본 논문에서는 금속 환경에서 사용이 가능한 RFID 국제 규격인 910MHz 대역에서 최상의 성능을 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 사각 형태의 급전부를 본체 안에 위치하였고, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위하여 패치의 소자를 증가시켜 다중의 미앤더 형태로 설계하였다. 제안된 안테나의 크기와 접은 횟수에 따른 대역폭, 효율, 인식 거리 등의 특성을 비교 분석하였다. 측정결과 안테나의 크기와 미앤더 형태로 접은 횟수에 따른 효율 및 이득 특성 변화가 안테나의 인식 거리에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 금속 환경에서 사용이 가능한 RFID 국제 규격인 910MHz 대역에서 최상의 성능을 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 사각 형태의 급전부를 본체 안에 위치하였고, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위하여 패치의 소자를 증가시켜 다중의 미앤더 형태로 설계하였다. 제안된 안테나의 크기와 접은 횟수에 따른 대역폭, 효율, 인식 거리 등의 특성을 비교 분석하였다. 측정결과 안테나의 크기와 미앤더 형태로 접은 횟수에 따른 효율 및 이득 특성 변화가 안테나의 인식 거리에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
In this paper, a novel particle swarm optimization method based on IE3D is used to design a mobile communication Microstrip Patch Antenna. The aim of the thesis is to Design and fabricate an inset fed rectangular Microstrip Antenna and study the effect of antenna dimensions Length (L), Width (W) and...
In this paper, a novel particle swarm optimization method based on IE3D is used to design a mobile communication Microstrip Patch Antenna. The aim of the thesis is to Design and fabricate an inset fed rectangular Microstrip Antenna and study the effect of antenna dimensions Length (L), Width (W) and substrate parameters relative Dielectric constant (${\varepsilon}r$), substrate thickness on Radiation parameters of Band width. When the antenna was designed, a dual-band, dual-polarized antenna was used to secure the bandwidth and improve performance, and a coaxial probe feeding method so that the phased array of antenna is easy.
In this paper, a novel particle swarm optimization method based on IE3D is used to design a mobile communication Microstrip Patch Antenna. The aim of the thesis is to Design and fabricate an inset fed rectangular Microstrip Antenna and study the effect of antenna dimensions Length (L), Width (W) and substrate parameters relative Dielectric constant (${\varepsilon}r$), substrate thickness on Radiation parameters of Band width. When the antenna was designed, a dual-band, dual-polarized antenna was used to secure the bandwidth and improve performance, and a coaxial probe feeding method so that the phased array of antenna is easy.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
PIFA형태의 안테나는 전체 크기를 줄일 수 있지만 1λ에 비하여 작은 접지면의 크기를 가질 경우 안테나 성능의 차이가 접지면 크기에 따라 다르게 나타나는 단점이 있으며, 금속 물체와 태그 안테나 사이의 기생 커패시턴스 성분으로 인해 공진주파수, 안테나 임피던스, 방사효율 등의 특성이 변하게 되고 안테나 성능의 열화가 발생하는 단점이 있다[6]. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 금속 물체에 부착 가능한 금속 태그 안테나를 설계 및 제작하였다. 안테나 설계 시 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 위해 먼저 IE3D 시뮬레이터를 이용하였으며, 또한 PSO[7] 알고리즘을 적용하여 안테나 제작 시 발생하게 되는 매개변수 검출 오류를 최소화 하였고, 기존 안테나의 단점이었던 안테나의 낮은 입력저항, 대역폭, 안테나의 이득 등을 개선하였다.
본 논문에서는 금속 환경에서 사용이 가능하고 태그의 크기를 소형화 시키면서 광대역 정합 특성과 다양한 방사패턴을 얻고, 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보 할 수 있도록 미앤더 형태의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위하여 패치의 소자를 증가시켜 다중의 미앤더 형태로 설계하였다.
