工學碩士 學位論文

유전체를 이용한 RFID 리더용 원편파 패치 안테나의 소형화

Miniaturization of a Circularly-Polarized Patch Antenna for RFID Reader Applications

by Dielectric Loading

忠 北 大 學 校 大 學 院

電坡工學科 電波通信工學專攻

崔 承 模

2006 年 2 月

工學碩士 學位論文

유전체를 이용한 RFID 리더용 원편파 패치 안테나의 소형화

Miniaturization of a Circularly-Polarized Patch Antenna for RFID Reader Applications

by Dielectric Loading

指導敎授 安 炳 哲

電坡工學科 電波通信工學專攻

崔 承 模

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함.

2006 年 2 月

本 論文을 崔 承 模 의 工學碩士學位 論文으로 認定함.

審査委員長 안 재 형 ㊞

審 査 委 員 김 경 석 ㊞

審 査 委 員 안 병 철 ㊞

忠 北 大 學 校 大 學 院

2006 年 2 月

- i -

차 례

Abstract ····················································································································ⅱ

List of Tables ·········································································································ⅲ

List of Figures ········································································································ⅳ

Ⅰ. 서 론 ········································································································ 1

Ⅱ. 원편파 안테나 ··························································································· 3

2.1 편파 ··············································································································· 3

2.2 원편파 마이크로스트립 안테나 ·························································· 6

2.3 안테나의 설계 ························································································· 10

Ⅲ. 안테나의 제작 및 측정 ····································································· 20

3.1 제작 ··············································································································· 20

3.2 측정 ··············································································································· 21

3.2.1 반사손실 측정 ······················································································ 21

3.2.2 이득 측정 ······························································································· 22

3.2.3 방사패턴 측정 ······················································································ 23

3.2.4 축비 측정 ······························································································· 25

3.2.5 안테나의 인식거리 비교 ·································································· 26

Ⅳ. 결 론 ······································································································ 27

참고문헌 ·················································································································· 28

감사의 ················································································································ 29

- ii -

Miniaturization of a Circularly-Polarized Patch Antenna for RFID Reader Applications

by Dielectric Loading

Choi, Seung-Mo

Department of Radio Engineering

Graduate School, Chungbuk National University

Cheongju, Korea

Supervised by Professor Ahn, Bierng-Chearl

Abstract

This thesis presents the miniaturization of circularly-polarized patch antenna by dielectric loading suitable for UHF-band RFID reader applications. The antenna consists of a corner-truncated rectangular patch, an L-shaped ground plane, a dielectric loading material, and a coaxial probe. The antenna structure is optimized using a commercial software. The size of the patch is reduced by a factor of 1.73 by loading the patch with mono-cast (MC) nylon. Measurements of the fabricated antenna show performance characteristics comparable to those of much larger commercial RFID reader antenna

* A thesis for the degree of Master in February 2006.

- iii -

List of Tables

표 2.1 유전율 변화에 따른 패치의 크기와 이득의 변화( rf =910 MHz) ··· 14

표 3.2 태그 최대 인식거리 ················································································· 26

- iv -

List of Figures

그림 2.1 편파타원 ···································································································· 4

그림 2.2 마이크로스트립 안테나 ········································································· 7

그림 2.3 여러 가지 형태의 인쇄형 원편파 안테나 ··············································· 8

그림 2.4 인쇄형 원편파 안테나의 급전방법 ························································· 8

그림 2.5 모서리가 제거된 패치 안테나에서의 원편파 발생 ························· 9

그림 2.6 제안된 안테나 ······················································································· 10

그림 2.7 유전체 높이(h1)에 따른 반사손실의 변화 ······································· 13

그림 2.8 모서리제거(t)에 따른 축비의 변화 ··················································· 15

그림 2.9 모서리제거(t)에 따른 반사계수 변화 ··············································· 16

그림 2.10 간격(s)에 따른 반사계수의 변화 ···················································· 17

그림 2.11 접지판 크기(W1=L1)에 따른 이득과 후방 방사의 변화 ·············· 18

그림 2.12 접지판 크기(W1=L1)에 따른 반사계수의 변화 ······························ 18

그림 2.13 접지판 크기(W1=L1)에 따른 축비의 변화 ······································ 19

그림 3.1 제작된 안테나 사진 ············································································· 20

그림 3.2 제작된 안테나의 반사 손실 ······························································· 21

그림 3.3 제작된 안테나의 임피던스 위치 ······················································· 22

그림 3.4 제작된 안테나의 이득 ········································································· 23

