본 논문은 UHFRFID 시스템을 위해 편파를 선택할 수 있는 리더 안테나를 설계 및 구현하였다. 제안된 리더 안테나는 두 개의 급전부를 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나와 두 개의 SPDT 스위치와 하나의 SP4T 스위치와 3dB hybrid coupler로 구성되어 있다. 각각의 스위치 전압을 조절하여 수직 방향의 선형 편파와 수평 방향의 선형 편파, 좌수 원형 편파와 우수 원형 편파를 선택할 수 있다. 제안된 안테나는 902MHz~928MHz 대역에서 VSWR 2:1 기준으로 UHF RFID 주파수 대역인 902MHz~928MHz를 만족한다. 안테나의 최고이득은 X-Y Plane을 기준으로 선형 편파가 선택되어질 때 7.71dBi, 7.55dBi 로 측정되었고 원형 편파가 선택되어질 때 7.31dBic, 7.81dBic 로 측정되었다. 또한 원형 편파(LHCP, RHCP)가 선택 되어질 때 축비는 각각 2.01~2.83dB, 2.02~2.60dB로 측정되었고 이는 3dB 이하의 축비를 만족한다.
본 논문은 UHF RFID 시스템을 위해 편파를 선택할 수 있는 리더 안테나를 설계 및 구현하였다. 제안된 리더 안테나는 두 개의 급전부를 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나와 두 개의 SPDT 스위치와 하나의 SP4T 스위치와 3dB hybrid coupler로 구성되어 있다. 각각의 스위치 전압을 조절하여 수직 방향의 선형 편파와 수평 방향의 선형 편파, 좌수 원형 편파와 우수 원형 편파를 선택할 수 있다. 제안된 안테나는 902MHz~928MHz 대역에서 VSWR 2:1 기준으로 UHF RFID 주파수 대역인 902MHz~928MHz를 만족한다. 안테나의 최고이득은 X-Y Plane을 기준으로 선형 편파가 선택되어질 때 7.71dBi, 7.55dBi 로 측정되었고 원형 편파가 선택되어질 때 7.31dBic, 7.81dBic 로 측정되었다. 또한 원형 편파(LHCP, RHCP)가 선택 되어질 때 축비는 각각 2.01~2.83dB, 2.02~2.60dB로 측정되었고 이는 3dB 이하의 축비를 만족한다.
TIn this paper, it is designed the polarization selective antenna for UHF RFID system. The proposed antenna is consist of microstrip patch antenna with dual feeding and two SPDT switches and a SP4T switch and 3dB hybrid coupler. Through control of voltage of switches, the proposed reader antenna can...
TIn this paper, it is designed the polarization selective antenna for UHF RFID system. The proposed antenna is consist of microstrip patch antenna with dual feeding and two SPDT switches and a SP4T switch and 3dB hybrid coupler. Through control of voltage of switches, the proposed reader antenna can select horizontally linear polarization, vertically linear polarization, left-hand circular polarization (LHCP) and right hand circular polarization (RHCP). The proposed reader antenna satisfied 2:1 VSWR at 902MHz~928MHz. and it has under 3dB AR(axial ratio). Peak gain of antenna is 7.71dBi, 7.55dBi with linear polarization and 7.31dBic, 7.81dBic with circular polarization at x-y plane. Also Axial ratio of antenna is 2.01~2.83dB and 2.02~2.60dB respectively. It is satisfied 3dB axial ratio.
TIn this paper, it is designed the polarization selective antenna for UHF RFID system. The proposed antenna is consist of microstrip patch antenna with dual feeding and two SPDT switches and a SP4T switch and 3dB hybrid coupler. Through control of voltage of switches, the proposed reader antenna can select horizontally linear polarization, vertically linear polarization, left-hand circular polarization (LHCP) and right hand circular polarization (RHCP). The proposed reader antenna satisfied 2:1 VSWR at 902MHz~928MHz. and it has under 3dB AR(axial ratio). Peak gain of antenna is 7.71dBi, 7.55dBi with linear polarization and 7.31dBic, 7.81dBic with circular polarization at x-y plane. Also Axial ratio of antenna is 2.01~2.83dB and 2.02~2.60dB respectively. It is satisfied 3dB axial ratio.
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가설 설정
분리된 네 개의 신호라인 중 ①번 신호 라인은 HMC545 스위치와 연결되고 제안된 리더 안테나의 수평 방향(X축)의 급전부와 연결된다. ①번 신호라인으로 선택되어지면 제안된 안테나는 수평 방향의 선형 편파 특성을 가진다. ②번 신호라인은 3dB hybrid coupler에 입력되고 입력된 신호는 크기는 같고 90도의 위상 차이를 가지는 두 개의 신호로 분리되어 두 개의 HMC545 스위치에 연결되고 이는 제안된 리더 안테나의 두 개의 급전부에 급전된다.
