[논문]인터디지털-커패시터 구조를 이용한 Chipless RFID용 고감도 소형 공진기 설계

여준호; 이종익

doi:10.12673/jant.2021.25.1.90

[국내논문] 인터디지털-커패시터 구조를 이용한 Chipless RFID용 고감도 소형 공진기 설계
Design of High-Sensitivity Compact Resonator using Interdigital-Capacitor Structure for Chipless RFID Applications 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.25 no.1, 2021년, pp.90 - 95

여준호 (대구대학교 ICT융합학부) , 이종익 (동서대학교 융합전자공학과)

초록
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본 논문에서는 chipless RFID (radio frequency identification) 태그용 고감도 소형 공진기의 설계 방법을 제안하였다. 제안된 고감도 소형 공진기는 기존의 전계-결합(ELC; electric field-coupled) 공진기에서 커패시터 모양의 스트립 구조 대신에 인터디지털-커패시터(IDC; interdigital-capacitor) 구조를 사용하였다. IDC 구조의 극판 길이가 기존의 커패시터 모양 구조 보다 더 길어 공진기의 등가 커패시턴스가 더 커지고, 이로 인해 레이다 단면적(RCS; radar cross section)의 공진 피크 주파수를 낮출 수 있다. 정사각형 루프의 길이와 스트립의 폭이 같은 두 공진기를 두께 0.8 mm의 RF-301 기판에 제작하였다. 실험 결과, ELC 공진기는 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 4.305 GHz와 -30.39 dBsm이었다. 제안된 IDC 공진기의 경우 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 3.295 GHz와 -36.91 dBsm이었다. 따라서 측정 공진 피크 주파수를 기준으로 공진기 크기가 23.5% 정도 소형화되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the design method for a high-sensitivity compact resonator for chipless RFID tags is proposed. Proposed high-sensitivity compact resonator uses an interdigital-capacitor structure instead of a capacitor-shaped strip structure in a conventional ELC resonator. The length of the electrode plate of the IDC structure is longer than that of the conventional capacitor-shaped structure, resulting in a larger equivalent capacitance of the resonator. This can lower the resonant peak frequency of the RCS characteristic. Two resonators with the same length of the square loop and the width of the strip are fabricated on an RF-301 substrate with a thickness of 0.8 mm. The experiment results show that the resonant peak frequency and value of the bistatic RCS for the ELC resonator were 4.305 GHz and -30.39 dBsm, whereas those of the proposed IDC resonator were 3.295 GHz and -36.91 dBsm. Therefore, the size of the resonator is reduced by 23.5% based on the measured resonant peak frequency of the RCS characteristic.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 공진기 구조: (a) ELC 공진기, (b) 제안된 IDC 공진기 Fig. 1. Geometry of resonators: (a) ELC resonator, (b) proposed IDC resonator.
그림 그림 2. ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 monostatic RCS 비교 Fig. 2. Comparison of monostatic RCS for ELC and proposed IDC resonators.
그림 그림 3. ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 공진 피크 주파수에서의 전계 분포 비교: (a) ELC 공진기, (b) 제안된 IDC 공진기 Fig. 3. Comparison of electric field distributions at resonant peak frequencies for ELC and proposed IDC resonators: (a) ELC resonator, (b) proposed IDC resonator.
표 표 1. ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 최종 설계변수 Table 1. Final design parameters of ELC and proposed IDC resonators.
그림 그림 4. ELC 공진기의 입사각도에 따른 RCS 특성: (a) 2~8 GHz, (b) 4.22~4.26 GHz Fig. 4. RCS characteristics of ELC resonator vs. incident angle: (a) 2~8 GHz, (b) 4.22~4.26 GHz.
그림 그림 5. 제안된 IDC 공진기의 입사각도에 따른 RCS 특성: (a) 2~8 GHz, (b) 3.20~3.24 GHz Fig. 5. RCS characteristics of proposed IDC resonator vs. incident angle: (a) 2~8 GHz, (b) 3.20~3.24 GHz.
그림 그림 6. 코팅된 유전물질의 비유전율 변화에 따른 RCS 특성: (a) ELC 공진기, (b) 제안된 IDC 공진기 Fig. 6. RCS characteristics for varying relative permittivity of coated dielectric material: (a) ELC resonator, (b) proposed IDC resonator.
그림 그림 7. 제작된 공진기 사진: (a) ELC 공진기, (b) 제안된 IDC 공진기 Fig. 7. Photograph of fabricated resonators: (a) ELC resonator, (b) proposed IDC resonator.
그림 그림 8. 측정 사진 Fig. 8. Photograph of measurement.
그림 그림 9. 측정된 bistatic RCS 값 비교: (a) ELC 공진기, (b) 제안된 IDC 공진기 Fig. 9. Comparison of measured bistatic RCS values: (a) ELC resonator, (b) proposed IDC resonator.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 chipless RFID 태그용 고감도 소형 공진기의 설계 방법을 연구하였다. 제안된 고감도 소형 공진기는 기존의 ELC 공진기에서 커패시터 모양의 스트립 구조 대신에 인터디지털-커패시터 구조를 사용하였다.
본 논문에서는 인터디지털-커패시터(IDC; interdigital-capacitor) 구조를 이용한 고감도 소형 공진기의 설계 방법을 제안하였다. 주파수 영역 방식의 chipless RFID 태그 중에서 고감도 소형 공진기로 사용되고 있는 전계-결합(ELC; electric field-coupled) 공진기[7]의 감도를 향상시키고 크기를 소형화하기 위해 IDC 구조를 적용하였다.

