2008 년 1 학기 RFID 시스템특론 RFID 동작원리 (1)
1. RFID 의기본적인동작원리이해 Radio Frequency Microwaves 1 Bit(EAS) Frequency Divider Electromagnetic Acoustomagnetic RFID System Inductive Coupling Full and Half Duplex Electromagnetic ti Backscatter Close Coupling N Bit(Memory) Electronic / Physical Electrical Coupling Inductive Coupling Sequential SAW 02
2. 1 - 비트통신방법이해 1) Radio Frequency 무선주파수 (Radio Frequency) : 공진주파수를정하기위해조정하는 LC 공진회로에기본을두고있음. 플라스틱하우징안의커패시터위에스티커형식의라벨모양인박판사이에과거현대납땜된에나멜구리선으로구성에칭된코일을삽입한형태 * 각항목을클릭하세요. 리더 태그 Magnetic Alternating Field 무선주파수범위에서교류자계발생 발진하는공진회로가발진기코일의자계안에놓이면센서코일에서유도기전력의변화를감지함. 전압변화의크기는보통매우낮아서감지하기어려움. 주파수 82 8.2 MHz ± 10% 의범위만가지면시스템을읽을수있는스윕 (Sweep) 시스템사용 ( 발진기의주파수가최소주파수에서최대주파수까지움직임.) fg Generator Coil Transmitter Energy EAS Label Feedback Feedback Sensor Coil Receiver (Optional) URF <EAS 시스템의동작원리 >
2. 1 - 비트통신방법이해 2) Microwave 마이크로웨이브범위의 EAS시스템은비선형적특징에서고주파의발생을이용함. 이론적으로비선형특성을잡는모든 2단자망은첫번째배음에서고조파를발생시키나비선형저장성분의에너지소모로인해첫번째고조파전력의적은부분만고조파발진으로변환될뿐임. 양호한조건하에서주파수 f 의곱 n 는 η =1/n 2 의효율로나타남. 용량성다이오드는특히주파수체배를위한비선형에너지저장에적합함. f 고주파의발생을위한 1 - bit 트랜스폰더의배치 반송파 (Carrier Wave) 를조정하기위한쌍극자 (Dipole) 의기저에연결되어있음. 사용되는반송파 (Carrier Wave) 주파수 : 915 MHz ( 유럽제외 ), 2.45GHz or 5.6 GHz임. f A Dipole f A Capacitance Diode Housing Alarm 1kHz Detector 1 khz Generator 2.45 GHz 2 f A Basic Circuit Mechanical Design 2nd Harmonic 4.90 GHz 1 - bit Transponder < 마이크로웨이브로동작하는전형적인구조 >
2. 1 - 비트통신방법이해 3) Freqency Divider Freqency Divider 방식은 100-135.5 khz의장파 (Long Wave) 범위에서동장함. 1 보안태그는마이크로칩과에나멜이입혀진동선으로만들어진공진회로를포함함. 2 트랜스폰더는플라스틱형태로생산되고상품을구입시제거되며마이크로칩은보안기기에서전력을공급받음. 3 고주파생성방식과비슷함. ( 반송파의변조는간섭주파수와유용한주파수의구별에사용되며경보오작동하지않음.) 트랜스폰더안에서의마이크로칩은보안기기의자기장에서전력을공급받으며, 유도코일 (Self Inductive Coil) 에서주파수는마이크로칩에서이분주되어보안기기로보냄. ~ R i F / 2 Bandpass Analysis Electronics Security Device f/2 C R + Power, Clock f Magnetic Field H <Freqency Divider 의동작원리 > C 1 C 2 Security Tag - DIV 2 f1/2
2. 1 - 비트통신방법이해 4) Acoustomagnetic 보안요소를위한음향자기시스템 (Acoustomagnetic) 은 40mm 길이에 8 에서 14mm 정도폭, 수 mm 의높이로된매우작은플라스틱박스로구성됨. 박스들은영구적으로연결된단단한자기금속띠와기계적인진동에서자유로운위치에비균질금속으로만들어진띠를가지고있음. 교류자계에서발생된주파수 정확하게일치 보안요소의금속끝에서발생되는공진주파수 자기장의영향아래서비균질금속띠가발진됨. 어느시간후면자기장이꺼짐. 자기끈이소리굽쇠처럼계속발진됨. 교류자계를발생시켜보안시스템에서쉽게검출됨. 장점 단점 보안시스템이보안요소가응답하고있는동안송신하지않는것이가장큰장점이라할수있으며, 감지수신기는일정한민감도를갖도록설계됨. 사용하지않는보안요소는반드시비자성화되어야하며, 오직장의세기가천천히줄어드는강한자기장에서만가능하므로고객이임의로가지고다니는영구자석으로조정하는것은불가능함.