제안 방법
EIRP는 리더 안테나의 입력전력 Preader와 이득 Greader의 곱으로 구해지며, 일반적으로 ISO 18000에 따라 최대 4 W, 즉 36 dBm 이하의 값을 가져야 한다. 따라서 태그가 동작하기 위한 리더의 최소 출력 전력에 3dBi의 이득 Greader를 곱하여 36dBm 이하의 EIRP 값을 구하고, 이를 이용하여 1 W 이하의 리더 안테나 최소 전력 Preader에 1 m 자유 공간 손실계수와 리더 안테나의 이득 Greader, 케이블 손실을 고려하여 태그의 민감도, 즉 태그의 최소 문턱 전력 Ptag를 구한다. 또한 태그 Ptag를 EIRP 값과 1m 자유 공간 손실 계수의 곱으로 나누어 태그 안테나의 이득 Greader를 나타낸다[12].
설계된 안테나는 동일 환경에서 패치의 소자가 증가하는 것에 따른 성능을 비교하여 최적의 안테나를 찾는 것이기 때문에 안테나의 설계변수는 동일하게 설정하였으며, 단 그라운드의 높이만 변경하여 설계하였다. 설계된 각각의 안테나의 대역폭은 908~920MHz로 나타나 안테나가 칩 임피던스와 정합된다는 것을 알 수 있었으며, 국제 RFID 표준 규격을 만족하는 것으로 나타났다.
표 2는 설계된 안테나의 설계 변수를 나타낸 것이다. 설계된 안테나의 성능을 비교하기 위하여 앞서 측정된 값을 각각의 안테나에 고정시켜 적용하였으며, 그라운드의 높이만 변경하여 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 금속 물체에 부착 가능한 금속 태그 안테나를 설계 및 제작하였다. 안테나 설계 시 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 위해 먼저 IE3D 시뮬레이터를 이용하였으며, 또한 PSO[7] 알고리즘을 적용하여 안테나 제작 시 발생하게 되는 매개변수 검출 오류를 최소화 하였고, 기존 안테나의 단점이었던 안테나의 낮은 입력저항, 대역폭, 안테나의 이득 등을 개선하였다.
안테나 설계에 사용된 태그 칩은 Alien의 Higgs 칩으로 915MHz에서 약 13 - j122Ω 의 커패시티브한 입력 임피던스 값을 가지며, 사각 형태의 급전부를 소자가 끝나는 지점에 연결하였다. 일반적으로 태그 칩의 입력 리액턴스 성분이 커패시티브한 값을 가지므로, 태그 안테나가 광대역 특성을 갖기 위해서 태그 안테나의 입력 임피던스가 태그 칩과 유사한 낮은 입력 저항 값을 갖고 입력 리액턴스는 인덕티브한 성분을 가져 임피던스 공액 정합이 잘 이루어지도록 하였다.
본 논문에서는 금속 환경에서 사용이 가능하고 태그의 크기를 소형화 시키면서 광대역 정합 특성과 다양한 방사패턴을 얻고, 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보 할 수 있도록 미앤더 형태의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위하여 패치의 소자를 증가시켜 다중의 미앤더 형태로 설계하였다. 안테나 설계 시 안테나의 공진주파수, 기판의 유전상수, 유전체 기판의 높이에 대한 매개 변수가 반드시 필요하게 된다.
본 논문에서는 금속 환경에서 사용이 가능하고 태그의 크기를 소형화 시키면서 광대역 정합 특성과 다양한 방사패턴을 얻고, 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보 할 수 있도록 미앤더 형태의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 패치의 소자를 증가시켜 다중의 미앤더 형태로 설계하였다.
대상 데이터
공진주파수의 경우 RFID용으로 사용할 수 있는 전 세계 UHF 표준 대역인 860 ∼ 960MHz의 범위에서 작동 될 수 있어야하기 때문에 안테나의 기본 공진 주파수인 910MHz를 선택하였다.