제안 방법

주파수 영역 방식의 chipless RFID 태그 중에서 고감도 소형 공진기로 사용되고 있는 전계-결합(ELC; electric field-coupled) 공진기[7]의 감도를 향상시키고 크기를 소형화하기 위해 IDC 구조를 적용하였다. ELC 공진기는 커패시터 모양의 스트립 구조와 정사각형 스트립 루프 구조가 결합된 형태이고, 제안된 IDC 공진기는 커패시터 모양의 스트립 구조 대신에 IDC 구조를 사용하였다. 기존의 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 RCS 특성을 비교 분석을 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하여 시뮬레이션하였다.
나타나 있다. 두 공진기의 정사각형 루프의 길이와 스트립의 폭은 각각 8 mm와 0.5 mm로 같게 설계하였다.
구성하였다. 송수신 안테나의 전달계수(S₂₁)를 측정하기 위해 Agilent사의 N₅₂30A 벡터 네트워크 분석기를 사용하였고, 송수신 안테나는 ㈜씨앤지 마이크로웨이브의 double-ridged horn 안테나(주파수 대역: 2~18 GHz)를 사용하였다. 송수신 안테나와 공진기 사이의 거리는 300 mm 정도이고 송신안테나는 태그 표면의 수직한 방향과 30^o정도의 입사 각도를 가진다.
방법을 연구하였다. 제안된 고감도 소형 공진기는 기존의 ELC 공진기에서 커패시터 모양의 스트립 구조 대신에 인터디지털-커패시터 구조를 사용하였다.
방법을 제안하였다. 주파수 영역 방식의 chipless RFID 태그 중에서 고감도 소형 공진기로 사용되고 있는 전계-결합(ELC; electric field-coupled) 공진기[7]의 감도를 향상시키고 크기를 소형화하기 위해 IDC 구조를 적용하였다. ELC 공진기는 커패시터 모양의 스트립 구조와 정사각형 스트립 루프 구조가 결합된 형태이고, 제안된 IDC 공진기는 커패시터 모양의 스트립 구조 대신에 IDC 구조를 사용하였다.

