KR20150060470A - 루프 안테나 및 그의 스위칭 방법 - Google Patents

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Abstract

루프 안테나는 리더의 RF 신호원에 급전 케이블을 통해 연결되어 있는 루프 코일, 그리고 리더의 RF 신호원으로부터 공급되는 RF 신호의 크기에 비례하는 직류 전압에 따라서 온 오프되고, 오프 시 상기 루프 코일을 개방시키고 온 시 상기 루프 코일을 단락시키는 스위치를 포함한다.

Description

루프 안테나 및 그의 스위칭 방법{LOOP ANTENNA AND METHOD FOR SWITCHING THEREOF}
본 발명은 루프 안테나 및 그의 스위칭 방법에 관한 것으로, 더욱 자세히 말하면 유도 결합(inductive coupling) 방식을 이용하는 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템의 리더(reader)에 장착되어 사용되는 루프 안테나의 스위칭 방법에 관한 것이다.
RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 태그(tag or transponder)와 리더(reader or interrogator)로 구성된다. 태그가 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 발생시키고, 유도 결합을 통하여 태그 안테나에 신호와 전력을 전달한다.
유도 결합을 이용한 수동형 RFID 시스템에서 태그는 배터리(battery) 등과 같은 자체 전원을 가지고 있지 않으며, 리더 안테나로부터 송출된 교류 자계를 수신하여 필요한 전력을 생성한다. 따라서 리더와 태그의 통신 거리를 증가시키기 위해서는 리더 안테나로부터 송출된 자계의 세기를 최대화하여야 한다. 이러한 이유로 리더에 장착된 루프 안테나는 리더의 RF 출력 신호의 주파수에 공진하도록 설계된다.
RFID의 응용 분야에 따라서는 2개 이상의 루프 안테나를 상호 인접하여 설치한 후, 동작시키는 경우가 있다. 예를 들어 RFID를 이용한 스마트 선반(smart shelf)의 경우, 선반 전체에 1개의 큰 루프 안테나를 설치하기 보다는 다수의 작은 루프 안테나를 서로 겹치지 않게 인접하여 선반에 설치하고, 이들을 교대로 동작시켜서 선반 전체를 관리하는 것이 효율적이다. 이때 리더는 여러 개의 루프 안테나를 동시에 장착할 수 있도록 복수 개의 안테나 포트를 제공하고, RF 스위칭 기술을 이용하여 루프 안테나에 교대로 RF 신호를 입력한다. 또 다른 일례로, RFID 기술을 이용한 카지노 테이블(casino table)의 경우, 서로 인접한 다수의 배팅(betting) 영역에 루프 안테나를 설치하고, 카지노 칩에 태그를 내장하여 플레이어(player)가 배팅한 카지노 칩을 배팅 영역별로 구분하여 인식할 수 있도록 한다.
이와 같이 서로 인접하여 설치된 루프 안테나들은 상호 간섭을 일으켜 RFID 시스템의 정상적인 동작을 방해할 소지가 있다. 앞서 언급한 바와 같이 각각의 루프 안테나는 태그로의 최대 전력 전송(maximum power transfer)을 위하여 리더의 RF 출력 신호의 주파수에 공진하도록 설계된다. 그러나 같은 공진 주파수를 가진 2개의 루프 안테나를 서로 인접하여 배치하면, 이들 사이의 상호 결합에 의하여 공진 주파수가 달라지는 디튜닝(detuning) 현상이 발생하며, 이로 인해 리더와 태그의 통신 거리가 심각하게 줄어든다. 또한 배팅 영역별로 구분하여 태그를 인식해야 하는 카지노 테이블의 경우, 루프 안테나 간의 상호 결합으로 인하여 인접한 배팅 영역의 태그를 잘못 인식하는 오류가 발생하기도 한다.
