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KR100604694B1 - 무선 판독기용 병렬 급전 다중 루프 안테나 - Google Patents

무선 판독기용 병렬 급전 다중 루프 안테나 Download PDF

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KR100604694B1
KR100604694B1 KR1020040037882A KR20040037882A KR100604694B1 KR 100604694 B1 KR100604694 B1 KR 100604694B1 KR 1020040037882 A KR1020040037882 A KR 1020040037882A KR 20040037882 A KR20040037882 A KR 20040037882A KR 100604694 B1 KR100604694 B1 KR 100604694B1
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Abstract

본원발명은 내부에 메모리가 존재하는 IC 칩 및 안테나를 구비하는 휴대할 수 있는 물건(이하 “비접촉식 휴대물품”이라 한다)과 전자기 유도를 통하여 정보를 교환하기 위한 무선 판독기(RFID Reader)용 루프 안테나에 대한 것으로서, 상기 판독기의 루프 안테나는 N개(N은 2이상의 정수)의 권선 그룹(각각의 권선 그룹은 적어도 한번 이상 와인딩된 것)을 포함하고, 상기 N개의 권선 그룹은 내측의 권선 그룹의 최외측 권선으로부터 외측 권선 그룹의 최내측 권선 사이에 소정의 간격을 두고 형성되고, 상기 각각의 권선 그룹은 모두 동일한 방향으로 와인딩되고, 그리고 상기 N개의 권선 그룹은 각각 병렬로 연결된다.
안테나, 직렬, RFID, 리더, 병렬, 다중, 자기장, 대역폭, 거리, 전자기 유도.

Description

무선 판독기용 병렬 급전 다중 루프 안테나{Parallel-Fed Multiple Loop Antenna for RFID Reader}
도1은 본원발명에 따른 무선 판독기의 병렬 급전 다중 루프 안테나 구조에 대한 하나의 실시예를 도시한 개략적인 평면도이다.
도2(A)는 도1에 따른 무선 판독기의 자기장 분포와 도3(A)에 따른 무선 판독기의 자기장 분포를 비교하기 위한 도면이고, 도2(B)는 도1에 따른 무선 판독기의 자기장 분포와 도3(B)에 따른 무선 판독기의 자기장 분포를 비교하기 위한 도면이다.
도3(A)은 종래의 무선 판독기의 루프 안테나 구조에 대한 개략적인 평면도이고, 도3(B)은 직렬 급전 형태의 다중 권선 무선 판독기의 루프 안테나 구조에 대한 개략적인 평면도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
12, 32 : 외부 권선 그룹 14, 34 : 내부 권선 그룹
16, 36 : 전압 인가점 30 : 단일 권선 그룹
발명의 분야
본원발명은 내부에 메모리가 존재하는 IC 칩 및 안테나를 구비하는 휴대할 수 있는 물건(이하 “비접촉식 휴대물품”이라 한다)과 전자기 유도를 통하여 상기 휴대물품의 메모리에 저장된 정보를 판독 및/또는 새로운 정보를 입력하는 판독기(RFID Reader)의 안테나 구조에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본원발명은 비접촉식 휴대물품을 소지한 자가 판독기의 전면에 상기 휴대물품을 일정거리 가까이 제시한 경우에 상기 휴대물품과의 전자기 유도에 의하여 비접촉식 송수신 방식(이하 “RF 방식의 송수신”이라 함)으로 정보를 입출력하는 판독기의 안테나 구조에 관한 것이다.
발명의 배경
비접촉식 IC 카드, 무선 결제 휴대폰, 및 무선 신원 확인용 물건 등과 같은 휴대물품(이하 “비접촉식 휴대물품”이라 함)은 일반적으로 내부에 안테나와 정보 저장용 메모리를 구비하여, 전원을 구비한 판독기와 전자기 유도를 통하여 정보를 송신 및 수신한다. 이외 동일한 형태로, 기존의 바코드 대신 IC 칩을 구비하여 그 내부에 상품정보를 저장하는 물건(이하 “비접촉식 상품”이라 함) 또한 내부에 안테나와 정보 저장용 메모리를 구비하여, 전원을 구비한 판독기와 전자기 유도를 통 하여 정보를 송신 및 수신한다. 이러한 비접촉식 휴대물품 또는 비접촉식 상품과 정보를 교환하기 위한 판독기는 그 내부 또는 외부에 안테나를 마찬가지로 구비하여야 하며, 특히 ISO 14443에 해당하는 IC 카드, 휴대폰 등과 같은 물품 및 ISO 15693에 해당하는 무선 인식에 대해서는 13.56 MHz의 신호가 규격으로 사용되고 있으므로 전체 회로가 상기 주파수 근처에서 공진되도록 구성될 필요가 있다.
