[논문]RFID 시스템 이용한 열차 위치검지용 빔폭 가변형 RFID 리더안테나

안치형; 조봉관; 류상환; 오순수

doi:10.7782/jksr.2015.18.2.105

RFID 시스템 이용한 열차 위치검지용 빔폭 가변형 RFID 리더안테나
Design of Beam-forming Reader Antenna for Train Position Detection using RFID 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.18 no.2 = no.87, 2015년, pp.105 - 110

안치형 (KRRI (Korea Railroad Research Institute)) , 조봉관 (KRRI (Korea Railroad Research Institute)) , 류상환 (KRRI (Korea Railroad Research Institute)) , 오순수 (Department of Electronic Engineering Chosun University)

초록
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본 논문은 RFID기술기반의 새로운 저비용 고정밀 열차위치검지기술을 위하여 빔폭 가변형 $4{\times}1$ 리더안테나 시스템의 설계를 제안하였다. 또한, 열차 구간별 속도 변화에 따라 제안된 리더안테나의 요구되는 빔폭 계산을 수행하였다. 열차속도에 의한 제안된 안테나 시스템은 사각패치형태의 방사소자들을 스위칭 커플러를 이용하여 임피던스 변환없이 두개의 모드로 동작하도록 설계되었다. 스위칭 커플러는 사각 quadrature coupler의 중심선에 Pin Diode를 그라운드와 연결하여 다이오드의 ON/OFF 설정으로 빔폭 가변을 스위칭 하도록 하였다. 설계된 안테나는 다이오드 OFF에 $18^{\circ}$와 다이오드 ON에 $39^{\circ}$의 빔폭을 확인 하였다. 본 논문에서 설계된 리더안테나 시스템은 향후 실제 차량 시험을 통하여 철도환경에서 보다 정밀한 열차위치검지기술 확보를 위하여 유용하게 사용될 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a $4{\times}1$ beam-forming reader antenna system for a new type of RFID based train position detection technology. The required beamwidth of the reader antenna is analytically expressed for different train speeds. The proposed antenna system consists of four rectangular patch elements and two switching couplers which are designed, without any impedance matching networks, for two different antenna modes. The switching coupler is a rectangular quadrature coupler with Pin diodes connecting its center line and the ground plane. The beamwidth of the antenna when the diodes are off and on is $18^{\circ}$ and $39^{\circ}$, respectively. The proposed antenna system will be used for a real train test in the near future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 RFID 시스템을 이용하여 저비용 고정밀 열차위치검지기술을 제안하였다. 선로에 설치된 저가의 상용 태그를 열차 속도에 따라 정밀하게 인식하기 위하여 열차상에 설치된 리더안테나의 빔폭을 가변할 수 있도록 설계하였다.
하지만 기존의 RFID 위치검지기술은 대부분 능동형 태그를 사용하는 형태로 기존의 고가 능동형 태그의 대체품 개발에 집중되어 있다. 본 논문에서는 새로운 형태의 리더안테나 개발을 통하여 저가의 상용 태그 사용이 가능하도록 하였으며, 이로부터 전체 시스템 설치비용과 선로상 태그의 유지보수 비용을 최소화 할 수 있는 저비용 고정밀 RFID 적용 위치검지기술 컨셉을 바탕으로 하였다. 제안된 시스템은 열차 속도 및 선로상에 설치된 상용 태그의 간격에 따라 리더안테나의 빔폭을 가변할 수 있도록 설계하는 것이다.

