[논문]RFID 리더용 광대역 원편파 안테나 설계

이종익; 여준호; 박진택

doi:10.6109/jkiice.2015.19.8.1759

초록
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본 논문에서는 UHF 대역 RFID 리더용 원편파 안테나 설계 방법에 대해 연구하였다. 안테나는 원형 마이크로스트립 패치를 이중급전하여 우선원편파를 발생시키는 구조이다. 이중급전을 위해 90도 하이브리드 결합기를 이용하였다. 결합기 출력과 원형패치는 동선으로 연결되고 동선에 의해 발생되는 유도성 리액턴스 성분을 보상하기 위해 원형패치에 링형 슬롯을 삽입하였다. 제안된 안테나 구조의 파라미터들이 안테나 특성에 미치는 영향을 분석하고 국내를 포함한 북미 UHF RFID용 주파수 대역(902-928 MHz)에 적합하도록 파라미터 값들을 조정하였다. 안테나를 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2인 대역은 854-993 MHz이었다. 제작된 안테나를 상용 RFID 리더에 연결하고 태그 인식성능을 점검하여 양호한 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we considered a design method of a circular polarization (CP) antenna for UHF (ultra high frequency) RFID (Radio Frequency IDentification) readers. The antenna is a dual-fed circular microstrip patch which produces right-handed CP. Quadrature hybrid coupler is used for dual feeding. T...

In this paper, we considered a design method of a circular polarization (CP) antenna for UHF (ultra high frequency) RFID (Radio Frequency IDentification) readers. The antenna is a dual-fed circular microstrip patch which produces right-handed CP. Quadrature hybrid coupler is used for dual feeding. The outputs of the coupler and circular patch are connected through copper wires, and the inductive reactance produced by the connecting wires is compensated by a ring-shaped slot inserted inside the circular patch. The effects of the geometrical parameters of the proposed antenna on the antenna performance are examined, and the parameters are adjusted to be suitable for the operation in North American UHF RFID band (902-928 MHz), which includes domestic UHF RFID band. The antenna is fabricated, and the experiment results reveal a frequency band of 854-993 MHz for a voltage standing wave ratio < 2. The fabricated antenna is connected to a commercial RFID reader, and it showed a good performance of tag identification.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 UHF 대역 RFID 리더용 원편파 안테나 설계방법에 대해 연구하였다. 안테나 구조는 원형 접지 판, 90도 하이브리드 결합기, 원형패치, 연결 동선 등으로 구성된다.
본 논문에서는 UHF(ultra high frequency) 대역 RFID용 원형 마이크로스트립 패치 안테나를 이중급전 방식으로 원편파를 발생시키도록 설계하는 방법에 대해 연구하였다. 원형패치 안테나를 급전하기 위한 90도 위상차를 갖는 두 개의 신호를 발생시키기 위해 90도 하이브리드 결합기(quadrature hybrid coupler; QHC)를 이용하였다.

가설 설정

내부 도체가 원형패치에 연결되어 안테나가 급전된다. UHF대역 RFID용 주파수(902—928 MHz)에 적합하도록 단일급전 직선편파 안테나를 설계하기 위해서는 패치의 반경(_), 링 슬롯의 반경(_)과 폭(_) 등을 적절히 조절하여야 하며, _=14 mm로 가정하였다.
제작된 안테나의 반사계수를 회로망분석기를 이용하여 측정한 결과 그림 10에서 보는 바와 같이 VSWR < 2이하인 주파수 대역은 854—993 MHz 로 광대역 특성을 갖는다. 실험결과가 시뮬레이션(828 —1, 036 MHz)와 다소 차이를 보이는 것은 시뮬레이션에서는 접지면과 원형패치 사이를 공기로 가정한 것을 실험에서는 스티로폼으로 지지한 것과 시뮬레이션에서는 고려하지 않았던 동축 급전 케이블에 의한 영향으로 생각된다.