이러한 비접촉식 휴대물품의 인식과정에 있어서 발생하는 여러 가지 문제점은 첫째, 판독기로부터 일정 거리를 벗어나는 경우에는 상기 판독기가 인식할 수 없다는 것이다. 이는 상기 휴대물품이, 상기 판독기가 발생시키는 자기장의 인식 가능한 최소 크기보다 더 작은 크기의 자기장이 형성된 범위에 위치함에 기인한 것이다.
도3(A)에 도시된 바와 같이, 종래 대다수의 판독기 내부에는 단일 권선 그룹의 루프 안테나가 소정의 크기와 소정의 횟수(본 도에서는 2회)로서 판독기 외주를 따라 와인딩되어 있다. 이러한 단일 권선 그룹을 구비한 루프 안테나 구조는 판독기로부터 거리가 멀어지면 자기장이 약하여 충분한 인식이 이루어지지 못하고, 또한 와인딩 중심부의 자기장이 약하고 아울러 대역폭(band width, BW)이 좁아져 외부요인((예를 들면 비접촉식 IC 카드와의 근접에 따른 공진 특성 변화 또는 각 휴대 물품에서 조금씩 차이가 나는 공진 주파수 등)의 변화에 대해 안정성이 부족하다는 단점이 있다.
무선 판독기의 안테나 구조로서 또 다른 것으로는 도3(B)과 같이 다중 권선그룹을 직렬로 급전하는 경우가 있다. 이는 루프 안테나 권선 그룹을 복수개의 패 턴으로 설치하되, 각각의 권선 그룹끼리는 직렬로 연결하고 또한 인접한 권선 그룹들 중에서 내부의 권선 그룹의 권선 수보다 외부의 권선 그룹의 권선 수가 더 크도록 한 것이다. 그러나 이러한 형태의 루프 안테나는 우선 그 권선 그룹들이 직렬로 연결되어 있어 전체 인덕턴스가 각각의 권선 그룹의 인덕턴스보다 커지게 되어 쉽게 Q가 커지게 된다. Q가 커지면 대역폭이 좁아지게 되는 단점이 있다. 또한 동일한 전압을 인가한 경우 전체 저항이 크기 때문에 안테나에 흐르는 전류가 약해지고 이에 따라 형성되는 자기장이 약해지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 보다 균일한 크기로서 큰 자기장을 제공하는 무선 판독기의 안테나 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인식 거리가 큰 무선 판독기의 안테나 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대역폭이 커서 사용자가 소지한 비접촉식 휴대물품의 공진특성이 조금씩 차이가 나는 경우 또는 근접에 따른 공진 특성의 변화에도 불구하고 안정적인 송수신이 가능하도록 하는 무선 판독기의 안테나 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
발명의 요약
본원발명은 내부에 메모리가 존재하는 IC 칩 및 안테나를 구비하는 휴대할 수 있는 물건(이하 “비접촉식 휴대물품”이라 한다)과 전자기 유도를 통하여 정보를 교환하기 위한 무선 판독기(RFID Reader)용 루프 안테나에 대한 것으로서, 상기 판독기의 루프 안테나는 N개(N은 2이상의 정수)의 권선 그룹(각각의 권선 그룹은 적어도 한번 이상 와인딩된 것)을 포함하고, 상기 N개의 권선 그룹은 내측의 권선 그룹의 최외측 권선으로부터 외측 권선 그룹의 최내측 권선 사이에 소정의 간격을 두고 형성되고, 상기 각각의 권선 그룹은 모두 동일한 방향으로 와인딩되고, 그리고 상기 N개의 권선 그룹은 각각 병렬로 연결된다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 본원발명에 따른 무선판독기용 병렬 급전 다중 루프 안테나에 대한 구체예를 상세히 설명한다.
도1은 본원발명에 따른 무선 판독기의 병렬 급전 다중 루프 안테나 구조에 대한 하나의 실시예를 도시한 개략적인 평면도이다. 본원발명에 따른 무선 판독기의 루프 안테나 구조는 적어도 N개(이 때 N은 2 이상의 정수이고, 본 도에서는 2개의 권선 그룹이 도시되어 있다)의 권선 그룹들(12, 14)이 V0 의 전압을 인가하는 전압 인가점(16)을 기준으로 서로 병렬로 연결되어 있다. 또한 각각의 권선 그룹은 적어도 하나 이상의 권선이 와인딩되어 있다. 본 도에서는 외부 권선 그룹(12)은 2회, 내부 권선 그룹(14)은 4회 와인딩되어 있으나, 이러한 와인딩 횟수는 사용 목 적에 따라 변동될 수 있다. 또한 본 도에서는 각각의 권선 그룹이 원형 모양으로 와인딩되어 있으나 사각형 및 타원형 등을 포함하여 다양하게 형성될 수 있다. 즉 폐루프를 형성하는 다양한 형상을 가질 수 있다.