대상 데이터

RCS 성능 검증을 위해 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기를 RF-301 기판(ε_r = 2.97, h = 0.8 mm, tan δ = 0.0012)을 이용하여 그림 7과 같이 제작하였다.
정사각형 루프의 내부 위아래 면과 IDC 구조 사이의 간격은 g₅이고, 내부 측면과 IDC 구조 사이의 간격은 g₆이다. 공진기 설계를 위해 비유전율(εr) 2.97, 두께(h) = 0.8 mm, 손실 탄젠트(tan δ) = 0.0012인 RF-301 기판을 사용하였다.
기준물체로는 길이 30 mm, 직경 0.4 mm 인 구리선을 사용하였다.
기존의 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 RCS 특성을 비교 분석을 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하여 시뮬레이션하였다. 최종 설계된 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기를 RF-301 기판(비유전율 2.97, 두께 0.8 mm)에 제작하여 특성을 비교하였다.

데이터처리

그림 2는 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 monostatic RCS를 시뮬레이션하여 비교하였다. ELC 공진기는 4.
ELC 공진기는 커패시터 모양의 스트립 구조와 정사각형 스트립 루프 구조가 결합된 형태이고, 제안된 IDC 공진기는 커패시터 모양의 스트립 구조 대신에 IDC 구조를 사용하였다. 기존의 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기의 RCS 특성을 비교 분석을 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하여 시뮬레이션하였다. 최종 설계된 ELC 공진기와 제안된 IDC 공진기를 RF-301 기판(비유전율 2.

성능/효과

RCS값을 시뮬레이션한 값과 비교하였다. ELC 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 4.245 GHz와 –28.46 dBsm이고, 측정된 bistatic RCS의 공진 피크 주파수는 4.305 GHz로 1.41% 증가하였고 값은 –30.39 dBsm로 1.93 dB 감소하였다. 제안된 IDC 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 3.
55 dBsm이다. 공진기를 구성하는 정사각형 루프의 길이가 동일하므로 시뮬레이션한 공진 피크 주파수를 기준으로 할 때 24.2% 정도 소형화되었고, 소형화로 인해 RCS값은 6.97 dB 줄어들었다.
ELC 공진기는 커패시터 모양의 극판 사이에 전계가 집중되고, 제안된 IDC 공진기는 IDC 구조의 극판 사이에 전계가 집중된다. 기존의 커패시터 모양 극판의 길이보다 IDC 구조의 극판 길이가 더 길어 공진기의 등가 커패시턴스가 더 크고 이로 인해 공진 피크 주파수가 낮은 주파수로 이동하는 것을 알 수 있다.
두께가 0.8mm인 RF-301 기판에 제작하여 측정한 결과, ELC 공진기는 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 4.305 GHz와 -30.39 dBsm이였다. 제안된 IDC 공진기의 경우 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 3.
98 dB 줄어들었다. 따라서 제안된 IDC 공진기가 비유전율 변화에 대한 RCS 공진 피크 주파수와 RCS 값의 변화가 기존의 ELC 공진기에 비해 더 크고 감도가 향상됨을 알 수 있다.
91 dBsm이였다. 따라서 측정 공진 피크 주파수를 기준으로 공진기 크기가 23.5% 정도 소형화되었다. 또한, 유전물질을 공진기 위에 코팅하였을 때 비유전율 변화에 대한 공진 피크 주파수의 이동에 의한 감도를 향상시킬 수 있다.
시뮬레이션 결과 두 공진기의 공진 피크 주파수는 변화가 없고 공진 피크 주파수에서의 RCS 값이 조금 감소함을 알 수 있다. ELC 공진기의 경우, 공진 피크 주파수는 4.
58 dBsm이다. 제안된 IDC 공진기는 3.22 GHz에서 공진 피크가 발생하고 RCS 값은 –34.55 dBsm이다. 공진기를 구성하는 정사각형 루프의 길이가 동일하므로 시뮬레이션한 공진 피크 주파수를 기준으로 할 때 24.
39 dBsm이였다. 제안된 IDC 공진기의 경우 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 3.295 GHz와 –36.91 dBsm이였다. 따라서 측정 공진 피크 주파수를 기준으로 공진기 크기가 23.
17 dB 줄어들었다. 제안된 IDC 공진기의 경우 공진 피크 주파수는 3.17 GHz로 1.55% 감소하고 bistatic RCS 값은 –35.70 dBsm로 0.37 dB 줄어들었다. 코팅된 유전물질의 비유전율이 24로 증가하면, ELC 공진기의 경우 공진 피크 주파수는 3.
88 dB 감소하였다. 제안된 IDC 공진기의 경우, 공진 피크 주파수는 3.22 GHz로 일정하게 유지되고 RCS 값은 입사 각도가 0^o일 때 – 34.55 dBsm에서 입사 각도가 30^o일 때 –35.33 dBsm로 0.78 dB 감소하였다.
93 dB 감소하였다. 제안된 IDC 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 값은 3.22 GHz와 –35.33 dBsm이고, 측정된 bistatic RCS의 공진 피크 주파수는 3.295 GHz로 2.33% 증가하였고 값은 –36.91 dBsm으로 1.58 dB 감소하였다. 측정 결과가 시뮬레이션과 다른 이유는 측정환경과 공진기 제작 오차 등으로 판단된다.
코팅된 유전물질의 비유전율이 24일 때, 제안된 IDC 공진기의 경우 공진 피크 주파수는 3 GHz로 6.83% 감소하고 bistatic RCS 값은 –37.31 dBsm로 1.98 dB 줄어들었다. 따라서 제안된 IDC 공진기가 비유전율 변화에 대한 RCS 공진 피크 주파수와 RCS 값의 변화가 기존의 ELC 공진기에 비해 더 크고 감도가 향상됨을 알 수 있다.
02 mm 두께로 유전물질을 두 공진기 위에 얇게 코팅하였을 때 비유전율 변화에 따른 RCS 공진 피크 주파수의 변화를 비교하였다. 코팅된 유전물질의 비유전율이 6일 때, ELC 공진기의 경우 공진 피크 주파수는 4.185 GHz로 1.41% 감소하고 bistatic RCS 값은 –28.63 dBsm로 0.17 dB 줄어들었다. 제안된 IDC 공진기의 경우 공진 피크 주파수는 3.

