韓國電磁波學會論文誌第 16 卷第 5 號 2005 年 5 月論文 2005-16-5-04 UHF 대역 RFID 리더용 Crooked Wire 안테나설계 Design of Crooked Wire Antennas for UHF Band RFID Reader 주재율 추호성 박익모 * 오이석 Jae-Yul Choo Ho-Sung Choo Ik-Mo Park* Yi-Sok Oh 요약 본논문에서는 Pareto 유전자알고리즘을이용한최적화기법을적용하여 UHF 대역내에서동작하는 crooked wire 형태의 RFID 리더안테나를설계하였다. 최적화과정은안테나의제한된크기, 반사손실대역폭 (VSWR< 2), 원형편파대역폭 (Axial Ratio<3 db), 인식영역이실제조건과인식영역에부합하도록수행하였다. 최적화된안테나들중표본안테나를제작하였으며, 리더안테나특성을측정하여시뮬레이션결과와비교및검증하였다. 안테나동작원리를안테나선로에유기된전류를분석하여설명하였으며, 안테나의구조적민감도와주요설계변수 (critical design parameters) 를찾기위해랜덤에러 (random error) 방식을안테나본체의선로가꺾이는부분에적용한후, 안테나구조와원형편파대역폭및안테나반사손실대역폭사이의관계를정량화하였다. Abstract This paper reports the design of RFID reader antennas working in UHF band. The reader antennas were designed using a Pareto Genetic Algorithm(Pareto GA). Antennas were optimized to have circular polarization(cp) with less than 3 db axial ratio, impedance matching with less than VSWR=2 within the frequency range of UHF, an adequate readable range, a restricted size(kr <2.22) considering the practical condition. After Pareto GA optimization, we selected and built the most suitable antenna design and compared the measured results to the simulations. Operating principle of the antenna was explained by investigating the amplitude and the phase of the induced current on the antenna body. We also researched the stability of the antenna with respect to the manufacturing error and studied the critical design parameters by applying the random error method on the antenna bent points. Key words : Pareto Genetic Algorithm, Characteristics of Reader Antenna, Cost Functions Ⅰ. 서론 960 MHz), ISM 대역 (2.4 GHz) 에서실현되고있으나, HF 대역 (13.56 MHz) 의 RFID는자계결합방식을사용해서안테나인식영역이매우협소하다는단점을 Radio frequency identification(rfid) 는유비쿼터스갖고있으며, ISM(2.4 GHz) 대역의 RFID는주변환컴퓨팅개념을실현시키는데있어주요수단중에경에민감하여전체 RFID 시스템의성능이가변적하나로중요성이높아지고있다. RFID는인식정보이라는단점을갖고있다. 반면 UHF 대역은수동태를저장하고있는태그와그정보를읽는리더로구그의인식율및인식거리가가장뛰어날뿐만아니분할수있다. 태그와리더는각각에장착된안테나라전자파방사방식을사용해서다량의태그를동를이용해전자기파를매개체로정보의전달을수행시에빠른속도로인식할수있다. 또한주변환경에한다. RFID는 HF 대역 (13.56 MHz), UHF 대역 (860~ 홍익대학교전자전기공학부 (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University) * 아주대학교전자공학부 (Department School of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) 논문번호 : 20050131-011 수정완료일자 : 2005년 5월 2일 472
