KR102236706B1

KR102236706B1 - 근거리 루프 안테나

Info

Publication number: KR102236706B1
Application number: KR1020200003853A
Authority: KR
Inventors: 이왕상; 김세영
Original assignee: 경상국립대학교산학협력단
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2021-04-05

Abstract

본 발명은 루프 안테나 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 근거리에서 인식 영역은 확대되는 반면 원거리 영역으로는 방사되지 않는 근거리 루프 안테나에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나는 제1 루프 안테나와, 상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제2 루프 안테나를 포함한다.

Description

근거리 루프 안테나{Near field loop antenna}

본 발명은 루프 안테나 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 근거리에서 인식 영역은 확대되는 반면 원거리 영역으로는 방사되지 않는 근거리 루프 안테나에 관한 것이다.

근거리 위치 인식에 사용되는 안테나가 원거리 영역(far field)으로 방사되면 원하지 않는 구간의 정보를 얻게 된다.

이렇게 근거리 안테나가 원거리 영역으로 방사되지 않도록 하기 위해서는 동작 파장의 1/10배가 되어야 하지만 크기가 작아지므로 인식 영역이 좁아지게 되는 문제점이 또한 발생하게 된다.

이러한 문제점으로 인해 근거리에서 인식 영역은 확대되면서 원거리 영역으로 방사되지 않는 근거리 안테나의 개발이 필요한 실정이다.

일본공개특허 제2008-294863호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 근거리에서 인식 영역은 확대되는 반면 원거리 영역으로는 방사되지 않는 근거리 루프 안테나를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나는 제1 루프 안테나와, 상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제2 루프 안테나를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나는 제1 루프 안테나와, 상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제2 루프 안테나와, 상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제3 루프 안테나와, 상기 제2 루프 안테나 및 상기 제3 안테나와 각각 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제4 루프 안테나를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나는 급전부의 차동 위상 전류에 의해 교차하는 선로 상의 전류가 상쇄되어 전기적으로 하나의 루프 안테나가 형성되도록 복수의 소형 루프 안테나를 배치하여 제작되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 소형의 단일 루프 안테나를 배열하여 전기적으로 더 큰 루프 안테나를 형성함으로써 근거리 영역의 전기장이 감소하고 균일한 자기장 분포를 형성하며 방사 이득이 저하될 수 있다.

이에 따라 기존 근거리에서 인접 태그 간의 전기장 결합 문제를 개선하여 인식 영역은 확대되고 원거리에 있는 불필요한 태그 정보를 수집하지 않게 되므로 전기적으로 동일한 크기의 단일 루프 안테나에 비해 인식 성능이 크게 향상되는 효과가 있다.

본 발명에 따른 근거리 루프 안테나를 활용하면 초소형 태그에 대해 수 cm이상의 무선 인식이 가능하기 때문에 스마트 공장 등 근거리 위치 인식 분야에 널리 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나의 교차 영역에서 전류가 상쇄되는 것을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 근거리 루프 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 근거리 루프 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나의 성능을 나타낸 도면.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "……부", "…… 모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 근거리 루프 안테나에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나 장치는 근거리 루프 안테나(10), 급전부(20), RF 처리부(30) 등을 포함한다.

근거리 루프 안테나(10)는 소형 단일 루프 안테나(10-1, 10-2, ... 10-n)를 복수 개 배열한 구조이다.

근거리 루프 안테나(10)를 구성하는 각 소형 단일 루프 안테나는 RF 송신 시에 급전부(20)로부터 전류를 공급받고, RF 수신 시에는 급전부(20)로 전류를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 근거리 루프 안테나(10)의 상세한 구조에 대해서는 후술한다.

급전부(20)는 근거리 루프 안테나(10)를 구성하는 각 소형 단일 루프 안테나(10-1, 10-2, ... 10-n) 및 RF 처리부(30)와 연결되어 있다. 급전부(20)는 RF 송신 시에 RF 처리부(30)로부터 RF 신호를 입력받아 근거리 루프 안테나(10)로 전류를 공급하고, RF 수신 시에는 근거리 루프 안테나(10)로부터 전류를 받아 RF 처리부(30)로 RF 신호를 출력한다.

RF 처리부(30)는 RF 송신 시에 디지털 신호를 RF 신호로 변환하여 급전부(20)로 제공하고, RF 수신 시에는 급전부(20)로부터 입력 받은 RF 신호를 디지털 신호로 변환한다.

