RFIDs 정확하게 감지하기

Pavel Nikitin, Honeywell의 전 수석 엔지니어, Lynnwood, USA

RFID (Radio Frequency Identification) 태그는 리더기의 시야 내에 있어야 하는 바코드 기술보다 뛰어난 수준의 재고 관리, 자산 추적 및 공급망 관리 기능을 제공합니다. 태그를 인식될 수 있는 범위를 확장하게 된다면 RFID 기술은 더욱 높은 정확도를 가지고, 더욱 폭넓은 곳에 적용될 수 있습니다. Honeywell의 엔지니어들은 ANSYS HFSS 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 현재의 RFID 시스템을 개선했습니다. HFSS를 사용하여 보다 짧은 시간 내에 새로운 개념을 가상으로 평가할 수 있었으며, 제품 개발 리드 타임을 크게 단축시킬 수 있었습니다.

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Honeywell RFID

  • 라디오 주파수 식별 (RFID)은 제품에 붙은 태그를 자동으로 식별하고, 추적하기 위해 전자기장을 사용합니다. RFID 태그는 다양한 산업에서 공급망 관리에 사용되고 있습니다. 예를 들어, 생산 공장으로부터 약국 선반까지 의약품 추적을 자동화하기 위해 사용됩니다. 정확한 추적을 통해 재고를 줄이고 위조를 방지할 수 있습니다. 이 시장은 점차 성장하고 있습니다. 오늘날 RFID 기술은 단순 식별 용도를 넘어서 센싱, 네트워킹, 보안 및 로컬라이제이션 기능을 갖춘 지능형 장치, 시스템은 물론 의료 기술 및 차량 식별에 이르는 애플리케이션까지를 포괄하고 있습니다.

     antenna model

    안테나 디자인의 ANSYS HFSS 모델

     

    바코드 기술과 달리 RFID 태그는 리더기의 시야 내에 있어야 할 필요가 없습니다. 정보를 올바르게 읽기 위해 바코드는 광학 리더기와 맞추어야 하는 반면, RF wave를 사용하는 RFID 태그는 후방 산란 데이터를 리더기와 맞추어야 합니다. RFID 시스템 개발은 Honeywell의 다양한 연구 분야 중 하나입니다. Honeywell은 에너지, 안전, 보안, 생산성 및 글로벌 도시화와 같은 주요 글로벌 이슈를 해결하기 위한 혁신적인 기술을 발명, 제조합니다. 이 회사는 특허의 개수, 특허 취득 성공률, 글로벌 도달 범위 및 발명 영향력 분석을 기반으로 Clarivate Analytics로부터 100대 글로벌 혁신 기
    업 중 하나로 선정되었습니다.

    RFID 태그는 비용을 줄이고 수명을 늘리기 위해 대부분 수동식(RF로만 전원 공급)으로 제작됩니다. 수동 RFID 태그는 RFID 태그 판독기에 의해 생성된 전자파로부터 전력을 수집합니다. 내부 전원이 부족하면 태그를 읽을 수 있는 범위도 제한됩니다. 이는 큰 물류 저장 창고와 같은 일부 애플리케이션에서 문제가 될 수 있습니다. 수동 RFID 태그를 읽을 수 있는 범위를 증가시키는 한 가지 방법은 리더기가 태그를 찾기 위해 주위를 스캔할 때 리더기에 의해 생성된 모든 무선 전력을 단일 방향으로 집중시키는 재구성 가능 안테나(reconfigurable antenna)를 사용하는 것입니다. 오늘날의 재구성 가능 안테나는 제어 및 전력선 네트워크와 관련된 회로망을 필요로하기 때문에 복잡할 뿐만 아니라 비용도 많이 듭니다. Honeywell은 안테나 자체에서 무선 에너지를 수집하여 스위치에 전력을 공급하고, 무선 신호를 통해 스위치를 제어함으로써 안테나에 드는 비용을 크게 감소시킬 수 있는 방법을 제안했습니다.