UHF 대역 RFID 리더용 Crooked Wire 안테나설계 매우안정적이고태그와태그칩의저가생산이가능해서현재 RFID의가장각광받고있는대역으로알려져있다 [1],[2]. 현재우리나라에서도 UHF 대역 (908.5~914 MHz) 이 RFID 용도로할당되어공표되었으며다양한분야에서연구개발되고있다 [3]. UHF 대역의 RFID 시스템에서는리더와태그를연결하는안테나의역할이중요하다. 특히태그전원을리더안테나의전파로공급받는수동형 RFID 는리더안테나의특성에따라시스템의통신효율이결정된다. 효과적인 RFID 리더안테나는동작주파수대역에서반사손실이거의없어야하며 (VSWR <2) 양질의원형편파 (Axial Ratio<3 db) 를갖도록설계되어야한다. 또한리더안테나는원거리인식과다중태그인식이가능하도록높은방사이득과넓은방사패턴을가져야하며, 안테나의크기는주어진공간을효율적으로활용하기위해서작아야한다. 현재상용화되어있는기존의 RFID 리더안테나는마이크로스트립을이용한패치형안테나가일반적이다. 그러나패치형안테나는반사손실대역폭과원형편파대역폭이협소하다는단점을갖고있을뿐만아니라리더안테나의중요한특성인안테나인식영역을제어하기가매우힘들다. 즉, 안테나인식영역을좌우하는안테나방사패턴이단일패치형안테나의경우전방향으로방사되기때문에이문제점을해결하기위해서는어레이방식을써야한다는단점을갖고있다. 다른예로서 Helix 안테나의경우는양질의원형편파를방사하고높은이득을가지나일반적으로반사손실대역폭이좁고구조자체가복잡하여제작이용이하지않다. 반면에 Altshuler가제시한 crooked wire 안테나 [4] 는효율이높고반사손실대역폭과원형편파대역폭을넓게가질수있다는장점을지니고있다. 또한안테나의방사패턴을제어하기가용이하여 RFID 시스템에서중요시되는최적인식영역에맞추어설계하기에적합하다. 그러나 crooked wire 안테나는구조가복잡하고구조에따라안테나특성이민감하게변하기때문에반복적으로시도하는최적화방식 (trial-anderror method) 으로는원하는안테나특성을지닌안테나구조를찾는것이매우어렵다. 본논문에서는 crooked wire 형태의안테나를처음으로 RFID 리더안테나설계에적용하였으며, 현재많이사용되는 평판형안테나보다 RFID 용도에더욱적합한안테나구현이가능하다는것을검증하였다. Pareto 유전자알고리즘을사용하여 trial-and-error 방식으로는구현이거의불가능한복잡한안테나구조를최적화였고, 안테나의기본적인특성을예측하기위해시뮬레이션툴인 numerical electromagnetics code(nec) 를사용하였다. 주어진환경조건에가장잘적응하는안테나선별을위해최적화의마지막단계에서리더안테나특성그래프를사용하였고제작된안테나의특성은측정후시뮬레이션결과와비교되었다. 동작원리는선로에흐르는전류를통해서분석하였으며 crooked wire 안테나의취약점인선로구조에따른안테나특성민감도를랜덤에러 (random error) 방식을사용해서분석하였다. 안테나특성측정결과, 제작된리더안테나는중심주파수인 912 MHz에서반사손실대역폭 7.67 % 와원형편파대역폭 11.35 % 를가졌으며, θ=0 일때 φ =0 에서 1.46 db의원형편파축비 (axial ratio) 를지닌체방사하였고, 6.16 dbi의방사이득을보였다. 안테나인식영역은상용 RFID 시스템에장착시예상된인식영역과흡사하게측정되었다. 안테나특성민감도분석결과, 본체선로의높이변화에의해서반사손실대역폭이민감하게반응하고원주방향의변화에원형편파대역폭이민감하다는결론을얻었다. 또한외부충격으로부터안테나보호를위한레이돔을설치하여고정형리더안테나로서안정적으로사용가능함을확인하였다. Ⅱ장에서는 crooked wire 형태의안테나구조와 Pareto 유전자알고리즘을통한최적화방법및결과를설명하였으며, Ⅲ장에서는제작된최적화안테나의특성과전류분포를분석하였고랜덤에러 (random error) 방식을통한구조적에따른안테나특성민감도를확인하였다. Ⅱ. 안테나의구조및최적화그림 1은중심주파수 912 MHz(910~914 MHz) 에서동작하는 crooked wire 안테나의기본구조이다. 선로는안테나크기를최소화하기위해서접지면을포함한반경 r의반구내에서만위치하게하였으며반경 r에 wave number k(2π/λ) 를곱한 kr로안테나크기를표준화시켰다. Crooked wire 안테나는단일 473