제안 방법

3D EM 시뮬레이션을 통하여 설계된 안테나 시스템은 커플러 상에 설치된 다이오드의 ON/OFF 특성에 따라 방사소자가 2개 또는 4개로 작동되며 각각 39°, 18°의 빔폭 특성을 확인 하였다.
즉, 열차 속도에 따른 리더안테나의 최소 빔폭 계산식과 4×1 배열 안테나 소자를 이용하여 이중모드 빔폭을 갖는 안테나 설계를 본 논문에서 제안하였다. 또한 안테나의 이중모드를 위하여 스위칭 커플러를 이용하여 효율적인 빔폭 가변이 가능하도록 하였다. 3D EM 시뮬레이션을 통하여 설계된 안테나 시스템은 커플러 상에 설치된 다이오드의 ON/OFF 특성에 따라 방사소자가 2개 또는 4개로 작동되며 각각 39°, 18°의 빔폭 특성을 확인 하였다.
또한, 4×1 배열 안테나에 스위칭 커플러를 연결하여 선택적인 빔폭 가변이 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 앞절에서 설계된 단일 안테나와 스위칭 커플러를 결합하여 Fig. 8과 같이 4×1 스위칭 배열 안테나구조를 제안한다.
본 논문에서는 RFID 시스템을 이용하여 저비용 고정밀 열차위치검지기술을 제안하였다. 선로에 설치된 저가의 상용 태그를 열차 속도에 따라 정밀하게 인식하기 위하여 열차상에 설치된 리더안테나의 빔폭을 가변할 수 있도록 설계하였다. 이를 위하여 우선적으로 열차 속도에 의한 리더안테나의 빔폭 계산식을 제안하였다.
안테나는 일반적인 사각패치 형태로 방사소자 크기가 170×108mm²로 설계 되었다. 안테나포트와 방사소자 사이에 임피던스 매칭을 위하여 quarter-wave transformer를 삽입하였다. Fig.
앞절에서 설계된 단일 안테나를 연결하여 4×1 배열안테나를 설계하였다.
열차 속도에 따른 빔폭 가변형 RFID 안테나 제작을 위하여 제시된 안테나 타입은 900MHz 대역의 사각패치 안테나소자를 기반으로 4×1 어레이 형태로 설계 되었다.
6은 커플러 대칭선 위로 Pin Diode가 접지면과 연결된 모습을 보여준다. 이때, 다이오드의 동작이 OFF인 경우 커플러 Output port 2와 3 모두 신호크기가 균등하게 전달 될 수 있도록 하고, 다이오드 동작이 ON인 경우 커플러의 Output port 중 한쪽으로만 신호전달이 되도록 설계 하였다. Fig.
선로에 설치된 저가의 상용 태그를 열차 속도에 따라 정밀하게 인식하기 위하여 열차상에 설치된 리더안테나의 빔폭을 가변할 수 있도록 설계하였다. 이를 위하여 우선적으로 열차 속도에 의한 리더안테나의 빔폭 계산식을 제안하였다. 또한, 4×1 배열 안테나에 스위칭 커플러를 연결하여 선택적인 빔폭 가변이 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 새로운 형태의 리더안테나 개발을 통하여 저가의 상용 태그 사용이 가능하도록 하였으며, 이로부터 전체 시스템 설치비용과 선로상 태그의 유지보수 비용을 최소화 할 수 있는 저비용 고정밀 RFID 적용 위치검지기술 컨셉을 바탕으로 하였다. 제안된 시스템은 열차 속도 및 선로상에 설치된 상용 태그의 간격에 따라 리더안테나의 빔폭을 가변할 수 있도록 설계하는 것이다. 즉, 열차 속도에 따른 리더안테나의 최소 빔폭 계산식과 4×1 배열 안테나 소자를 이용하여 이중모드 빔폭을 갖는 안테나 설계를 본 논문에서 제안하였다.
즉, 열차 속도에 따른 리더안테나의 최소 빔폭 계산식과 4×1 배열 안테나 소자를 이용하여 이중모드 빔폭을 갖는 안테나 설계를 본 논문에서 제안하였다.

대상 데이터

1과 같이 열차 속도 검지용 RFID 리더 안테나는 열차의 하부에 설치를 하고 테그 안테나는 선로를 따라 설치된다. 본 논문에서는 리더안테나를 일반적인 900MHz 대역 패치 안테나 형태로 하고 열차하부에서 선로까지 최소거리가 약 70cm인 경우를 고려 하였다. 이 경우 두 안테나는 Far field 영역에 놓이게 되어 각 안테나에 수신되는 전력 값을 Friis Transmission Equation을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다[12].
3은 제안된 단일 안테나의 구조를 보여 준다. 안테나 제작을 위하여 설계 시 비유전율 2.2인 Taconic TLY5 기판 정보를 이용하였다. 안테나는 일반적인 사각패치 형태로 방사소자 크기가 170×108mm²로 설계 되었다.

이론/모형

빔폭 가변형 리더 안테나 설계를 위하여 Method of Moments(MoM) 기반의 상용 소프트웨어인 ANSYS Designer를 사용하였다[13]. Fig.