도3(A)에 도시된 루프 안테나 구조에서는 권선 그룹 내부에는 양의 값의 자기장(지면에서 올라오는 방향의 자기장을 양(+)으로 정의한다)이 형성되고, 그 외부에는 음의 값의 자기장이 형성된다. 자기장은 도2(A)에서 보이는 바와 같이 도선 인근부분에서 강하고 와인딩의 중심부에서는 약한 형태를 보인다. 이에 반하여 본원 발명에 따른 병렬 급전 다중 루프 안테나의 경우에는 도2(A)에서 보이는 바와 같이 와인딩의 중심 부분에서도 충분한 크기의 자기장을 방사하고 있음을 볼 수 있다. 따라서 이러한 안테나를 장착한 경우가 더 긴 인식거리를 가지게 된다.
두 개의 인덕터를 직렬로 연결할 경우의 합성 인덕턴스를 Lst라 하고, 병렬로 연결할 경우의 합성 인덕턴스를 Lpt라고 하자. 두 인덕턴스 값을 각각 L1, L2 라고 하면, 직렬 합성 인덕턴스 Lst는 Lst = L1 + L2 로 주어지고 두 개의 인덕터를 병렬로 연결하면, 병렬 합성 인덕턴스 Lpt는 1/Lpt = 1/L1 + 1/L2, 즉 Lpt =(L1 * L2)/(L1 + L2) 로 주어져서 각각의 인덕턴스 L1, L2 보다 작은 값이 된다.
권선 그룹을 직렬로 연결하는 경우와 병렬로 연결하는 경우는 각 권선 그룹이 가지는 인덕턴스가 마치 전술한 바와 같이 인덕터를 직렬 또는 병렬로 연결되는 경우와 유사한 결과를 가져오는 것으로 생각할 수 있다. 여기서 안테나의 Q(Quality factor)와 연관해서 생각해 보면 전체 인덕턴스가 커지는 것은 Q가 커지는 방향이다. 하기의 도 A에 따른 병렬 공진회로의 경우
Figure 112004022567112-pat00001
도 A 병렬공진회로
공진 주파수와 Q 값은 (여기서, fr은 공진 주파수이고, ωr은 공진 각주파수이다)
Figure 112004022567112-pat00002
Figure 112004022567112-pat00003
와 같이 주어진다. Q가 커지면 사용 대역폭이 좁아진다. 따라서 Q를 적정한 값 이하로 유지하여야 할 필요가 있다. 이러한 면에서 권선 그룹을 직렬로 연결하는 것 보다 병렬로 연결하는 것이 전체 인덕턴스를 낮추어 Q 값을 낮추고 따라서 대역폭을 넓히는데 유리하다고 할 수 있다.인덕턴스는 단일 권선 그룹에서 일반적으로 와인딩의 횟수가 많을수록 커지고 또 길이가 길어질수록 커진다. 직렬 급전의 경우 각 권선 그룹의 개별 인덕턴스 보다 합성 인덕턴스를 작게 할 수 없는 반면에 병렬 급전의 경우는 합성 인덕턴스가 각 개별 권선 그룹의 인덕턴스보다 작게 된다. 따라서 Q값과 대역폭을 쉽게 조절할 수 있다.
또한 직렬 급전의 경우 각 권선이 직렬로 연결되어 있어 각 권선 그룹에 흐 르는 전류는 동일하게 되나, 병렬 급전의 경우 각 권선 그룹에 흐르는 전류를 각각 개별적으로 조절할 수 있으므로 다양한 설계가 가능하다. 도선 주위에 형성되는 자기장의 크기는 전류의 세기에 비례하므로, 결과적으로 본원발명에 따른 루프 안테나 구조가 전체 자기장을 쉽게 다양하게 만들 수 있음을 알 수 있다. 실제 설계시에 전체 자기장이 대체적으로 균일한 크기로 방사될 수 있도록 조절한다. 단일 권선 그룹의 경우, 인가되는 전체 전류가 하나의 권선 그룹에 흐르게 되고 도2(A)에서 보이는 것처럼 와인딩의 인근에서만 강하고 와인딩의 중심부에서는 약한 형태로 보이나, 다중 권선그룹을 형성하여 와인딩의 중심부에서도 큰 값을 형성함을 알 수 있다.
도1에서 도시된 바와 같이, 내부 권선 그룹(14)과 외부 권선 그룹(12)은 서로 동일한 방향으로 감겨지도록 하여, 내부 권선 그룹(14)의 안쪽 부분은 각각의 권선 그룹에서 생성된 자기장이 서로 합해지도록 하여야 한다. 또한 내부 권선 그룹의 반경(r1)이 외부 권선 그룹의 반경(r2)보다 너무 작지 않도록 하여 판독기의 인식가능 면적을 충분히 확보하여야 한다.
