KR20140066565A - 다중 전압 체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그 및 그 동작 방법 - Google Patents

다중 전압 체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그로, 리더로부터 방사된 전자기파를 수신하는 둘 이상의 안테나들과, 상기 안테나들 중 하나에 연결되어, 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환하는 제 1 전압 체배기와, 상기 제 1 전압 체배기와 연결된 안테나를 통해 임피던스를 변화시켜 역산란 통신 방식의 신호를 송신하는 변조기와, 상기 안테나들 중 다른 안테나에 연결되어, 상기 다른 안테나로 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환하는 제 2 전압체배기를 포함한다.

Description

다중 전압 체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그 및 그 동작 방법{RFID Tag including Multi-voltage multiplier and Operating Method Thereof}
본 발명은 무선 주파수 식별 태그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리더로부터 수신되는 전파 신호를 전압 신호로 변환하는 전압체배기의 구조에 관한 것이다.
무선주파수 식별(Radio Frequency Identification; RFID)은 무선주파수(RF)를 이용하여 태그(tag)가 가지고 있는 정보를 독출하거나 태그에 정보를 기록하는 기술로서, 태그가 부착된 물건이나 동물, 사람 등을 식별, 추적 및 관리하는 데 이용된다. 이러한 무선주파수 식별(RFID) 시스템은 고유한 식별정보를 가지고 있으며 물건이나 사람 등에 부착되는 태그 또는 트랜스폰더(transponder), 태그가 가지고 있는 식별정보를 읽거나 태그에 정보를 쓰기 위한 리더(reader), 데이터베이스(object database), 네트워크(network) 등으로 이루어진다.
이러한 RFID 시스템의 시장 확장성을 위해 RFID 태그의 가격 경쟁력 확보가 중요한데, 이를 위해 RFID 태그는 CMOS 공정을 이용하여 소형/저가로 다량 생산되어야 한다. 또한, RFID 시스템의 시장 경쟁력을 위해 RFID 태그의 인식 거리가 중요하므로, 낮은 입력 전력에서도 안정된 유효 동작 거리를 얻을 수 있도록 하는 기술이 요구된다.
본 발명은 전력 소비가 적으면서도 안정된 유효 동작거리를 가질 수 있는 무선주파수 식별(RFID) 태그 장치 및 동작 방법을 제공한다.
본 발명은 다중 전압 체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그로, 리더로부터 방사된 전자기파를 수신하는 둘 이상의 안테나들과, 상기 안테나들 중 하나에 연결되어, 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환하는 제 1 전압 체배기와, 상기 제 1 전압 체배기와 연결된 안테나를 통해 임피던스를 변화시켜 역산란 통신 방식의 신호를 송신하는 변조기와, 상기 안테나들 중 다른 안테나에 연결되어, 상기 다른 안테나로 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환하는 제 2 전압 체배기를 포함한다.
본 발명은 무선주파수 식별 태그에서의 다중 전압 체배기를 이용한 송수신 방법으로, 변조 신호 전송이 있는지를 판단하는 단계와, 변조 신호 전송이 있을 경우, 신호를 변조하여 하나의 전압 체배기와 연결된 하나의 안테나를 통해 역산란 통신 방식의 신호를 리더에 송신하는 단계와, 다른 하나 이상의 안테나들 각각을 통해 리더로부터 수신한 교류 신호 각각을 다른 하나 이상의 전압 체배기를 통해 직류 전압 신호로 변환하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다중 전압 체배기를 포함하는 무선 주파수 식별 태그는 동일한 입력 전력에 대해 종래의 전압 체배기보다 큰 직류(DC) 출력 전압을 산출할 수 있다. 따라서, 낮은 입력 전력에 대해서도 원하는 직류(DC) 출력전압을 얻을 수 있기 때문에 유효 동작거리가 증가될 수 있다.
도 1은 일반적인 무선주파수 식별(RFID) 태그의 구조도이다.
