KR20120116028A - Ｒｆｉｄ 태그용 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

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KR20120116028A
KR20120116028A KR1020110033524A KR20110033524A KR20120116028A KR 20120116028 A KR20120116028 A KR 20120116028A KR 1020110033524 A KR1020110033524 A KR 1020110033524A KR 20110033524 A KR20110033524 A KR 20110033524A KR 20120116028 A KR20120116028 A KR 20120116028A
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최원규
박찬원
손해원
표철식
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 방사패치(radiating patch), 방사패치와 평행하게 위치한 접지면(ground plane), 방사 패치와 접지면 사이에 위치한 유전체 기판(dielectric substrate)을 포함한다.
방사 패치(radiating patch)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 공진 길이 방향(resonant length direction)으로 급전 슬릿(feed slit)을 형성하고, 한쪽 비방사 에지(non-radiating edge)에 공진 길이 방향과 수직 방향으로 조정 슬릿(tuning slit)을 형성한다. 두 슬릿의 길이와 폭이 조정됨으로써, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나가 태그칩에 임피던스 정합된다. 두 슬릿의 길이와 폭을 조정함으로써 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 가지는 태그칩에 효율적인 임피던스 정합이 가능하도록 한다.

Description

ＲＦＩＤ 태그용 마이크로스트립 안테나 {Microstrip Antenna for RFID Tag}
본 발명은 RFID 태그(Radio Frequency Identification tag)용 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 두 개의 슬릿을 가진 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.
RFID 태그는 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 신호(interrogating signal)를 보내고, RFID 태그는 리더의 질문에 응답한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두 개의 슬릿을 가진 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 방사 패치(radiating patch)에 형성된 두 슬릿의 길이와 폭의 조정에 의해, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나와 RF전단부 간의 임피던스가 정합된 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 방사 패치와 접지면 사이에 비아(via)를 사용하지 않는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나는 방사패치(radiating patch), 접지면(ground plane) 및 상기 방사패치와 접지면 사이에 위치한 유전체 기판(dielectric substrate)을 포함한다. 방사 패치의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에는 공진 길이 방향(resonant length direction)으로 급전 슬릿(feed slit)이 형성된다. 그리고 방사 패치의 한쪽 비방사 에지(non-radiating edge)에는 공진 길이 방향과 수직 방향으로 조정 슬릿(tuning slit)이 형성되며, 급전 슬릿을 가로지르는 방향으로 급전터미널(feed terminal)이 형성된다.
상기 두 슬릿의 길이와 폭이 조정됨으로써, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나가 태그칩에 임피던스 정합된다.
본 발명에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나는 방사 패치와 접지면 사이에 비아(via)를 사용하지 않고, FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 상에 인쇄된 패치 안테나 패턴이 유연한 플라스틱 기판(substrate) 위에 부착된 형태로도 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나는, 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 가지는 태그칩에 임피던스 정합을 하는 경우에도 RFID 태그 칩에서 많은 면적을 차지하지 않으므로 소형화에 적합하고 비용 소모가 적다.
도 1은 본 발명이 적용되는 RFID 시스템의 블록도이다.
도 2는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나와 RF 전단부를 모델링한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스 및 반사 손실을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템(100)의 블록도를 나타낸다. 도1을 참조하면, RFID 시스템(100)은 호스트 컴퓨터(미도시), RFID 리더(110), 및 RFID 태그(120)를 포함한다.
호스트 컴퓨터는 RFID 리더(110)를 통해 RFID 태그(120)로부터 읽어 들인 데이터를 처리한다. RFID 리더(110)는 RFID 태그(120)로부터 수신한 신호를 판독 및 해독 한다. RFID 태그(120)는 내부메모리에 고유 정보를 가지고 있고 안테나를 통해 RFID 리더(110)에 정보를 송신한다.
외부로 송출된 전자파(130)는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)에 전달되며, RFID 태그용 마이크로스트립 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.