    엔지니어는 ANSYS HFSS 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이러한 접근 개념을 입증하는 방법을 개발하였습니다. 이 방법을 이용하면 디자인 컨셉에 대한 반복적인 검증을 불과
    수 분만에 수행할 수 있었습니다. Honeywell은 이 기술의 잠재력을 믿고 있으며 이와 관련된 여러 특허를 출원했습니다. 이 주제에 관한 논문은 매년 열리는 제11회 국제 IEEE 2017 RFID 학술
    대회에서 최고의 논문으로 선정되었습니다.

    "엔지니어는 ANSYS HFSS 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 새로운 컨셉들을 불과 수분만에 평가하기 위한 컨셉 검증용 접근 방식을 개발하였습니다."

    기본적인 접근

    Honeywell의 개념을 입증하기 위한 디자인은 주 구동요소와 기생 요소가 있는 2 요소 평면 Yagi 배열로 구성됩니다. 자체 발진 RF 전원 스위칭 회로는 안테나 기생요소에 의한 리액티브 부하에 따라 기생요소가 디렉터 또는 리플렉터로 동작하게끔 변환해주기 위해, 주기적으로 두 개의 복소 임피던스 값을 스위칭합니다. 이것은 안테나의 전력을 한 방향 또는 다른 방향으로 집중시킵니다. 엔지니어들은 회로가 두 상태 사이에서 전환될 때마다 안테나 방향을 180도로 변경하여 20dBm RF 소스로부터 충분한 전력을 확보하기 원했습니다. 그들은 간단한 오실레이터 회로에 전원을 공급하기 위해 RFID 태그 프론트 엔드에서 흔히 사용되는 이산 멀티 스테이지 RF-DC 파워 하베스팅 회로를 설계했습니다. 이 회로는 RFID 태그 집적 회로 (IC)가 안테나 포트를 변조하는 것과 같은 방법으로 RF 입력 포트를 발진 및 변조합니다. 또한, 900MHz에서 10dBm의 변조되지 않은 RF 신호로 구동될 때 약 0.5Hz의 주파수로 발진하고 각 전환된 상태에서 약 1초를 소비하도록 설계되었습니다. 이 경우, 현재 빔의 방향이 바뀌기 전에 리더기가 빔의 현재 방향에서 대부분의 태그들을 읽을 수 있을만큼 충분한 시간입니다.

    reconfigurable antenna schematic새로운 재구성 가능 안테나 설계의 개념도

     experimental setup

    개념 증명 검증에 사용되는 간단한 셋업

     

    Honeywell의 엔지니어들은 브레드 보드에 스위칭 회로를 내장했습니다. 그들은 안테나 설계를 위한 입력값으로 몇 가지 다른 전력 레벨에서 900MHz에서의 회로 임피던스 값을 측정했습니다. 안테나 성능에 영향을 미치는 주요 설계 파라미터는 디렉터의 길이, 리플렉터의 길이, 그리고 두 요소 사이의 간격입니다. 시뮬레이션을 적용하지 않은 경우, 엔지니어들은 빌드-앤드-테스트 방법을
    사용하여 30mil FR4 기판에서 구리 선로를 사용하여 안테나를 프로토타이핑한 다음, 스위치 회로를 안테나에 연결하고 부하 연결 시의 전반적인 성능을 측정해 왔을 것입니다. 이것은 한 번 반복할때마다 약 한 시간 정도 소요되어, 이 접근법을 통해 이 프로젝트를 수행하기에는 시간이 부족했을 것입니다.

     S-parameters simulated and measured

    최종 디자인의 측정 결과와 시뮬레이션으로 추출된 S 파라미터가 잘 일치합니다.

     

    시뮬레이션이 주도하는 설계 프로세스

    Honeywell 엔지니어들은 기존 접근방법 대신에 ANSYS HFSS를 사용하여 안테나 설계를 진행했습니다. 초기 안테나 설계는 하나의 구동 요소와 하나의 기생 요소를 사용하였으며 HFSS에서 모델링되었습니다. 두 요소는 유전체 유전율이 4.4인 30mil FR4 기판상에서 60mm 간격으로 떨어진 5mm 폭의 평면 구리 선로입니다. Port 1은 안테나의 입력 포트이고, Port 2는 스위칭 회로에 연
    결됩니다. 안테나는 900MHz에서 작동하도록 설계되었습니다. 엔지니어들은 두 개의 동축 커넥터용으로 HFSS 라이브러리에서 제공하는 동축 커넥터 모델을 사용했습니다.