Freqency Divider 의동작원리 Security Element Receiver Generator Coil Sensor Coil Transmitter Magnetic Alternating Field at Generator Coil H T H T t t Close
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 1 - bit 트랜스폰더 Full and Half Duplex Procedure 트랜스폰더 보통의간단한물리적인현상만을 데이터이동디바이스와같이전자적인마이크로칩을사용함. 저장용량은수킬로바이트로데이터이동디바이스로부터정보를읽거나그곳에정보를쓰는일이가능함. 정보이동방식 * 각항목을클릭하세요. Full and Half Duflex Procedure(FDX, HDX) Sequential Systems(SEQ) HDX에서는리더로부터트랜스폰더로의데이터이동이번갈아가면서일어나며, FDX에서는트랜스폰더에서리더의데이터가이동할때같은시간대에이동함. 리더의부고조파 (Subharmonics) 의한부분에서나완전하게독립되어있는비고조파 (Anharmonics) 에서의트랜스폰더로부터데이터가전송되어지는것을포함함. 30 MHz의주파수를사용하며부하변조진행에가장자주쓰이는주파수임. 부반송파 (Subcarrier) 가있거나없거나매우간단한회로로구성되고있음. 100 MHz위의주파수를주로사용하는리더의기술로부터친숙한단면변조방식 (Modulate Reflected Cross Section Procedure) 의레이더기술과유사함. 부하변조와단면반사변조진행리더에서발생된자기장과전자기장에영향을받고그결과고주파진행으로알려짐.
Full and Half Duflex Procedure(FDX, HDX) Sequential Systems(SEQ) SEQ 시스템에서는에너지의이동이제한된시간주기를사용하며, 트랜스폰더에서리더로의데이터이동은트랜스폰더로의전력공급이잠시멈춰져있을때발생함. F D X H D X S E Q Procedure Energy Transfer Downlink Uplink Energy Transfer Downlink Uplink Energy Transfer Downlink Uplink t
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 1) Inductive Coupling 팝업창 Power Supply to Passive Transponder 유도적으로결합된트랜스폰더 데이터이동디바이스역할을하는마이크로칩 안테나역할을하는코일 - 항상수동적 (Passively) 으로동작하며, 마이크로칩의동작에필요한전력을리더로부터공급받음. - 리더의안테나는강한높은주파수의전자계를생성함. ( 트랜스폰더와리더의거리를고려한교류자계로취급 ) 전압 U i 트랜스폰더의코일에서인덕턴스에의해서발생되며, 이전압은정류되어지고마이크로칩의전력공급을위해제공됨. - 캐패시터 Cr은리더의안테나코일과나란히연결되어있으며, 용량은리더의전송주파수와일치하는공진주파수를가지는병렬공진회로을위한안테나의코일인덕턴스와같이동작됨. - 트랜스폰더의안테나코일과캐패시터 C 1 의형식은리더의전송주파수를조정하는공진회로를형성하며, 트랜스폰더코일에서전압 U 는병렬공진회로에서공진상승 (Resoncestep - Up) 때문에최고점 (Maximum) 에도달함. 두코일의배치는매우약하게연결된변압기 (Transformer) 로해석되어질수있으며, 리더와트랜스폰더의전달전력의효율은주파수 f, 코일의감은수 n, 두코일간의간격에비례함. 주파수 f 가증가할수록트랜스폰더의코일에필요한코일인덕턴스와쇄교수 n 은감소함. (135 khz : Typical 100-1000 Windnigs, 13.56 MHz : Typical 3 10)
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 1) Inductive Coupling Data Transfer Transponder Reader 유도적결합시스템 부하변조 (Load modulation) 리더의 1 차코일과트랜스코일사이의변압기타입 (Transformer - Type Coupling) 의결합 코일사이가 0.16λ 를초과하지않을때적용될수있음. 트랜스폰더는전송안테나의가까운부분에위치하게되어짐. 공진트랜스폰더가안테나의교류자계에위치하게되면자기장으로부터에너지를끌어당김. 트랜스폰더안테나에서부하저항 (Load Resistor) 의 On / Off 때문에임피던스 Z T 에서의변화를가져오고, 리더안테나전압의변화를가져옴. 떨어져있는트랜스폰더에의한리더안테나코일에서의전압 U L 은증폭변조효과를가지고있음. 부하저항 On / Off 시간이데이터에의해서조정되면이데이터는트랜스폰더에서리더로이동됨. Antenna Reader Uplink Downlink Tag / Transponder