韓國電磁波學會論文誌第 16 卷第 5 號 2005 年 5 月 그림 1. 안테나기본구조 Fig. 1. Geometry of antenna structure. 선로가여러번꺾어져생성된다수의단편선로로구성되며단편선로의개수와위치및길이, 접지면과의거리및각도, 접지면과의단락여부, 단편선로간의간격이안테나특성을결정하는설계변수가된다. 단편선로의개수와길이를조정함으로써동작주파수 912 MHz에서반사손실과반사손실대역폭을조정할수있다. 또한단편선로의위치와접지면및단편선로사이의각도에의해서전방향의원형편파축비와원형편파대역폭을결정할수있다. RFID 용리더안테나를위한조건인제한된안테나의크기, 충분한반사손실대역폭, 양질의원형편파, 고효율에의한넓은인식영역을동시에만족시키기위해서는민감한다수설계변수의최적화가필요하다. 최근최적화방식에많이적용되는유전자알고리즘은우월한특성을갖는생명체가적자생존에의해서존속되어진화된다는자연법칙을최적화과정에적용한알고리즘이다. 유전자알고리즘은현재다양한분야에서응용되고있으며안테나분야에도활발히적용되고있다 [5],[6]. 특히다수의설계변수에안테나특성이매우민감하게변하는 crooked wire 안테나는유전자알고리즘을사용하여효과적으로최적화된안테나설계변수들을빠르게찾아낼수있다. 또한 RFID 리더안테나설계와같이다양한안테나특성을동시에고려하며최적화를수행해야하는문제는 Pareto 유전자알고리즘을사용하여효과적으로최적화된설계변수를찾을수있다. RFID 리더안테나설계에 Pareto 유전자알고리즘을적용하는과정은다음과같다. 단편선로의개수를 4~14 개로설정하고랜덤 (random) 한구조를지닌다수의 crooked wire 안테나를형성한후각각의안테나구조를정확히나타낼수있는이진코드로부호화 (encoding) 시킨다. 부호화된이진코드는염색체 (chromosome) 라지칭되며 200개의염색체를한세대 (population) 로설정한다. 한세대의안테나들은시뮬레이션툴인 NEC에의해서성능이해석된후리더안테나필요조건이고려된 4가지비용평가함수 (cost evaluate function) 에의해 4개의 Cost로계산된다. 계산된 Cost는 4차원 Pareto ranking에의해평가순위 (rank) 가결정되며, 이에따라앰색체재조합 (crossover) 에의한재생산과정 (reproduction process) 을거쳐다음세대의이진코드로진화된다. 이런진화과정을약 200회이상반복한뒤, 주어진비용평가함수들을최대한만족시키는안테나군을생성시키고최적화과정을마무리하게된다. 다음의식들은 RFID 리더안테나의최적화과정에서적용된비용평가함수이며각 Cost 값이 0에가까울수록최적화되었음을의미한다. 1 Eff BWANT Cost1= 1 2 BW RFID + RQ (1) 1 BWCP Cost 2= 1 AQ 2 BW + RFID (2) Cost 3 = SizeNORM (3) RRANT Cost 4= 1 RR (4) IDEAL 식 (1) 과식 (2) 에서 BW RFID 는전세계적으로사용되는 UHF 대역에서의 RFID용주파수대역폭인 860 ~960 MHz에근거하여 100 MHz로정하였고, BW ANT 와 BW CP 는설계된안테나가가지는반사손실대역폭 (VSWR<2) 과원형편파대역폭 (Axial Ratio<3 db) 을나타낸다. Return Loss Quality(RQ) 와 Axial Ratio Quality(AQ) 는동작대역폭내에서반사손실과원형편파축비 (Axial Ratio) 의질적평가를위해서추가되었다. 즉, 대역폭내의최대반사손실, 최대원형편파축비를각각기준인 VSWR=2, Axial Ratio=3 db와비교하여그차이를정량화한후비용평가함수에부가하였다. 부가된 RQ와 AQ에의해서안테나는 860~960 MHz 대역에서적은반사손실과양질의원형편파축비를고르게갖게된다. 식 (3) 에서는안테나의크기를 kr =0일때 Cost 3=0으로 kr 474
