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문제 정의
- 본 논문에서는 부착되는 금속 물질의 크기에 따른 임피던스 변화를 최소화 한 UHF 대역의 능동형 RFID 태그 안테나를 제안하였다. 제안된 태그 안테나는 119x30x1.
제안 방법
- 본 논문에서는 자체에 그라운드를 갖고 있는 형태 중 마이크로스트립 패치 안테나를 응용하여 설계하였다. 또한, 협대역 특성을 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점을 보완하고자 루프 형태의 커플링 급전을 사용하였으며, 루프를 중심으로 두 개의방사체를 갖는 구조를 제안하였다.
- 또한, 협대역 특성을 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점을 보완하고자 루프 형태의 커플링 급전을 사용하였으며, 루프를 중심으로 두 개의방사체를 갖는 구조를 제안하였다. 금속 물체에 부착 시 태그 안테나의 임피던스 변화를 최소화 하고, 금속 물체의 크기와 형태의 영향에 둔감한 태그를 설계 후 시뮬레이션 하였으며, 이를 바탕으로 안테나 제작을 하였다.
- 또한, 협대역 특성을 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점을 보완하고자 루프 형태의 커플링 급전을 사용하였으며, 루프를 중심으로 두 개의방사체를 갖는 구조를 제안하였다. 금속 물체에 부착 시 태그 안테나의 임피던스 변화를 최소화 하고, 금속 물체의 크기와 형태의 영향에 둔감한 태그를 설계 후 시뮬레이션 하였으며, 이를 바탕으로 안테나 제작을 하였다. 2장에서는 안테나의 구조 및 설계를 명 시하고, 3장에서는 시뮬레 이션을 바탕으로 안테나를 제작하였으며, 마지막으로 4장에서 결론을 맺었다.
- 또한, 칩의 임피던스는 제조사에 따라 다르기 때문에 칩의 임 피던스에 정합이 되도록 안테나를 설계하여야 한다. 본 논문에서는 33-刀12의 칩 임피던스를 갖는 Itnpinj사의 Monza 칩을 사용하여 최대 전력 전달이 가능하도록 태그 안테나를 설계하였다.
- 의값과 동일하게 되며 칩의 에너지를 최대로 안테나로 보내게 된다. 이에 본 논문에서는 루프의 길이, 루프를 구성하는 마이크로스트립 라인의 폭, 그리고 루프와 패치의 간격으로 임피던스를 조절하여 칩과의 정합 회로를 구성하였으며, 패치와의 커플 급전을 통하여 대역폭 확장을 꾀하였다倒
- 9) 기판 위에 구성되었다. 앞서 언급한 태그 칩과 안테나의 공액 정합을 위하여 L 物와 W物의 값 즉, 급전 루프의 크기와 패치 간의 간격을 조절함으로써 칩 임피던스 33-八12와 공액 정합을 이루어 최대 전력 전달을 유도하였으며, 1.6 mm 높이를 갖는 패치 형태의 협대역 특성을 루프 커플링 급전으로 하여금 개선토록 하였다. 다음으로 실제 안테나의 방사를 담당하는 패치 부분으로 급전 루프를 중심으로 안팎으로 구성되어 있다.
- 하지만 부착될 금속의 크기에 관계없이 안테나가 안정적으로 동작하기 위해서는 방사된 에너지가 부착될 금속으로 여기되는 것을 최소화 하여야 한다. 제안된 태그 안테나 바깥의 패치는 부착될 금속 물질과 안테나와의 이격을 담당하며, 전류의 흐름을 중앙의 패치에 집중시키도록 도와 부착 물질에 의한 열화를 최소화 하면서 중앙의 패치와 상호 작용을 통하여 공진 주파수를 결정짓는 역할을 한다. 안쪽의 패치는 바깥 패치의 도움을 받아주 방사를 일으키는 소자로 사용된다.
