본 논문에서는 RF 에너지 충전 시스템 기능이 가능한 이중대역 RFID 태그 안테나(Tag antenna)를 제안한다. 제안된 안테나는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 각각 수동형과 능동형의 RFID 태그 안테나로 동작을 한다. 또한 능동형으로 동작하는 Microwave 대역 RFID 태그의 제한된 배터리 용량을 보충하기 위하여 수동형 태그로 동작하는 UHF 대역의 RFID 태그를 위한 RF 신호를 충전 회로에 적용 가능한 이중대역 RFID 태그 안테나의 특징을 가진다. 제안된 안테나는 UHF 대역 (917~923.5 MHz)과 Microwave 대역 (2.4~2.45 GHz)에서 동작을 위한 $50{\Omega}$의 단일급전이 이용된 다이폴(Dipole) 구조와 미앤더(Meander) 기생 소자들을 이용한 ${\lambda}/2$ 다이폴과 $1{\lambda}$ 다이폴로 각각 동작하는 이중대역 안테나의 특징을 가진다. 다이폴 구조는 Microwave 대역에서 동작을 하며, 다이폴 구조에 추가된 미앤더 기생 소자와 함께 UHF 대역에서 동작을 한다. 즉, Microwave 대역에 대하여 동작하는 다이폴 구조는 UHF 대역에서 동작을 위한 기생 소자들의 간접급전의 역할을 한다. 제작된 안테나는 UHF 대역의 917~923.5 MHz와 Microwave 대역의 2.4~2.45 GHz의 대역에 대하여 VSWR 2:1 이하를 만족하며, 또한 전방향적인 방사패턴 (Omni-directional radiation pattern)을 가진다. 안테나의 효율은 UHF 대역에서 45 % 이상, Microwave 대역에서 70 % 이상이며, 각각의 대역에서 0.18 dBi, 2.8 dBi 이상의 최대 이득을 가진다.
본 논문에서는 RF 에너지 충전 시스템 기능이 가능한 이중대역 RFID 태그 안테나(Tag antenna)를 제안한다. 제안된 안테나는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 각각 수동형과 능동형의 RFID 태그 안테나로 동작을 한다. 또한 능동형으로 동작하는 Microwave 대역 RFID 태그의 제한된 배터리 용량을 보충하기 위하여 수동형 태그로 동작하는 UHF 대역의 RFID 태그를 위한 RF 신호를 충전 회로에 적용 가능한 이중대역 RFID 태그 안테나의 특징을 가진다. 제안된 안테나는 UHF 대역 (917~923.5 MHz)과 Microwave 대역 (2.4~2.45 GHz)에서 동작을 위한 $50{\Omega}$의 단일급전이 이용된 다이폴(Dipole) 구조와 미앤더(Meander) 기생 소자들을 이용한 ${\lambda}/2$ 다이폴과 $1{\lambda}$ 다이폴로 각각 동작하는 이중대역 안테나의 특징을 가진다. 다이폴 구조는 Microwave 대역에서 동작을 하며, 다이폴 구조에 추가된 미앤더 기생 소자와 함께 UHF 대역에서 동작을 한다. 즉, Microwave 대역에 대하여 동작하는 다이폴 구조는 UHF 대역에서 동작을 위한 기생 소자들의 간접급전의 역할을 한다. 제작된 안테나는 UHF 대역의 917~923.5 MHz와 Microwave 대역의 2.4~2.45 GHz의 대역에 대하여 VSWR 2:1 이하를 만족하며, 또한 전방향적인 방사패턴 (Omni-directional radiation pattern)을 가진다. 안테나의 효율은 UHF 대역에서 45 % 이상, Microwave 대역에서 70 % 이상이며, 각각의 대역에서 0.18 dBi, 2.8 dBi 이상의 최대 이득을 가진다.
In this paper, a dual-band antenna is proposed for the RF power harvester system as well as RFID tag. The proposed antenna operates as the passive and active RFID tag antenna in the UHF and microwave band, respectively. In addition, to charge the battery of an active RFID tag in the microwave band, ...
In this paper, a dual-band antenna is proposed for the RF power harvester system as well as RFID tag. The proposed antenna operates as the passive and active RFID tag antenna in the UHF and microwave band, respectively. In addition, to charge the battery of an active RFID tag in the microwave band, it harvest the RF signal for tagging from the passive RFID tag antenna in the UHF band. The proposed antenna operates in the UHF band (917~923.5 MHz) and microwave band (2.4~2.45 GHz). In order to obtain the dual-band operation, the dipole structure and meander parasitic elements are proposed as the ${\lambda}/2$ and $1{\lambda}$ dipole antenna, respectively. The radiating dipole structure in the microwave band acts as the coupled feed for the meander parasitic elements in the UHF band. The impedance bandwidth (VSWR < 2) of the proposed antenna covers 917~923.5 MHz (UHF band) and 2.4~2.45 GHz (Microwave band). Measured total efficiencies are over 45 % in the UHF band and over 70 % in the microwave band. Peak gains are over 0.18 dBi and 2.8 dBi in the UHF and microwave band with an omni-directional radiation pattern, respectively.