UHF 대역 RFID 리더용 Crooked Wire 안테나설계 =3.82일때 Cost 3=1로정량화하였다. 식 (4) 에서는설계된안테나가가지는인식영역을식 (5) 의인식거리공식 [1] 을적용하여예측한후리더안테나의이상적인식영역 RR IDEAL 과비교하여정량화하였다. PG 2 G 2 4 4 T Reader Tag λ RR = ANT P 4π R,min (5) 이상적인식영역 RR IDEAL 은다양한 RFID 적용분야에서주어진환경에서요구되는인식영역을의미하며본논문에서는물류개찰구환경으로가정하여이상적인식영역을 9 m 2 의넓이를갖는 3 m 3 m 사각영역으로설정하였다. 보유한상용 RFID 리더 (ALR-2850 [7] ) 의규격에맞추어식 (5) 의입력단전력 P T 는 1 W, 최소인식전력 P R,min (minimum detectable power) 은 -40 dbmw로설정하였다. 태그안테나방사이득 G Tag 는다이폴안테나가방사할때 E-평면상의편파에대한이득으로하였으며 G Reader 는리더안테나의방사이득을나타낸다. 약 200번의최적화과정을거친후그림 2에서제시된다수의최적화모델 (rank-1 solution) 을얻을수있었다 [5]. Pareto 최적화를통해얻은다양한최적화모델 (rank-1 solution) 중에서주어진특정환경에적합한안테나를얻기위해서는 4가지 Cost 값을종합하여안테나설계모델을선별하는과정이필요하였다. 선별방법으로는 Cost를투영시킨다이아몬드형의안테나특성그래프를이용하였다. 모델선별은필요로하는리더안테나특성을각 Cost 값에투영하 그림 3. RFID 안테나선택을위한안테나특성그래프 Fig. 3. Antenna charateristic plot for selecting the RFID antenna. 여다이아몬드형태의기준이되는특성그래프를설정한후, 최적화모델이그기준그래프안에있으면선별하는방식의과정을거쳤다. 모델선별을위한기준그래프는동작주파수 912 MHz를중심으로반사손실대역폭과원형편파대역폭이모두 9 %, 전기적길이가 λ/2(kr =2.22) 를갖는안테나의크기, 안테나가실내벽면에위치하는경우안테나인식영역이 9 m 2 (3 m 3 m) 중 6.5 m 2 의값을나타내도록하였다. 그림 3은최적화모델선별을위한안테나특성그래프이고제시한방법을통해서 RFID 리더안테나에적합한안테나를선별하였다. 선택된안테나는 NEC 시뮬레이션해석결과동작주파수 912 MHz에서반사손실대역폭, 원형편파대역폭, 안테나크기 (kr), 인식영역이각각 14.04 %, 10.42 %, 2.19, 7.2 m 2 의특성을보였다. Ⅲ. 최적화안테나특성및원리분석 그림 2. 최적화된모델의분포 Fig. 2. Distribution of optimized models. 그림 4는선별과정을통해서선택된최적화안테나의실제제작모습이고, 표 1은원점 (x=0, y=0, z=0) 을기준으로한안테나설계변수들이다. 안테나본체는반경 0.5 mm의구리동선으로제작되었으며접지면 (20 cm 20 cm) 에서특성임피던스가 50 Ω인동축케이블에의해급전되었다. 안테나의크기는최대반경 r =12.6 cm(kr =2.4) 의반구안에서형성되었으며 7개의단편선로로이루어졌다. 제작된안테나는구조적으로불안정하기때문에상대유전율이 475
韓國電磁波學會論文誌第 16 卷第 5 號 2005 年 5 月 그림 4. 제작한 RFID 리더안테나 Fig. 4. Photo of the fabricated reader antenna. 표 1. 리더안테나의설계변수 Table 1. Design parameters for the reader antenna. Bent-point Position(mm) X Y Z Start-point 0 0 0 1 0 0 7 2 8.0358-56.25 4.9451 3-45.5357-61.6071 89.011 4-29.4642 24.1072 84.0659 5 77.6786 24.1072 79.1209 6 56.25-29.4642 108.7912 7-2.6785-77.6785 64.2857 End-point 83.0358 13.3929 4.9451 작은스티로폼 (styroform) 을사용하여안테나에안정성을부가했다. 