설계된 안테나는 동작 주파수 902 ~ 928 MHz, 출력 30.0 dBm, 원편광(circular polarized) 안테나 이득 6.0 dBi인 상용 RFID 리더(기호 XR440)를 이용하여 측정하였다. 설계된 안테나를 자유 공간과 400mm × 400mm2의 금속판 위에서 측정한 안테나 성능을 나타낸 결과, 모든 안테나에 대해 약 910 MHz에서 발생하는 최대 유도 안테나 이득을 나타내는 것을 확인하였으며, 유도 결과에 따라 안테나 프로파일이 감소하므로 안테나 이득이 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
안테나 설계에 사용된 태그 칩은 915 MHz 주파수에서 임피던스가 13 + j112Ω 인 스트랩 패키지로 된 Alien Higgs이다. 칩과 안테나 사이에 최대 전력을 전달하기 위해 안테나의 입력 임피던스는 915 MHz에서 13 + j112Ω이 되어야 한다.
4의 유전율을 지니고 있다. 유전체 기판의 높이 즉 안테나의 두께는 0.6mm로 선택하였다.
이론/모형
설계된 안테나를 자유 공간과 400mm × 400mm2의 금속판 위에서 측정한 안테나 성능을 나타낸 결과, 모든 안테나에 대해 약 910 MHz에서 발생하는 최대 유도 안테나 이득을 나타내는 것을 확인하였으며, 유도 결과에 따라 안테나 프로파일이 감소하므로 안테나 이득이 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 안테나의 인식거리는 안테나의 방향에 따라 태그 칩이 구동되는 최소복사 전력을 측정한 후, Friis 전송 방정식(2)를 통하여 주파수에 따른 인식 거리를 산출하였다[8].
표 1의 설계 매개변수를 기준으로 패치 안테나 설계에 필요한 설정 값을 계산하였으며, PSO 알고리즘을 적용하여 나머지 변수를 도출하였다.
성능/효과
4.21 dBi의 약 70% 효율로 92°의 3 dB angular width의 결과를 보였다.
설계된 안테나는 동일 환경에서 패치의 소자가 증가하는 것에 따른 성능을 비교하여 최적의 안테나를 찾는 것이기 때문에 안테나의 설계변수는 동일하게 설정하였으며, 단 그라운드의 높이만 변경하여 설계하였다. 설계된 각각의 안테나의 대역폭은 908~920MHz로 나타나 안테나가 칩 임피던스와 정합된다는 것을 알 수 있었으며, 국제 RFID 표준 규격을 만족하는 것으로 나타났다. 안테나의 이득은 각각 4.
설계된 안테나를 자유 공간과 400mm × 400mm2의 금속판 위에서 측정한 안테나 성능을 나타낸 결과, 모든 안테나에 대해 약 910 MHz에서 발생하는 최대 유도 안테나 이득을 나타내는 것을 확인하였으며, 유도 결과에 따라 안테나 프로파일이 감소하므로 안테나 이득이 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
칩과 안테나 사이에 최대 전력을 전달하기 위해 안테나의 입력 임피던스는 915 MHz에서 13 + j112Ω이 되어야 한다. 설계된 안테나의 대역폭 측정 결과 자유 공간에서 909~929MHz, 금속면에서 908~92MHz로 나타나 모든 안테나가 칩 임피던스와 잘 정합된다는 것을 알 수 있었으며, 국제 RFID 표준 규격을 만족하는 것으로 나타났다. 그림 4는 대각선 슬롯과 공기층에 따른 반사손실을 보인 것으로, 대각선 슬롯과 공기층을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나의 반사손실은 915MHz대역에서 가장 손실이 적게 나타남을 보였으며, 반사손실을 -16dB 이하에서 정재파비(VSWR)가 1.
시뮬레이션 결과, 공기 중에서 2.6dBi의 약 70% 효율을 보였으며, 약 81.6° 3dB angular width의 특성을 보였다.