In this paper, a dual-band antenna is proposed for the RF power harvester system as well as RFID tag. The proposed antenna operates as the passive and active RFID tag antenna in the UHF and microwave band, respectively. In addition, to charge the battery of an active RFID tag in the microwave band, it harvest the RF signal for tagging from the passive RFID tag antenna in the UHF band. The proposed antenna operates in the UHF band (917~923.5 MHz) and microwave band (2.4~2.45 GHz). In order to obtain the dual-band operation, the dipole structure and meander parasitic elements are proposed as the ${\lambda}/2$ and $1{\lambda}$ dipole antenna, respectively. The radiating dipole structure in the microwave band acts as the coupled feed for the meander parasitic elements in the UHF band. The impedance bandwidth (VSWR < 2) of the proposed antenna covers 917~923.5 MHz (UHF band) and 2.4~2.45 GHz (Microwave band). Measured total efficiencies are over 45 % in the UHF band and over 70 % in the microwave band. Peak gains are over 0.18 dBi and 2.8 dBi in the UHF and microwave band with an omni-directional radiation pattern, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 다이폴 구조와 미앤더 기생 소자들을 이용하여 저전력 PM 기술을 위한 RF 충전 시스템 기능에 적용 가능한 이중대역 RFID 태그 안테나를 설계하였다. 제안된 안테나는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 각각 수동형과 능동형의 RFID 태그 안테나로 동작을 하고, 능동형으로 동작하는 Microwave 대역 태그의 배터리의 전력을 수급하기 위하여 수동형으로 동작하는 UHF 대역의 RF 신호를 충전 회로에 적용하는 이중대역 RFID 태그 안테나의 특징을 가진다.
본 논문은 이중대역 (UHF/Microwave band) RFID 태그 안테나의 설계에 대한 연구이다. 대다수의 태그는 단일대역의 무선통신의 특징을 가지는 시스템에 대하여 설계가 된다.
따라서 장기적인 능동형 RFID 태그의 사용을 위해서는 효율적인 저전력 PM (Power Management) 기술이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 PM 기술에 대하여, UHF 대역의 수동형 태그에 인가되는 RF 신호를 통해 Microwave 대역 능동형 태그의 향상된 배터리의 가용주기를 위한 RF 충전 시스템 기능을 가능하도록 하는 이중대역 RFID 태그에 대한 연구를 진행하였다. 제안하고자 하는 이중대역 RFID 태그 안테나는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 각각 태그 안테나의 기능을 수행한다.
제안 방법
그리하여 다이폴 구조의 좌우측에 배치된 미앤더 기생 소자들은 UHF대역에서 1λ 다이폴 안테나의 전류 분포를 나타내고 있다. 또한 <그림 2>의 (a)에서, 기생 소자들에 분포하는 전류분포의 최대지점을 다른 미앤더 기생 소자들의 구조들과 이격시킴으로서 근접한 전류의 흐름에 대한 영향을 저감시켜 효율적인 전류의 흐름을 가지도록 설계를 하였다. 그리고 미앤더 기생 소자들의 끝부분을 넓게 하여 축전기판(Capacitor-plate) 안테나와 같이 방사체에 비교적 균일한 전류가 흘러 이상적인 다이폴 안테나에 가깝게 동작특성을 가지도록 유도하였다.
50Ω의 단일급전을 통해 직접급전이 되는 다이폴 구조를 이용하여 VSWR 2:1 이하에서 Microwave 대역에 대한 동작을 만족하였다.
UHF/Microwave 대역에서 동작하는 비교적 구조가 단순하고 크기가 작은 이중대역 RFID 태그 안테나를 설계 및 제작하였다. <그림 1>은 제안된 안테나의 전체적인 구조를 나타낸다.
또한 <그림 2>의 (a)에서, 기생 소자들에 분포하는 전류분포의 최대지점을 다른 미앤더 기생 소자들의 구조들과 이격시킴으로서 근접한 전류의 흐름에 대한 영향을 저감시켜 효율적인 전류의 흐름을 가지도록 설계를 하였다. 그리고 미앤더 기생 소자들의 끝부분을 넓게 하여 축전기판(Capacitor-plate) 안테나와 같이 방사체에 비교적 균일한 전류가 흘러 이상적인 다이폴 안테나에 가깝게 동작특성을 가지도록 유도하였다. 또한 동일한 크기와 형태를 가지는 방사체를 안테나의 중심축을 기준으로 180° 회전되어진 좌우측의 배치를 통해서 다이폴 안테나의 동작 특성인 전방향성의 특징을 만족하는 방사패턴을 확보하도록 하였다.