본 발명이 해결하려는 과제는 루프 안테나간의 상호 간섭을 줄일 수 있는 루프 안테나 및 그의 스위칭 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 루프 안테나가 제공된다. 루프 안테나는 루프 코일, 그리고 스위치를 포함한다. 상기 루프 코일은 리더의 RF 신호원에 급전 케이블을 통해 연결되어 있다. 그리고 상기 스위치는 상기 리더의 RF 신호원으로부터 공급되는 RF 신호의 크기에 비례하는 직류 전압에 따라서 온오프되고, 오프 시 상기 루프 코일을 개방시키고 온 시 상기 루프 코일을 단락시킨다.
상기 루프 안테나는 상기 RF 신호의 일부를 추출하는 신호 추출부, 그리고 상기 추출된 RF 신호를 정류하여 상기 직류 전압으로 변환하는 정류부를 더 포함할 수 있다.
상기 신호 추출부는 상기 급전 케이블의 전원선과 상기 정류부 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 스위치는 릴레이 스위치를 포함할 수 있다.
상기 루프 안테나는 상기 급전 케이블과 상기 루프 안테나간의 임피던스를 정합시키는 임피던스 정합부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, 루프 안테나의 스위칭 방법이 제공된다. 루프 안테나의 스위칭 방법은 리더의 RF 신호원으로부터 출력되는 RF 신호의 크기에 비례하는 직류 전압을 생성하는 단계, 그리고 상기 직류 전압에 따라서 상기 루프 안테나를 구성하는 루프 코일을 단락 또는 개방시키는 단계를 포함한다.
상기 루프 안테나는 상기 루프 코일의 도중에 연결되어 있는 스위치를 포함하고, 상기 단락 또는 개방하는 단계는 상기 직류 전압의 크기가 스위치의 구동 전압보다 큰 경우에 상기 스위치를 온 시켜 상기 루프 코일을 단락시키는 단계, 그리고 상기 직류 전압의 크기가 스위치의 구동 전압 이하인 경우에 상기 스위치를 오프 시켜 상기 루프 코일을 개방시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위치는 릴레이 스위치를 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는 상기 RF 신호의 일부를 추출하는 단계, 그리고 상기 추출된 RF 신호를 정류하여 상기 직류 전압으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 각각의 루프 안테나에 별도의 스위칭 제어 신호를 공급하지 않고, 입력된 RF 신호만을 이용하여 루프 안테나를 구성하는 코일에 코일 스위치를 개폐함으로써 인접 루프 안테나 간의 간섭을 억제할 수 있다.
도 1은 2개의 루프 안테나를 서로 인접하여 배치한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 2에 도시된 루프 코일 스위칭부의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나의 다른 일 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 안테나 및 그의 스위칭 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 2개의 루프 안테나를 서로 인접하여 배치한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 루프 안테나(100, 200)는 각각 코일(110, 210)로 구성된다.
각 루프 안테나(100, 200)를 구성하는 코일(이하, "루프 코일"이라 함)(110, 210)의 끝 단은 입력 단자가 형성된다. 입력 단자는 각각 급전 케이블(feed cable)(30, 40)을 통하여 리더(10, 20)의 RF 신호원(Vs1, Vs2)에 연결되어 있다.
도 1과 같이, 2개의 루프 안테나(100, 200)가 서로 인접하여 배치되는 경우, 2개의 루프 안테나(100, 200) 사이의 상호 결합에 의하여 디튜닝(detuning) 현상이 발생한다.
2개의 루프 안테나(100, 200)가 서로 인접하여 배치되는 경우, 리더와 태그를 포함하는 RFID 시스템이 정상적으로 동작하기 위해서는 루프 코일(110)에 RF 신호가 공급될 때, 루프 코일(210)은 개방(open) 상태가 되어야 한다. 마찬가지로, 루프 코일(210)에 RF 신호가 공급될 때 루프 코일(110)은 개방 상태가 되어야 한다. 이를 위해 루프 안테나(100, 200)는 루프 코일(110, 210)을 단락 또는 개방시키는 코일 스위치(120, 220)를 포함한다.
코일 스위치(120)는 루프 코일(110)을 구성하는 배선의 도중에 설치되고, 코일 스위치(220)는 루프 코일(210)을 구성하는 배선의 도중에 설치된다.
