본 논문에서는 내장형 안테나의 일종인 IFA 구조를 이용하여 433MHz용 소형 능동 RFID 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나에서 급전점과 단락스트립 사이의 간격 변화, 복사기에 미엔더 라인 구조를 삽입, 복사기와 접지면 사이 간격 변화를 주어 안테나 성능을 개선하였다. 안테나 파라미터 특성에 확인하기 위하여 ANSYS사의 HFSS를 이용하였다. 433MHz 능동형 RFID주파수 대역은 433.67-434.17MHz이다. 제작한 안테나는 433MHz 능동형 RFID 대역에서 반사손실 -9.54dB이하의 값을 가지며, 최대 안테나 이득은 -4.28dBi임을 확인할 수 있다. 제안한 안테나의 전체 지그 크기는 $72{\times}44{\times}1mm$이고, 안테나 부분은 $35.5{\times}19.5mm$이다. 안테나의 측정결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 분석한 결과, IFA 구조를 이용한 소형 433MHz 안테나의 실용화 가능성을 확인 할 수 있었다.
본 논문에서는 내장형 안테나의 일종인 IFA 구조를 이용하여 433MHz용 소형 능동 RFID 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나에서 급전점과 단락스트립 사이의 간격 변화, 복사기에 미엔더 라인 구조를 삽입, 복사기와 접지면 사이 간격 변화를 주어 안테나 성능을 개선하였다. 안테나 파라미터 특성에 확인하기 위하여 ANSYS사의 HFSS를 이용하였다. 433MHz 능동형 RFID 주파수 대역은 433.67-434.17MHz이다. 제작한 안테나는 433MHz 능동형 RFID 대역에서 반사손실 -9.54dB이하의 값을 가지며, 최대 안테나 이득은 -4.28dBi임을 확인할 수 있다. 제안한 안테나의 전체 지그 크기는 $72{\times}44{\times}1mm$이고, 안테나 부분은 $35.5{\times}19.5mm$이다. 안테나의 측정결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 분석한 결과, IFA 구조를 이용한 소형 433MHz 안테나의 실용화 가능성을 확인 할 수 있었다.
In this paper, the antenna of a small active RFID for 433MHz is proposed, and the proposed antenna is a kind of built-in antenna, which uses IFA structure. The performance was improved by the change of the spacing between the feed point and short strip, inserting the meander line structure in a radi...
In this paper, the antenna of a small active RFID for 433MHz is proposed, and the proposed antenna is a kind of built-in antenna, which uses IFA structure. The performance was improved by the change of the spacing between the feed point and short strip, inserting the meander line structure in a radiator, and varying the gap between the radiator and the ground plane in the proposed antenna. To confirm the characteristics of the antenna parameters, HFSS from ANSYS Inc. was used for the analysis. The frequency band of 433MHz Active RFID is from 433.67 to 434.17 MHz. There is a value of return loss less than -9.54 dB in 433MHz band of the active RFID, and the maximum antenna gain is -4.28dBi. The Jig size of the proposed antenna is $72{\times}44{\times}1mm$, and the size of the antenna area is $35.5{\times}19.5mm$. The result proved the possibility of the practical use on miniaturized 433MHz antenna using IFA structure that came from comparing and analyzing the measured and simulated data of the antenna.
In this paper, the antenna of a small active RFID for 433MHz is proposed, and the proposed antenna is a kind of built-in antenna, which uses IFA structure. The performance was improved by the change of the spacing between the feed point and short strip, inserting the meander line structure in a radiator, and varying the gap between the radiator and the ground plane in the proposed antenna. To confirm the characteristics of the antenna parameters, HFSS from ANSYS Inc. was used for the analysis. The frequency band of 433MHz Active RFID is from 433.67 to 434.17 MHz. There is a value of return loss less than -9.54 dB in 433MHz band of the active RFID, and the maximum antenna gain is -4.28dBi. The Jig size of the proposed antenna is $72{\times}44{\times}1mm$, and the size of the antenna area is $35.5{\times}19.5mm$. The result proved the possibility of the practical use on miniaturized 433MHz antenna using IFA structure that came from comparing and analyzing the measured and simulated data of the antenna.
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문제 정의
본 논문에서는 IFA 구조를 이용하여 소형 433MHz 안테나를 구현하고자 한다. 다양한 안테나 제조 기법 중에 대량 생산성이 좋고, 표면 실장이 가능한 PCB (Printed Circuit Board) 형태로 IFA 구조를 구현하였다.
제안 방법
안테나 특성 파라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 E5071C Vector Network Analyzer를 이용하여 측정하였다.
그러나 공진주파수는 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 매우 유사한 특성을 나타낸다. 433MHz 공진주파수를 얻기 위하여, 제작된 안테나 복사기 끝부분을 튜닝하고 공진주파수를 측정하였다. 이 결과를 토대로, IFA 구조를 이용한 소형 433MHz 안테나로 동작되는 것을 확인할수 있다.