    이 커넥터는 회로 기판에 부착되는 베이스를 제외하고는 표준을 만족하는 모델입니다. 엔지니어는 커넥터 너비와 핀 길이를 측정하고 실제 커넥터와 일치하도록 모델을 수정했습니다.

    엔지니어들은 두 가지 안테나 요소 사이의 간격 효과를 평가하기 위해, 우선 10종의 서로 다른 초기 설계를 시뮬레이션 하였습니다. 그들은 각 상태에서 약 4dBi의 지향성 이득(directional gain)을 제공하는 간격을 선택했습니다. 다음으로, 각 안테나 요소에 대해 10가지 길이에 대한 모든 조합을 확인하기 위해 HFSS의 파라메트릭 분석 기능을 사용하여 100가지 케이스를 실행했습니다. 이 과정은 다른 RF 입력 전력을 사용하는 측정에서 사용할 수 있는 부하 회로의 여러 임피던스 값에 대해서도 반복되었습니다. 엔지니어는 사용자의 별다른 조작 없이 이러한 설계를 실행하도록 HFSS를 구성하고 방사 패턴과 S 파라미터를 계산했습니다. 그들은 결과를 조사하고추가 연구를 위한 최상의 디자인을 선택했습니다. 이 시뮬레이션은 최상의 설계가 약간의 중
    첩은 있지만 360도를 커버하며, 두 가지 상태로 번갈아 대부분의 안테나 전력을 집중시켜 복사 패턴을 전달하는 것이라고 예측하였습니다.

    simulated radiation pattern
    반경 방향 축이 YZ 평면의 900MHz에서 실현된 이득을 나타내는 시뮬레이션된 안테나 방사 패턴
     
    prototype antenna
    최종 안테나 디자인의 프로토 타입

     

    물리적 측정값과 일치하는 시뮬레이션 예측값

    다음 단계로, 엔지니어는 안테나의 실제 프로토 타입을 제작하고 성능을 모델과 비교했습니다. 시뮬레이션된 S 파라미터는 실험 측정 결과와 잘 일치했습니다. 엔지니어들은 간단한 실험용 테스트 설정을 구성하여 안테나의 스위칭 빔 동작을 검증했습니다. RF 신호 발생기가 20dBm 900MHz 신호를 안테나로 전송했습니다. 스위칭 사이클 동안에, 최대 이득 빔 방향(State 1)에 대해 수신된 RF 전력은 시뮬레이션된 방사 패턴들과 매칭하여 대략 3dB만큼 변했습니다. 그런 다음, 전체 방사 패턴을 참고문헌에 기술되어 있는 좀 더 복잡한 설정을 사용하여 측정했습니다.

    Honeywell은 특허를 출원했으며 이 기술의 외부 이해관계에 대한 라이선싱을 고려하고 있습니다. 이 장치는 연구 프로젝트로 만들 수 있습니다. 필요한 모든 정보는 참조된 IEEE 논문에 있습니다.

    무선전력을 공급받는 재구성 가능한 안테나는 상대적으로 낮은 비용으로 RFID 리더기의 범위를 확장할 수 있습니다. 이 새로운 접근 방식은 스위칭 회로를 작동하기 위해 전원 또는 제어 라인을 추가할 필요가 없으므로 충분한 전력을 전송하고 있는 기존 RFID 리더기에 쉽게 장착할 수 있습니다. 이 컨셉은 필터 및 증폭기와 같은 다른 재구성 가능한 전자 부품을 구축할 수 있는 길을 열어줍니다.

    참고문헌

    Nikitin, P. Self-reconfigurable RFID Reader Antenna,
    2017 IEEE International Conference on RFID (RFID),
    Phoenix, AZ. 2017. pp. 88–95.

     

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