따라서, 의 제안된 이중대역 안테나 구조에서 각각의 UHF 대역과 Microwave 대역의 태그 기능과 추가적으로 Microwave 대역의 능동형 태그에 대하여 UHF 대역의 RF 신호의 전력을 통한 RF 에너지 충전이 가능하도록 한다.
50Ω의 단일급전을 통해 직접급전이 되는 다이폴 구조를 이용하여 VSWR 2:1 이하에서 Microwave 대역에 대한 동작을 만족하였다. 또한 다이폴 구조(Dipole structure)의 좌우측에 미앤더 기생 소자(Meander parasitic element)들을 배치함으로서 UHF 대역에서 동작이 가능하도록 하였다. UHF/Microwave 대역에서 동작이 가능하도록 제안된 이중대역 안테나의 성능은 효율과 최대 이득을 통하여 분석 및 검증되었다 [5].
또한 동일한 크기와 형태를 가지는 방사체를 안테나의 중심축을 기준으로 180° 회전되어진 좌우측의 배치를 통해서 다이폴 안테나의 동작 특성인 전방향성의 특징을 만족하는 방사패턴을 확보하도록 하였다.
<그림 3>의 제작된 이중대역 RFID 태그 안테나는 Agilent 사의 네트워크 분석기 E5071B와 무반사 챔버를 이용하여 측정 및 검증을 진행하였다.
제안된 안테나는 CST Microwave Studio를 통해 설계 및 EM 시뮬레이션 검증을 진행하였다. <그림 2>는 제안된 안테나의 920 MHz(UHF 대역)와 2.
본 논문에서는 다이폴 구조와 미앤더 기생 소자들을 이용하여 저전력 PM 기술을 위한 RF 충전 시스템 기능에 적용 가능한 이중대역 RFID 태그 안테나를 설계하였다. 제안된 안테나는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 각각 수동형과 능동형의 RFID 태그 안테나로 동작을 하고, 능동형으로 동작하는 Microwave 대역 태그의 배터리의 전력을 수급하기 위하여 수동형으로 동작하는 UHF 대역의 RF 신호를 충전 회로에 적용하는 이중대역 RFID 태그 안테나의 특징을 가진다. 제작 및 측정된 안테나는 단일급전(50Ω)을 이용하여 급전선에 연결되어진 다이폴 안테나를 통해 Microwave 대역(2.
본 연구에서는 이러한 PM 기술에 대하여, UHF 대역의 수동형 태그에 인가되는 RF 신호를 통해 Microwave 대역 능동형 태그의 향상된 배터리의 가용주기를 위한 RF 충전 시스템 기능을 가능하도록 하는 이중대역 RFID 태그에 대한 연구를 진행하였다. 제안하고자 하는 이중대역 RFID 태그 안테나는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 각각 태그 안테나의 기능을 수행한다. 또한 UHF 대역에서 운용되는 수동형 태그의 동작 전력인 -10 dBm 이상의 RF 전력을 이용하여 RF 충전 기능이 가능하도록 하여, Microwave 대역의 능동형 RFID 태그에 대한 전력수급이 가능하게 하는 특징을 가진다.
대상 데이터
안테나는 50 ×50 × 1 [mm3]의 크기를 가지는 FR-4 (εr = 4.4) 유전체 기판 위에 설계되었다.
데이터처리
또한 다이폴 구조(Dipole structure)의 좌우측에 미앤더 기생 소자(Meander parasitic element)들을 배치함으로서 UHF 대역에서 동작이 가능하도록 하였다. UHF/Microwave 대역에서 동작이 가능하도록 제안된 이중대역 안테나의 성능은 효율과 최대 이득을 통하여 분석 및 검증되었다 [5].
성능/효과
45 GHz)을 VSWR 2:1 이하를 기준으로 만족하였다. 또한 Microwave 대역을 위한 다이폴 안테나는 좌우측에 추가 배치된 미앤더 기생 소자들에 대하여 간접급전으로 동작하게 함으로서 UHF 대역(917~923.5 MHz)을 동일한 기준으로 만족하였다. 제작 및 측정된 안테나는 각각 x축과 y축에 대하여 평행한 선형편파를 가지며 전방향적인 특성을 가진다.
제안된 이중대역 RFID 태그 안테나는 UHF 대역에서 45 % 이상, Microwave 대역에서 70% 이상의 효율을 가진다. 또한 UHF 대역에서 0.18 dBi 이상, Microwave 대역에서 2.8 dBi 이상의 최대 이득을 가짐을 보였다. 제안된 이중대역 RFID 안테나는 RF 에너지 충전시스템 분야에 효율적으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
제안된 안테나는 비교적 간단한 구조의 방사체를 통해 이중대역의 특성을 만족하였다. 50Ω의 단일급전을 통해 직접급전이 되는 다이폴 구조를 이용하여 VSWR 2:1 이하에서 Microwave 대역에 대한 동작을 만족하였다.