제안 방법
07)을 이용하여 안테나의 전체 높이 20 mm를 확보하였다. 또한 두 개의 급전부와 접지면의 후면에 그림 4와 같은 회로를 추가하여 사용환경에 따라 선형 편파 및 원형 편파를 가지도록 설계하였다.
본 논문에서 제안된 리더 안테나는 기존의 리더 안테나의 성능을 보완하기 위해 하나의 방사 구조에서 선형 편파(Vertical Polarization & Horizontal Polarization)와 원형 편파(Left Handed Circular Polarization(LHCP) & Right Handed Circular Polarization (RHCP)를 가지도록 설계되었다.
2V이고 High 전압 범위는 3V ~ 8V이다. 본 논문에서 조절 전압은 Low일 때 0V, High일 때 5V를 사용하였다.
본 논문에서는 두 개의 급전부를 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나와 하나의 SP4T 스위치와 두 개의 SPDT 스위치와 3dB hybrid coupler를 이용하여 리더 안테나의 편파를 선택할 수 있는 polarization selective antenna를 제안하였다. 낮은 삽입 손실과 높은 격리도 특성을 가지는 스위치와 90도의 위상 차이를 가지는 커플러를 이용하여 제안된 안테나의 성능에 미치는 영향을 최소화 하였다.
시뮬레이션을 통해 계산된 결과를 토대로 안테나를 제작 측정하였다. 그림 9는 PADS를 이용한 설계된 회로도면이다.
VSWR 2:1 기준으로 850MHz ~ 935MHz 의 대역폭을 만족하고 900MHz ~ 930MHz에서 Axial Ratio는 3dB 이하이다. 원형 편파의 특성을 가지도록 파이형 회로를 이용하여 두 개의 급전부에 90도 위상 차이를 가지도록 하였다.
2 : 1 이하)을 가지고 입력 포트에 따라 커플링 포트와 출력 포트 사이의 전력은 1/2로 나뉘고 90도의 위상 차이를 가진다. 이를 이용하여 제안된 안테나의 두 종류의 원형 편파 (RHCP, LHCP)를 구현하였다. 또한 출력 포트와 커플링 포트사이에 30dB 이하의 높은 격리도 특성을 가진다.
대상 데이터
또한 스위치가 OFF 되었을 때 50옴에 정합되는 non-reflective 특성을 가지는 switch 이다. 두 번째 단은 RN2 Technology사의 RCP890Q03을 사용하였다. RCP890Q03은 LTCC 3dB hybrid coupler로 900MHz에서 높은 임피던스 매칭 특성 (VSWR=1.
또한 출력 포트와 커플링 포트사이에 30dB 이하의 높은 격리도 특성을 가진다. 마지막단은 Hittite사의 HMC545 스위치를 이용하였다. HMC545 스위치는 900MHz에서 0.
방사체의 아랫 부분에는 2 mm의 두께를 가지는 FR4( ε r=4.4) 유전체의 18 mm의 두께를 가지는 폼( ε r=1.07)을 이용하여 안테나의 전체 높이 20 mm를 확보하였다.
블록도의 첫 단은 Hittite사의 HMC241QS16 스위치를 사용하였다. HMC241QS16은 900MHz에서 약 0.
본 논문에서 제안된 리더 안테나는 기존의 리더 안테나의 성능을 보완하기 위해 하나의 방사 구조에서 선형 편파(Vertical Polarization & Horizontal Polarization)와 원형 편파(Left Handed Circular Polarization(LHCP) & Right Handed Circular Polarization (RHCP)를 가지도록 설계되었다. 제안된 리더 안테나는 Radiator, GaAs MMIC SPDT Switch (HMC545), GaAs MMIC Non-reflective Switch (HMC241QS16), LTCC 3dB Hybrid Coupler (RCP890Q03)으로 구성되어 있다. 제안된 리더 안테나는 태그 안테나의 편파 특성과 방향에 관계없이 사용되는 환경에 따라 편파를 조절할 수 있으므로 여러 분야의 다양한 환경에 적용이 가능하다.
제안된 리더 안테나는 그림 1과 같은 마이크로 스트립 패치 안테나를 이용하여 설계되었다. 마이크로 스트립 패치 안테나는 방사체와 유전체, 급전부, 접지면 등으로 구성된다.
제안된 안테나의 접지면의 크기 Lg × Wg 는 200mm × 200mm이고 1mm의 두께를 가지는 FR4( ε r=4.4) 기판을 이용했다.
이론/모형
제안된 안테나는 Ansoft사의 HFSS 시뮬레이션 툴을 이용하였다.
