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문제 정의
- 본 논문에서는 데이터 시트, 전용 RFID 테스터 그리고 상용리더를 이용한 방법을 통해 UHF 대역 수동형 태그 칩의 읽기 전력 감도와 임피던스를 산출하여 인식 거리를 극대화하는 칩 임피던스 값을 결정하는 방법에 대해 비교분석하였다.
- 본 절에서는 칩의 읽기 전력 감도 측정을 위한 3가지 방법, 즉 데이터시트를 이용한 방법, RFID 테스터를 이용한 방법, 그리고 상용 리더를 이용한 방법에 대하여 설명한다.
제안 방법
- 각 방법에 의해 산출된 칩 임피던스에 따라 안테나를 설계한 후 태그로 제작하여 인식 거리를 비교하였다. 제안된 방법(상용리더를 이용)으로 산출된 임피던스에 공액 정합된 태그가 인식 거리에서 기존 방법(데이터 시트 및 RFID 테스터 이용 방법)과 비교해 최대 73 % 이상의 인식 거리 개선을 보였다.
- 으로 산출하였으며, S-파리미터는 그림 11에 보인 무반향실(anechoic chamber)에서 측정하였다. 그리고 제작된 각 안테나들의 임피던스 Za는 튜닝 과정을 통해 표 2에 수록된 칩 임피던스 Zcm과의 오차가 3 % 이내에서 공액정합 되도록 하였다. 그 결과로 제작된 태그를 그림 12에 보였으며, 상용 리더를 이용한 방법의 경우에는 칩의 임피던스가 리더와는 무관하게 동일하므로 하나의 태그로 제작하였다.
- 그림 5의 전기적 등가회로의 파라미터와 칩의 임피던스를 산출하기 위한 회로해석은 Agilent사의 ADS(Advanced Design System)를 이용하였으며, 3가지 방법으로 산출된 칩 임피던스 Rcm||Ccm과 직렬 임피던스 Zcm을 표 2에 수록하였다.
- 그림 8에 보인 것과 같이 RFID 테스터가 읽기 명령(Query)를 송출하고 태그 칩으로부터 RN16 응답[17]을 관찰하였다. 무응답 상태이거나 부적절한 응답이 발생되면 테스터의 출력 전력을 0.
- 따라서 본 논문에서는 기존 방법과 제안된 방법으로 칩의 임피던스를 산출하여 태그로 제작해 인식 거리를 비교함으로써, 인식 거리를 극대화하는 칩의 임피던스 값을 결정하는 방법에 대해 비교분석하였다. 본 연구에서 사용된 칩의 임피던스를 추출하는 방법은 3가지이다.
- 앞 절에서 제시된 3가지 방법에 따라 칩의 읽기 전력 감도를 구한 후, 칩의 임피던스를 산출하는 실험을 수행하였다. 또한, 각 방법에 의해 산출된 칩 임피던스에 따라 태그를 제작하여 인식 거리를 비교 분석하였다.
- 테스터의 프로토콜 파라미터는 칩의 데이터 시트에 주어진 값으로 설정한다. 마지막으로는 본 연구에서 제안하는 것으로, 태그 인식에 사용될 상용 리더를 이용하여 읽기 전력 감도를 측정한 후 임피던스를 산출하는 방법이다. 이 때 리더의 프로토콜 파라미터는 제조회사에서 미리 설정된 값을 사용한다.
- 을 관찰하였다. 무응답 상태이거나 부적절한 응답이 발생되면 테스터의 출력 전력을 0.1 dBm 단위로 증가시켜, 정상적인 응답이 발생할 때 테스트 픽스쳐의 SMA 컨넥터에 들어가는 전력 Pth를 측정하였다. 전력 측정에는 Agilent사의 E4446A 스펙트럼분석기가 사용되었다.
- 따라서 본 논문에서는 기존 방법과 제안된 방법으로 칩의 임피던스를 산출하여 태그로 제작해 인식 거리를 비교함으로써, 인식 거리를 극대화하는 칩의 임피던스 값을 결정하는 방법에 대해 비교분석하였다. 본 연구에서 사용된 칩의 임피던스를 추출하는 방법은 3가지이다. 첫 번째는 데이터시트에서 제공하는 칩의 임피던스를 사용하는 방법이고, 두 번째는 전용 RFID 테스터(tester)를 이용하는 방법이다.