제안된 안테나는 와 같은 전류분포를 통해 다이폴 안테나의 특징을 가짐에 따라 UHF 대역은 x축에 평행한 선형편파(Linear polarization)와 Microwave 대역은 y축에 평행한 선형편파의 특징을 가진다.
제작 및 측정된 안테나는 각각 x축과 y축에 대하여 평행한 선형편파를 가지며 전방향적인 특성을 가진다. 제안된 이중대역 RFID 태그 안테나는 UHF 대역에서 45 % 이상, Microwave 대역에서 70% 이상의 효율을 가진다. 또한 UHF 대역에서 0.
제작 및 측정된 안테나는 단일급전(50Ω)을 이용하여 급전선에 연결되어진 다이폴 안테나를 통해 Microwave 대역(2.4~2.45 GHz)을 VSWR 2:1 이하를 기준으로 만족하였다.
<그림 6>은 제안된 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 최대 이득(Peak gain)을 나타낸다. 측정된 이중대역 RFID 태그 안테나는 UHF 대역에서 0.18 dBi 이상, Microwave 대역에서 2.8 dBi 이상의 최대 이득을 각각 가진다.
후속연구
이는 UHF 대역과 Microwave 대역에서 제안된 안테나에 대하여 각각 수직면인 YZ와 ZX 면에서 나타나는 방사패턴을 나타낸다. 이를 통하여 부착된 면을 고려하여 볼 때, 제안된 이중대역 RFID 태그 안테나는 전방향성의 특징을 가지며 일반적인 RFID 리더기와 통신이 가능할 것으로 고려된다.
8 dBi 이상의 최대 이득을 가짐을 보였다. 제안된 이중대역 RFID 안테나는 RF 에너지 충전시스템 분야에 효율적으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RFID (Radio Frequency IDentification) 시스템은 어떠한 분야에 활용이 가능한 기술인가?
RFID (Radio Frequency IDentification) 시스템은 유통, 물류, 자재 시스템 관리 및 출입문 통제 등과 같은 분야에서 광범위하게 활용이 가능한 기술이다. RFID 시스템은 기본적으로 리더(Reader)와 태그(Tag)로 구성이 되며, RFID 기술이 적용된 대상 물에 부착된 태그(Tag)의 IC칩에 저장된 정보를 리더기(Reader)와 무선을 통해 인식을 한다.
RFID 시스템은 기본적으로 무엇들로 구성되는가?
RFID (Radio Frequency IDentification) 시스템은 유통, 물류, 자재 시스템 관리 및 출입문 통제 등과 같은 분야에서 광범위하게 활용이 가능한 기술이다. RFID 시스템은 기본적으로 리더(Reader)와 태그(Tag)로 구성이 되며, RFID 기술이 적용된 대상 물에 부착된 태그(Tag)의 IC칩에 저장된 정보를 리더기(Reader)와 무선을 통해 인식을 한다. 기존의 제한된 정보만을 가지는 바코드 시스템을 대체하기 위하여 다양한 시스템 플랫폼 환경에서 RFID 시스템을 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
RFID (Radio Frequency IDentification) 시스템의 태그는 무엇에 따라 구분되는가?
기존의 제한된 정보만을 가지는 바코드 시스템을 대체하기 위하여 다양한 시스템 플랫폼 환경에서 RFID 시스템을 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. RFID 시스템을 구성하고 있는 태그는 이를 동작시키는 배터리의 유무에 따라서 수동형(Passive)과 능동형(Active)으로 구분되고, 또한 동작 주파수 대역에 따라 분류가 되기도 한다 [1-3].
참고문헌 (5)
J. R. Tuttle "Traditional and emerging technologies and applications in the radio frequency identification (RFID) industry", in Proc. IEEE Radio Frequency Integrated Circuit(RFIC) Symp., pp.5-8, Denver, CO, USA, June 1997
Z. N. Chen, Antennas for Portable Device, John Wiley & Sons Ltd, 2007.
J. Jung, B. Yu, B. Jung, and B. Lee "UHF band RFID tag antenna mountable on metallic object" J. Korea Inst. Intell. Transp. Syst., vol. 5, no. 1, pp.65-70, Apr. 2006.
G. Marrocco "The art of UHF RFID antenna design: impedance-matching and size-reduction techniques" IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 50, no. 1, pp.66-79, Feb. 2008.
S. Jeon, Y. Yu and J. Choi "Dual-band slot-coupled dipole antenna for 900MHz and 2.45GHz RFID tag application", IET Electron. Lett., vol. 42, no. 22, pp.1259-1260, Oct. 2006.
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