제안 방법

FR4 기판을 이용하여 링형 슬롯 쌍을 갖는 원형 패치 안테나를 제작하고 직경 1 mm 동선을 이용하여 연결하였으며, 급전선인 50옴 동축 케이블을 QHC에 납땜으로 연결하였다. 패치와 접지면 사이의 공간 간격 (air space)는 두께 14 mm의 스티로폼을 이용하여 지지하였으며, 그림 9는 제작된 안테나 사진이다.
결합기의 출력을 동선을 통해 원형패치에 연결하여 상호직교하는 편파를 발생시키도록 한다. 국내를 포함한 북미 UHF RFID 주파수 대역(902-928 MHz) 내에서 축비특성이 양호한 우선원편파(right-handed CP; RHCP)가 발생되도록 안테나의 파라미터값들을 조정하여 적절한 안테나 치수를 도출하였다. 안테나 시스템을 제작하고 조립하여 입력 반사계수를 측정하였다.
국내를 포함한 북미 UHF RFID 주파수 대역(902-928 MHz) 내에서 축비특성이 양호한 우선원편파(right-handed CP; RHCP)가 발생되도록 안테나의 파라미터값들을 조정하여 적절한 안테나 치수를 도출하였다. 안테나 시스템을 제작하고 조립하여 입력 반사계수를 측정하였다. 제작된 안테나의 태그 인식성능을 테스트하고 상용 리더 안테나와 비교하여 RFID 리더용 안테나로의 적용 가능성을 점검하였다.
원형패치 안테나를 급전하기 위한 90도 위상차를 갖는 두 개의 신호를 발생시키기 위해 90도 하이브리드 결합기(quadrature hybrid coupler; QHC)를 이용하였다. 결합기의 출력을 동선을 통해 원형패치에 연결하여 상호직교하는 편파를 발생시키도록 한다.
안테나 구조는 원형 접지 판, 90도 하이브리드 결합기, 원형패치, 연결 동선 등으로 구성된다. 적합한 특성을 갖도록 안테나의 파라미터값들을 조정한 후 제작된 안테나의 특성을 측정하고 인식성능을 점검하였다. 제작된 안테나의 크기는 직경 280 mm, 높이 15 mm 정도이고, VSWR < 2인 대역이 854—993 MHz, RFID용 주파수 대역(902—928 MHz) 내에서 원편파 이득이 약 6.

대상 데이터

제작된 리더기 안테나의 태그인식 성능을 비교하기 위해 본 연구에서 사용된 상용 리더기는 LS산전社 의 IU9003 모델이며, 리더기에 장착된 상용 안테나의 이득은 9 dBic이고 크기는 330 mm × 330 mm × 50 mm 이다. 테스트에 사용된 태그는 Alien社 제품을 이용하였고, 상용 안테나의 인식거리 502 cm, 본 연구에서 설계된 안테나의 인식거리 431 cm이었다.
패치와 접지면 사이의 공간 간격 (air space)는 두께 14 mm의 스티로폼을 이용하여 지지하였으며, 그림 9는 제작된 안테나 사진이다. 제작된 안테나의 크기는 접지판의 직경 280 mm, 원형 패치의 직경 140 mm이다. 제작된 안테나의 반사계수를 회로망분석기를 이용하여 측정한 결과 그림 10에서 보는 바와 같이 VSWR < 2이하인 주파수 대역은 854—993 MHz 로 광대역 특성을 갖는다.
제작된 리더기 안테나의 태그인식 성능을 비교하기 위해 본 연구에서 사용된 상용 리더기는 LS산전社 의 IU9003 모델이며, 리더기에 장착된 상용 안테나의 이득은 9 dBic이고 크기는 330 mm × 330 mm × 50 mm 이다. 테스트에 사용된 태그는 Alien社 제품을 이용하였고, 상용 안테나의 인식거리 502 cm, 본 연구에서 설계된 안테나의 인식거리 431 cm이었다. 자유공간에서 인식 거리와 이득 관계를 고려해 볼 때, 상용 안테나와의 이득 차이는 약 1.