그림 3.5 제작된 안테나의 이득 패턴( =910 MHz) ····································· 24

- v -

그림 3.6 제작된 안테나의 축비 패턴( rf =910 MHz) ····································· 25

- 1 -

Ⅰ. 서 론

RFID(Radio Frequency Identification) 분야는 사회문화적 측면에서 많은 관심

을 일으키고 있으며, 우리나라에서는 UHF 대역(908.5-914 MHz)이 할당되어

다양한 분야에서 연구가 활발히 진행 중에 있다 [1]-[3]. RFID 시스템에서 중요

한 구성요소인 RFID 리더 안테나의 경우 수많은 과학자들에 의해 연구가 진행

되고 있으며, 특히 안테나의 소형화 요구를 만족시키면서도 태그의 신뢰할 수

있는 인식거리의 확보를 위해 리더 안테나의 요구사항, 즉 안테나의 이득, 편파

등을 만족시키는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 효과적인 RFID 리더 안

테나는 동작 주파수 대역에서 반사손실이 VSWR < 2 기준을 만족시켜야 하며,

축비< 3 dB 기준의 양질의 원형 편파를 갖도록 설계되어야 한다. 또한 다중 태

그 인식율이 좋도록 하기 위해서 높은 이득과 넓은 방사 패턴을 가져야하며 안

테나의 크기는 공간을 효율적 사용을 위해 작아야 한다 [4]-[7].

이 논문에서는 현재 상용중인 RFID 리더 안테나와 비교하여 동일한 성능을

가지며, 안테나의 크기를 소형화하기 위해서 유전체를 장하하여 크기를 작게

한 원편파 패치 안테나의 설계 및 제작, 측정에 관해 연구하 다. 대표적인 상

용 안테나로 A사의 RFID 리더 안테나는 크기가 260 x 260 x 30 mm이며, 이득

은 6 dBi이며, A'사의 RFID 리더 안테나는 크기가 200 x 200 x 20 mm이며, 이득

은 6 dBi이다.

태그의 인식거리는 리더기의 전달 전력, 태그 및 안테나의 이득, 리더 d안테

나의 수신 전력에 의해 결정된다.[8] 현재 상용화된 외국 회사의 RFID 리더

기 시스템을 이용한 태그 안테나 인식 거리 및 편파 변화에 따른 특성을

비교 제시하여, 제작된 안테나의 우수성을 입증하 다.

2003년도에 Chang과 공동연구자들에 의해서 제안된 광대역 패치 안테나는

사각 모서리 따기와 공기유전체와 L모양의 수직그라운드 그리고 수직 그라운

드면을 통과하는 동축 프로브로 급전이 이루어지는 구조로 구성되어 있다 [9].

그들은 패치와 안테나 사이의 간격을 증가시키고, 패치에 수평으로 급전을 시

킴으로써 안테나의 빔폭을 증가시킬 수 있었다. 그들이 수행한 피드 방법을 사

- 2 -

용하여 피드의 길이는 프로브의 인덕턴스를 최소화 할 수 있게 설계되었으며,

이는 광대역 특성을 나타내었다. 이 논문에서는 RFID 리더 안테나의 공간 절

약을 위해 안테나의 크기를 감소시키는 방법으로 저가의 유전체를 패치에 장

하하 다. 이는 유전체의 유전율로 인한 안테나 패치의 크기 감소를 일으켜 결

과적으로 전체 안테나의 크기를 줄일 수 있게 되었다.

안테나의 설계를 위하여 상용 전자기파 해석 프로그램인 CST사의

Microwave Studio를 사용하 으며, 각 부분별 시뮬레이션을 통하여 파라미터

를 최적화하 다. 그 후 설계된 파라미터를 갖는 최종 모델의 시뮬레이션을 통

하여 안테나의 특성을 확인하 다. 또한 설계되어진 안테나를 제작 및 측정하

으며, 이를 시뮬레이션 결과와 비교 분석하 다.

제안된 RFID 리더 안테나는 구조가 간단하며, 저가의 유전체를 사용하고,

패치 및 그라운드의 가공이 용이하기 때문에 제작비용이 저렴하다는 장점과,

기존 상용화된 RFID 리더 안테나와 동일한 성능을 가지며 크기가 작다는 잇점

을 가지고 있다.

