KR20140040551A - 루프 안테나 - Google Patents

Abstract

루프 안테나는 각각의 도선으로 형성된 제1 및 제2 루프를 포함한다. 이때 제2 루프는 서로 반대 방향의 전류 경로를 가지는 이중 루프로 이루어져 있다.

Description

루프 안테나{LOOP ANTENNA}

본 발명은 루프 안테나에 관한 것으로, 유도 결합(inductive coupling) 방식을 이용하는 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템의 리더(reader)에 장착되어 사용되는 루프 안테나에 관한 것이다.

RFID 시스템은 태그(tag)와 리더(reader)로 구성되는데, 태그는 응답기(transponder)이고, 리더는 질의기(interrogator)에 해당한다. 태그를 부착한 물체가 리더의 인식 영역(read zone)에 놓이게 되면 리더는 태그에게 질문(interrogation)을 보내고, 태그는 리더의 질문에 응답한다.

유도 결합을 이용한 수동형 RFID 시스템의 경우 리더 및 태그의 안테나는 루프 안테나의 형태를 가지며 시간적으로 변화하는 자계를 통하여 상호 결합(mutual coupling)되어 있다. 리더 안테나는 주변에 강한 자계를 발생시킨 후 유도 결합 방식으로 태그 안테나에 신호와 전력을 전달한다. 태그는 내부 메모리에 저장된 자신의 정보를 리더에게 전달하기 위하여, 자신의 내부 임피던스를 변화시키는 부하 변조(load modulation)를 수행한다. 부하 변조란 리더 안테나와 유도 결합된 태그 안테나의 부하 임피던스(load impedance)를 변화시킴으로써 리더 안테나에 전달된 결합 임피던스(coupled impedance)를 변화시켜 태그의 정보를 전달하는 방법이다.

일반적으로 수동형 RFID 태그는 안테나와 태그 칩으로 구성되어 있으며, 태그 안테나의 부하 임피던스는 태그 칩의 입력 임피던스와 동일하다. 데이터를 전달하기 위하여 태그 칩 임피던스는 낮은 임피던스(low impedance)와 높은 임피던스(high impedance)의 두 가지 상태를 반복한다.

유도 결합을 이용한 수동형 RFID 시스템에서 태그 안테나는 리더 안테나로부터 송출된 교류 자계로부터 기전력(electromotive force)을 유도하여 태그에 전력을 공급한다. 태그가 정상적으로 동작하기 위해서는 태그 안테나에 유도되는 기전력이 특정 문턱값(threshold) 이상이 되어야 한다. 태그 안테나에 유도되는 기전력은 리더 안테나와 태그 안테나의 상호 위치 및 방향에 따라 달라진다.

도 1은 유도 결합에 사용되는 리더 안테나의 일반적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면(cross-section)에서의 자계를 나타낸 도면이다. 도 2에서 화살표는 자계의 방향을 나타낸다.

도 1에 도시한 바와 같이, 유도 결합에 사용되는 리더 안테나(10)는 도선(11)을 원형 또는 사각형 형태로 1회 이상 감아서 루프 모양을 이루는 루프 안테나의 형태를 가진다.

도 2를 보면, 리더 안테나(10)의 도선(11) 바로 위와 아래에는 루프면에 대하여 수평 방향의 자계(m1)가 발생하고, 리더 안테나(10)의 중심부에는 루프면에 대하여 수직 방향의 자계(m2)가 발생한다.

이때 도선(11) 간 간격을 적절히 조절하면, 도선 위의 비교적 넓은 영역에서 수평 자계를 형성할 수 있지만, 리더 안테나(10)의 중심부에는 항상 수직 방향의 자계가 발생한다. 따라서 도 2와 같이 태그 안테나(21, 22, 23)의 루프면이 리더 안테나(10)의 루프면에 대하여 수직 방향으로 놓일 경우, 태그 안테나(21, 23)에는 강한 기전력이 유도되지만 리더 안테나(10)의 중심부에 위치하는 태그 안테나(22)에는 약한 기전력이 유도되어 태그가 동작하지 않을 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태그 안테나의 루프면이 리더 안테나의 루프면에 대하여 수직 방향으로 놓이더라도 모든 영역에서 태그를 인식할 수 있도록 리더 안테나의 루프면 상에 균일한 수평 자계를 발생시킬 수 있는 루프 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 루프 안테나가 제공된다. 루프 안테나는 하나의 도선으로 형성되는 제1 루프, 그리고 다른 하나의 도선으로 형성되며, 상기 제1 루프와 일부가 교차되는 2 루프를 포함한다. 이때 상기 제2 루프는 서로 크기가 같고 위상이 반대가 되는 전류 경로를 형성한다.

상기 제2 루프는 8자 모양으로 이루어질 수 있다.

상기 제2 루프는 서로 반대 방향의 전류 경로를 형성하는 이중 루프를 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 루프는 단일권선 또는 다중권선으로 구성되어 있을 수 있다.

