본 논문에서는 UHF 대역($908.5{\sim}914$ MHz)에 사용되는 RFID 태그용 소형 안테나를 원형 루프 안테나로 설계 및 제작하였다. 원형 루프 구조를 미앤더 라인 구조로 변형시킴으로써 원형 루프 안테나의 소형화를 가능하게 하였다. 2단 미앤더 라인 구조를 이용한 소형 원형 루프 안테나의 경우, 안테나 직경이 40 mm로 일반 원형 루프 안테나에 비해 83%의 크기 축소율을 얻었으며, $S_{11}$, -11.9 dB, -10 dB 대역폭 12 MHz(1.3%), 최대 이득 -1.18 dBd의 특성을 얻었다. 또한 알루미늄으로 코팅된 과자 봉지와 같은 평면형 도체에 부착 가능하도록 태그 안테나를 2단 미앤더 라인 구조를 이용하여 반파장 원형 루프 안테나에 적용시킨 반파장 소형 원형 루프 안테나를 고안, 제작하였다. 이 안테나는 접지면을 제외하고 92.1%의 크기 축소율을 얻었으며, $S_{11}$ -16.5 dB, -10 dB 대역폭 48MHz(5%), 최대 이득 -0.58 dBd의 특성을 얻었다. 방사 패턴은 z-y면에서 무지향성 패턴 특성을 나타내었다. 이로써 본 논문에서 제안된 미앤더 라인 구조의 원형 루프 안테나가 RFID 태그 안테나의 소형화에 적합함을 확인하였다.
본 논문에서는 UHF 대역($908.5{\sim}914$ MHz)에 사용되는 RFID 태그용 소형 안테나를 원형 루프 안테나로 설계 및 제작하였다. 원형 루프 구조를 미앤더 라인 구조로 변형시킴으로써 원형 루프 안테나의 소형화를 가능하게 하였다. 2단 미앤더 라인 구조를 이용한 소형 원형 루프 안테나의 경우, 안테나 직경이 40 mm로 일반 원형 루프 안테나에 비해 83%의 크기 축소율을 얻었으며, $S_{11}$, -11.9 dB, -10 dB 대역폭 12 MHz(1.3%), 최대 이득 -1.18 dBd의 특성을 얻었다. 또한 알루미늄으로 코팅된 과자 봉지와 같은 평면형 도체에 부착 가능하도록 태그 안테나를 2단 미앤더 라인 구조를 이용하여 반파장 원형 루프 안테나에 적용시킨 반파장 소형 원형 루프 안테나를 고안, 제작하였다. 이 안테나는 접지면을 제외하고 92.1%의 크기 축소율을 얻었으며, $S_{11}$ -16.5 dB, -10 dB 대역폭 48MHz(5%), 최대 이득 -0.58 dBd의 특성을 얻었다. 방사 패턴은 z-y면에서 무지향성 패턴 특성을 나타내었다. 이로써 본 논문에서 제안된 미앤더 라인 구조의 원형 루프 안테나가 RFID 태그 안테나의 소형화에 적합함을 확인하였다.
In this paper, the miniaturized radio frequency identification(RFID) tag antennas used in UHF band$(908.5{\sim}914MHz)$ are designed and fabricated by using the circular loop antenna(CLA). Miniaturization of CLA was possible to transform the structure of circular loop into the structure o...
In this paper, the miniaturized radio frequency identification(RFID) tag antennas used in UHF band$(908.5{\sim}914MHz)$ are designed and fabricated by using the circular loop antenna(CLA). Miniaturization of CLA was possible to transform the structure of circular loop into the structure of meander line. In the case of double meander line CLA is reduced up to 83% compared with the general type CLA. The $S_{11}$, -10 dB bandwidth, and gain of double meander line CLA were -11.9 dB, 12 MHz(1.3%), and -1.18 dBd. Also, a small half-wavelength CLA using double meander line is designed and fabricated for flat snack bag coated aluminum. The antenna is reduced up to 92.1% except ground. It shows the $S_{11}$ of -16.5 dB, -10 dB bandwidth of 48 MHz(5%) and gain of -0.58 dBd. The radiation pattern shows omni-directional pattern in z-y plane(x-axis pol.). Through this result, we can confirm that miniaturized type CLAs using meander lines are suitable for miniaturized RFIB tag antennas with the UHF band.