본 논문의 구성은 2장에서 원편파 안테나의 기본이론, 즉 편파 및 원편파 마

이크로스트립 안테나에 대해 설명하 고, 이를 기반으로 제안된 안테나의 설

계 과정을 설명하 다. 그리고 3장에서 설계되어진 안테나의 제작과 측정결과

를 제시하 다. 측정결과는 반사계수 특성, 이득 특성, 전계패턴 및 자계패턴,

축비 특성을 시뮬레이션 결과와 비교하여 제시하 다. 마지막으로 4장에서 결

론을 요약하 다

- 3 -

Ⅱ. 원편파 안테나

마이크로스트립 안테나는 두께가 얇고 평면 및 비 평면에 부착이 용이하며,

제작이 간편하고 싸다는 장점과 다양한 형태를 가지고 형성하는 필드의 특성

을 가지고 공진주파수, 편파, 패턴과 임피던스를 변화시킬 수 있어 이동통신 분

야 및 RFID 분야에서 많이 사용되고 있다. 특히 RFID 분야에 마이크로스트립

안테나의 적용에 있어서 안테나의 송, 수신간 전력 전달의 효율성이란 측면이

중요한 향을 미치면서 안테나 설계에 있어 필드의 편파특성은 원편파를 가

지게 되었다. 원편파의 경우 극성변환이 우려되는 통신환경에서 선형편파에

비해 우수한 전송 특성을 가지고 있으며, 특히 이득이 작은 Tag의 피아 식별에

있어 안정적인 인식거리를 제공하기 위해 안테나의 높은 이득과 함께 편파를

만족시키는 것이 중요하다. 여기에서는 편파에 대한 기본적인 이론과 함께 마

이크로스트립 형태로 원편파를 구현하는 방법에 대하여 알아보도록 하겠다.

2.1 편파(Polarization)

어떤 방향에서 안테나의 편파는 “안테나에 의해 송신(방사)되는 파의 편파”

로써 정의되며, 방향이 정해져 있지 않을 때, 편파는 최대 이득 방향에서의 편

파를 말한다. 일반적으로 안테나로부터 방사된 파는 충분히 멀리 떨어져 있는

지점에서 전계강도의 크기와 방향, 위상이 거의 같은 평면파로 나타낼 수 있으

며, 이 균일 평면파의 편파는 공간상의 한 점에서 시간에 따른 전계강도 벡터의

상대적 크기에 대한 방향의 특성을 나타낸다. 안테나에 의해 수신되는 전파의

편파는 어떤 주어진 방향에서 입사되고, 안테나 단자에서 최대전력을 얻을 수

있는 주어진 선속 도를 갖는 평면파의 전파로써 정의된다.

편파는 선형, 원형, 타원형으로 분류될 수 있다. 공간의 한 점에서 시간의 함

수로 표시된 전계 벡터가 항상 선을 따라 움직이면, 그 전계는 선형편파이다.

그러나 일반적으로 전계의 궤적은 타원 형태가 되며, 이러한 전계는 타원편파

이고, 원형편파는 전계 혹은 자계 벡터가 시간의 함수로서 원의 궤적을 이룰 때

시간 조화파는 공간의 주어진 점에서 원형 편파가 된다. 원형 편파가 되기 위한

- 4 -

필요충분조건은 첫째, 전계 혹은 자계가 두 가지 직교 선형성분을 가져야 하며,

둘째, 두 가지 성분은 동일한 진폭을 가져야 하며, 마지막으로 두 가지 성분은

시간 위상차가 90°의 홀수배이어야 한다.

이는 다음 식으로 확인 할 수 있다. 양의 z 방향으로 진행하고 x 와 y의 전기

장 성분을 갖는 평면파를 고려해보자. 이때 전자장에 대한 순시식은 다음과 같

다. 여기서 xE +, yE+는 복소수이고, 0xE +

, 0yE+는 실수이다.

(2.1)

또한 편파는 축비, 경사각, 회전방향으로 그 특성을 나타낼 수 있다. 다음 그림

은 편파의 세 가지 성분을 그림으로 나타낸 것이다.

- 5 -

그림 2.1 편파타원.

시간함수로서 주어진 위치에서 곡선 궤적은 일반적으로 위 그림과 같이 기울

어진 타원이다. 여기서 장축(OA)와 단축(OB)의 비를 축비(Axial Ratio)라고 하

며 다음과 같다.

(2.2)

위 식에서 (+)기호는 좌원편파를 (-)기호는 우원편파를 나타내며, 선형편파는

축비가 무한대의 값을 가지게 되며, 축비가 1일 때에는 완전한 원을 형성하게

되어 원편파가 된다. 원편파의 경우 3 dB 이하의 값을 가지게 되면 특성이 양호

하다고 말한다. y축에 대한 타원의 기울기는 다음식과 같이 각도 τ 로 나타낸

다.

