된 RF 신호를 직류전압으로 변환하여 신호처리부(122)가 동작하는 데 필요한 전력을 공급한다. 또한, RF 전단부(121)는 수신된 RF신호로부터 기저대역 신호를 추출한다. 미국특허 6,028,564호에 제시된 바와 같이, RF 전단부(121)의 구성은 당 업계에 잘 알려져 있으므로 구체적인 설명은 생략한다. 신호처리부(122) 역시 당 업계에 알려진 임의의 형태일 수 있으며, 한 예로 미국특허 594,2987호에 제시되어 있다.
RFID 시스템(100)의 동작을 살펴보면, RFID 리더(110)는 특정한 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 RF신호를 변조하여 RFID 태그(120)로 질문(interrogation)을 보낸다. RFID 리더(110)의 RF 송신부(111)에서 발생한 RF 신호는 리더 안테나(113)를 통하여 전자파의 형태로 외부에 송출된다. 외부로 송출된 전자파(130)는 태그 안테나(123)에 전달되며, 태그 안테나(123)는 수신된 전자파를 RF 전단부(121)에 전달한다. RF 전단부(121)에 전달된 RF 신호의 크기가 RFID 태그(120)가 동작하기 위한 최소 요구 전력 이상이면, RFID 태그(120)는 RFID 리더(110)로부터 송출되는 전자파(130)를 후방 산란 변조하여 RFID 리더(110)의 질문에 응답한다.
여기서, RFID 시스템(100)의 인식 거리(read range)를 향상시키기 위해서는 태그 안테나(123)가 전자파(130)를 RF 전단부(121)에 손실이 거의 없이 효율적으로 전달할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 태그 안테나(123)의 임피던스와 RF 전단부(121)의 임피던스가 공액 정합(conjugate matching)이 되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나(123)와 RF 전단부(121)를 모델링한 등가 회로도이다.
회로는 전압원(V OC), 안테나 임피던스(Z a), RF 전단부 임피던스(Z c)로 구성되어 있다. 전압원(V OC)과 안테나 임피던스(Z a)는 태그 안테나(123)의 등가 회로이며, RF 전단부 임피던스(Z c)는 RF 전단부(121)의 등가 회로이다. 안테나 임피던스(Z a)는 저항(resistance) 성분(R a)과 리액턴스(reactance) 성분(X a)을 가진다. RF 전단부의 임피던스도 역시 저항 성분(R c)과 리액턴스 성분(X c)을 가진다.
일반적으로, 안테나 임피던스(Z a)와 RF 전단부의 임피던스(Z c)를 공액 정합시키면, 태그 안테나(123)로부터 RF 전단부(121)에 최대 전력이 전달된다. 공액 정합이란 두 복소(complex) 임피던스에 대해, 임피던스의 절대값의 크기가 같고, 위상이 서로 반대 부호를 가지도록 하는 것이다. 즉, 'R a = R c'이고, 'X a = - X c'가 되도록 태그 안테나(123)의 임피던스 또는 RF 전단부(121)의 임피던스를 조정하면 태그 안테나(123)로부터 RF 전단부(121)에 최대 전력이 전달된다.
일반적으로, 수동형 및 반수동형 RFID 태그칩의 RF 전단부(121)는 다이오드를 이용한 정류 및 검파 회로로 구성되며, 칩의 면적을 줄이기 위하여 별도의 정합 회로를 포함하지 않는다. 따라서 RF 전단부(121)의 임피던스는 통상의 50Ω과는 다른 복소 임피던스를 가지며, 정류 및 검파 회로의 특성상 UHF 대역에서 작은 저항 성분(R c)과 큰 용량성(capacitive) 리액턴스 성분(X c)를 가진다. 따라서 공액 정합을 위한 안테나 임피던스(Z a)는 작은 저항 성분(R a)과 큰 유도성(inductive) 리액턴스 성분(X a)를 가져야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나를 설명하기 위한 설계 도면이다.
태그 안테나(300)는 직사각형 모양의 방사패치(radiating patch, 310) 및 이와 평행한 접지면(ground plane, 320)을 가지며, 방사 패치(310)와 접지면(320) 사이에 유전체 기판(dielectric substrate, 330)이 삽입되어 있다. 방사패치(310)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 종축 방향(longitudinal)으로 2단 급전 슬릿(2-step feed slit, 340)이 형성되어 있다.