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 1) Inductive Coupling Load Modulation With Subcarrier 1 리더와트랜스폰더사이의결합이약함. 리더안테나에서의유용한신호로설명되는전압변동은자기의동작에의해서리더의출력전압보다작아짐. 사실적으로 13.56 MHz시스템에서약 100V 의안테나전압이주어진다면 10mV 정도의유용한신호를기대할수있음. 약한전압변화의검출은매우복잡한회로를요구하기때문에안테나전압변화의증폭변조에의해서만들어진변조측파대가이용됨. f 첨가된트랜스폰더안의부하저항이높은주파수 s 에서 On / Off 되면리더의전송주파수부근에 ± s 의두 스펙트럼이생겨남. 쉽게검출되어지며, 라디오기술의전문용어로주파수 fs 를부반송파라부름. f 2 데이터의전송은부반송파 (Subcarrier) 의 ASK, FSK, PSK 의변조에의한것임. 부반송파부하변조는리더의안테나에서동작주파수근처에변조된두변조측파대를만들어냄. 두변조층파대는대역통과필터 (BPF) 에의해서분리될수있으며, 증폭하면쉽게복조될수있음. 허용된 ISM 주파수대역인 6.78 MHz, 13.56 MHz, 27.125 MHz에서만사용될수있음.
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 2) Electromagnetic Backscatter Coupling Power Supply to the Transponder 1 리더와트랜스폰더사이의간격이 1m 이상인 RFID 시스템을장거리시스템이라고부르며, 동작주파수는 868MHz ( 유럽 ), 915 MHz ( 미국 ), 2.5 GHz, 5.8 ㄹGHz임. 2 자유공간의경로손실은자유공간안의리더에의해방출된 HF 전력과트랜스폰더에의해수신된 HF 전력간의관계척도임. 3 10% 의효율이주어지면동작을위한트랜스폰더안테나의단말에서수신된전력 Pe = 50mW 가필요함. 4 리더의감지범위에서강한신호가수신된경우그것이보통동작으로돌아오도록전환될때까지칩은재활성화되지않음. 5 트랜스폰더의배터리는마이크로칩의전력공급에만제공되며트랜스폰더와리더의데이터전송은리더에의해전송된전자계의전력에만의존함. Reader Manager Reader 송수신거리 (R) Transponder Auto Calibrator Transceiver Chip 주파수 (F) Transponder Chip <Power Supply to the Transponder 의원리 >
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 2) Electromagnetic Backscatter Coupling Data Transmission Reader Modulated Reflection Cross Section 전자기파를반사하는물체의효율은반사단면적으로기술되며, 적절한주파수의안테나처럼주파수를치는파전면 (Wave Front) 과공진을하는물체는특별히큰반사단면적을가짐. P 1 방사 작은신호의크기가도달 리더안테나 트랜스폰더안테나 - 전력 P 1 은 HF 전압으로안테나연결로공급되면, 다이오드 D 1 과 D 2 에의해정류된후에전력절약을위한파워다운모드의 On / Off를위한전압으로사용될수있음. - 입사전력 P 1 의일부가안테나에의해반사되고전력 P 2 로되돌아가며, 안테나의반사특성은안테나에연결된부하를바꿈으로써영향받을수있음. - 반사된신호는리더의안테나연결부로들어오게되고방향성결합기를사용하여받아들여리더의수신기입력으로전송됨. 자유공간에방사된 P 2 의일부인신호는리더의안테나에의해잡힘.
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 3) Close Coupling Power Supply to the Transponder 1 0.1cm 에서최대 1cm 의인식범위로설계되어트랜스폰더는리더안에삽입되거나표시된영역위에서동작됨. 2 트랜스폰더와트랜스포머의기능적배치는동일함. 3 전력전송효율은매우양호하여고전력소모를갖는칩의동작에적합함. ( 마이크로프로세서를포함하면동작하는데약 10mW 전력을필요로함. 4 비접촉밀접결합칩카드의기계적, 전기적파라미터는 ISO 10536 표준을가지고있으며, 다른설계를위해서동작파라미터들이자유롭게정의됨. Data transfer transponder Reader Magnetic Coupling 부반송파부하변조 용량성결합 밀접결합시스템에서트랜스폰더로부터리더로의자기결합데이터전송에도사용되며, 이것은 ISO 10536에명시되어있음. Capacitive Coupling 리더와트랜스폰더간의짧은거리로인해, 밀접결합시스템은또한용량성결합을이용함. - 밀접결합스마트카드에서도사용되며카드의기계적, 전기적특성은 ISO 10536에정의되어있음.