후속연구

향후 제안된 IDC 소형 공진기와 흡습성 고분자 물질을 이용하여 습도를 원격으로 측정하기 위한 고감도 소형 chipless RFID 태그 설계에 적용하고자 한다.

참고문헌 (8)

K. Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards, Radio Frequency Identification and Near-Field Communication, 3rd ed. Hoboken, NJ: Wiley-Blackwell, 2010.
How the use of RFID improves the supply chain, visibility, and inventory optimization [Internet]. Available: https://trans.info/en/how-the-use-of-rfid-improves-the-supply-chain-visibility-and-inventory-optimization-171088
Complete Guide to RFID: Benefits, Applications, and Challenges [Internet]. Available: https://dzone.com/articles/complete-guide-to-rfid-its-application-to-supply-c
WHERE DO YOU FIND RFID TECHNOLOGY IN EVERYDAY LIFE? [Internet]. Available: https://www.trace-id.com/where-do-you-find-rfid-technology-in-everyday-life/
T. Athauda and N. Karmakar, "Chipped versus chipless RF identification: A comprehensive review," IEEE Microwave Magazine, Vol. 20, No. 9, pp. 47-57, Sep. 2019.

상세보기
C. Herrojo, F. Paredes, J. Mata-Contreras, and F. Martin, "Chipless-RFID: A review and recent developments," Sensors, Vol. 19, No. 15, pp. 3385, 2019.

상세보기
E. M. Amin, N. C. Karmakar, B. W. Jensen, "Fully printable chipless RFID multi-parameter sensor," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 248, pp. 223-232, Sep. 2016.

상세보기
A. Vena, E. Perret, and S. Tedjini, "Chipless RFID tag using hybrid coding technique," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 59, No. 12, pp. 3356-3364, Dec. 2011.

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저자의 다른 논문 :

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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