In this paper, the miniaturized radio frequency identification(RFID) tag antennas used in UHF band$(908.5{\sim}914MHz)$ are designed and fabricated by using the circular loop antenna(CLA). Miniaturization of CLA was possible to transform the structure of circular loop into the structure of meander line. In the case of double meander line CLA is reduced up to 83% compared with the general type CLA. The $S_{11}$, -10 dB bandwidth, and gain of double meander line CLA were -11.9 dB, 12 MHz(1.3%), and -1.18 dBd. Also, a small half-wavelength CLA using double meander line is designed and fabricated for flat snack bag coated aluminum. The antenna is reduced up to 92.1% except ground. It shows the $S_{11}$ of -16.5 dB, -10 dB bandwidth of 48 MHz(5%) and gain of -0.58 dBd. The radiation pattern shows omni-directional pattern in z-y plane(x-axis pol.). Through this result, we can confirm that miniaturized type CLAs using meander lines are suitable for miniaturized RFIB tag antennas with the UHF band.
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문제 정의
따라서 본 논문에는 루프 안테 나를 소형화하기 에 적합한 길이의 미앤더 라인 구조를 루프 내로 최대한 구성시켜 안테나를 소형화하고자 하였다.
보통의 RFID 태그 안테나는 RFID 칩과 복소 임피던스 매칭山이 되도록 태그 안테나의 임피던스를 결정 하는데 본 논문에서는 안테나의 임 피던스를 50 Q 으로 설계하였으며, 급전구조와 미앤더 라인 개수, 루프 직경 등의 파라미터를 이용하여 어떠한 칩 임피던스에도 복소 임피던스 매칭을 시킬 수 있음을 보이고자 한다. 이들 결과들에 대해 기술하고자 한다.
본 논문에서는 UHF 대역(908.5~914 MHz) 에서 사용되는 RFID 태그 안테나를 루프 안테나를 이용하여 소형화시키는 연구를 하였다.
본 논문에서는 한국 UHF RFID 대역(설계 주파수 911.25 MHz)에서 구조가 간단하고 저가로 구현할 수 있는 1 心人: 파장, 329 mm) 원형 루프 안테나 (Circular Loop Antenna: CLA)를 이용하여 소형 RFID 태그용 안테나를 설계한다. 먼저 원형 루프 안테나의 임피던스 매칭을 위해 직렬 급전 구조间를 사용하여 급전 구조 위치에 따른 특성 변화를 파악한다.
본 절에서는 루프 안테나에 미앤더 라인 하나를 삽입하였을 때의 공진 주파수 특성을 분석하고 미앤더 라인의 위치별 방사 영향을 확인하고자 한다.
한다. 이들 결과들에 대해 기술하고자 한다.
가설 설정
한편, 그림 12(a)에는 알루미늄과 같은 금속 재질로 코팅이 되어 있는 과자 봉지와 같은 평면형 도체의 끝에 부착이 가능한 RFID 태그 안테나를 설계 및 제작하였다가 앞서 2단 미앤더 라인을 이용한 한 파장 원형 루프 안테나를 반파장 형태로 유한한 크기 (200x90 nrn)의 평면 접지면을 과장 봉지로 가정하고 제작하였다. 이렇게 제작된 안테나의 크기는 접지면을 제외하고 39x20 mm(0.
제안 방법
줄여 안테나를 소형화 하였다. 그 결과 3가지 구조의 안테나를 설계하였다.
먼저 원형 루프 안테나의 임피던스 매칭을 위해 직렬 급전 구조间를 사용하여 급전 구조 위치에 따른 특성 변화를 파악한다. 그다음 미앤더 라인回을 사용하여 공진 길이가 증가되는 효과를 이용하여, 미앤더 라인 구조를 루프 내부로 삽입하고 루프의 직경을 줄임으로서 안테나를 소형화 시키고자 한다. 마지막으로 접지면을 이용한 반 파장 원형 루프 안테나에 미앤더 라인 구조를 삽입하여 원형 루프 안테나를 소형화 하고자 한다.
단일 미앤더 라인을 이용하여 소형화된 안테나를 더욱 소형화하기 위해 2단 미앤더 라인珂을 이용하여 911.25 MHz에서 최적화된 안테나를 제작하였다. 보통 선형 안테나는 안테나의 길이가 공진 주파수를 결정한다.
따라서 RFID 태그용 안테나를 소형화하기 위해 내부 급전을 선택하였다.
하지만 이 구조는 급전 길이까지 안테나의 크기에 포함되어 소형화에 한계가 있으므로 그림 1(a)의 내부 급전이 소형화에 더욱 적합하다. 따라서 급전 구조가 루프 내부로 들어가는 구조와 루프 외부에 있는 구조에 대해 급전 길이(虹 & 급전 간격(£匕 £)2) 변화에 따른 임피던스 특성 및 방사 패턴을 비교 분석하였다.