설계된 각각의 안테나의 대역폭은 908~920MHz로 나타나 안테나가 칩 임피던스와 정합된다는 것을 알 수 있었으며, 국제 RFID 표준 규격을 만족하는 것으로 나타났다. 안테나의 이득은 각각 4.2dBi로 나타나 현재 상용중인 금속용 안테나와의 별 차이는 없었으나 인식 거리를 비교해보면, 기존의 안테나의 경우 금속면에서 사용 시 최대 4m로 나타나는데, 본 논문에서 설계된 안테나는 최대 7.3m에서 최소 5.8m로 나타나 인식거리의 측면에서 성능이 우수하게 나타난 것을 확인 할 수 있었다.
주파수에 따라 측정된 인식 거리는 안테나의 최소 주파수 범위인 908MHz 대역에서 최대 5.8m의 인식거리를 확인할 수 있었으며, 915MHz에서는 6.1m, 920MHz에서는 7.3m의 인식거리를 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금속부착이 가능한 안테나인 스파이럴 다이폴 및 기생 소자가 있는 폴디드 다이폴의 단점은 무엇인가?
지금까지 금속부착이 가능한 안테나로는 스파이럴 다이폴(dipole), 기생소자가 있는 폴디드(folded)다이폴 구조 등이 연구되었다. 하지만 이들 안테나는 면적이 넓고 공진 길이가 반파장(half-wavelength)이거나 높이가 높다[5]. PIFA형태의 안테나는 전체 크기를 줄일 수 있지만 1λ에 비하여 작은 접지면의 크기를 가질 경우 안테나 성능의 차이가 접지면 크기에 따라 다르게 나타나는 단점이 있으며, 금속 물체와 태그 안테나 사이의 기생 커패시턴스 성분으로 인해 공진주파수, 안테나 임피던스, 방사효율 등의 특성이 변하게 되고 안테나 성능의 열화가 발생하는 단점이 있다[6].
RFID 시스템이란 무엇인가?
RFID 시스템은 전파 신호, 즉 라디오 주파수를 이용한 무선 인터페이스를 이용하여 사물의 정보를 무선으로 주고받을 수 있는 기술로써, 기존에 사용되던 바코드를 대신하여 인간의 생활방식과 기존의 산업 구조에 혁신적인 변화를 가져 올 최신 기술이다. 또한 최근 RFID 시스템의 응용 분야가 서비스 산업과 구매, 유통, 산업, 생산 회사, 물류 시스템 등 사회 전반적으로 빠르게 확산되면서 막대한 경제적 파급 효과를 창출할 핵심 기술로 각광 받고 있을 뿐 아니라 유비쿼터스 사회 실현의 핵심기술로 인식되고 있다[1-2].
RFID 태그 안테나 구현에 큰 어려움을 겪고 있는 부분은 무엇인가?
또한 최근 RFID 시스템의 응용 분야가 서비스 산업과 구매, 유통, 산업, 생산 회사, 물류 시스템 등 사회 전반적으로 빠르게 확산되면서 막대한 경제적 파급 효과를 창출할 핵심 기술로 각광 받고 있을 뿐 아니라 유비쿼터스 사회 실현의 핵심기술로 인식되고 있다[1-2]. 이러한 RFID 태그 안테나 구현에 있어 가장 큰 어려움이 있는 부분은 전도성(conductivity)물질에 부착 가능한 태그 형태 개발이다. 특히 알루미늄 캔이나 금속 상자, 그리고 포일(foil)로 포장된 담배 갑과 같은 전도성 물질은 안테나의 지향성(directivity)을 커지게 하고 공진 주파수, 방사 효율 등 안테나의 성능에 아주 크게 영향을 미치기 때문에 RFID 시스템을 구축하는데 많은 어려움이 있으며, 이런 환경 속에서도 특성의 열화(劣化-절연체가 외부적인 영향이나 내부적인 영향에 따라 화학적 및 물리적 성질이 나빠지는 현상)가 없는 태그 안테나 구현이 무엇보다도 요구되고 있다[3-4].
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.