- 따른 시뮬레이션 결과이다. 금속면의 크기는 최초 공기 중 상태에서부터 최대 면적 700x700 mm 까지 점진적으로 부착될 금속의 면적을 키워 가면 서 시뮬레이션 하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 최초의 공기 중에서 의 공진 주파수는 897 MHz로 금속 위에서의 공진 주파수인 918 MHz보다 약 21 MHz의 주파수 천이 현상이 나타나게 되었다.
- 제작된 태그 안테나의 성능 평가를 위하여 무반 사실에서 부착될 금속의 크기를 달리하여 반사 손실과 실제 이득을 측정하였으며, 에일리언사의 ALR- 9800 리더기와 본사의 7 dBi 원형 편파 RFID 안테나를 사용하여 태그의 인식 거리를 측정하였다. 그림 8은 실측된 태그 안테나의 반사 손실 측정치이다.
대상 데이터
- 제안된 태그 안테나는 루프커플링 급전 소자를 갖는 패치형 안테나로 급전을 담당하는 루프를 중심으로 안과 밖 두 개의 패치로 이루어져 있으며, 태그 안테나는 *=119 mm, 1=30 mm의 면적으로 1.6 mm 의 FR-4(er=4.5~4.9) 기판 위에 구성되었다. 앞서 언급한 태그 칩과 안테나의 공액 정합을 위하여 L 物와 W物의 값 즉, 급전 루프의 크기와 패치 간의 간격을 조절함으로써 칩 임피던스 33-八12와 공액 정합을 이루어 최대 전력 전달을 유도하였으며, 1.
- 그림에서 볼 수 있듯 루프를 통하여 급전된 대부분의 전류는 안쪽의 패치로 흐르게 되며, 일부가 바깥쪽으로 유기됨을 알 수 있다. 제안된 안테나는 높이가 1.6 mm에 불과한 패치형 안테나 구조이다. 자체적으로 그라운드를 갖고 있다.
- 시뮬레이션은 한국 RFID 대역 중 912 MHz에 맞주어 공진 주파수를 형성하여 진행하였다. 시뮬레이션에 따르면 금속면의 크기에 둔감하게 일정한 반사손실을 유지함을 보였으나 효율이 저하됨으로써 일부 열화가 일어났음을 알 수 있었다.
- 실제 제작 모습이다. 제안된 태그 안테나는 119 mm의 길이와 30 mm의 폭, 1.6 mm의 높이를 갖는 구조로서 태그 상단에 위치한 칩(33-刀12)과 공액 정합시켜 제작하였다.
성능/효과
- 결과를 확인할 수 있다. 시뮬레이션은 태그가 금속 면에 일부만 부착되었을 경우와 완전하게 금속면 위에 부착된 경우까지 시뮬레이션 하였으며, 그 결과 금속 표면의 크기에 따라 약간의 반사 손실 값이 변화하였으나 중심 주파수가 그대로 유지됨으로써 금속 면의 크기에 둔감하게 공진점이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 그림 5는 태그의 공기 중 방사 시뮬레이션 결과이다.
- 시뮬레이션 결과, 공기 중에서 3.3 dBi의 약 40 % 효율을 보였으며, 약 87° 3 dB angular width의 득 성을 보였다. 이어서 그림 6은 금속면 위에서의 방사 시뮬레이션 결과이다.
- 이어서 그림 6은 금속면 위에서의 방사 시뮬레이션 결과이다. 6.8 dBi의 약 10 % 효율로 92° 의 3 dB angular width의 결과를 보였다. 이는 방사 부와 그라운드와의 실제 이격 거리가 1.
- 시뮬레이션에 따르면 금속면의 크기에 둔감하게 일정한 반사손실을 유지함을 보였으나 효율이 저하됨으로써 일부 열화가 일어났음을 알 수 있었다.