루프 코일(110)에 RF 신호가 공급(VS1=1, VS2=0)될 때, 코일 스위치(220)는 개방시키고, 반대로 루프 코일(210)에 RF 신호가 공급(VS1=0, VS2=1)될 때 코일 스위치(120)를 개방시킴으로써 두 루프 안테나(100, 200)간의 간섭을 억제할 수 있다.
그런데 이러한 방법으로 두 루프 안테나(100, 200)간의 간섭을 억제하기 위해서는 리더(10, 200)가 각각의 루프 안테나(100, 200)에 RF 신호 이외에 코일 스위치(120, 220)를 구동하기 위한 별도의 스위칭 제어 신호(control signal)를 공급해야 한다. 그러나 통상적으로 사용되는 리더들은 별도의 스위칭 제어 신호를 공급하는 기능을 가지고 있지 않으므로, 상기 방법을 구현하기가 쉽지 않다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 루프 안테나(400)는 루프 코일(410) 및 루프 코일 스위칭부(420)를 포함한다.
루프 코일(410)은 원형 또는 사각형 형태로 1회 이상 감겨져 형성되며, 루프 코일(410)의 입력 단자(P1, P2)는 급전 케이블(600)을 통하여 리더(50)의 RF 신호원(Vs)에 연결되어 있다. 이때 입력 단자(P1)는 급전 케이블(600)의 신호선과 연결되어 있고, 입력 단자(P2)는 급전 케이블(600)의 접지선과 연결되어 있다.
루프 코일 스위칭부(420)는 신호 추출부(422), 정류부(424) 및 스위치부(426)를 포함한다. 신호 추출부(422)는 루프 코일(410)에 입력되는 RF 신호의 일부를 추출한다. 정류부(424)는 추출된 RF 신호를 정류하여 DC 전압으로 변환한다. 그리고 스위치부(426)는 스위치(SW)를 포함하며, 스위치(SW)의 두 스위치 단자가 루프 코일(410)의 도중에 연결된다. 스위치(SW)는 정류부(424)의 출력 전압에 따라 온오프되어 루프 코일(410)을 단락 또는 개방시킨다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참고하면, 리더(500)로부터 루프 안테나(400)의 입력 단자(P1, P2)에 RF 신호가 인가되면, 신호 추출부(422)는 RF 신호의 일부를 추출하여 정류부(424)로 보내고(S310), 정류부(424)는 입력된 RF 신호의 크기에 비례하는 DC 전압을 생성하여 스위치부(426)에 보낸다(S320). 정류부(424)에서 생성된 DC 전압이 스위치(SW)의 최소 구동 전압보다 크면(S330), 스위치(SW)는 턴온되어 루프 코일(410)이 단락된다(S340). 한편, 정류부(424)에서 생성된 DC 전압이 스위치(SW)의 최소 구동 전압 이하이면(S330), 스위치(SW)는 턴오프되어 루프 코일(410)은 개방된 상태가 된다(S350).
이와 같이 루프 코일 스위칭부(420)는 리더(500)로부터 스위치 구동을 위한 별도의 스위칭 제어 신호를 공급받지 않고도 RF 신호를 이용하여 루프 코일(410)을 단락 또는 개방시킬 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 루프 코일 스위칭부의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 신호 추출부(422)는 인덕터(inductor)(L1)를 포함할 수 있다. 인덕터(L1)는 루프 안테나(400)의 입력 단자(P1)와 정류부(424) 사이에 연결되어 있으며, 인덕터(L1)의 용량을 조정하여 정류부(424)로 인가되는 RF 신호의 크기를 조정할 수 있다.
정류부(424)는 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)를 포함하며, 다이오드(D1)의 애노드는 인덕터(L1)에 연결되고 다이오드(D1)의 캐소드는 스위치부(426)에 연결된다. 커패시터(C1)는 다이오드(D1)의 캐소드와 스위치부(426) 사이에 연결되며, 커패시터(C1)는 루프 안테나(400)의 입력 단자(P2) 사이에 연결된다. 이때 다이오드(D1)는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)일 수 있다. 이러한 정류부(424)는 입력된 RF 신호 크기에 비례하는 DC 전압을 생성하여 스위치부(426)로 출력한다.