(2.3)

회전방향은 위상이 늦은 성분방향으로 위상이 앞서는 성분이 회전하는

것으로 결정되는데, 전계의 회전은 전파가 마치 관측자로부터 멀어져 가

는 것으로 관측된다. 만약 회전이 시계방향이라면, 전파는 오른쪽(시계방

향)으로 원형 편파되며, 반시계방향으로 회정하면, 전파는 왼쪽(반시계방

향)으로 원형 편파되었다고 한다. 위상이 늦은 성분 쪽으로 위상이 앞서

는 성분이 회전하는 것은 180°보다 작은 두 성분 사이의 가고 간격을 유

지하며 이루어지는데, 180° 근처 혹은 약간 크거나 360° 보다 작은 경우

를 늦다고 하며, 0° 근처 혹은 180° 보다 다소 작은 경우를 위상이 앞선

다고 한다.

송, 수신 시스템에서 안테나가 모두 선형편파 안테나이거나, 회전방향이

- 6 -

같은 원편파 안테나의 경우 전력전달은 아무런 문제가 되지 않지만, 송,

수신 안테나의 편파가 다를 경우 3dB 정도의 전력을 덜 받게 되는데 이

러한 현상을 편파 손실(polarization loss)라 하고, 이 경우 안테나의 기울어

짐은 손실에 향을 주진 않지만, 두 선형편파 간에도 편파의 경사각이

정확히 일치하지 않으면 전력 손실이 발생하게 되고 위상차가 90°가 되면

전력의 전달은 이루어지지 않는다.

일반적으로 RFID 시스템에 쓰이는 안테나의 경우 원활한 전력의 전달

을 위해 원편파가 쓰이게 된다.

2.2 원편파 마이크로스트립 안테나

마이크로스트립 안테나의 구조는 다음의 그림 2.2와 같다. 마이크로스트

립 안테나는 공진기 형태의 안테나로 해석이 가능하며, 일반적인 안테나

의 구조는 위 그림처럼 접지면 위에 일정한 두께의 유전체가 놓여져 있고

그 위에 방사소자를 두는 구조이다. 방사소자의 구조는 직사각형, 원형,

삼각형 등 다양한 구조를 가지고 있으며, 안테나의 급전은 coaxial feed,

coplanar feed, proximity-coupled microstrip feed, aperture-coupled feed 등 응

용분야에 따라 다양하다. 마이크로스트립 안테나의 방사는 두께가 파장에

비해 작을 때 (d < 0.05λ0) 패치에 평행한 전계 성분은 무시할 수 있게 된

다. 이 패치의 λ0/2 정도의 길이에서 패치 양단과 접지 사이에 fringe field

가 형성되어 수평성분은 far field에서 상쇄되고 수직성분은 위상이 같아지

게 되므로 상하의 수직성분만 남게 된다. 이 양쪽 성분의 위상이 같아져

브로드사이드 방향에서 최대 방사패턴을 만들게 된다.

- 7 -

(a) 측면도 (b) 상면도

그림 2.2 마이크로스트립 안테나

마이크로스트립 안테나로 원편파를 만들어 내기 위해서는 90° 위상차

가 나는 두개의 크기가 같고 직교 선형모드가 나타나도록 패치를 설계하

거나, 단일 또는 둘 이상의 급전을 행하면 원편파를 얻을 수 있다. 구체적

인 방법으로는 사각형 패치의 대각선 방향의 모서리를 자르거나 대각선

방향으로 slot를 형성하는 방법, cross-slot에 위상차를 구현하여 급전하는

방법, 사각형 패치나 원형 패치에 90°로 slot를 형성하여 급전하는 방법이

있다. 이중급전을 이용한 방법에는 사각 패치 안테나에서 외부 편파기를

이용하여 90° 위상차가 나도록 급전을 시키는 것으로 직접적으로 원편파

를 만들어 낼 수 있고, 입력단을 조절함으로써 원편파의 방향을 조절할

수 있다.

이 논문에서는 단일급전 방식을 사용하 으며, 급전 방법은 coplanar

feed 라고 불려지는 방법으로 패치의 동일면에 급전을 해주는 방법이다.

단일 급전 방식의 원편파 안테나의 경우 사각형 패치와 원형 패치의 두

가지 방법을 사용할 수 있는데 원형 패치는 물리적인 크기가 작기는 하나

사각형 패치가 축비 3 dB 대역폭, 방사효율, 지향성 등에서 더 좋은 결과

를 가지기 때문에 사각형 패치로 설계하 다.