성능/효과

Fig. 9(a)의 전류분포 결과로부터 커플러의 Input port를 지나는 모든 신호가 4개의 안테나에 고르게 분포되는 것을 알 수 있다. 이때 배열 안테나의 반사계수와 방사패턴 특성은 Fig.
반사계수 S11=-24.7dB, 방사 패턴 특성 BW=39°과 Gain=9.3dBi로부터 다이오드가 OFF인 경우에 비하여 빔폭이 약 2배 증가하고, 이득이 약 2배 감소함을 확인하였다.
또한, 4×1 배열 안테나에 스위칭 커플러를 연결하여 선택적인 빔폭 가변이 가능하도록 하였다. 스위칭 커플러의 다이오드 동작에 의하여 설계된 배열 안테나의 빔폭이 39^o와 18^o로 가변되는 것을 확인 하였다. 위의 안테나는 MoM 기반의 상용소프트웨어를 이용하여 설계되었으며, 향후 실제 차량 시험을 통하여 보다 정밀한 열차위치검지기술 확보를 위하여 이용될 예정이다.
10은 설계된 Pin Diode가 ON인 경우 배열 안테나의 특성을 보여준다. 주파수 917MHz에서 전류분포가 가운데 두개의 안테나 소자에만 집중되는 것으로부터 스위칭 커플러의 특성이 올바르게 작동되는 것을 확인할 수 있다. 반사계수 S11=-24.

후속연구

3D EM 시뮬레이션을 통하여 설계된 안테나 시스템은 커플러 상에 설치된 다이오드의 ON/OFF 특성에 따라 방사소자가 2개 또는 4개로 작동되며 각각 39°, 18°의 빔폭 특성을 확인 하였다. 설계된 안테나는 향후 실차 시험을 통하여 철도환경에서 보다 정밀한 위치검지기술로 활용 할 예정이다.
스위칭 커플러의 다이오드 동작에 의하여 설계된 배열 안테나의 빔폭이 39^o와 18^o로 가변되는 것을 확인 하였다. 위의 안테나는 MoM 기반의 상용소프트웨어를 이용하여 설계되었으며, 향후 실제 차량 시험을 통하여 보다 정밀한 열차위치검지기술 확보를 위하여 이용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 제안된 RFID 시스템을 이용한 저비용 고정밀 열차위치검지기술은 어떻게 설계 되었는가?	본 논문에서는 RFID 시스템을 이용하여 저비용 고정밀 열차위치검지기술을 제안하였다. 선로에 설치된 저가의 상용 태그를 열차 속도에 따라 정밀하게 인식하기 위하여 열차상에 설치된 리더안테나의 빔폭을 가변할 수 있도록 설계하였다. 이를 위하여 우선적으로 열차 속도에 의한 리더안테나의 빔폭 계산식을 제안하였다. 또한, 4×1 배열 안테나에 스위칭 커플러를 연결하여 선택적인 빔폭 가변이 가능하도록 하였다. 스위칭 커플러의 다이오드 동작에 의하여 설계된 배열 안테나의 빔폭이 39o와 18o로 가변되는 것을 확인 하였다. 위의 안테나는 MoM 기반의 상용소프트웨어를 이용하여 설계되었으며, 향후 실제 차량 시험을 통하여 보다 정밀한 열차위치검지기술 확보를 위하여 이용될 예정이다.
	열차위치검지기술은 어떤 기술인가?	열차위치검지기술은 근접 열차간 추돌방지 등의 철도 안전성 향상뿐만 아니라 다양한 열차운행 조건에 따른 철도 효율성 및 승객 편의성 향상을 위한 핵심 기술이다. 기존의 궤도회로와 차륜센서를 이용한 위치검지기술은 제한된 위치정밀도 및 시간에 따른 상대오차 증가로 인하여 고정밀 열차운행을 위한 한계성을 가지고 있다[1].
	기존의 궤도회로와 차륜센서를 이용한 위치검지기술은 어떤 한계를 가지는가?	열차위치검지기술은 근접 열차간 추돌방지 등의 철도 안전성 향상뿐만 아니라 다양한 열차운행 조건에 따른 철도 효율성 및 승객 편의성 향상을 위한 핵심 기술이다. 기존의 궤도회로와 차륜센서를 이용한 위치검지기술은 제한된 위치정밀도 및 시간에 따른 상대오차 증가로 인하여 고정밀 열차운행을 위한 한계성을 가지고 있다[1]. 최근 철도 기술은 검증된 IT 기술의 적용으로 기존의 안정성 중심의 고가 시스템을 저가의 고효율 시스템으로 변화하는 추세이다.

참고문헌 (14)

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H.D. Chon, S. Jun, H. Jung, S.W. An (2004) Using RFID for Accurate Positioning, Journal of Global Positioning Systems, 3(1-2), pp. 32-39.

상세보기
C. A. Balanis (2005) Antenna Theory: Analysis and Design, Wilely, pp. 94-104.
ANSYS Designer, Ansys, 2014.
D. M. Pozar (2011) Microwave Engineering, Wiley, 2(1), pp. 317-358.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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