도 3에서 급전 슬릿(340)의 방향은 방사패치의 공진 길이(resonant length) 방향(311)과 같은 방향으로 놓여 있다. 여기서 급전 슬릿(340)은 폭이 다른 2개의 단(step, 350, 360)으로 구성되어 있으며, 바깥쪽 슬릿의 폭(352)이 안쪽 슬릿의 폭(362)보다 넓다. 본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 바깥쪽 슬릿의 중심선(center line, 351)이 안쪽 슬릿의 중심선(361)과 상호 불일치되어 구성되어 있다.
안쪽 슬릿(360)의 개방된 끝부분에는 RF 전단부(121)에 접속하는 급전터미널(feed terminal, 370)이 형성되어 있다.
안테나(300)의 공진 주파수는 대부분 방사패치의 길이(311)에 의하여 결정된다.
안테나(300)에서 안테나 임피던스(Z a)의 리액턴스 성분(X a)은 안쪽 슬릿의 폭(362)과 길이(363)에 의하여 주로 결정된다. 안쪽 슬릿의 폭(362)과 길이(363)가 증가할수록 안테나 임피던스(Z a)의 리액턴스 성분(X a)은 증가한다. 일반적으로, 폭(362)을 고정시키고, 길이(363)를 조정함으로써 안테나 임피던스(Z a)의 리액턴스 성분(X a)을 조정한다.
안테나(300)가 공진할 때, 안테나 임피던스(Z a)의 저항 성분(R a)은 바깥쪽 슬릿의 폭(352)과 두 슬릿의 중심선(351, 361)의 상호 불일치 정도에 의하여 주로 결정된다. 바깥쪽 슬릿의 폭(352)과 두 슬릿의 중심선(351, 361)의 상호 불일치 정도가 증가할수록 안테나 임피던스(Z a)의 저항 성분(R a)은 증가한다.
도 3에서와 같이 두 슬릿(350, 360)의 한 변을 동일 선상에 일치시킨 상태로, 바깥쪽 슬릿의 폭(352)을 증가시키면 두 중심선(351, 361)의 상호 불일치 정도도 증가된다. 이와 같이 바깥쪽 슬릿의 폭(352)을 조정함으로써 안테나 임피던스(Z a)의 저항 성분(R a)을 조정한다. 두 슬릿의 중심선(351, 361)이 일치할 때, 안테나 임피던스(Z a)의 저항 성분(R a)은 최소가 된다.
안테나(300)를 RF 전단부(121)의 임피던스(Z c)에 공액 정합시키기 위해서는 다음과 같은 단계를 따른다.
[1단계] 동작주파수에서 공진하도록 방사 패치의 길이(311)와 폭(312)을 결정한다.
[2단계] 2단 급전 슬릿의 위치와 폭(352, 362) 및 급전 터미널(370)의 위치를 결정한다. 이때 안쪽 슬릿과 바깥쪽 슬릿의 폭(352, 362)과 중심선(351, 361)은 동일하게 둔다.
[3단계] ‘X a = - X c’를 만족하도록 안쪽 슬릿의 길이(363)를 조정한다.
[4단계] 안테나(300)의 공진주파수에서 R a = R c 가 되도록 바깥쪽 슬릿의 폭(352)을 조정한다. 이 때, 도 3에서와 같이 두 슬릿(350, 360)의 한 변은 동일 선상에 일치시킨다.
[5단계] 3단계와 4단계를 반복하여 미세 조정을 한다.
이상과 같이 태그 안테나(300)는 안쪽 슬릿의 길이(363)를 조정하여 안테나 임피던스의 리액턴스 성분(X a)을 조정하고, 바깥쪽 슬릿의 폭(352)을 조정하여 안테나 임피던스의 저항 성분(R a)을 자유롭게 조정할 수 있으므로, 임의의 임피던스를 가지는 RF 전단부(121)에 효율적인 정합을 할 수 있다. 특히, 바깥쪽 슬릿의 폭(352)을 안쪽 슬릿의 폭(362)과 거의 같게 조정하면 수 Ω 정도의 작은 저항 성분을 가지는 안테나를 쉽게 만들 수 있으므로, 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 특징으로 하는 RFID 태그칩의 RF 프런트 엔드(121)에 효율적인 정합이 가능하다.
태그 안테나는 방사 패치와 접지면(ground plane) 사이에 비아(via)를 사용하지 않으므로, 유연한 플라스틱 기판 위에 전도성 원단으로 만든 패치를 부착한 형태로도 쉽게 제작이 가능하며, 이에 따라 유연한 구조의 태그 안테나를 쉽게 만들 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나는 광대역 특성을 가진다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태그 안테나의 설계 구조를 보여주는 도면이다.