- 8 -

(a) 이중급전 (b) 단일급전

(c) 복합 슬롯 (d) 불연속성 (e) 인쇄된 슬롯

그림 2.3 여러 가지 형태의 인쇄형 원편파 안테나

(a) 이중급전

(b) 단일급전

그림 2.4 인쇄형 원편파 안테나의 급전방법

- 9 -

원편파를 발생하기 위해서 크기가 같고 위상차가 90°인 두개의 직교모

드가 필요하며 원래 사각형 패치 안테나의 경우 선형편파로 동작하나 사

각 패치의 모서리를 깎아 줌으로써 fa과 fb의 직교 모드가 나타나게 되고

f0에서위상과 크기가 원편파 조건을 만족함을 확인할 수 있다.

(a) 패치상의 전류

0.707

1.0

Am

plitu

de

f f fa 0 b

f f fa 0 b

Phas

e

- 90

45

0

- 45

90

(b) 패치 전류의 크기와 위상

그림 2.5 모서리가 제거된 패치 안테나에서의 원편파 발생

- 10 -

2.3 안테나의 설계

본 절에서는 RFID 대역에서 동작하는 원편파 패치 안테나에 대하여

기술하고자 한다. 앞장에서 언급했듯이 급전 방식은 단일급전 방식을 채

택하 으며, 설계와 제작이 있어서 비교적 편이하며 해석이 간단한 사각

형 패치 형태의 안테나를 선택하 다. 또한 제안된 원편파 패치 안테나는

기존 패치 안테나의 문제점이었던 좁은 원편파 밴드 폭을 증가를 증가시

키고, 안테나의 공진 길이를 길게 하는 구조로써 L자형 수직 그라운드를

첨가한 형태로 그림 2.6과 같다.

(a) 윗면

(b) 측면

그림 2.6 제안된 안테나

안테나의 VSWR, 대역폭, 방사패턴, 축비 등의 특성에 향을 미치는

변수로써 패치의 크기(W3,L3), 유전체의 높이(h1), 피드의 간격(s), 그라운드

- 11 -

의 크기(W1,L1), truncation의 길이(t) 등을 고려하여야 한다.

기본적인 설계 방법은 패치의 크기(W3,L3)를 결정하고, 양호한 대역폭

확보를 위해 패치의 높이를 결정하며, 높이를 결정할 때 장하되는 유전체

의 유전율 및 크기를 결정한다. 이 과정에서 패치의 크기는 장하되는 유

전체의 유전율에 향을 많이 받기 때문에, 우선적으로 유전율을 구하고

실행하 다. 그리고 양호한 축비를 얻기 위해 truncation의 길이를 결정하

고, 방사 패치의 임피던스 조절을 위해 패드갭(s)을 결정한다. 최종적으로

그라운드 크기를 결정하며, 이 과정은 parameter study 과정을 통해 최적

설계 값을 도출한다.

마이크로스트립 패치 안테나를 설계하는 데는 기본 안테나 패치의 모

양을 W, L로 정의하고 (2.4)∼(2.8)식을 가지고 설계를 한다.

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

f r =

fr

1 −2∆S

S

(2.8)

공진주파수를 결정하는 패치의 크기는 유전체의 유전율과 높이에 의해

- 12 -

서 크게 좌우가 되며, 패치의 크기에 따라 원편파를 발생시키는 truncation

의 길이도 달라 지게 된다. 따라서, RFID 대역(908.5-914 MHz)에서 동작

하는 패치의 크기를 정하기 위해, 먼저 유전체를 결정하게 되었다.

(2.9)

아주 얇은 기판인 경우 (h≪ 0λ )의 경우 대역폭은 기판 유전율의 제곱근

에 반비례를 한다. 그러나 기판두께를 크게 함으로써 효율과 대역폭 확장

의 장점이 있어 안테나의 밴드 폭 증가를 위해서 유전체의 높이는 20

mm로 하여 패치를 고정하 다. 그림 2.7의 유전체 높이에 따른 결과를

살펴보면, 높이가 증가할수록 대역폭이 증가하는 장점이 있으나, 전체 안

테나의 크기가 커지는 단점이 있어, 20 mm로 결정하게 되었다. 이는 공

진주파수에서 방사효율과 대역폭 대 기판의 두께에 관한 그래프에서 70%

이상의 효율을 갖는다.

또한 유전체의 넓이와 폭은 프린징 효과를 고려하여 패치 크기보다 크

게 하 다. 유전체의 크기를 안테나 방사 패치와 같은 크기로 한다면 유

전체에 따른 프린징 효과를 볼 수 없어 공진주파수가 유전체가 있을 경우

보다 상향 주파수에서 나타나게 된다. 시뮬레이션결과 유전체의 크기가

93 x 93 mm이었을 경우 공진주파수는 1.2 GHz에서 나왔으며, 수직그라운

드와의 간격 7 mm와의 간격이 짧아져 갈수록 공진주파수가 저주파수에

서 나타남을 확인할 수 있었다.