도 2는 태그 내의 전압체배기의 출력전압과 리더-태그간의 통신 신호와의 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 무선주파수 식별(RFID) 태그의 구조도이다.
도 4는 도 1과 도 3의 경우에 대한 태그 내의 전압체배기의 출력전압의 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 전압 체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변화 비교 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그에서의 동작 방법을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 무선주파수 식별(RFID) 태그의 구조도이다.
도 1을 참조하면, 안테나(110)는 리더로부터 방사된 전자기파를 수신하는데, 이러한 안테나(110) 단자에는 전압 체배기(120) 및 변조기(130)가 연결되어 있다.
전압 체배기(120)는 안테나(110)를 통해 리더로부터 전송되는 무선 전력, 즉 교류 전력을 무선 주파수 식별 태그 칩 동작을 위해 필요한 전력, 즉 직류전력으로 변환시킨다. 이러한 전압 체배기(120)에 의해 직류 전력으로 변환된 신호는 커패시터(140)에 저장되어, 아날로그 회로부(150)와 디지털 및 메모리 회로부(160)에서 사용된다.
변조기(130)는 디지털 및 메모리 회로부(160)에 의해 생성된 신호를 아날로그 회로부(150)를 통해 태그 칩 임피던스를 변화시켜 역산란 통신 방식의 신호로 생성한다. 이러한 신호는 안테나(110)를 통해 리더에 전송된다. 전술한 무선 주파수 식별 태그의 구조는 현재 시장에서 통용되고 있는 모든 태그 칩들이 채택하고 있는 구조이다.
전압 체배기(120)에 의해 리더로부터 수신되는 전력은 리더-태그 간의 인식 거리를 결정하는 가장 중요한 요소가 된다. 그런데, 하나의 안테나(110)에 전압 체배기(120) 및 변조기(130)가 연결됨에 따라, 변조기(130)가 동작되어 리더로 신호를 송신하는 동안에는 전압 체배기(120)가 리더로부터 수신되는 전력이 최소화된다. 따라서, 이러한 구조에서는 인식 거리 성능이 약화된다는 문제점이 있다. 도 2는 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변이 그래프이다.
도 2를 참조하면, (b)는 리더로부터 수신한 신호의 변화 그래프이고, (c)는 리더로 전송한 신호의 변화 그래프이다. (b)를 참조하면 RtoT 구간에 태그가 리더로부터 신호를 수신하고, (c)를 참조하면 TtoR 구간에 태그가 리더로 신호를 송신함을 알 수 있다.
(a)는 커패시터의 최대 전압값(Max Voltage) 변화 그래프로써, RtoT 구간에서는 전압체배기(120)의 출력전압, 즉, 저장용 커패시터의 최대 전압(Max Voltage)은 RF 전력의 강약신호에 의해 하강되는 형태를 갖는다. 또한, TtoR 구간에서도 전압체배기(120)의 출력전압, 즉 저장용 커패시터의 최대 전압(Max Voltage)이 하강되는 형태를 갖는다.
이때, 리더-태그간의 인식거리는 일반적으로 태그 자체의 동작이 가능한 전력을 생성할 수 있는지 여부에 의해 결정되는데, 전압체배기의 출력 전압이 임계점 이하의 값을 갖는 경우 리셋신호가 OFF되어 통신이 중단되게 된다. 따라서, 전압 체배기의 출력 전압이 임계점 이상이 되도록 하기 위해서는 리더로부터 수신되는 RF 전력을 증가시켜야 한다. 이를 위해, 리더 또는 태그의 안테나 이득을 증가시키거나, 리더-태그간 거리를 줄이거나 또는 태그의 전압체배기의 효율을 증가시키는 등의 방법을 가능하다.
한편, 일반적으로 전압체배기의 출력전압이 임계점 이하를 갖는 경우는 TtoR 구간보다는 RtoT구간에서 발생할 확률이 높다. 왜냐하면, 역산란 방식을 태그에서 완벽히 구현하기가 어렵고, 상용 리더의 수신감도가 매우 좋기 때문이다.