RFID 리더(110)는 판독 및 해독 기능을 갖는다. 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 연결된다.
RFID 리더(110)의 RF 송신부(111)에서 발생한 RF 신호는 리더 안테나(113)를 통하여 전자파의 형태로 외부에 송출되며, RFID 리더(110)는 RF 송신부(111) 및 리더 안테나(113)를 통해 특정한 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 RF신호를 변조하여 RFID 태그(120)에 전송한다. 즉, RFID 리더(110)는 특정 주파수를 가지는 연속적인 전자파(continuous electromagnetic wave)를 변조하여 RFID 태그(120)에 질문 신호(interrogating signal)를 송출한다. 또한, RFID 리더(110)는 수신부(112) 및 리더 안테나(113)를 통해 RF신호를 RFID 태그(120)로부터 수신한다. RFID 리더(110)는 미국특허 4,656,463호에 제시된 것과 같은 구성을 포함할 수 있다.
RFID 태그(120)는 RF 전단부(front-end, 121), 신호처리부(122) 및 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)를 포함한다. 일반적으로 RF 전단부(121)와 신호처리부(122)는 1개의 칩(chip)으로 제작된다. RFID 태그(120)는 자신의 고유정보를 가지며, 고유정보는 내부 메모리에 저장되어 있다. RFID 태그(120)는 내부 메모리에 저장된 자신의 정보를 RFID 리더(110)에게 전달하기 위하여, RFID 리더(110)로부터 송출된 전자파를 후방산란 변조(back-scattering modulation)시켜 RFID 리더(110)에게 되돌려 보낸다. 후방산란 변조란 RFID 리더(110)로부터 송출된 전자파를 RFID 태그(120)가 산란시켜 RFID 리더(110)에게 되돌려 보낼 때, RFID 태그(120)의 정보를 보내기 위해 그 산란되는 전자파의 크기나 위상을 변조하는 것이다.
본 발명의 마이크로스트립 안테나를 포함하는 RFID 태그(120)는 실시예로서 수동형 또는 반수동형 RFID 태그일 수 있다.
RFID 태그(120)는 RFID 리더(110)로부터 송출되는 전자파를 정류하여 자신의 동작 전원으로 이용한다. RFID 태그(120)의 RF 전단부(121)는 수신된 RF 신호를 직류전압으로 변환하여 신호처리부(122)가 동작하는 데 필요한 전력을 공급한다. 또한, RFID 태그(120)의 RF 전단부(121)는 수신된 RF신호로부터 기저대역 신호를 추출한다. RF 전단부(121)는 일실시예로 미국특허 6,028,564호에 제시된 구성을 포함할 수 있고, 신호처리부(122)는 일실시예로 미국특허 594,2987호에 제시된 구성을 포함할 수 있다.
RFID 태그(120)가 정상적으로 동작하기 위해서는 RFID 태그(120)에 수신되는 신호의 세기가 특정 문턱값(threshold) 이상이 되어야 한다. RFID 리더(110)의 송출 전력이 커지면, RFID 시스템(100)의 인식 거리(read range)도 향상된다. 그러나 RFID 리더(110)의 송출 전력은 미국의 FCC(Federal Communication Commission)를 비롯한 각 국의 지역 규정(local regulation)에 따른 규제를 받으므로 무조건 크게 할 수는 없다. 따라서, 주어진 RFID 리더(110)의 송출 전력에 대하여 인식 거리를 최대화하기 위해서는 RFID 태그(120)가 RFID 리더(110)로부터 송출된 전자파를 효율적으로 수신하여야 한다. 즉, RFID 시스템(100)의 인식 거리(read range)를 향상시키기 위해서는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)가 상기 전자파(130)를 RF 전단부(121)에 손실이 거의 없이 효율적으로 전달할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)의 임피던스와 RF 전단부(121)의 임피던스가 공액 정합(conjugate matching)되어야 한다.