그림 5는제작된안테나의측정반사손실과시뮬레이션툴인 NEC를사용한반사손실을보여준다. 또한좀더정확한성능예측을위해유한접지면상에서해석이가능한 HFSS 해석결과를그림 5에추가하였다. 반사손실측정은 HP사의 8510C 네트워크분석기를이용하였으며반사손실대역폭은 905 MHz에서 974 MHz까지 69 MHz(7.67 %, VSWR<2) 로국내 RFID 전대역및국외 RFID UHF 대역을상당부분포함한다. 시뮬레이션값과측정값의오차는제작시선로길이의오차, 접지면의크기, 스티로폼에의한영향이라고생각된다. 그림 6은 wheeler cap method를적용하여측정한안테나효율을보여준다 [8],[9]. Wheeler cap method는안테나를 cap에의해서 그림 5. 제작한안테나의반사손실 Fig. 5. Return loss of the antenna. 그림 6. 제작한안테나의효율 Fig. 6. Efficiency of the antenna. 완벽히차폐시킨후측정한반사계수와자유공간에서측정한반사계수의차이를통해서전파방사에적용되는저항성분 (R radiate) 과손실에적용되는저항성분 (R loss) 을추출하여안테나효율을계산하는방식이다. 차폐시이용한 cap의크기는제작된안테나의크기를고려하여 16 cm 15 cm 20 cm의직육면체로하였다. Wheeler cap method 적용결과안테나효율은동작주파수대역에서시뮬레이션값과 2 % 내외의오차를보이고, 97 % 가넘는고효율로안테나가동작한다는것을확인할수있었다. 그림 7은전자파흡수챔버안에서선형안테나를 360 회전하여 (rotating dipole) 측정한각도별 G θ 로부터도출한원형편파축비를보여준다. 원형편파대역폭은 865 MHz에서 968 MHz까지 103 MHz 476
UHF 대역 RFID 리더용 Crooked Wire 안테나설계 그림 7. 제작한안테나의축비 Fig. 7. Axial ratio of the antenna. (a) x-z 평면 (a) x-z plane (11.35 %, Axial Ratio<3 db) 를보이며제작된안테나는시뮬레이션값보다더욱넓은주파수대역에서원형편파를방사하는것으로측정되었다 [10]. 그림 8은안테나인식영역을측정한그림이다. 인식영역은보유한상용 RFID 리더 (ALR-2850 [7] ) 에제작한안테나를장착한후다이폴형태의태그 (ALL-9238 [7] ) 를이용하여측정하였다. 측정결과는리더기의전력손실이예상보다커서시뮬레이션으로구한태그인식영역과다소차이를보였으나, 측정한인식영역형태는시뮬레이션과매우흡사한양상을보이고있으며, 이런결과를토대로인식영역을실제사용환경에적합하게최적화가가능하다는것을확인할수있었다. 그림 9는 912 MHz에서측정한안테나의방사패 (b) y-z 평면 (b) y-z plane (c) x-y 평면 (c) x-y plane 그림 8. 제작된안테나의인식영역 Fig. 8. Readable range of antenna. 그림 9. 912 MHz 에서측정된안테나의방사패턴 Fig. 9. Measured radiation patterns at 912 MHz. 477
韓國電磁波學會論文誌第 16 卷第 5 號 2005 年 5 月 턴을보여준다. 그림 9(a) 와그림 9(b) 각각 φ =0 와 φ =90 일때 θ 방향에따른안테나의방사패턴을나타내고있다. 두그림에서안테나는 θ=0 인방향에서 6.16 dbi의이득을가지며원활한방사를하는것을확인할수있다. 그림 9(c) 는제작된안테나와선형안테나를각각 θ=0 인평면에대응시키고, 선형안테나를 φ 방향으로회전시켜측정하는 rotating dipole 방식을사용한이득을나타내고있다. 최대이득과최소이득의비가약 1.5 db인원형편파축비를가져양질의원형편파를방사하는것을알수있다 [10]. 앞의측정된 RFID 리더안테나의특성을이해하기위해안테나의동작주파수에서안테나본체에유기된전류분포를시뮬레이션값을통하여분석하였으며, 비교를위해서제작된안테나와동일한전기적길이를갖는모노폴안테나의전류분포를같이나타내었다. 그림 10은전류분포결과이며그림 10(a) 는전류의크기를, 그림 10(b) 는전류의위상을보여준다. 