- 5 dBm에서부터 —20 dBm까지 다양하다[12]～[15]. 본 연구에서는 칩의 데이터 시트에 주어진 읽기 전력 감도를 추가적인 검증 없이 그대로 사용한다.
- 상용 리더를 통해 읽기 명령(inventory)[17]을 송출하고 태그 칩으로부터 응답을 관찰하였다. 이때 리더의 출력 전력 조절기능과 스텝-감쇠기를 사용하여 전력 크기를 조절한다.
- 앞 절에 기술된 3가지 방법으로 산출된 칩 임피던스 값과 공액정합이 되도록 안테나를 설계제작한 후 태그로 제작하였다. 안테나는 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 설계하였으며, 그림 12와 같이 대칭형 다이폴(dipole)을 기반으로 한 미앤더(meander)형으로 제작하였다. 안테나 제작에는 Taconic사의 OR-CER RF-35(εr = 3.
- 앞 절에 기술된 3가지 방법으로 산출된 칩 임피던스 값과 공액정합이 되도록 안테나를 설계제작한 후 태그로 제작하였다. 안테나는 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 설계하였으며, 그림 12와 같이 대칭형 다이폴(dipole)을 기반으로 한 미앤더(meander)형으로 제작하였다.
- 앞 절에서 제시된 3가지 방법에 따라 칩의 읽기 전력 감도를 구한 후, 칩의 임피던스를 산출하는 실험을 수행하였다. 또한, 각 방법에 의해 산출된 칩 임피던스에 따라 태그를 제작하여 인식 거리를 비교 분석하였다.
- 샘플링된 RF 신호의 전력을 측정하기 위해서는 Tektronix사의 DPO 7354 오실로스코프가 사용되었다. 오실로스코프에서 측정되는 RF 신호는 30 dB 감쇠된 신호이므로, 이를 오실로스코프의 External Atten 기능을 이용하여 감쇠된 신호를 증폭해 보정하였다[19].
- 먼저 Pth 값을 VNA(vector network analyzer)의 출력크기로 설정해 테스트 픽스쳐의 SMA 컨넥터에서 S11을 측정한다. 측정된 S11으로부터 Ⅲ장에 기술된 임피던스 산출방식으로 등가회로의 파라미터를 추출하고, 회로해석을 통해 칩의 소모전력, 즉 읽기 전력 감도(Ps)를 산출한다.
- 칩의 임피던스 산출을 위해 그림 4의 테스트 픽스쳐와 그림 6의 보조 픽스쳐에 대해 VNA를 이용하여 S-파라미터를 측정한 후 Y-파라미터로 변환하였다. 측정에 사용된 VNA는 Agilent사의 PNA-E8364B이며, 설정된 전력 크기는 보조 픽스쳐의 경우 -5 dBm, 테스트 픽스쳐의 경우는 앞절에서 산출한 Pth 값을 사용하였다.
대상 데이터
- 제작된 태그의 인식 거리는 실험에 사용된 상용 리더를 이용해 야외 시험장에서 측정하였다. 리더 안테나는 Motorola사의 AN400을 이용하였다. 태그의 최대 인식 거리 측정시 상용 리더의 출력 전력은 30 dBm으로 설정하여 측정하였으며, 표 3에 그 결과를 보였다.
- 방향성 커플러는 Narda사의 3171-30 모델을 사용하였으며, 30 dB ± 1커플링 값을 갖는다.
- 그림 9는 상용 리더를 이용해 읽기 전력 감도를 측정하기 위해 사용된 실험장치 구성이다. 상용리더는 ThingMagic사의 Mercury5와 CSL사의 CS461을 사용하였으며, 제조사가 다른 2개의 리더를 사용한 이유는 리더 종류에 따른 칩 읽기 전력 감도의 차이를 알아보기 위한 것이다. 서큘레이터는 ADMOTECH사의 ADC092CSEH모델이다.
- 샘플링된 RF 신호의 전력을 측정하기 위해서는 Tektronix사의 DPO 7354 오실로스코프가 사용되었다. 오실로스코프에서 측정되는 RF 신호는 30 dB 감쇠된 신호이므로, 이를 오실로스코프의 External Atten 기능을 이용하여 감쇠된 신호를 증폭해 보정하였다[19].