5mm이다. CPW 라인과 직접 급전을 위하여 SMA 커넥터를 모델링하여 시뮬레이션 하였다. 안테나의 총 길이는 146mm이다.
그림 3은 미엔더 라인의 위치 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. IFA 구조를 이용한 소형 433MHz 안테나의 특성을 확인하기 위한 두 번째로 4턴의 미엔더 라인을 구성하여 IFA 안테나 복사기의 위치에 따른 특성 변화를 확인할 수 있다. 그림 3은 미엔더 라인의 위치 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다.
IFA 구조를 이용한 소형 433MHz 안테나의 특성을 확인하기 위해서 첫 번째로 급전 점과 단락스트립 사이의 간격을 조정하였다. 조정 간격은 1.
이 길이를 공진 주파수로 변환하면 517MHz이다. 공진주파수 변화를 위하여 비유전율을 가진 FR4 재질을 이용한 PCB형태로 안테나를 구현하였고, 미엔더 라인구조와 IFA 구조를 이용하여 공진주파수를 변화시켰다. 표 1은 제안한 안테나 치수를 나타내었다.
본 논문에서는 IFA 구조를 이용하여 소형 433MHz 안테나를 구현하고자 한다. 다양한 안테나 제조 기법 중에 대량 생산성이 좋고, 표면 실장이 가능한 PCB (Printed Circuit Board) 형태로 IFA 구조를 구현하였다. 제안한 컨테이너용 433MHz 안테나 특성을 확인하기 위해 첫 번째 급전 점과 단락스트립(short strip)사이의 간격을 조정하였고, 두 번째는 복사체에 미엔더 (meander) 구조를 삽입하여 원하는 공진주파수를 확인 할 수 있었고, 마지막세 번째로는 안테나 복사체와 접지면 사이의 간격을 조정하여 제안한 안테나 특성을 확인할 수 있다.
안테나 특성 파라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 E5071C Vector Network Analyzer를 이용하여 측정하였다. 복사패턴 측정은 대전 테크노파크의 Antenna Far Field Chamber를 이용하여 측정하였다.
소형 433MHz의 안테나를 구현하기 위하여 IFA (Inverted F Antenna) 구조를 이용하여 소형화를 시켰다. 안테나가 소형화가 됨에 따라 대역폭이 좁아지고, 입력 임피던스도 낮아지고, 안테나의 이득과 복사효율이 낮아짐을 알 수 있다.
5mm 떨어진 곳과 각각 24mm, 48mm, 72mm 떨어진 곳에 4턴의 미엔더 라인을 위치하였다. 안테나 로딩 (loading) 방법을 이용하여 미엔더 라인의 위치에 따른 특성 변화를 확인하였다.
제안한 안테나의 제작은 최적화된 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나를 제작하였다. 안테나 기판 재질은 비유전율 εr = 4.
본 논문에서 제안된 안테나는 IFA 구조를 이용한 433MHz 안테나이다. 제안한 안테나의 특성을 확인하기 위하여 급전점과 단락스트립 사이의 간격조정과 복사기에 미엔더 구조 삽입, 안테나와 접지면 사이의 간격을 조정하였다. 안테나의 전체 지그 크기는 72×44×1mm이고, 안테나 부분의 크기는 35.
다양한 안테나 제조 기법 중에 대량 생산성이 좋고, 표면 실장이 가능한 PCB (Printed Circuit Board) 형태로 IFA 구조를 구현하였다. 제안한 컨테이너용 433MHz 안테나 특성을 확인하기 위해 첫 번째 급전 점과 단락스트립(short strip)사이의 간격을 조정하였고, 두 번째는 복사체에 미엔더 (meander) 구조를 삽입하여 원하는 공진주파수를 확인 할 수 있었고, 마지막세 번째로는 안테나 복사체와 접지면 사이의 간격을 조정하여 제안한 안테나 특성을 확인할 수 있다.
대상 데이터
본 논문에서 제안된 안테나는 IFA 구조를 이용한 433MHz 안테나이다. 제안한 안테나의 특성을 확인하기 위하여 급전점과 단락스트립 사이의 간격조정과 복사기에 미엔더 구조 삽입, 안테나와 접지면 사이의 간격을 조정하였다.
시뮬레이션 과정에서는 복사기와 접지면 재질을 Perfect Conductor 면을 설정하였고, 실제 제작한 안테나 복사기와 접지면은 동(copper)을 에칭하여 제작하였는데, 동의 높이는 1온스인 36μm이다.
실제 안테나 부분의 크기는 35.5×19.5mm이고, 접지면 크기는 50×44mm이다.
안테나 기판 재질은 비유전율 εr = 4.7인 FR4를 사용하였고.
안테나 기판은 FR4 기판 (εr = 4.7, tan δ = 0.02)을 이용하였고, 기판의 윗면에 안테나 소자가 위치한다.