18 dBd의 특성을 얻었다. 또한 알루미늄 코팅이 되어 있는 과자 봉지와 같은 평면형 도체에 태그 안테나를 부착하기 위해서 소형화된 반파장 구조의 원형 루프 제작하였다. 이 안테나의 크기 축소율은 92.
그다음 미앤더 라인回을 사용하여 공진 길이가 증가되는 효과를 이용하여, 미앤더 라인 구조를 루프 내부로 삽입하고 루프의 직경을 줄임으로서 안테나를 소형화 시키고자 한다. 마지막으로 접지면을 이용한 반 파장 원형 루프 안테나에 미앤더 라인 구조를 삽입하여 원형 루프 안테나를 소형화 하고자 한다.
25 MHz)에서 구조가 간단하고 저가로 구현할 수 있는 1 心人: 파장, 329 mm) 원형 루프 안테나 (Circular Loop Antenna: CLA)를 이용하여 소형 RFID 태그용 안테나를 설계한다. 먼저 원형 루프 안테나의 임피던스 매칭을 위해 직렬 급전 구조间를 사용하여 급전 구조 위치에 따른 특성 변화를 파악한다. 그다음 미앤더 라인回을 사용하여 공진 길이가 증가되는 효과를 이용하여, 미앤더 라인 구조를 루프 내부로 삽입하고 루프의 직경을 줄임으로서 안테나를 소형화 시키고자 한다.
본 절에서는 앞 절의 결과를 이용하여 세 종류의 소형화된 원형 루프 안테나를 설계 및 제작하였다. 그 첫 번째 구조로 단일 구조의 미앤더 라인図을 이용하여 소형화된 안테 나 구조와 %을 그림 10(a), (b) 에 나타내었다.
그 첫 번째 구조로 단일 구조의 미앤더 라인図을 이용하여 소형화된 안테 나 구조와 %을 그림 10(a), (b) 에 나타내었다. 앞 절에서 설명한 바와 같이 한 파장 원형 루프 안테나를 소형화 하기 위해 63개의 미앤 더 라인을 루프 내부로 삽입시켜 루프의 직경을 줄임으로써 안테나를 소형화 하였다. 그림 10(a)의 소형화된 안테나는 두께 3.
원형 루프 안테나를 소형화시키기 위해서 미앤 더 라인을 루프 내부 방향으로 삽입하였고 루프의 직경을 줄여 안테나를 소형화 하였다. 그 결과 3가지 구조의 안테나를 설계하였다.
대상 데이터
12 人)로, 기준이 되는 인쇄 평면형 루프 안테나 (직경 98 mm)보다 83 %의 크기 축소율을 나타내었다. 도선의 전체 길이는 3.9 A(1, 281 mm)이다.
RFID 태그 안테나는 물품에 쉽게 부착돼야 하기 때문에 평면 형태의 안테나가 적합하다. 본 연구에서는 기판의 유전율에 의한 안테나의 손실을 최소화하고 실험적으로 안테나 지지를 쉽게하기 위해 공기와 유전율이 비슷한 foam( £’=1.06)을 이용하였다. 설계 중심 주파수 911.
06)을 이용하였다. 설계 중심 주파수 911.25 MHz에서 제작된 원형 루프 안테나의 지름을 98 mm(원주 : 0.93 人)로 고정하였으며, 이때의 루프 둘레 길이가 한 파장과 비슷하였다.
이때 평면 도선은 두께 0.05 nun의 구리를 이용하였다. RFID 태그 안테나는 물품에 쉽게 부착돼야 하기 때문에 평면 형태의 안테나가 적합하다.
성능/효과
단일 미앤더 라인 구조를 적용하여 소형화된 원형 루프 안테나는 직경이 44 mm(0.12 "로 기본형에 비해 79.9 %의 크기 축소율을 얻었고, 최대 이득 -0.96 dBd의 특성을 얻었다. 2단 미앤더 라인 구조를 이용하여 소형화된 안테나는 면적 축소율이 83 %로 나타났고, 최대 이득은 -1.
1(b)) 시켰을때의 안테나 특성 변화가 없음을 확인하였으며, 외부 급전의 경우 급전 구조가 안테나의 크기로 포함됨으로 안테나의 소형화를 위해서는 내부 급전 구조를 채택하는 것이 안테나의 소형화에 유리함을 확인하였다. 따라서 RFID 태그용 안테나를 소형화하기 위해 내부 급전을 선택하였다.