성능/효과

먼저 안테나를 급전하기 위한 QHC를 그림 8과 같이 제작하고 회로망분석기(N₅₂30A, Agilent社)로 특성을 실험한 결과 RFID 대역 내에서 __ < —22.5 dB, __ < —23.1 dB, __ < —27.4 dB이고, f = 915 MHz에서 __ = —3.51 dB, __ < —3.97 dB, ∠_∠_ ≃인 양호한 특성을 확인할 수 있었다.
7 dBic 정도 되는 것으로 추정할 수 있다. 상용 안테나에 비해 면적이 56.5 %, 두께 32 %, 인식 거리 86 % 인 것을 볼 때, 본 연구의 안테나가 리더안테나로서 적합한 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
제작된 안테나의 크기는 접지판의 직경 280 mm, 원형 패치의 직경 140 mm이다. 제작된 안테나의 반사계수를 회로망분석기를 이용하여 측정한 결과 그림 10에서 보는 바와 같이 VSWR < 2이하인 주파수 대역은 854—993 MHz 로 광대역 특성을 갖는다. 실험결과가 시뮬레이션(828 —1, 036 MHz)와 다소 차이를 보이는 것은 시뮬레이션에서는 접지면과 원형패치 사이를 공기로 가정한 것을 실험에서는 스티로폼으로 지지한 것과 시뮬레이션에서는 고려하지 않았던 동축 급전 케이블에 의한 영향으로 생각된다.
적합한 특성을 갖도록 안테나의 파라미터값들을 조정한 후 제작된 안테나의 특성을 측정하고 인식성능을 점검하였다. 제작된 안테나의 크기는 직경 280 mm, 높이 15 mm 정도이고, VSWR < 2인 대역이 854—993 MHz, RFID용 주파수 대역(902—928 MHz) 내에서 원편파 이득이 약 6.5 dBic 이상으로 유지되는 양호한 특성을 갖는 것을 볼 때, 실제 리더용 안테나로 응용하기에 적합한 것으로 사료된다.
안테나 시스템을 제작하고 조립하여 입력 반사계수를 측정하였다. 제작된 안테나의 태그 인식성능을 테스트하고 상용 리더 안테나와 비교하여 RFID 리더용 안테나로의 적용 가능성을 점검하였다.

참고문헌 (9)

K. Finkenzeller, RFID handbook, Chichester: UK: Wiley, 2003.
R. Garg, P. Bhartia, A. Bahl, and A. Ittipiboon, Microstrip antenna design handbook, Artech House, 2001.
G. Kumar and K. P. Ray, Broadband microstrip antennas, Artech House, 2003.
K.-L. Wong, Compact and broadband microstrip antennas, New York; John Wiley & Sons, 2002.
H.-W. Son, H. Park, and H.-G. Jeon, "Design of a circularly polarised radio-frequency identification reader antenna with high return loss," IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 5, no. 15, pp. 1844-1848, 2011.

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Nasimuddin, Z. N. Chen, and X. Qing, "Asymmetric-circular shaped slotted microstrip antennas for circular polarization and RFID applications," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 58, no. 12, pp. 3821-3828, Dec. 2010.

상세보기
C.-Y.-D. Sim and C.-J. Chi, "A slot loaded circularly polarized patch antenna for UHF RFID reader," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 10, pp. 4516—4521, Dec. 2014.

상세보기
C.-Y.-D. Sim, Y.-W. Hsu, and G. Yang, "Slits loaded circularly polarized universal UHF RFID reader antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 14, pp. 827-830, 2015.

상세보기
Q. Liu, J. Shen, H. Liu, and Y. Liu, "Dual-band circularly-polarized unidirectional patch antenna for RFID reader applications," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 12, pp. 6428-6434, Dec. 2014.

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