도 4에서는 태그 안테나가 유연한 특성을 가지도록 하기 위하여 전도성 원단(conductive fabric, σ=4.76 x 105[S/m])으로 방사 패치를 설계하고, 이를 두께 1.5mm의 연성 테플론 기판(εｒ= 2.04, tanδ=0.002) 위에 부착하였다. 안테나의 접지면(ground plane)은 두께 0.07mm의 알루미늄 판(σ=3.8 x 107[S/m])을 이용하여 설계하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 최종 설계된 태그 안테나의 입력 임피던스 및 태그칩의 RF 전단부 임피던스(Z c = 26 - j163[Ω])에 대한 반사 손실(return loss)을 모의 실험한 결과이다. 그래프를 살펴보면 태그 안테나는 광대역 특성을 가지며, 915MHz 부근에서 태그칩의 RF 전단부와 임피던스 정합이 잘 되어 있음을 알 수 있다.
태그 안테나에서 안테나 임피던스(Z a)의 저항 성분(R a)을 조정하기 위해서는 급전 슬릿을 2단 이상으로 구성하고 각 단의 중심선을 상호 불일치시키는 등의 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
안테나에서 방사패치의 공진 주파수를 일정하게 유지하면서 방사패치의 길이를 줄이기 위해서는 방사패치에 다양한 모양의 슬롯(slot)을 형성하거나, 방사패치(310)와 접지면(320) 사이에 단락판(shorting plate)이나 단락핀(shorting pins)들을 설치하는 등 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 다양한 방법이 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 구성들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : RFID 리더
120 : RFID 태그
121 : RF 전단부
123 : 태그 안테나
340 : 2 단 급전 슬릿
370 : 급전 터미널

Claims (9)

  1. 직사각형 모양을 갖는 방사패치; 및
    상기 방사패치의 한쪽 방사 에지로부터 연장되어 종축 방향으로 형성되며 복수단으로 구성된 급전 슬릿
    을 포함하는, 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전 슬릿은,
    안쪽 슬릿; 및
    상기 안쪽 슬릿의 폭보다 넓은 폭으로 형성되는 바깥쪽 슬릿
    을 포함하는, 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 급전 슬릿은,
    상기 안쪽 슬릿의 개방된 끝부분에 형성되어 RF 전단부에 접속하는 급전 터미널
    을 더 포함하는, 안테나.
  4. 동작주파수에서 공진하도록 방사패치의 길이를 결정하는 단계;
    상기 방사패치의 한쪽 방사 에지에 상기 결정된 길이에 상응하도록 종축 방향으로 복수단으로 구성된 급전 슬릿을 형성하는 단계
    를 포함하는, 안테나 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 급전 슬릿을 형성하는 단계는,
    폭과 중심선이 동일한 안쪽 슬릿과 바깥쪽 슬릿을, 상기 방사 패치에 형성하는 단계; 및
    상기 안쪽 슬릿의 개방된 끝부분에 RF 전단부에 접속하는 급전 터미널을 형성하는 단계
    를 포함하는, 안테나 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 급전 슬릿을 형성하는 단계는,
    상기 방사 패치의 임피던스를 고려하여, 상기 바깥쪽 슬릿의 폭이 상기 안쪽 슬릿의 폭보다 넓게 형성되도록 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 안테나 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 급전 슬릿을 형성하는 단계는,
    상기 방사 패치의 임피던스를 고려하여, 상기 안쪽 슬릿의 길이를 조정하여 리액턴스 성분을 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 안테나 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 급전 슬릿을 형성하는 단계는,
    상기 방사 패치의 임피던스를 고려하여, 상기 바깥쪽 슬릿의 폭을 조정하여 저항 성분을 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 안테나 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 안쪽 슬릿과 바깥쪽 슬릿을, 상기 방사 패치에 형성하는 단계는,
    상기 안쪽 슬릿과 상기 바깥쪽 슬릿의 한 변을 동일 선상에 일치시키는 단계
    를 포함하는, 안테나 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017082863A1 (en) * 2015-11-10 2017-05-18 Hewlett-Packard Development Company, L. P. Dual band slot antenna
KR20170095453A (ko) * 2016-02-12 2017-08-23 한국전자통신연구원 패치 안테나

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