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UHF 대역 RFID 안테나 설계

Design of RFID Antennas for UHF Band

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초록

UHF 대역 수동형 RFID 안테나는 리더와 태그 안테나로 구성되며 전체 RFID 시스템 효율과 인식거리는 리더와 태그 안테나의 반사손실, 효율, 방사이득, 태그 칩의 손실 등에 의해서 큰 영향을 받기 때문에 성능 좋은 안테나가 피료하다. 본 논문에서는 RFID 통신 시스템에서 리더와 태그 안테나가 가져야 할 특성을 먼저 수식적으로 접근하였고, 이러한 특성들을 효과적으로 얻을수 있는 새로운 안테나 구조를 제시하였다. 설계한 리더 안테나는 단(layer)의 수와 모양 및 pinch angle의 변화에 의해서 안테나 특성이 결정되는 multi-layered polygonal helix 형태를 가진다. 태그 안테나로는 inductive coupling 급전을 이용한 나선(spiral)형 구조의 초소현 안테나와 루프와 다이폴 안테나의 결합을 이용한 무지향(isotropic) 인식영역 안테나를 설계하였다. 설계한 RFID 안테나들은 모두 마이크로 스트립 선로처럼 평면 인쇄가 가능하며, 각각 하드보드지(hard board: έ=2.3, tanδ=0.022)와 PET(Polyethylene: έ=3.9, tanδ-=0.003)를 유전체로 사용했기 때문에 저가로 대량생산이 가능하다. 안테나 설계 변수의 최적화를 위해서 Pareto 유전자 알고리즘(Pareto Gentle Algorithm)을 적용하였으며, 최적화된 리더와 태그 안테나 중 특성이 좋은 표본 안테나르 제작하여 시뮬레이션 값과 비교 후 그 성능을 검증하였다.

Abstract

This paper reports the characteristics and designs of RFID antennas operating at UHF band. Antennas for RFID application should work with high efficiency, a lpw return loss and a good antenna gain ti achieve the required readable range with the restricted system power. Especially, for reader antennas, the high quality of a circular porization (CP) in a wide range of frequency is strongly required and the proper radiation pattern is needed to broaden the readable range of the system. For tag antennas, the small and the planar profile is desired to be easily attatched to an object and the stable radiation performance nearby various dielectric material is required.In addition, the readable range of the tag should not change much depending on its rotation angle,. In this paper, we propose a novle reader antenna, called multi-layered polygonar helix. on which the wireis wound around multi-layered polygons causing the pitch angle to both increase and decrease. We also propose two different types of tag antennas. One is to miniaturize the electric size ot the tag and the other is to achieve an omni-directional readale range so that the tag can be stably detected irrespective of its rotation angle. The detail design parameters for the both the reader and tag antennas are determined using a Pareto Genetic Algorithm in conjunction with numerical simulation code such as Numerical Electromagnetics Code (NEC) and IE3D. Then, we fabricated the samples of the optimized antennas on the low cost substrate materials and compared the measurement results to the simulations.

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