상기 루프 안테나는 상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 각각 교대로 급전 신호를 공급하는 제1 및 제2 전압원을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 루프 안테나는 하나의 도선으로 형성되는 제1 루프, 다른 하나의 도선으로 서로 반대 방향의 전류 경로를 가지는 이중 루프를 형성하며, 상기 제1 루프와 일부가 교차되는 제2 루프, 그리고 상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 각각 급전 신호를 교대로 공급하는 전압원을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 스위치 및 스위치 제어 신호를 사용하지 않으면서 교차 배치된 두 루프 사이의 간섭을 최소화 할 수 있다.

도 1은 유도 결합에 사용되는 리더 안테나의 일반적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면(cross-section)에서의 자계를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 루프 안테나를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면(cross-section)에서의 자계를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 두 루프 간의 간섭을 최소화시키기 위한 루프 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 루프 안테나를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 6에 도시된 루프 안테나의 변형 예를 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 루프 안테나를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면(cross-section)에서의 자계를 나타낸 도면이다. 도 4에서 화살표는 자계의 방향을 나타낸다.

도 3을 참고하면, 루프 안테나(300)는 두 개의 루프(310, 320)를 포함한다.

각 루프(310, 320)는 원형 또는 사각형 형태로 1회 이상 감겨져 형성된다.

두 개의 루프(310, 320)는 서로 교차 배치되고, 급전 신호가 두 개의 루프(310, 320)에 시간적으로 교대로 인가된다.

루프(310)에 급전 신호가 인가되면 루프(310)의 도선 위에 루프면에 대하여 수평 방향으로 자계(m3)가 발생하고, 루프(320)에 급전 신호가 인가되면 루프면에 대하여 루프(320)의 도선 위에 수평 방향으로 자계(m4)가 발생한다.

즉, 서로 교차 배치된 두 개의 루프(310, 320)를 교대로 급전시킴으로써, 리더 안테나(300)의 전체 루프면 상에 수평 자계가 시간적으로 교차하여 나타나고, 결과적으로 리더 안테나(300)의 전체 루프면 상에 균일한 수평 자계가 형성된다.

따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 루프 안테나(300)의 루프면에 대하여 수직 방향으로 태그 안테나(410, 420, 430, 440)가 놓인 경우에, 루프 안테나(300)를 가진 리더는 태그 안테나(410, 440)는 물론 루프(310)의 중심부에 루프면과 수직 방향으로 위치한 태그 안테나(420)와 루프(320)의 중심부에 루프면과 수직 방향으로 태그 안테나(430)도 모두 인식할 수 있다.

그런데 도 3에 도시된 리더 안테나가 정상적으로 동작하기 위해서는 루프(310)에 급전 신호가 인가될 때, 루프(320)는 개방(open) 상태가 되어야 한다. 그렇지 않으면 루프(310, 320) 간의 간섭으로 인하여 루프(320)에 유도 전류가 흐르게 되며, 이 유도 전류는 루프(310)가 자신의 도선 위에 수평 자계를 형성하는 것을 방해한다. 따라서 전체적인 수평 자계의 세기가 약해지거나, 수평 자계의 공간 분포가 일그러져서 시간적으로 교차하는 수평 자계를 만들 수 없다. 마찬가지로 루프(320)에 급전 신호가 인가될 때 루프(310)는 개방 상태가 되어야 루프 간의 간섭을 줄일 수 있다.

도 5는 도 3에 도시된 두 루프 간의 간섭을 최소화시키기 위한 루프 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5를 참고하면, 루프 안테나(500)는 교차 배치된 두 루프(510, 520), 스위치(SW1, SW2) 및 전압원(V1, V2) 포함한다.

스위치(SW1)는 루프(510)를 형성하는 도선에 연결되어 있고, 스위치(SW2)는 루프(520)를 형성하는 도선에 연결되어 있다. 스위치(SW1, SW2)는 스위치 제어 신호에 따라서 온오프된다.

그리고 루프(510)의 입출력 단자(511, 512) 사이에 급전 신호를 공급하는 전압원(V1)이 연결되어 있고, 루프(520)의 입출력 단자(521, 522) 사이에 급전 신호를 공급하는 전압원(V2)이 연결되어 있다.

전압원(V1)에 의해 루프(510)에 급전 신호가 공급될 때, 루프(520)의 스위치(SW2)는 개방되도록 스위치 제어 신호가 스위치(SW2)에 인가된다. 반대로, 전압원(V2)에 의해 루프(520)에 급전 신호가 공급될 때 루프(510)의 스위치(SW1)가 개방되도록 스위치 제어 신호가 스위치(SW1)에 인가된다. 따라서, 전압원(V1)에 의해 루프(510)에 급전 신호가 공급될 때, 루프(520)로 전류가 흐르지 않고, 전압원(V2)에 의해 루프(520)에 급전 신호가 공급될 때 루프(510)로 전류가 흐르지 않으므로, 교차 배치된 두 루프(510, 520) 간의 간섭을 줄일 수 있다.