성능/효과
본 논문에서는 두 개의 급전부를 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나와 하나의 SP4T 스위치와 두 개의 SPDT 스위치와 3dB hybrid coupler를 이용하여 리더 안테나의 편파를 선택할 수 있는 polarization selective antenna를 제안하였다. 낮은 삽입 손실과 높은 격리도 특성을 가지는 스위치와 90도의 위상 차이를 가지는 커플러를 이용하여 제안된 안테나의 성능에 미치는 영향을 최소화 하였다. 일반적인 선형 안테나의 경우 태그의 부착 위치등에 따라 리더 안테나의 편파 방향과 같지 않을 경우 편파 손실이 발생하고 이는 인식 거리를 감소시키는 원인이다.
60dB로 측정되었고 이는 3dB 이하의 축비를 만족한다. 본 논문에서 제안된 안테나는 UHF RFID 시스템의 다양한 사용 환경과 Tag 안테나의 편파에 따라 수평 방향 및 수직방향을 가지는 선형 편파와 좌수 원형 편파, 우수 원형 편파를 선택할 수 있기 때문에 편파의 방향에 따른 손실을 최소화 할 수 있고 이에 따라 Tag의 인식거리를 확장시킬 수 있다.
제안된 안테나는 VSWR 2:1 기준으로 UHF RFID 주파수 대역인 902MHz ~ 928MHz를 만족한다. 안테나의 최고 이득은 X-Y Plane을 기준으로 선형 편파가 선택되어질 때 7.
제안된 안테나는 임의의 환경에서 발생되는 편파 손실에 의한 인식거리의 감소를 안테나의 편파를 선택하는 것에 의해 1.5 ~ 3.3m가 개선되는 것으로 측정되었다.
후속연구
제안된 리더 안테나는 Radiator, GaAs MMIC SPDT Switch (HMC545), GaAs MMIC Non-reflective Switch (HMC241QS16), LTCC 3dB Hybrid Coupler (RCP890Q03)으로 구성되어 있다. 제안된 리더 안테나는 태그 안테나의 편파 특성과 방향에 관계없이 사용되는 환경에 따라 편파를 조절할 수 있으므로 여러 분야의 다양한 환경에 적용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
리더의 태그 인식률을 높이기 위해서는 무엇을 해야 하는가?
태그 안테나의 대부분은 선형 편파(linear polariza- tion) 특성을 가지는 구조가 사용되고 있으며, 최근 원형 편파(Circular Polarization) 특성을 가지는 태그도 개발되고 있다. 따라서 리더의 태그 인식률을 높이기 위해서는 리더 안테나는 태그 안테나의 편파 특성과 부착 방향에 따라서 편파 특성이 조절되어야 한다.[1], [2]
안테나의 방향성이 커지면 수신영역은 어떻게 되는가?
이러한 문제를 해결하기 위한 방법은 더 큰 방향성을 가지는 리더 안테나를 이용하는 것이다. 그러나 안테나의 방향성이 커지면 빔폭이 좁아지게 되므로 태그 안테나를 수신할 수 있는 영역이 감소된다. [3][４][5]
선형 편파를 가지는 리더 안테나의 적용이 제한적인 이유는 무엇인가?
선형 편파를 가지는 리더 안테나의 적용은 다소 제한적이다. 왜냐하면 수신되는 안테나는 입사파와 편파의 방향이 일치되어야 하기 때문이다. 만일 이러한 적당한 방향이 유지되면 가장 효과적으로 파워를 전송 시킬 수 있다.
참고문헌 (8)
K. Finkenzeller, "RFID Handbook," Reading, MA: Addison Wiley, 2002.
W. Rankl and W. Effing, "Smart Card Handbook," New York:John Wiley & Sons, 2003.
C. S. Lee and V. Nalbandian, "Planar circularly polarized microstrip antenna with a single feed," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 47, pp. 1005-1007, 1999.
R. Suwalak and C. Phongcharoenpanich, "Parametric Study of a Circularly Polarized Planar Antenna for Reader of UHF RFID System," Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 1625-1628, December 2007.
C. S. Lee, V. Nalbandian, and F. Schwering, "planar, single-feed, circularly polarized microstrip antenna with enhanced bandwidth," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 3, pp. 1368-1371, 1998.
D. M. pozar, "Micostrip Antennas," Proc. IEEE, Vol. 80, No. 1, pp. 79-81, January 1992.
V. Nikitin, K. V. S. Rao, "Performance Limitations of Passive UHF RFID system," Proceedings of the IEEE Antennas and Propagation, pp. 1011-1014, 2006.
M. S Trotter, J. D. Durgin, G. D. Sch. , "Power-optimized waveforms for improving the range and reliability of RFID systems," RFID, 2009 IEEE International Conference on, pp. 80-87, 2009.
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