도 2는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)와 RF 전단부(121)를 모델링한 등가 회로도이다. 도2를 참조하면, 등가 회로는 전압원( V oc ), 안테나 임피던스(Za), RF 전단부 임피던스(Zc)로 구성된다. 전압원( V oc )과 안테나 임피던스(Za)는 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)의 등가 회로이며, RF 전단부 임피던스(Zc)는 RF 전단부(121)의 등가 회로이다. 안테나 임피던스(Za)는 저항(resistance) 성분(Ra)과 리액턴스(reactance) 성분(Xa)을 가진다. RF 전단부의 임피던스(Zc) 역시 저항 성분(Rc)과 리액턴스 성분(Xc)을 가진다.
안테나 임피던스(Za)와 RF 전단부의 임피던스(Zc)가 공액 정합되면, 최대 전력이 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)로부터 RF 전단부(121)에 전달된다. 공액 정합이란 두 복소(complex) 임피던스가 임피던스의 절대값의 크기가 같고, 위상이 서로 반대 부호를 가지는 것을 말한다. 즉, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나 (123)의 임피던스 또는 RF 전단부(121)의 임피던스가 ‘Ra=Rc’이고, ‘Xa=-Xc’이면, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)로부터 RF 전단부(121)에 전달되는 전력이 최대가 된다.
일반적으로, 수동형 RFID 태그칩의 RF 전단부(121)나 반수동형 RFID 태그칩의 RF 전단부(121)는 다이오드를 이용한 정류 및 검파 회로로 구성되며, 별도의 정합 회로를 포함하지 않는다. 이는 칩의 면적을 줄이기 위함이다. 따라서 RF 전단부(121)의 임피던스는 통상의 50Ω과는 다른 복소 임피던스를 가지며, 정류 및 검파 회로의 특성상 UHF 대역에서 작은 저항 성분(Rc)과 큰 용량성(capacitive) 리액턴스 성분(Xc)를 가진다. 따라서 공액 정합을 위한 안테나 임피던스(Za)는 작은 저항 성분(Ra)과 큰 유도성(inductive) 리액턴스 성분(Xa)을 가져야 한다.
RFID 태그(120)의 효율을 높이는 한 방법으로 별도의 정합회로(matching circuit)를 사용하는 방법이 있다. 정합회로를 사용하는 방법은 별도의 정합회로를 통해 안테나와 RF 전단부(121)를 공액 정합시켜 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)에서 RF 전단부(121)로 전달되는 신호의 세기를 극대화하는 방법이다. 그러나 커패시터와 인덕터의 조합으로 구성되는 정합 회로는 칩에서 많은 면적을 요구하므로 소형화 및 비용 측면에서 이를 칩 내부에 포함하기는 곤란한 문제점이 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3의 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)는 도 1의 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(123)의 일실시예이다. 마이크로스트립 안테나는 윗면이 개방되어 있는 마이크로스트립 선로가 개방면을 통해 고주파를 방사하는 원리를 이용하여 제작된 평면 안테나를 말한다.
도3을 참조하면, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)는 방사패치(radiating patch, 310) 및 접지면(ground plane, 320)을 가지며, 유전체 기판(dielectric substrate, 330)이 상기 방사 패치(310)와 접지면(320) 사이에 위치한다.
방사 패치(310)는 RF 신호를 방사하며, 유전체 기판(330)은 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나의 높이와 유전율을 일정하게 유지하면서 매질 역할을 한다. RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)의 대역 특성은 유전체 기판(330)의 높이에 의해 결정되며, 유전체 기판(330)의 높이가 높을수록 상대적으로 광대역 특성을 가진다. 또한 유전체 기판(330)은 가변적으로 선택된 일정한 유전율을 가지며, 유전율이 낮을수록 안테나의 특성이 우수하다.