도2(A)는 도3(A)에 따른 단일 권선 그룹의 경우와 본원발명에 따른 도1의 병렬 급전 이중 권선 그룹의 무선 판독기의 자기장 분포를 나타낸 개략적인 도면이고, 도2(B)는 도3(B)에 따른 직렬 급전 이중 권선 그룹의 자기장 분포와 도1의 병렬 급전 이중 권선 그룹의 자기장 분포를 나타낸 개략적인 도면이다.
도2(A)에서는 도3(A)에 따른 단일 권선 그룹을 구비한 루프 안테나 구조와 도1에 따른 병렬 급전 이중 권선 그룹을 구비한 루프 안테나 구조에 동일한 전압을 인가한 경우에 안테나 표면으로부터의 거리에 따른 자기장의 세기(루프 안테나 표면에 수직한 성분 Hz)를 나타낸 것이다. 안테나의 외각 크기는 동일하며, 가로축은 권선 그룹으로 형성된 안테나를, 다중 권선의 중심을 포함하여 절단한 상태로 이해할 수 있으며, 세로축은 안테나 표면으로부터의 거리가 된다. 격자무늬로 표시된 부분이 가장 큰 자기장의 세기(최대치의 -10dB까지의 자기장)를 가지며, 이에 대한 상대적인 값이 각각의 다른 영역에 해당한다.
도시된 바와 같이, Hz의 최대치를 보면 병렬 급전 이중 권선 그룹의 경우가 단일 권선 그룹의 경우보다 더 크게 나타나고 있으며, 또한 최대치로부터 감쇄해 가는 모양을 보건데 병렬 급전 이중 권선 그룹을 구비한 루프 안테나의 자기장 세기는 단일 권선 그룹을 구비한 루프 안테나에 비하여 거리특성이 우수하다는 것을 보여준다. 그리고 단일 권선 그룹의 경우, 루프 안테나 표면에서 중심부 자계 세기가 미약하나 병렬 급전 이중 권선 그룹의 경우 자계 세기가 크게 나타남을 보여 주고 있다.
도2(B)는 이중 권선 그룹을 병렬로 연결한 경우와 직렬로 연결한 경우의 거리에 따른 자기장의 세기를 비교하기 위한 것으로서, 최대치와 자기장이 감쇄해가는 모양을 보건데 병렬 급전 연결 그룹의 경우가 직렬연결 그룹의 경우보다 우수함을 알 수 있다. 이는 권선 그룹을 다중으로 연결한 경우에 있어서, 각각의 권선 그룹을 병렬로 연결한 것이 직렬로 연결한 경우보다 거리 특성이 우수함을 뒷받침한다.
본 발명은 보다 균일하고 큰 자기장을 제공하면서 동시에 보다 긴 인식 거리를 가지며, 아울러 대역폭이 커서 사용자가 소지한 다양한 공진 특성을 가진 비접촉식 휴대물품을 수용하고 휴대물품의 안테나와의 근접에 따른 공진 특성의 변화에 대하여 안정적인 송수신이 가능한 무선 판독기의 안테나 구조를 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (3)

  1. 내부에 메모리가 존재하는 IC 칩 및 안테나를 구비하는 휴대할 수 있는 물건(비접촉식 휴대물품)과 전자기 유도를 통하여 정보를 교환하기 위한 무선 판독기(RFID Reader)용 루프 안테나에 있어서,
    상기 루프 안테나는 N개(N은 2이상의 정수)의 권선 그룹(각각의 권선 그룹은 적어도 한번 이상 와인딩된 것)을 포함하고, 상기 N개의 권선 그룹은 내측의 권선 그룹의 최외측 권선으로부터 외측 권선 그룹의 최내측 권선 사이에 소정의 간격을 두고 형성되고, 상기 각각의 권선 그룹은 모두 동일한 방향으로 와인딩되고, 그리고 상기 N개의 권선 그룹은 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 병렬 급전 다중 루프 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 권선 그룹은 2개인 것을 특징으로 하는 다중 루프 안테나.
  3. 내부에 정보를 저장하기 위한 메모리가 존재하는 IC 칩 및 안테나를 구비하는 물건(비접촉식 상품)과 전자기 유도를 통하여 정보를 교환하기 위한 무선 판독기(RFID Reader)용 루프 안테나에 있어서,
    상기 루프 안테나는 N개(N은 2이상의 정수)의 권선 그룹(각각의 권선 그룹은 적어도 한번 이상 와인딩된 것)을 포함하고, 상기 N개의 권선 그룹은 내측의 권선 그룹의 최외측 권선으로부터 외측 권선 그룹의 최내측 권선 사이에 소정의 간격을 두고 형성되고, 상기 각각의 권선 그룹은 모두 동일한 방향으로 와인딩되고, 그리고 상기 N개의 권선 그룹은 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 병렬 급전 다중 루프 안테나.
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