- 상용리더는 ThingMagic사의 Mercury5와 CSL사의 CS461을 사용하였으며, 제조사가 다른 2개의 리더를 사용한 이유는 리더 종류에 따른 칩 읽기 전력 감도의 차이를 알아보기 위한 것이다. 서큘레이터는 ADMOTECH사의 ADC092CSEH모델이다. 스텝-감쇠기는 Agilent사의 8495A모델을 사용하였으며, 상용리더의 출력 전력(30～15 dBm)을 읽기 전력 감도 수준의 낮은 전력 크기로 조절하는데 사용되었다.
- 서큘레이터는 ADMOTECH사의 ADC092CSEH모델이다. 스텝-감쇠기는 Agilent사의 8495A모델을 사용하였으며, 상용리더의 출력 전력(30～15 dBm)을 읽기 전력 감도 수준의 낮은 전력 크기로 조절하는데 사용되었다. 방향성 커플러는 Narda사의 3171-30 모델을 사용하였으며, 30 dB ± 1커플링 값을 갖는다.
- 그림 3(a)는 본 연구에서 제안하는, 상용 리더를 이용한 읽기 전력 감도를 측정하기 위한 실험 장치의 블록도이다. 실험 장치는 상용 리더(commercial reader), 서큘레이터, 스텝-감쇠기(step-attenuator), 방향성 커플러(directional coupler), 오실로스코프(oscilloscope), 그리고 테스트 픽스쳐로 구성된다.
- 실험결과의 보편성을 확인하기 위해 칩의 마운트 방법이 다른 두 가지 타입(본딩과 솔더링)의 Gen2칩이 사용되었다. 각 산출 방법에 따라 읽기 전력 감도는 최대 3.
- 실험에 사용된 모든 픽스쳐들은 Taconic사의 OR- CER RF-35(εr = 3.5,tanδ = 0.0018) 단층 PCB와 25 mm 길이의 RG-402SR 세미-리지드 케이블을 사용하여 제작하였다.
- 안테나 제작에는 Taconic사의 OR-CER RF-35(εr = 3.5, tanδ = 0.00 18) 단층 PCB가 사용되었다.
- 1 dBm 단위로 증가시켜, 정상적인 응답이 발생할 때 테스트 픽스쳐의 SMA 컨넥터에 들어가는 전력 Pth를 측정하였다. 전력 측정에는 Agilent사의 E4446A 스펙트럼분석기가 사용되었다.
- 제작된 태그의 인식 거리는 실험에 사용된 상용 리더를 이용해 야외 시험장에서 측정하였다. 리더 안테나는 Motorola사의 AN400을 이용하였다.
- 즉, 리더-태그 링크(R → T link)는 90 % 변조도를 갖는 DSB-ASK 변조, Tari= 25μs, PW= 0.525Tari이며, 태그-리더 링크(T → R link)는 256 kbps의 데이터율로 설정하였다.
- 칩의 임피던스 산출을 위해 그림 4의 테스트 픽스쳐와 그림 6의 보조 픽스쳐에 대해 VNA를 이용하여 S-파라미터를 측정한 후 Y-파라미터로 변환하였다. 측정에 사용된 VNA는 Agilent사의 PNA-E8364B이며, 설정된 전력 크기는 보조 픽스쳐의 경우 -5 dBm, 테스트 픽스쳐의 경우는 앞절에서 산출한 Pth 값을 사용하였다.
- 태그 제작에는 TSSOP형인 Monza 4 Dura 칩을 사용한 태그는 솔더링하였으며, μFDN 형태의 G2XL 칩을 사용한 태그는 Dr. Tresky사의 T3000-FC3를 이용하여 본딩하였다.
- 태그 칩은 EPCglobalTM Gen2 스펙(specification)[17]을 만족하는 TSSOP 형태(솔더링 마운트)의 Impinj Monza 4 Dura와 μDFN 형태(플립칩 본딩 마운트)의 NXP UCODE G2XL을 사용하였다.