도 2는 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나에서 전류 상쇄가 발생하는 것을 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, (a)는 단일 루프 안테나(1)를 나타낸 것이고, (b)와 (c)는 소형 단일 루프 안테나(11 내지 16)를 배치하여 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나를 구성한 모습을 나타내고 있다.

단일 루프 안테나(1)에서는 급전부를 통해 전류가 공급되어 선로를 따라 전류가 흐를 때 하나의 루프로만 구성되어 있어서 전류 상쇄는 발생하지 않는다.

이에 반해, (b)에서는 두 개의 소형 단일 루프 안테나(11, 12)가 인접 배치되어 1개의 교차 영역에서 전류가 반대 방향으로 흐름으로써 전류 상쇄가 발생한다.

마찬가지로 (c)에서는 4개의 소형 단일 루프 안테나(13, 14, 15, 16)가 인접 배치되어 4개의 교차 영역에서 전류가 반대 방향으로 흐름으로써 전류 상쇄가 발생한다.

이러한 전류 상쇄는 차동 위상(differential phase) 전류 특성을 이용하며 구현할 수 있다. 이와 같이 차동 위상 전류 특성을 이용한 전류 상쇄를 통해 동일 주파수에서 전기적으로 큰 반경을 가진 루프 안테나를 구성할 수 있다.

복수 개의 소형 루프 안테나를 배열하여 구성된 본 발명에 따른 루프 안테나는 자기장 세기를 기준으로 파장(λ)의 1/2 ~ 1/10(λ/2~λ/10)의 길이를 가진다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 근거리 루프 안테나를 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, (a)는 사각형태의 단일 루프 안테나(2)를 나타내고, (b)는 사각형태의 루프 안테나에서 일측 모서리가 개방된 ㄷ자형 소형 루프 안테나(21, 22, 23, 24)를 4개 배치하여 제작한 근거리 루프 안테나를 나타내고 있다.

먼저, 제1 루프 안테나(21)를 배치하고, 제1 루프 안테나(21)와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 제2 루프 안테나(22)를 배치하고, 제1 루프 안테나(21)와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 제3 루프 안테나(23)를 배치하고, 제2 루프 안테나(22) 및 제3 안테나(23)와 각각 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 제4 루프 안테나(24)를 배치하여 사각형의 근거리 루프 안테나를 제작한다.

제1 루프 안테나(21) 내지 제4 루프 안테나(24)는 모두 ㄷ자형의 동일한 형태를 가진 소형 루프 안테나로서 각 배치 자리에서 ㄷ자형 루프 안테나의 위치를 변경하여 배치하면 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 근거리 루프 안테나를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, (a)는 원형태의 단일 루프 안테나(3)를 나타내고, (b)는 원 형태의 루프 안테나를 1/4로 나눈 부채꼴 형태에서 일측의 모선을 개방한

형 소형 루프 안테나(31, 32, 33, 34)를 4개 배치하여 제작한 근거리 루프 안테나를 나타내고 있다.

먼저, 제1 루프 안테나(31)를 배치하고, 제1 루프 안테나(31)와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 제2 루프 안테나(32)를 배치하고, 제1 루프 안테나(31)와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 제3 루프 안테나(33)를 배치하고, 제2 루프 안테나(32) 및 제3 안테나(33)와 각각 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 제4 루프 안테나(34)를 배치하여 원형의 근거리 루프 안테나를 제작한다.

마찬가지로 제1 루프 안테나(31) 내지 제4 루프 안테나(34)는 모두

형의 동일한 형태를 가진 소형 루프 안테나로서 각 배치 자리에서

형 루프 안테나의 위치를 변경하여 배치하면 된다.

시뮬레이션 결과

본 발명에 따른 근거리 루프 안테나는 소형 단일 루프 안테나를 복수개 배열하여 제작한 배열(Kandonian) 루프 안테나이다.

표 1은 본 발명에 따른 배열 루프 안테나와 단일(single) 루프 안테나의 특성을 비교한 것이다.

표 1을 보면, 물리적 크기가 동일한 경우 단일 루프 안테나에 비해 배열(Kandonian) 루프 안테나가 더 방사하지 않는다는 것을 알 수 있다.