스위치부(426)의 스위치(SW)는 릴레이 스위치일 수 있다. 릴레이 스위치는 코일과 스위칭 단자를 포함한다. 릴레이 스위치의 코일의 양단은 다이오드(D1)의 캐소드와 루프 안테나(400)의 입력 단자(P2) 사이에 연결되며, 릴레이 스위치의 스위칭 단자는 루프 코일(410)과 직렬로 연결되어 있다. 릴레이 스위치의 코일의 양단에 걸리는 DC 전압이 릴레이 스위치의 구동 전압보다 크면 릴레이 스위치가 턴온되어 루프 코일(410)이 단락되고, 릴레이 스위치의 코일의 양단에 걸리는 DC 전압이 릴레이 스위치의 구동 전압보다 크면 릴레이 스위치가 턴오프되어 루프 코일(410)이 개방된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 루프 안테나(400')는 임피던스 정합부(430)를 더 포함할 수 있다. 임피던스 정합부(430)는 급전 케이블(600)과 루프 안테나(100')간의 임피던스를 정합시킨다.
이러한 임피던스 정합부(430)는 발룬(balun)(432)과 커패시터(C2, C3, C4)를 포함할 수 있으며, 발룬(432)을 이용한 임피던스 정합은 잘 알려진 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다.
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 (9)

  1. 루프 안테나로서,
    리더의 RF 신호원에 급전 케이블을 통해 연결되어 있는 루프 코일, 그리고
    상기 리더의 RF 신호원으로부터 공급되는 RF 신호의 크기에 비례하는 직류 전압에 따라서 온오프되고, 오프 시 상기 루프 코일을 개방시키고 온 시 상기 루프 코일을 단락시키는 스위치
    를 포함하는 루프 안테나.
  2. 제1항에서,
    상기 RF 신호의 일부를 추출하는 신호 추출부, 그리고
    상기 추출된 RF 신호를 정류하여 상기 직류 전압으로 변환하는 정류부
    를 더 포함하는 루프 안테나.
  3. 제2항에서,
    상기 신호 추출부는 상기 급전 케이블의 전원선과 상기 정류부 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함하는 루프 안테나.
  4. 제1항에서,
    상기 스위치는 릴레이 스위치를 포함하는 루프 안테나.
  5. 제1항에서,
    상기 급전 케이블과 상기 루프 안테나간의 임피던스를 정합시키는 임피던스 정합부
    를 더 포함하는 루프 안테나.
  6. 루프 안테나의 스위칭 방법으로서,
    리더의 RF 신호원으로부터 출력되는 RF 신호의 크기에 비례하는 직류 전압을 생성하는 단계, 그리고
    상기 직류 전압에 따라서 상기 루프 안테나를 구성하는 루프 코일을 단락 또는 개방시키는 단계
    를 포함하는 루프 안테나의 스위칭 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 루프 안테나는 상기 루프 코일의 도중에 연결되어 있는 스위치를 포함하고,
    상기 단락 또는 개방하는 단계는
    상기 직류 전압의 크기가 스위치의 구동 전압보다 큰 경우에 상기 스위치를 온 시켜 상기 루프 코일을 단락시키는 단계, 그리고
    상기 직류 전압의 크기가 스위치의 구동 전압 이하인 경우에 상기 스위치를 오프 시켜 상기 루프 코일을 개방시키는 단계를 포함하는 루프 안테나의 스위칭 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 스위치는 릴레이 스위치를 포함하는 루프 안테나의 스위칭 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 생성하는 단계는
    상기 RF 신호의 일부를 추출하는 단계, 그리고
    상기 추출된 RF 신호를 정류하여 상기 직류 전압으로 변환하는 단계를 포함하는 루프 안테나의 스위칭 방법.
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