- 그림 8은 실측된 태그 안테나의 반사 손실 측정치이다. 제작된 태그 안테나를 측정한 결과, 오히려 공기 중에서 RFID 국내 규격인 908-912 MHz에서 공진이 이루어짐을 확인할 수 있었으나, 금속 위에서도 태그가 작동하기 위한 -7 dBm 이상의 방사 능력을 보이고 있다. 그림 8에서 912 MHz를 중심 주파수로 형성된 곡선이 이에 해당하며, 그 뒤에 920 MHz 이상에서 형성된 곡선들은 부착될 금속의 크기를 늘려가며 측정한 내용을 겹친 그림으로 표시하였다.
- 그림 8에서 912 MHz를 중심 주파수로 형성된 곡선이 이에 해당하며, 그 뒤에 920 MHz 이상에서 형성된 곡선들은 부착될 금속의 크기를 늘려가며 측정한 내용을 겹친 그림으로 표시하였다. 실제 측정에서도 시뮬레이션과 동일하게 공기 중과 금속 부착 사이에 주파수 천이가 발생됨을 확인하였으며, 또한 태그가 부착된 금속의 크기에 따라 반사 손실 값은 약간의 차이를 보이나, 천이 없이 동일한 주파수에서 공진이 일어남을 확인할 수 있었다.
- 단, 시뮬레이션 결과와 실제 측정치 사이에 공진주파수의 상향 이동이 있음을 확인하였다. 이는 제작상의 오차와 측정 오차가 작용하였으리라 생각되며, FR-4 기판의 유전율이 일정하지 않음에 기인한 것이라 생각된다.
- 이는 제작상의 오차와 측정 오차가 작용하였으리라 생각되며, FR-4 기판의 유전율이 일정하지 않음에 기인한 것이라 생각된다. 제안된 태그 안테나의 경우 CST 프로그램상의 고정 값 유전율 4.9를 기반으로 시뮬레이션을 진행 하였으며, 유전율을 0.1 씩 하강시켜 가며 시뮬레이션한 결과 공진 주파수가 상승하는 결과를 확인할 수 있었다.
- 결과이다. 공기 중에서 태그 안테나의 효율은 43.3 %였고 1 dBi의 이득을 나타내었으며, 금속 면 위에 부착된 상태에서는 열화가 발생하여 21.5 % 의 효율을 나타내었으며, 이득 또한 -0.8 dBi로 공기 중 대비 감소함을 보였다.
- 제안된 태그의 인식 거리는 금속(최대 700x700 mm)에 부착 시 2.9 이의 인식 능력을 보였으며, 공기 중에서는 5.5 m의 인식 능력을 보였다. 이와 같은 결과는 앞서 언급한 여러 오차로 인하여 정합이 오히려 공기 중의 상태에 이루어졌으며, 상대적으로 금속 면 위에서보다 열화가 적게 발생하여 높은 효율을 유지할 수 있었음에 기인한다.
- 태그 안테나를 제안하였다. 제안된 태그 안테나는 119x30x1.6 nun의 크기를 갖는 패치 타입으로 루프 급전을 이용하여 금속 물질에 부착시 VSWR 2:1 기준(%<- 10 dB) 35 MHz, 약 3.77 %의 반사 손실 대역폭을 갖도록 설계되어졌다. 본 태그 안테나는 자체적으로 그라운드를 갖고 있는 형태로 금속물 질의 크기에 관계없이 금속으로 만들어진 상자나 철판에 부착되어 사용할 수 있다.
후속연구
- 6 nun의 FR-4 기판으로 제작되었기 때문에 금속 표면에 비교적 적은 요철로 장착될 수 있으며, 싼값에 양산이 이루어질 수 있다고 생각된다. 향후 공기 중에서와 금속면 위에서의 주파수 천이 간격을 근접시키고 금속 부착 시에 열화 되는 현상을 최소화 하여 태그 안테나 자체의 방사 효율을 높이는 연구가 진행되어야 한다. 더불어 소형화를 통한 면적의 축소를 가능케 하고 유연성을 더한다면 다양한 금속 형태의 물품에 적용되어 일반 태그와 같이 안정적으
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