- 13 -

(W1=160, W2=120, W3=93, L1=160, L2=120, L3=93, t=21, s=7, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.7 유전체 높이(h1)에 따른 반사손실의 변화

안테나의 소형화를 위해 고비유전율을 사용하는 방법이 있지만, 너무

높은 유전율을 사용하면 대역폭과 방사효율 등 안테나의 특성이 저하되기

때문에 적절한 유전율을 찾는 것이 중요하다. 제안된 구조에서의 유전율

에 따른 패치의 크기 및 이득의 변화율을 시뮬레이션을 통해 알아본 후,

최적의 유전율 값을 찾는 물체를 찾게 되었다.

표 2.1를 살펴보면 유전율이 증가할수록 910 MHz 공진하는 패치의 크

기는 비례적으로 감소함을 나태내고 있으나, 고 유전율에 의한 방사효율

의 저하로 이득일 감소함을 확인 할 수 있다. RFID 리더기의 이득을 6

dB로 목표치로 두었기 때문에, 유전체의 유전율은 3 정도로 결정하 다.

- 14 -

표 2.1 유전율에 따른 패치의 크기와 이득( rf =910MHz)

(W1=160, W2=120, L1=160, L2=120, t=21, s=7, h1=30, h2=20 단위: mm)

유전율( re )패치의 크기

(W3 =L3)이득(dBi)

1 161 8.7

3 89 5.7

5 68 5.0

10 48 2.5

제안된 안테나의 경우 두꺼운 유전체를 사용하여 안테나의 공진 길이가

짧아져 중심 주파수에서 동작하는 자유공간상의 약 30% 정도의 공진 길

이를 갖는다.

좋은 원편파의 발생을 위하여 폭과 길이의 비를 1 : 1로 고정하여 설계

하 다. 원형 편파를 만들기 위해서 사각형 패치의 한 쌍의 모서리를 제

거해 위상의 90도 차이를 이용하여 원형 편파를 형성시키는 방법을 사용

하 다.

(2.10)

여기서, s∆ 는 t의 길이를 갖는 truncation 부분의 면적이며, s는 사각형

패치의 면적을 나타낸다. 1f 과 0f 은 각각 첫 번째 모드에서의 공진주파수

와 안테나의 공진 주파수를 나타낸다. 원형 편파는 truncation 처리를 하지

않은 패치의 면적에 대한 truncation의 면적에 관계되며 식 (2.10)을 이용하

여 구할 수 있다. 패치의 길이와 와 truncation 길이의 비율을 약 20%로

- 15 -

하여 축비를 얻을 수 있었으며, truncation을 하는 과정에서 발생되는

mismatch는 시뮬레이션 tuning 과정을 통해 조정하 다. 그림 2.8에서 보면

truncation 길이가 길어질수록 높은 주파수쪽으로 축비가 이동됨을 확인

할 수 있으며, 그림 2.9에서는 truncation의 길이가 길어질수록 반사계수의

양호한 공진주파수가 저 주파수대로 이동하는 것을 볼 수 있다. 이 결과

를 통해 매칭이 잘된 주파수에서 꼭 3 dB 축비가 양호하지 않다는 사실

을 발견할 수 있었으며, RFID 대역에서의 양호한 축비를 얻기 위해

truncation의 길이를 21 mm로 결정하게 되었다.

(W1=160, W2=120, W3=93, L1=160, L2=120, L3=93, s=7, h1=30, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.8 모서리제거(t)에 따른 축비의 변화

- 16 -

(W1=160, W2=120, W3=93, L1=160, L2=120, L3=93, s=7, h1=30, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.9 모서리제거(t)에 따른 반사계수 변화

패치와 동일한 높이에서의 급전을 위해 수직의 그라운드(h2)를 형성하

는데, 이는 SMA 커넥터의 연결과 그로인한 방사패턴의 효과를 작게 하기

위하여 적절한 높이를 결정하 으며, 프로브의 간격(s)는 안테나의 임피던

스 매칭의 향과 프로브의 인덕턴스를 최소화하는 거리를 시뮬레이션을

통해서 최적화된 값을 도출하 다. 그림 2.10은 간격(s)에 따른 반사계수

의 변화를 보여주고 있다. 수직 그라운드와 패치와의 간격이 너무 짧거나

길게 되면 안테나의 임피던스 변화가 심해 공진 주파수의 변화 및 대역폭

의 변화가 큰 것을 확인 할 수 있다.