방사 패치(310)는 방사가 거의 일어나지 않는 비방사 에지(non-radiating edge)와 방사가 주로 일어나는 방사 에지(radiating edge)를 갖는다. 도3의 A측 및 C측 에지는 방사 에지를 나타내고, B측 및 D측 에지는 비방사 에지를 나타낸다. RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)의 방사 패치(310)의 한쪽 방사 에지(radiating edge)에 공진 길이 방향(resonant length direction, 313)으로 급전 슬릿(feed slit, 340)이 형성된다. 또한, 방사 패치(310)의 한쪽 비방사 에지(non-radiating edge)에는 공진 길이 방향(313)과 수직 방향(orthogonal direction)으로 조정 슬릿(tuning slit, 350)이 형성된다. 예를 들어 방사패치(310)는 직사각형 모양을 가질 수 있고, 접지면(320)은 방사패치(310)와 평행하게 위치할 수 있다.
급전 슬릿(340)의 개방된 끝부분에는 급전 슬릿을 가로지르는 방향(314)으로 RF 전단부(121)에 접속하는 급전터미널(feed terminal, 360)이 형성된다.
RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)의 공진 주파수는 주로 방사 패치의 길이(311)에 의하여 결정된다. 따라서 방사 패치의 길이(311)와 폭(312)은, RFID 태그용 안테나가 RFID 태그의 동작 주파수에서 공진하도록 하기 위해, 가변적으로 조정된 값을 가진다.
RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)에서 안테나 임피던스(Za)의 리액턴스 성분(Xa)은 급전 슬릿(340)의 길이(341)와 폭(342)에 의하여 주로 결정된다. 급전 슬릿(340)의 길이(341)와 폭(342)이 증가할수록 안테나 임피던스(Za)의 리액턴스 성분(Xa)은 증가한다. 예를 들어, 폭(342)이 고정된 상태에서 상기 길이(341)가 조정됨으로써, 안테나 임피던스(Za)의 리액턴스 성분(Xa)이 가변적인 값을 가질 수 있다. 따라서 급전 슬릿의 위치와 폭(342), 급전터미널(360)의 위치가 먼저 결정된 후 급전 슬릿의 길이(341)가 조정될 수 있다.
RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)가 공진할 때, 안테나 임피던스(Za)의 저항 성분(Ra)은 조정 슬릿의 길이(351)에 의하여 주로 결정된다. 상기 조정 슬릿의 길이(351)가 증가할수록 안테나 임피던스(Za)의 저항 성분(Ra)은 증가한다. 따라서 조정 슬릿의 길이(351)가 조정됨으로써, 안테나 임피던스(Za)의 저항 성분(Ra)이 가변적인 값을 가질 수 있다. 따라서 조정 슬릿의 위치와 폭(352)이 먼저 선택적으로 결정된 후 조정 슬릿의 길이(351)가 조정될 수 있다.
따라서 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)는 가변적인 저항성분(Ra) 및 가변적인 리액턴스 성분(Xa)을 가질 수 있고, 급전 슬릿의 길이(341)가 ‘Xa=-Xc’를 만족시키는 값을 가지고, 조정 슬릿의 길이(351)가 ‘Ra=Rc’를 만족시키는 값을 가지는 경우, RF 전단부(121)의 임피던스(Zc)에 공액 정합될 수 있다.
급전 슬릿의 길이(341) 및 조정 슬릿의 길이(351) 조정의 반복은 안테나 임피던스의 미세조정을 가능하게 한다. 또한, 필요한 경우 방사 패치의 길이(311) 조정에 따른 동작주파수의 미세 조정이 수반될 수 있다.
이상과 같이 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)의 리액턴스 성분(Xa)은 급전 슬릿의 길이(341)에 의해 조정되고, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)의 저항 성분(Ra)은 조정 슬릿의 길이(351)에 의해 자유롭게 조정되므로, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)와 RF 전단부(121)의 공액 정합이 가능하다.