96 dBd의 특성을 얻었다. 2단 미앤더 라인 구조를 이용하여 소형화된 안테나는 면적 축소율이 83 %로 나타났고, 최대 이득은 -1.18 dBd의 특성을 얻었다. 또한 알루미늄 코팅이 되어 있는 과자 봉지와 같은 평면형 도체에 태그 안테나를 부착하기 위해서 소형화된 반파장 구조의 원형 루프 제작하였다.
내부 급전, 외부 급전 구조 모두 급전 길이 39 mm (0.12 /))와 급전 간격 2 mm(0.006 人)에서 국내 UHF RFID 대역 중심 주파수인 911.25 MHz에서 岛 -10 dB 이하의 특성을 나타내었다.
또한, 미앤더 라인이 삽입됨으로써 루프의 직경이 길어지는 효과로도 볼 수 있다. 만일 동일 주파수로 공진시킨다면 전체적인 루프의 직경이 작아질 것이 며, 따라서 루프 안테 나 자체 가 부착되는 미앤 더 라인에 의해 소형화가 됨을 확인할 수 있었다.
1 %의 면적 축소율을 얻었다. 설계 주파수(911.25 MHz)에서의 岛은-16.5 dB로 나타났고 -10 dB 대역폭은 접지 면의 영 향으로 인해 48 MHz(5 %)로 소형화된 한 파장 원형 루프 안테나에 비해 대역폭이 확장되었다.
6 %)로 나타났다. 시뮬레이션 결과 내부 급전의 向은 -21 dB, -10 dB 대역폭은 90 MHz(9.8 %)의 특성을 얻었으며, 외부 급전은 Sa -14 dB, 90 MHz(9.8 %)의 -10 dB 대역폭 특성을 나타내었다. 두 구조 모두 동일한 경향을 나타내었다.
이는 도선 폭이 넓어지면 상대적으로 루프 내부 쪽 원주 길이가 짧아져 주파수가 상향되며, 도선 넓이에 비례하여 전류 경로가 다양하게 형성됨으로 대역폭이 증가되었다고 판단된다. 이 결과로 안테나를 소형화하기 위해서 도선의 폭을 좁게 하면 대역폭이 좁아질 것이라는 것을 예상할 수 있다.
이 두 결과를 바탕으로 급전 길이와 간격을 조절하여 공진 주파수 911.25 MHz에서 50 Q으로 임피던스 매칭을 시켰다. 그림 4에 측정 결과와 시뮬레이션(HFSS 10) 결과를 비교하여 나타내었다.
이러한 결과들로부터 제안된 반파장 소형 루프안테나가 평면형 금속 도체에 부착이 충분히 가능하며 RFID 태그 안테나로써 충분히 유효하리라 예상된다.
임피던스는 전류 경로 증가 효과에 의한 인덕턴스 성분이 증가 후 다시 캐패시턴스 성분이 증가되는 특성을 나타내었다. 이는 원형 루프 안테나의 루프 길이가 한 파장 근처에서의 임피던스 변화 특성団 과 일치하고 있다.
전술된 바와 같이 미앤더 라인 개수가 증가할 때마다 거의 선형적으로 공진 주파수가 저하되며, 미앤더 라인이 15개일 때 공진 주파수는 616.25 MHz 로 기본형 원형 루프 안테 나보다 295 MHz(32 %) 의주파수 저하 특성을 얻었다. 따라서 루프 내 미앤 더 라인을 이용한 주파수 저하율은 루프 내 미 앤더 라인 길이에 의한 주파수 저하율(그림 7에서 33 %)x 갯수로 예즉이 가능하다.
61 dBd, HPBW(z-x면) 88의 특성을 얻었다. 측정 결과에서 볼 수 있듯이 2단 미앤더 라인 구조의 안테나가 단일 미앤더 라인을 이용한 안테나보다 안테나의 소형화로 인해 이득이 다소 줄어들었다.
측정된 岛은 설계 주파수(911.25 MHz)에서 -11.9 dB이고 -10 dB 대역폭은 12 MHz(1.3 %)로 나타났다. 측정된 방사 패턴(그림 11(c))은 z-y면에서 무지향성 특성을 유지하였고 최대이득은 T.
후속연구
따라서 본 논문에서 제안한 미앤더 라인을 이용하여 루프 안테나를 소형화하는 방법이 안테나 소형화에 확실한 효과가 있음을 확인하였고, 본 논문에서 기술한 응용 예 이외에도 안테나의 소형화 특성이 요구되는 분야에 활용 가능성이 높을 것이라 사료된다.
참고문헌 (11)
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