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 4) Electrical Coupling Power Supply to the Transponder Power Supply to the Transponder Data Transfer Transponder Reader 전기적결합시스템에서리더는강하고높은주파수의전계를발생시키며, 리더안테나는보통금속박판또는금속판으로이루어진크고전기적도체인영역 ( 전극 ) 으로구성됨. 높은주파수의전압이전극에유입되면높은주파수의전계가전극과접지사이에형성됨. - 리더에필요한전압은리더내부의코일 L 1 과내부커패시터 C 1 및전극과지구전위사이의커패시턴스효과 C T - GND 의병렬연결로구성된공진회로에서의전압상승에의해발생됨. 트랜스폰더의안테나는평판위에놓인두개의도체면으로구성되며, 트랜스폰더가리더의전계안에놓이면, 전압은두개의트랜스폰더전극사이에서상승하고, 이것이트랜스폰더칩에공급되는전력으로사용됨. 전기적결합에대한등가회로다이어그램은간략화된전압분배기형태로고려될수있음. 트랜스폰더의전극하나를건드림으로써커패시턴스 C T - GND 가발생하여읽기범위가늘어남.
Power Supply to the Transponder Data Transfer Transponder Reader 전기적결합트랜스폰더가리더의인식영역에놓이게되면리더와트랜스폰더전극사이에공진회로를미세하게저지하는결합커패시턴스 C R - T 활성화시킴으로써입력저항은 R L 은리더의공진회로상에동작하며, 이것이 R mod 를데이터가들어오는시간동안 On / Off 함으로써리더에전송할수있음. Reader CR - T Transponder U L1 C1 CR - GND RL RMod CT - GND < 전기적으로커플링된 RFID 시스템의등가회로 >
3. 전이중방식과반이중방식통신이해 5) Data Transfer Reader Transponder HDX 와 FDX 에서디지털변조방식으로알려진모든것들은동작주파수나결합방식에상관없이리더로부터트랜스폰더까지의데이터송신에이용됨. 디지털변조의기본방식 ASK : Amplitude Shift Keying FSK : Frequency Shift Keying PSK : Phase Shift Keying 복조의간소화때문에대부분의시스템에서는 ASK 변조를사용함.
4. Sequential 통신방법이해 리더로부터트랜스폰더로의데이터및전력의송신이트랜스폰더로부터리더로의데이터전송과교대로일어난다면이를순차적방식 (Sequential Procedure) 이라고부름. P( mw ) U(V) 10 SEQ(Voltage Matching) (Start Loading) 4 5 FDX(Power Matching) 2 2 1 P Low Transponder Power(Rel.) Modium Transponder Load Impedance High Transponder Voltage <FDX / HDX 와 SEQ 시스템의비교 >
4. Sequential 통신방법이해 1) Inductive Coupling * 각항목을클릭하세요. Power Supply to the Transponder A Comparison Between FDX / HDX and SEQ Systems Data Transponder Reader 유도성결합 (Inductive Coupling) 을이용하는순차적시스템은 135 khz이하의주파수에서독점적으로동작함. 데이터전송의더높은효율을얻기위해트랜스폰더주파수는리더주파수와정확히맞아야하고트랜스폰더코일의품질은신중하게명시되어야함. 송신작업동안송신기에전송된에너지는저장을위하여충전커패시터를충전함. - 트랜스폰더의칩은충전동작동안대기또는전력절약모드로전환됨. - 충전커패시터의필요한동작전압과칩의전력소모로부터계산됨. C = Q U It = V max V min -V min, V max 은초과되어서는안되는동작전압의한계값, I 는동작시칩의전력소모, t 는트랜스폰더에서리더로의데이터송신을위해필요한시간임. 17
Power Supply to the Transponder A Comparison Between FDX / HDX and SEQ Systems Data Transponder Reader FDX / HDX 시스템의설계는항상전력정합과전압정합간의타협임. - 전력공급이데이터전송할때동시에일어나기때문에, 칩은영구적으로동작모드에놓이게됨. - 최적으로송신된에너지를이용하기위해트랜스폰더안테나와칩간의전력정합이요구됨. SEQ 시스템에서는충전과정동안칩은대기중이거나전력절약모드에있으며이는칩에서는거의전력을쓰지않는다는것을의미함. - 트랜스폰더의코일의전압원은완전히칩의동작에쓸수있으므로사용가능한동작전압은 FDX / HDX 시스템의두배에달함. - 칩에사용할수있는에너지는충전커패시터의커패시턴스와충전시간에의해결정됨. 에사용수있에너지충커패시터의커패시와충시에의해정 (FDX / HDX 시스템에서칩의최대전력소모는전력정합점에의해고정됨.)