그런데, 각각의 루프(510, 520)에 급전 신호를 공급하기 위한 전압원(V1, V2) 이외에 스위치(SW1, SW2)를 제어하기 위한 스위치 제어 신호가 별도로 공급되어야 하는 문제점이 있다.

아래에서는 루프 안테나에 스위치 및 스위치 제어 신호를 사용하지 않으면서 교차 배치된 두 루프 사이의 간섭을 최소화 할 수 있는 방법에 대해서 설명한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 루프 안테나를 나타낸 도면이다. 도 6에서 화살표는 전류의 방향을 나타낸다.

도 6을 참고하면, 루프 안테나(600)는 두 개의 루프(610, 620), 그리고 전압원(630, 640)를 포함한다.

두 개의 루프(610, 620)는 일부가 교차 배치되어 있다.

루프(610)는 하나의 도선이 원형 또는 사각형 형태로 1회 이상 감겨져 형성된다. 이 도선의 한 단자가 루프(610)의 입력 단자(611)를 형성하고, 이 도선의 다른 단자가 루프(610)의 출력 단자(612)를 형성한다.

루프(620)는 하나의 도선이 서로 반대 방향으로 원형 또는 사각형 형태로 1회 이상 감겨져 형성된다. 그리고 이 도선의 한 단자가 루프(620)의 입력 단자(621)를 형성하고, 이 도선의 다른 단자가 루프(620)의 출력 단자(622)를 형성한다. 이때 루프(620)는 루프(610)와는 다르게 서로 반대 방향의 전류 경로를 가지는 이중 루프 즉, 두 개의 서브 루프(623, 624)를 포함한다. 즉, 루프(620)는 하나의 도선을 8자 모양으로 감아서 형성된 두 개의 서브 루프(623, 624)로 이루어질 수 있다.

이때 루프(610, 620)는 도 6과 같이 단일권선으로 이루어질 수도 있고, 다중권선으로 이루어질 수도 있다.

전압원(630, 640)은 각각 루프(610, 620)에 교대로 급전 신호를 공급한다.

이러한 루프 안테나(600)는 입력 단자(611)에 급전 신호가 인가되면, 루프(610)에 전류가 흐르게 되며, 이때 서브 루프(623, 624)에 유도되는 기전력은 서로 크기가 같고 위상이 반대가 된다. 따라서, 서브 루프(623, 624)에 유도되는 기전력이 서로 상쇄되어 루프(620)에는 유도 전류가 흐르지 않는다.

또한 입력 단자(621)에 급전 신호가 인가되면 루프(620)에 전류가 흐르게 되며, 이때 서브 루프(623)와 서브 루프(624)에 의해서 발생되는 자계는 서로 크기가 같고 위상이 반대가 되므로, 루프(610)에는 유도 전류가 흐르지 않는다.

따라서, 루프 안테나(600)는 도 5와 같이 루프 간의 간섭을 제거하기 위한 별도의 스위치와 스위치 제어 신호를 필요로 하지 않는다.

도 7 및 도 8은 각각 도 6에 도시된 루프 안테나의 변형 예를 나타낸 도면이다.

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 루프(610', 610", 620', 620")는 다중 권선으로 이루어질 수 있다.

다중권선은 하나의 도선을 수회 감아서 형성된다.

이때 루프(620)를 다중 권선으로 구성하는 방법으로는 도 7에 도시한 바와 같이 도선을 3회 감아서 서브 루프(623')을 형성하고, 이어서 도선을 3회 감아서 서브 루프(624')를 형성할 수 있다.

또는 도 8에 도시한 바와 같이 도선을 8자 모양으로 감아서 서브 루프(623", 624")를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

1. 루프 안테나에서,
   하나의 도선으로 형성되는 제1 루프, 그리고
   다른 하나의 도선으로 형성되며, 상기 제1 루프와 일부가 교차되는 2 루프
   를 포함하고,
   상기 제2 루프는 서로 크기가 같고 위상이 반대가 되는 전류 경로를 형성하는 루프 안테나.
2. 제1항에서,
   상기 제2 루프는 8자 모양으로 이루어진 루프 안테나.
3. 제1항에서,
   상기 제2 루프는 서로 반대 방향의 전류 경로를 형성하는 이중 루프를 포함하는 루프 안테나.
4. 제1항에서,
   상기 제1 및 제2 루프는 단일권선 또는 다중권선으로 구성되어 있는 루프 안테나.
5. 제1항에서,
   상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 각각 교대로 급전 신호를 공급하는 제1 및 제2 전압원
   을 더 포함하는 루프 안테나.
6. 루프 안테나에서,
   하나의 도선으로 형성되는 제1 루프,
   다른 하나의 도선으로 서로 반대 방향의 전류 경로를 가지는 이중 루프를 형성하며, 상기 제1 루프와 일부가 교차되는 제2 루프, 그리고
   상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 각각 급전 신호를 교대로 공급하는 전압원
   을 포함하는 루프 안테나.
7. 제6항에서,
   상기 제1 및 제2 루프는 단일권선 또는 다중권선으로 구성되어 있는 루프 안테나.

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