- 17 -

(W1=160, W2=120, W3=93, L1=160, L2=120, L3=93, t=21, h1=30, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.10 간격(s)에 따른 반사계수의 변화

그라운드의 크기는 패치의 크기보다 클수록 후방방사가 적게 발생하고,

이득이 커지는 장점이 있으나, 안테나의 크기가 커지는 단점이 있다. 그림

2.11에서 보면 접지판의 크기가 120 x 120 mm의 경우 안테나의 크기는

작아지지만, 후방방사가 많이 발생하여, 이득이 5 dB 정도 밖에 나오지

않으며, 접지판의 크기가 200 x 200 mm 일 경우 이득은 6 dB를 상회하지

만, 전체 안테나의 크기가 커지는 결과를 확인 할 수 있다. 또한 그림

2.12와 2.13을 보면 접지판의 크기가 작아질수록 임피던스 매칭이 잘 되는

것을 확인할 수 있으나, 3 dB 축비 대역폭은 상향 주파수에서 나타남을

확인 할 수 있다. 접지판의 크기에 따라 발생하는 후방방사가 달라 방사

패턴에 향을 주어 원하는 축비를 얻기가 힘들었다. 시뮬레이션 결과 그

라운드의 크기가 안테나 축비가 깨지지 않는 범위에서 최대한 작게 결정

하 다.

- 18 -

(W2=120, W3=93, L2=120, L3=93, t=21, s=7, h1=30, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.11 접지판 크기(W1=L1)에 따른 이득과 후방 방사의 변화

(W2=120, W3=93, L2=120, L3=93, t=21, s=7, h1=30, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.12 접지판 크기(W1=L1)에 따른 반사계수의 변화

- 19 -

(W2=120, W3=93, L2=120, L3=93, t=21, s=7, h1=30, h2=20,

re =2.7, 단위: mm)

그림 2.13 접지판 크기(W1=L1)에 따른 축비의 변화

위 parameter study를 통해 최종적으로 유전체는 mono-cast nylon( re =2.7,

loss tangent = 0.01)를 사용하 다. 패치 크기의 변화와 유전율의 증가로

축비의 중요 파라미터인 피드와 패치의 거리, truncation의 길이는 피드와

패치 사이의 갭(s)의 변수를 7 mm로 고정하여 truncation을 조정하여 대역

폭을 만족하는 축비를 도출하 다. parameter 설계로부터 다음과 같은 최

적 설계 결과를 얻었다. 접지판의 크기(W1=L1)는 160 mm, L자형 수직 그

라운드의 높이(h1)는 30 mm, 유전체의 크기(W2=L2)와 높이는 각각 120

mm, 20 mm가 나왔으며, 패치 안테나의 크기(W3=L3)는 93 mm가 나왔다.

모서리따기의 길이(t)는 21 mm로 하여 양호한 원편파를 얻을 수 있었으

며, 패치와 수직 그라운드 사이의 갭(s)은 7 mm가 나왔다.

- 20 -

Ⅲ. 안테나의 제작 및 측정

3.1 제작

아래 그림 3.1은 제작된 안테나의 모습이다. 안테나의 수평그라운드와

L자형 수직 그라운드의 재질은 알루미늄을 사용하 으며, 유전체는

mono-cast nylon( re =2.7, loss tangent = 0.01)를 사용하 다. 패치는 0.2 mm

동판을 사용하여 가공하 으며, 급전부는 SMA 타입 커넥터를 이용하여

급전을 하 다.

그림 3.1 제작된 안테나 사진

- 21 -

3.2 측정

설계 및 제작된 RFID 리더용 유전체 장하 원편파 안테나의 특성 실험

은 회로망 분석기(HP8720C), 표준이득 혼 안테나를 사용하여 anechoic

chamber에서 특성을 측정하 다.

3.2.1 반사손실 측정

안테나의 반사손실은 회로망 분석기(HP8720C)잉 이용하여 측정하 으

며, 측정된 반사손실 특성은 그림 3.2와 같이 -10 dB 기준으로 845∼970

MHz 대역에서 만족함을 확인할 수 있으며, 그림 3.3에 스미스차트를 나

타내었다.

그림 3.2 제작된 안테나의 반사 손실

- 22 -

그림 3.3 제작된 안테나의 임피던스 위치

3.2.2 이득 측정

안테나의 이득 측정은 표준 이득 혼 안테나를 사용한 상대 이득 측정법

을 사용하 다. far-field 조건이 되는 거리에서 혼안테나를 위치시킨 후 삽

입손실 특성을 response calibration 한다. 다음으로 특정된 혼안테나를 제거

한 후 측정하고자 하는 안테나로 바꾸어 삽입손실을 측정 후 표준 안테나

의 이득표를 이용하여 안테나의 이득을 구하게 된다. 그림 3.4는 측정된

안테나의 이득을 나타내고 있으며, RFID 대역에서 이득이 6 dB가 나왔다.