그림 10(a) 에서제작된안테나의전류크기변화 (h1 crooked, h2 crooked, h3 crooked ) 는정재파 (standing wave) 가분포하는모노폴안테나의전류크기변화 (h mono) 보다적어지는것을확인할수있으며, 이런결과는선로끝단의반사파영향이적은것을의미한다 [11]. 또한전류위상변화는모노폴안테나의경우정재파가존재하여선로구간에서위상변화가없으나제작된안테나는공기중에서전파가진행할때보이는위상변화와비슷한진행파 (traveling wave) 성질을갖는것을확인할수있다. 즉, 선로끝단의반사파영향이적을수록공기중에서전파가진행할때갖는위상변화율과비슷해지는것을확인할수있으며, 원형편파가발생하기용이한위상변화를갖는다 [11]. Crooked wire 형태를이용한리더안테나의특성은선로구조에의해서민감하게반응한다. 그러므로안테나구조와안테나특성의상관관계를확인할필요성이있으며, 본논문에서는안테나구조에랜덤에러 (random error) 를부가하는랜덤에러방식을사용하여확인하였다. 그림 11은안테나구조적인특징이리더안테나의특성에미치는영향을정량적으로보인그래프이다. 다수의단편선로로이루어진안테나의구조에서단편선로가만나는 7개의꺾이는점에 z 방향과 φ 방향으로랜덤에러를설정한후리더안테나특성에미치는영향을확인하였다. (a) 전류분포의크기 (a) Amplitude of current distribution (b) 전류분포의위상 (b) Phase of current distribution 그림 10. 최적화안테나의전류분포 Fig. 10. Current distribution of the optimized antenna. 이때주어진에러의총크기는식 (6) 과식 (7) 에의해나타난다. 랜덤에러는 2,000번을 1회로한후 20회를시행하여최대한일반적특성이나타나도록하였다. 그림 11(a) 와그림 11(b) 는 z 축에최대 10 cm 까지의에러 ( 그림 11(a), (b) 의가로축 ) 를주었을때그에따른반사손실대역폭과원형편파대역폭의편차 ( 그림 11(a), (b) 의세로축 ) 를점으로나타내었으며, 각에러율에따른편차의평균값을구해서실선으로나타내었다. 그림 11(c) 와그림 11(d) 는 φ 방향으로최대 180 까지의에러 ( 그림 11(c), (d) 의가로축 ) 를주었을때반사손실대역폭과원형편파대역폭을동일한방법으로나타낸그림이다. 분석결과 z 축방향의에러는선로의전체길이를변화시켜원 478
UHF 대역 RFID 리더용 Crooked Wire 안테나설계 편 (a) z-방향에러에따른반사손실대역폭편차 (a) Variation of bandwidth by z-direction error (b) z-방향에러에따른원형편파대역폭편차 (b) Variation of CP bandwidth by z-direction error (c) φ-방향에러에따른반사손실대역폭편차 (c) Variation of bandwidth by φ-direction error 그림 11. 안테나구조의에러에따른특성변화 Fig. 11. Variation of the performance by random errors. (d) φ-방향에러에따른원형편파대역폭편차 (d) Variation of CP bandwidth by φ-direction error 형편파대역폭보다는반사손실대역폭에큰변화를발생시켰으나, φ 방향의에러는 z 축으로에러를주었을때와는대조적으로선로사이의각도를변화시켜반사손실대역폭의변화보다는원형편파대역폭의변화를심하게초래하였다. 이는제작된 crooked wire 안테나가 z 축방향에러에의해선로의전체길이가변화되어반사손실대역폭이민감하게반응하였으며, 반면 φ 방향에러에의해서는선로전류의위상변화를초래하여원형편파대역폭에더많은영향을주었다고사료된다. 그외에단편선로의개수에따른특성변화를연구한결과, 단편선로의개수가증가할수록반사손실대역폭과원형 파대역폭특성이향상되었으나그수가 8개이상이되면안테나의특성은향상되지않았다. 수행된에러주입식안테나구조해석을통해서안테나의외부충격에대한구조적내구성을예측할수있으며, 안테나설계와제작시신중히고려해야하는주요설계변수 (critical design paramters) 를추출할수있다. Ⅳ. 결론본논문에서는 crooked wire 구조의 RFID 리더안테나를최적화과정을통해서설계 제작하였다. UHF 대역 RFID 리더안테나의실제적필요조건을고려하였으며안테나구조를 Pareto 유전자알고리 479