데이터처리
- 읽기 전력 감도 Ps는 측정된 Pth로부터 그림 2의 절차와 방법에 따라 회로해석을 통해 Rcm에 소모된 전력량으로 산출하였으며, 그 결과를 표 2에 보였다. 실험에서 구한 두 칩의 읽기 전력 감도는 데이터 시트와 비교했을 때, 1 dB 이하의 차이를 보였다.
이론/모형
- . 본 연구에서는 Nikitin 등이 제안된 방법을 사용하였다. 그림 1(a)는 RFID 테스터를 이용해 읽기 전력 감도를 구하기 위한 측정장치의 블록도이다.
- 본 연구에서는 칩의 마운트 방법과 패키지 형태에 무관하게 적용할 수 있는 Yang 등이 제안한 디임베드 방법(de-embed method)을 이용하여 칩의 임피던스 값을 산출하였다[16].
- 제작된 태그 안테나의 임피던스는 2포트(2-port) S-파라미터 방법[20],[21]으로 산출하였으며, S-파리미터는 그림 11에 보인 무반향실(anechoic chamber)에서 측정하였다. 그리고 제작된 각 안테나들의 임피던스 Za는 튜닝 과정을 통해 표 2에 수록된 칩 임피던스 Zcm과의 오차가 3 % 이내에서 공액정합 되도록 하였다.
- 태그 칩은 EPCglobalTM Gen2 스펙(specification)[17]을 만족하는 TSSOP 형태(솔더링 마운트)의 Impinj Monza 4 Dura와 μDFN 형태(플립칩 본딩 마운트)의 NXP UCODE G2XL을 사용하였다. 칩의 마운트를 위한 패드(pad)의 모양과 치수는 태그 칩 제조회사에서 제시한 제작지침에 따랐다.
성능/효과
- 실험결과의 보편성을 확인하기 위해 칩의 마운트 방법이 다른 두 가지 타입(본딩과 솔더링)의 Gen2칩이 사용되었다. 각 산출 방법에 따라 읽기 전력 감도는 최대 3.0 dB 차이를 보였고, 이에 따라 칩의 임피던스도 인식 거리에 영향을 미칠 정도의 다른 값으로 산출되었다. 이는 태그의 제조공정에서 발생된 기생 성분과 프로토콜 파라미터 설정의 차이에서 기인된 것이다.
- 모든 경우 본 연구에서 제안하는 임피던스 산출 방법(상용 리더를 이용)이 다른 두 방법보다 더 긴 인식 거리(최대 73 %)를 가져왔다. 이것은 리더와의 통신 프로토콜이 최대 인식 거리에 영향을 미치고 있음을 보여주는 것으로, 상용 리더가 최대 인식 거리를 가져 올 수 있도록 최적화되어 있기 때문으로 판단된다.
- 읽기 전력 감도 Ps는 앞 절과 동일한 방법으로 산출하여 표 2에 수록하였다. 실험에서 구한 두 칩의 읽기 전력 감도는 데이터 시트와 비교하였을 때, 3.0 dB 정도 크게 산출되었다.
- 에 소모된 전력량으로 산출하였으며, 그 결과를 표 2에 보였다. 실험에서 구한 두 칩의 읽기 전력 감도는 데이터 시트와 비교했을 때, 1 dB 이하의 차이를 보였다.
- 각 방법에 의해 산출된 칩 임피던스에 따라 안테나를 설계한 후 태그로 제작하여 인식 거리를 비교하였다. 제안된 방법(상용리더를 이용)으로 산출된 임피던스에 공액 정합된 태그가 인식 거리에서 기존 방법(데이터 시트 및 RFID 테스터 이용 방법)과 비교해 최대 73 % 이상의 인식 거리 개선을 보였다. 이러한 결과는 리더의 통신 프로토콜이 최대 인식 거리에 영향을 미치고 있음을 보여주는 것으로, 리더 제조회사의 자체기술을 통해 인식 거리에 최적화된 프로토콜 파라미터들이 설정되어 있기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
- 이러한 결과는 리더의 통신 프로토콜이 최대 인식 거리에 영향을 미치고 있음을 보여주는 것으로, 리더 제조회사의 자체기술을 통해 인식 거리에 최적화된 프로토콜 파라미터들이 설정되어 있기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 상용리더를 이용한 방법은 최대 인식 거리를 얻기 위한 태그 칩의 임피던스를 결정하는 방법으로 유효하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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