- 23 -

그림 3.4 제작된 안테나의 이득

3.2.3 방사패턴 측정

측정된 빔폭은 3 dB 기준으로 수평, 수직은 각각 87°, 105° 로 넓은 인식각을

가지고 있다. 후방 방사 레벨은 15 dB로 나왔으며, 시뮬레이션 결과와 측정결

과가 유사함을 확인할 수 있다. 후방부(180°)의 시뮬레이션 결과와 측정된 결

과의 상이함은 측정시 커넥터 및 안테나를 고정하기 위한 지그(jig)와 케이블에

의한 손실로 보여진다.

- 24 -

(a) zx-평면

(b) yz-평면

그림 3.5 제작된 안테나의 이득 패턴( rf =910 MHz)

- 25 -

3.2.4 축비 측정

아래 그림은 910 MHz 대역에서의 축비(Axial Ratio)를 보인 것이다. 3

dB 이하 축비각도가 수평, 수직 평면에서 각각 200°와 110°를 넘어 좋은

축비 특성을 보여주고 있다.

(a) zx-평면

(b) yz-평면

그림 3.6 제작된 안테나의 축비 패턴( rf =910 MHz)

- 26 -

3.2.5 안테나의 인식거리 비교

안테나 이득에 따른 효과를 확인하기 위해서 인식거리 R에 대한 것

은 다음의 방정식으로 나타낼 수 있다.

(3.1)

여기서 P는 리더기의 전달 전력, tG 는 리더기 안테나의 이득, rG 은 태

그 안테나의 이득 , BARKP 는 리더 안테나의 수신 전력이다.

본 논문에서 측정에 사용된 RFID 시스템은 Alien사의 상용 RFID 시스

템이었으며, 리더기의 출력은 1 W이다. Alien사에서 제공되는 6 dBi 이득

을 가지는 안테나와 제작된 소형화된 안테나를 비교하여 인식거리를 측정

하 다. 실험에 사용되어진 Tag는 EPC Class 1 UHF RFID Tag(64bit) -

“Squiggle T" Tag이다. 실험은 회의실 환경에서 실측하 다.

측정결과는 이득이 같은 상용안테나와 같이 태그 인식 역이 흡사하

며, 편파에 따른 인식률에서는 우수한 성능을 나타내었다. 이런 결과를 토

대로 제작된 소형 안테나가 실제 사용 환경에 적합함을 확인할 수 있었

다.

표 3.2 태그 최대 인식거리

안테나 종류안테나 이득

(dBi)

최대 인식거리

(m)

Alien사 제품 6 5

제작된 안테나 6 5

- 27 -

IV. 결 론

이 논문에서는 RFID 적용을 위해 한국에 할당된 908.5-914 MHz 대역에서 동

작하는 유전체 장하 원편파 패치 안테나에 대해서 나타내었다. 원편파는 정당

한 양의 패치의 두 직교하는 모서리 따기에 의해서 획득된다. 안테나의 밴드폭

은 그라운드와 패치 사이의 거리의 증가에 의해서 매우 향상되었다. 좋은 임피

던스 특성은 L-모양의 그라운드의 수직 부분을 통해 동축 프로브로 패치의 끝

면 급전에 의해서 얻어질 수 있었으며, 그 간격 조정에 의해서 최적점을 도출하

다. 또한 비유전율이 2.7인 모노캐스트 나일론으로 패치에 장하하여 패치 크

기를 1.73 배로 감소시킬 수 있었다. 또한 자세한 parameter study를 나타내어 안

테나의 유용한 설계 과정을 제시하 고, 제안된 안테나의 시뮬레이션 결과와

측정값을 비교 분석하 다.

제작된 안테나의 측정 결과는 안테나 이득이 6 dBi, 방사패턴의 3 dB 빔폭은

수평, 수직은 각각 87도, 105도, -10 dB기준 반사계수는 845-970 MHz, 3 dB 축

비는 수평, 수직 각각 200도와 110도, 전후방비는 15 dB를 나타내고 있다. 태그

의 인식거리는 5 m로 상용제품과 동일하게 나왔다.

이 결과는 상용화된 RFID 리더 안테나와 견주어 볼 때, 안테나의 크기는 면

적대비 약 50%를 가지며, 그 성능은 동일함을 확인 할 수 있었다. 따라서 이 논

문에서 제안된 안테나는 크기가 작고, 제작비용이 적게 들며, 상용 RFID 리더

안테나와 유사한 특성을 보여주고 있어, 상업적인 RFID 시스템에 잘 적용되리

라 본다.

- 28 -

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