韓國電磁波學會論文誌第 16 卷第 5 號 2005 年 5 月 즘을이용하여효과적으로최적화하였다. RFID용최적화안테나설계를위해서리더안테나의필요조건으로반사손실대역폭, 원형편파대역폭, 안테나크기, 안테나인식영역을고려하였다. 제작된최적화안테나는 912 MHz에서동작하며반사손실대역폭 7.67 % 와원형편파대역폭 11.35 % 를가졌으며 θ=0 이고 φ =0 에서 6.16 dbi의이득과 1.46 db의원형편파축비 (axial ratio) 를나타내며방사하였다. 상용 RFID 시스템에장착시시뮬레이션에의한태그인식영역과비슷한형태의인식영역을가졌다. 따라서제안된 crooked wire 구조의안테나는주어진공간에서최적의인식영역을확보할수있는고정형리더안테나로적용이가능하다. 안테나의동작특성을연구하기위해안테나본체선로에흐르는전류의크기와위상을확인하였으며, 그결과양질의진행파 (traveling wave) 성질을가져, 원형편파에용이한전류분포특징을갖는다는것을알수있었다. 그리고에러주입식안테나구조해석을통해서안테나의외부충격에대한구조적내구성과, 안테나설계와제작시신중히고려해야하는주요설계변수 (critical design paramters) 를추출할수있었다. 결과분석을통해서 φ 방향랜덤에러는전류의위상변화에크게영향을주는것과원형편파대역폭의변화를초래하는것을확인하였으며, z 방향의랜덤에러는반사손실대역폭을크게변화시키는것을확인할수있었다. 제시된에러주입식안테나구조해석방법은안테나연구및최적화과정에적용시안정성면에서효과적인안테나설계에도움이될수있을것으로판단되며안테나특성개선을위한추가연구에방향을제시할수있을것으로사료된다. 참고문헌 [1] K. Finkenzeller, RFID Handbook, Reading, MA: Addison Wiley, 2002. [2] W. Rankl, W. Effing, Smart Card Handbook, New York: John Wiley & Sons, 2003. [3] http://www.mic.go.kr(ministry of Information and Cumunication Republic of Korea), Notice 2004-34. [4] E. E. Altshuler, D. S. Linden, "Wire-antenna designs using genetic algorithms", IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol. 39, pp. 33-43, Apr. 1997. [5] D. Goldberg, Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning, Reading, MA: Addison Wesley, 1989. [6] Y. Rahmat-Samii, E. Michielssen, Electromagnetic Optimization by Genetic Algorithms, New York: John Wiley & Sons, 1999. [7] http://www.alientechnology.com [8] H. A. Wheeler, "The radiansphere around a small antenna", Proc. IRE, pp. 1325-1331, Aug. 1959. [9] E. Newman, P. Hohley, and C. H. Walter, "Two methods for the measurement of antenna efficiency", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 23, pp. 457-461, Jul. 1975. [10] B. Y. Toh, R. Cahill, and V. F. Fusco, "Understanding and measuring circular polarization", IEEE Trans. Education, vol. 46, pp. 313-318, Aug. 2003. [11] H. Nakano, Helical and Spiral Antennas, New York: John Wiley & Sons, 1987. 480
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