Power Supply to the Transponder A Comparison Between FDX / HDX and SEQ Systems Data Transponder Reader SEQ 시스템에서완전히읽는사이클은충전위상과읽기위상두가지로구성되어있음. 충전위상의끝은버스트감지기의끝에서감지되는데, 이는트랜스폰더의코일에서전압경로를감시하고리더필드가꺼지는순간을인식함. 약한교류자계는트랜스폰더의코일에의해발생하고이것의리더에의해수신될수있음. - 다른시스템 (FDX / HDX 시스템 ) 에비해 20dB 개선된간섭신호거리를제공함. 트랜스폰더의전송주파수는트랜스폰더의코일의공진주파수와일치하는데, 이는주파수가전송될때리더의전송주파수를조정함. - 전력공급원에서발생된 HF 신호를변조할수있도록하기위해, 추가적변조커패시터는데이터흐름을갖는시간에서공진회로와병렬로연결됨. - 주파수편이방식은 2FSK변조를제공함. 모든데이터가송신된후에충전커패시터를완전히방전하기위하여방전모드가활성화됨.
4. Sequential 통신방법이해 2) Surface Acoustic Wave Transponder 표면음성파기기의기반 압전 (Piezoelectric) 효과 탄성파 (Elastic = Acoustic) 의표면관련분산 (Dispersion) 이온결정이어떤방향에서탄성적으로변형된다면결정에전기적전압을가함으로써표면에변화가일어남. 결정에대한표면전하의애플리케이션은결정격자에서탄성변형을이끌어냄. 보통 2.45 GHz의 ISM 대역에서동작함. 인터디지털트랜스듀서는긴압전기판의끝에놓임. 전기적신호들과음향표면파간의변환을위해사용됨 다이폴안테나는버스바 (Busbar) 에부착됨. 버스바에전기적임펄스는전극간의압전효과로인해기판표면에기계적변형을발생시키는데, 이는표면파 (Surface Wave : Rayleigh Wave) 의형태인양방향으로흩어짐. 트랜스듀서로들어가는표면파는압전효과로인해인터디지털트랜스듀서의버스바에서전기적임펄스를생성함. 각각의전극은표면파트랜스폰더의남은길이에맞게위치하며, 전극의가장자리는반사라는스트립을형성하고입사하는표면파의작은크기를반사함. 스캐닝펄스는트랜스폰더의다이폴안테나로부터인터디지털트랜스듀서로지원 횡방향으로기판을통해흐르게됨. ( 표면파의주파수 = 샘플링펄스의반송파주파수 )
4. Sequential 통신방법이해 2) Surface Acoustic Wave Transponder 표면파 일부는기판에배열된각각의반사스트립에서반사됨. 남은일부는계속흘러가서기판의끝에흡수됨. 파동의반사된일부는인터디지털트랜스듀서로되돌아가는데, 이는고주파펄스시퀸스로변환되는곳으로서다이폴안테나에의해방사됨. ( 펄스시퀸스는리더에의해수신될수있으며, 수신된펄스의수는반사하는스트립의수와일치함.) 기판위표면파의느린분산속도로인해첫번째응답펄스는스캐닝펄스의전송후약1.5ms의제한시간후에리더에수신되며, 이것은펄스의수신을위한결정적우위성을줌. - 금속표면상의스캐닝펄스반사는빛의속도로리더의안테나로되돌아감. - 100m 이상의거리에있는리더까지의반사는리더의안테나방사로부터 0.6ms 후도달함. ( 왕복도달시간, 신호는 >160dB 로감쇄됨.) - 트랜스폰더신호가 1.5ms 후에돌아올때모든반사는그보다훨씬전에사라지므로펄스시퀸스에에러를발생시킬수없음. 표면파트랜스폰더의데이터저장용량과데이터전송속도는기판의크기와구현되는기판위의반사기스립간의최소거리에의존하며, 실제로약 16-32bit 가 500kbps 의전송률로전송됨. 245 2.45 GHz ISM 주파수대력에서허용되는전송전력에는 1-2m 인식거리를얻을수있음.