도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 근거리 루프 안테나의 성능을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나의 자기장(H-field)을 비교한 것으로서, (a)는 사각형 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나를 비교한 것이고, (b)는 원형 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나를 비교한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배열 루프 안테나가 단일 루프 안테나에 비해 자기장의 분포가 좀 더 균일하다는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나의 전기장(E-field)을 비교한 것으로서, (a)는 사각형 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나를 비교한 것이고, (b)는 원형 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나를 비교한 것이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배열 루프 안테나가 단일 루프 안테나에 비해 전체 길이에 대해서 전기장이 낮다는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 사각형 배열 루프 안테나와 원형 배열 안테나의 성능을 비교한 것으로서, (a)는 자기장을 비교한 것이고, (b)는 전기장을 비교한 것이다.

도 7을 참조하면, 사각형이든 원형이든 형태에 따른 자기장과 전기장의 변화는 거의 없다는 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 배열 루프 안테나와 단일 루프 안테나의 인식영역 및 거리 측정 결과를 나타낸 것이다.

도 8에서 (a)는 단일 루프 안테나이고 (b)는 배열 루프 안테나를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 동일한 안테나 크기(배열 루프 안테나 λ/5, 단일 루프 안테나 λ/2.5)에서 배열 루프 안테나가 단일 루프 안테나에 비해 인식 성능이 향상되었음을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

10: 근거리 루프 안테나 20: 급전부
30: RF 처리부

Claims

제1 루프 안테나와,
상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제2 루프 안테나를 포함하여,
상기 제1 루프 안테나 및 상기 제2 루프 안테나가 각각 급전점을 가진 분리된 구조로서 각 급전점을 통해 전류가 입력될 때 동일한 전류 방향을 가져 전류 상쇄에 인해 전기장 강도가 낮아져 방사 이득이 낮아지는 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 루프 안테나와 상기 제2 루프 안테나의 교차 영역에서 상기 제1 루프 안테나의 전류의 방향과 상기 제2 루프 안테나의 전류의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제1 루프 안테나와,
상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제2 루프 안테나와,
상기 제1 루프 안테나와 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제3 루프 안테나와,
상기 제2 루프 안테나 및 상기 제3 루프 안테나와 각각 차동 위상 전류에 의해 선로 상의 전류가 상쇄되도록 배치된 제4 루프 안테나를 포함하는 근거리 루프 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제1 루프 안테나 내지 상기 제4 루프 안테나는 동일한 형태를 가진 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제4항에 있어서,
상기 제1 루프 안테나 내지 상기 제4 루프 안테나는 ㄷ자형의 루프 안테나인 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제4항에 있어서,
상기 제1 루프 안테나 내지 상기 제4 루프 안테나는
형의 루프 안테나인 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제1 루프 안테나와 상기 제2 루프 안테나의 교차 영역에서 상기 제1 루프 안테나의 전류의 방향과 상기 제2 루프 안테나의 전류의 방향이 서로 반대이고,
상기 제1 루프 안테나와 상기 제3 루프 안테나의 교차 영역에서 상기 제1 루프 안테나의 전류의 방향과 상기 제3 루프 안테나의 전류의 방향이 서로 반대이고,
상기 제2 루프 안테나와 상기 제4 루프 안테나의 교차 영역에서 상기 제2 루프 안테나의 전류의 방향과 상기 제4 루프 안테나의 전류의 방향이 서로 반대이고,
상기 제3 루프 안테나와 상기 제4 루프 안테나의 교차 영역에서 상기 제3 루프 안테나의 전류의 방향과 상기 제4 루프 안테나의 전류의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
급전부의 차동 위상 전류에 의해 교차하는 선로 상의 전류가 상쇄되어 전기적으로 하나의 루프 안테나가 형성되도록 복수의 소형 루프 안테나를 배치하여 제작한 것으로서,
상기 복수의 소형 루프 안테나가 각각 급전점을 가진 분리된 구조로서 각 급전점에 전류가 입력될 때 동일한 전류 방향을 가져 전류 상쇄에 인해 전기장 강도가 낮아져 방사 이득이 낮아지는 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제8항에 있어서,
상기 복수의 소형 루프 안테나는 동일한 형태를 가진 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제9항에 있어서,
상기 복수의 소형 루프 안테나의 개수는 4개인 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.
제8항에 있어서,
상기 근거리 루프 안테나의 크기가 파장(λ) 길이의 1/2 ~ 1/10 범위(λ/2~λ/10)에 있는 것을 특징으로 하는 근거리 루프 안테나.