7인 FR4를 사용하였고. 안테나와 접지면 재질은 1온스의 동(copper)을 사용하여 제작하였다. 안테나 특성 파라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 E5071C Vector Network Analyzer를 이용하여 측정하였다.
CPW 라인과 직접 급전을 위하여 SMA 커넥터를 모델링하여 시뮬레이션 하였다. 안테나의 총 길이는 146mm이다. 이 길이를 공진 주파수로 변환하면 517MHz이다.
제안한 안테나의 지그 크기는 72×44×1mm이다.
이론/모형
그림 1은 제안한 안테나 구조를 나타내었다. 안테나 모델링은 ANSYS HFSS를 이용하여 시뮬레이션 하였다. 제안한 안테나의 지그 크기는 72×44×1mm이다.
성능/효과
28dBi이다. 결과적으로 IFA 구조를 이용한 433MHz 안테나의 실용화 가능성을 확인 할 수 있었다. 추후 매칭(matching) 소자와 접지면 변화를 이용하여, 주파수 대역폭과 이득을 향상시키는 연구가 필요하다.
급전점과 단락스트립 사이의 간격이 증가될수록 정전 용량 값의 변화로 공진주파수 변화와 반사손실 값의 변화가 발생함을 확인할 수 있다.
5mm이다. 실제 제작한 안테나의 측정결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 분석하여 보면, 시뮬레이션 주파수 대역폭은 3.4MHz이고, 측정된 주파수 대역폭은 2.78MHz이다. 측정된 최대 이득 값은 -4.
433MHz 공진주파수를 얻기 위하여, 제작된 안테나 복사기 끝부분을 튜닝하고 공진주파수를 측정하였다. 이 결과를 토대로, IFA 구조를 이용한 소형 433MHz 안테나로 동작되는 것을 확인할수 있다. 그림 7은 제작된 안테나 사진을 나타내었다.
78MHz를 나타내었다. 측정된 반사손실 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 보면 반사손실 값이 약 18% 정도 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이유 중 하나는 재질 설정의 차이이다.
측정된 반사손실을 살펴보면 공진주파수는 434.92MHz이 고, 반사손실 값은 -11.87dB를 나타내었다. 주파수 대역 폭은 -9.
후속연구
추후 매칭(matching) 소자와 접지면 변화를 이용하여, 주파수 대역폭과 이득을 향상시키는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안터나에서의 일반적인 로딩 방법은 언제 사용되는가?
22dB이다. 안테나에서 일반적인 로딩 방법은 제한되 어진 복사기 길이에서 원하는 공진주파수를 얻고자 할때 사용되어 지는 방법이다. 4턴의 미엔더 라인의 위치가 복사기 시작점부터 0.
선형 IFA는 어떤 구조를 가지고 있는가?
선형 IFA(Inverted F Antenna)의 구조를 살펴보면 선복사기(radiator), 접지면(ground plane), 단락스트립 (short strip), 급전부(feed point)로 구성되어진다. 일반적인 IFA 안테나의 공진길이는 λ / 4이고, PIFA 안테나의 공진길이는 λ / 2이다.
안테나가 소형화가 됨에 따라 발생하는 문제점들을 해결하기 위해 어떤 방법들이 연구중인가?
안테나가 소형화가 됨에 따라 대역폭이 좁아지고, 입력 임피던스도 낮아지고, 안테나의 이득과 복사효율이 낮아 짐을 알 수 있다.[4] 이러한 특성을 개선시키기 위한 방법으로 리액턴스 소자를 이용하여 광대역 특성을 얻는 방법과 PIFA 구조의 패치에 기생 복사체를 접근시키는 방법, 복수 복사체 가지를 연결시키는 방법 등이 활발히 연구 중이다.[3]
참고문헌 (6)
Sang-Won Kang, "Design and Fabrication of Location Tracing Antenna for Container Transportation", Journal of IIBC, Vol. 14 , No 1, pp. 119-124, February 2014.
Kwon Tae Hong, Kwark Gwang Hoon, Lee Eun Kyu, Choi Hyung Rim, "A Study on the Dual band PIFA Antenna of 433MHz and 2.45GHz for Container Active RFID TAG", KICS Conference, pp. 769-790, June 2010.
Ha-Seok Jo, Sung-Jin Moon, Kyong-Nam Park, Jae-Seok Lee, Hyeong-Dong Kim, "Wide Bandwidth PIFA Design Using Reactive Element", Journal of KIEES, pp. 387-392, April 2014.
A. Babar, L. Ukkonen, M. Soini, L. Sydanheimo, "Miniaturized 433MHz Antenna for Card Size wireless Systems", Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 1-5 June 2009.
KEIT, "Technology Trends for Cargo Container Security device issues and International Standardization", pp. 16-23, February 2010.
C. A Balanis, Modern Antenna Handbook, pp. 1194-1198, Wiley, 2008.
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