RtoT 구간에 대해 전압 체배기의 출력 전압을 증가시키기 위한 방법으로 2개의 안테나를 사용하는 방법이 가능하다.
도 3은 두 개의 안테나를 사용한 무선주파수 식별(RFID) 태그의 구조도이다.
도 3을 참조하면, 리더로부터 방사된 전자기파를 수신하는 둘 이상의 안테나들(310, 320) 및 하나의 차등 전압 체배기(330)가 구성된다.
차등 전압 체배기(330)는 안테나들(310, 320) 모두에 연결되어, 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환한다. 차등 전압 체배기(330)의 출력은 캐패시터(340)에 저장된다. 따라서, 기존 1개의 안테나를 이용하는 방식보다 수신 전력 증가를 가질 수 있다.
도 4는 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변화 비교 그래프이다.
도 4를 참조하면, (a)는 도 1에 도시된 무선 주파수 식별 태그에서 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변이 그래프이고, (b)는 도 3에 도시된 무선 주파수 식별 태그에서 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변이 그래프이다.
(a)와 (b)를 비교하면, 두 개의 안테나를 사용함에 따라, RtoT구간에서 전압체배기의 출력 전압이 상승하였음을 알 수 있다. 하지만, 역산란이 2개의 안테나에서 발생되기 때문에 TtoR 구간에서는 성능 향상이 두드러지지 않는다. 이에 따라 전압체배기의 출력전압이 임계점 이하를 갖는 경우가 TtoR 구간 및 RtoT 구간 모두에서 발생할 수 있게 된다.따라서, 본 발명에서는 이러한 무선 주파수 식별 태그가 갖는 문제점을 극복하기 위해, 안테나 뿐만 아니라, 전압체배기도 둘 이상인 구조를 제안한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 리더로부터 방사된 전자기파를수신하는 둘 이상의 안테나들(510, 520) 및 전압 체배기(530, 540)이 구성된다. 도 5에서는 안테나가 두 개인 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 실시예 일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 안테나는 세 개 이상일 수 있다.
제 1 전압 체배기(530)는 안테나들(510, 520) 중 하나(510)에 연결되어, 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환한다. 제 2 전압 체배기(540)는 안테나들(510, 520) 중 다른 안테나(520)에 연결되어, 다른 안테나(520)로 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환한다. 둘 이상의 전압 체배기들(530, 540)의 출력은 하나의 캐패시터(550)에 저장된다. 커패시터(550)에 저장된 전력은 아날로그 회로부(560)에서 사용된다. 도 5에서는 전압 체배기가 두 개인 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 실시예 일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 전압 체배기는 세 개 이상일 수 있다.변조기(570)는 디지털 및 메모리 회로부(580)로부터 아날로그 회로부(560)를 통해 전달된 신호를 제 1 전압 체배기(530)와 연결된 안테나(510)를 통해 임피던스를 변화시켜 역산란 통신 방식의 신호로 생성하여 리더에 송신한다.
전술한 본 발명의 일 실시 예에 따라, 리더로부터 신호를 수신하는 경우에는 안테나들(510, 520)들 각각으로부터 수신되는 신호를 제 1 전압 체배기(530) 및 제 2 전압 체배기(540)가 직류 전압 신호로 변환시켜 커패시터(550)에 저장하므로, 커패시터(550)에 저장되는 값은 종전의 두 배 이상이 된다.
반대로, 리더에 신호를 송신하는 경우에는 변조기(570)는 안테나(510)를 통해 신호를 송신하므로, 안테나(510)에 연결된 제 1 전압 체배기(530)를 통해 수신되는 전력은 급감된다. 그러나, 변조기(570)가 연결되어 있지 않은 다른 안테나(520)를 통해 제 2 전압 체배기(540)가 리더로부터의 신호를 수신하므로, 수신되는 전력은 기존의 1개의 안테나 단자, 즉 단일 전압 체배기를 이용하여 전력을 수신하는 경우와 비슷하게 된다. 따라서, 본 발명에 따라 리더-태그간의 인식 거리를 증대시켜줄 수 있다.그리고, 안테나 및 전압 체배기가 각각 세 개 이상일 경우, 하나의 안테나는 제 1 전압 체배기 및 변조기에 연결되고, 다른 둘 이상의 안테나들 및 전압 체배기들이 각각 연결되어 커패시터에 전력을 저장할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변화 비교 그래프이다.