특히, 조정 슬릿의 길이(351)가 영(zero)에 가까우면, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)가 수 Ω 정도의 작은 저항 성분을 가지므로, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)가 작은 저항 성분과 큰 용량성 리액턴스 성분을 특징으로 하는 RFID 태그칩의 RF 전단부(121)에 효율적으로 정합될 수 있다. RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)는 RFID 태그의 칩에서 많은 면적을 요구하지 않으므로, 소형화에 적합하며 비용의 소모가 적다. 또한, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나(300)와 이를 포함하는 RFID 태그(120)는 금속면 또는 고유전율을 가지는 물체에 부착되어 사용되는 경우에도 우수한 전자파 수신 특성을 제공한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나의 구성을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 구리 박막 (σ=5.8×107[S/m])을 가진 단면(single side) FPCB 상에 방사 패치(410)가 설계되고, 이는 두께 2mm의 연질 PVC 필름(기판으로 사용, εr=2.57, tanδ=0.014)(420) 위에 부착된다. 연질 PVC 필름의 한쪽 면에는 구리 박막이 도금되며, 이는 안테나의 접지면(ground plane)(430) 역할을 한다.
도4의 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나는 방사 패치(410)와 접지면(ground plane)(430) 사이에 비아(via)를 포함하지 않으므로, FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 상에 인쇄된 패치 안테나 패턴이 유연한 플라스틱 기판(substrate) 위에 부착된 형태로도 제작될 수 있으며, 따라서 유연한 구조를 가진 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나가 쉽게 제작될 수 있다. 도4의 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나는 광대역 특성을 가진다.
도 5는 도 4의 RFID 태그용 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스 및 반사 손실을 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 반사손실은 RFID 태그칩의 RF 전단부 임피던스(Zc=26-j163[Ω])에 대한 반사 손실(return loss)을 의미한다. 도5를 참조하면, RFID 태그용 마이크로스트립 안테나는 광대역 특성을 가지며, 917MHz 부근에서 태그칩의 RF 전단부와 임피던스 정합이 잘 되어 있다.
방사 패치의 공진 주파수가 일정하게 유지되면서 방사 패치가 작은 길이를 갖기 위한 방법은 방사 패치에 다양한 모양의 슬롯(slot)을 형성하는 방법, 방사 패치(310)와 접지면(320) 사이에 단락판(shorting plate)이나 단락핀(shorting pins)들을 설치하는 방법 등 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 다양한 방법일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (1)

  1. RF(Radio Frequency) 신호를 방사하는 방사패치(radiating patch);
    상기 방사패치와 평행하게 위치하는 접지면(ground plane); 및
    상기 방사 패치와 상기 접지면 사이에 위치하고, 일정한 높이와 유전율을 가지고 매질 역할을 하는 유전체 기판(dielectric substrate);
    을 포함하되,
    상기 방사패치는 급전슬릿(feed slit)과 조정슬릿(tuning slit)을 포함하고,
    상기 급전슬릿은 상기 방사패치의 한쪽 방사 에지(radiating edge)로부터 공진 길이 방향(resonant length direction)으로 형성되고,
    상기 조정슬릿은 상기 방사패치의 한쪽 비방사 에지(non-radiating edge)로부터 상기 공진 길이 방향과 수직 방향으로 형성됨을 특징으로 하는
    RFID(Radio Frequency Identification) 태그용 마이크로스트립 안테나.
KR1020110033524A 2011-04-12 2011-04-12 Ｒｆｉｄ 태그용 마이크로스트립 안테나 KR20120116028A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101586204B1 (ko) * 2014-09-12 2016-01-20 순천향대학교 산학협력단 광대역 안테나
KR20170095453A (ko) * 2016-02-12 2017-08-23 한국전자통신연구원 패치 안테나

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KR101586204B1 (ko) * 2014-09-12 2016-01-20 순천향대학교 산학협력단 광대역 안테나
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