도 6을 참조하면, (a)는 도 3에 도시된 무선 주파수 식별 태그에서 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변이 그래프이고, (b)는 도 5에 도시된 무선 주파수 식별 태그에서 전압 체배기를 통해 리더로부터 수신되는 전력에 따라 커패시터에 저장되는 전압값 변이 그래프이다.
(a)와 (b)를 비교하면, 전압체배기의 출력 전압이 RtoT구간에서 뿐만 아니라 TtoR 구간에서도 향상되었음을 알 수 있다. 즉, 태그의 수신감도를 결정하는 요소가 다시 RtoT 구간으로 되었음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그에서의 동작 방법을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 무선 주파수 식별 태그는 710 단계에서 변조 신호 전송이 있는지를 판단한다. 즉, 태그로부터 리더로 전송할 신호가 있는지를 판단한다.
710 단계의 판단 결과 변조 신호 전송이 있을 경우, 무선 주파수 식별 태그는 720 단계에서 디지털 및 메모리 회로부(580)로부터의 신호를 변조하여 제 1 전압 체배기(530)와 연결된 안테나(510)를 통해 임피던스를 변화시켜 역산란 통신 방식의 신호로 생성하여 리더에 송신한다. 그리고, 730 단계에서 변조기(570)가 연결되어 있지 않은 다른 안테나(520)를 통해 제 2 전압 체배기(540)가 리더로부터의 교류 신호를 수신하여, 직류 신호로 변환한다.
반면, 710 단계의 판단 결과 변조 신호 전송이 없을 경우, 무선 주파수 식별 태그는 740 단계에서 모든 안테나들 각각을 통해 리더로부터 전송되는 교류 신호를 수신하여, 각각의 안테나에 연결된 전압 체배기들을 통해 직류 전압 신호로 변환한다.

Claims (5)

  1. 리더로부터 방사된 전자기파를 수신하는 둘 이상의 안테나들과,
    상기 안테나들 중 하나에 연결되어, 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환하는 제 1 전압 체배기와,
    상기 제 1 전압 체배기와 연결된 안테나를 통해 임피던스를 변화시켜 역산란 통신 방식의 신호를 송신하는 변조기와,
    상기 안테나들 중 다른 안테나에 연결되어, 상기 다른 안테나로 수신된 교류 전자기파를 직류 전압 신호로 변환하는 제 2 전압체배기를 포함함을 특징으로 하는 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 다른 안테나는
    둘 이상임을 특징으로 하는 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 전압 체배기는
    둘 이상임을 특징으로 하는 다중 전압체배기를 포함하는 무선주파수 식별 태그.
  4. 무선주파수 식별 태그에서의 다중 전압체배기를 이용한 송수신 방법에 있어서,
    변조 신호 전송이 있는지를 판단하는 단계와,
    변조 신호 전송이 있을 경우, 신호를 변조하여 하나의 전압 체배기와 연결된 하나의 안테나를 통해 역산란 통신 방식의 신호를 리더에 송신하는 단계와,
    다른 하나 이상의 안테나들 각각을 통해 리더로부터 수신한 교류 신호 각각을 다른 하나 이상의 전압 체배기를 통해 직류 전압 신호로 변환하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 무선주파수 식별 태그에서의 다중 전압체배기를 이용한 송수신 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 판단 결과 변조 신호 전송이 없을 경우, 모든 안테나들 각각을 통해 리더로부터 수신한 교류 신호를 각각을 모든 전압 체배기들을 통해 직류 전압 신호로 변환시키는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 다중 전압체배기를 이용한 송수신 방법.
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