박스용 UHF-HF 이중대역 RFID 태그 설계

Ⅰ. 서 론

RFID 태그는 일반적으로 사물에 부착이 되어서 리더기의 안테나를 통하여 그 사물의 정보를 리더기로 전송하는 기술에 사용된다. 이러한 기술은 자동차, 제약, 귀금속 관리, 철강, 유통/물류, 고급 주류산업, 한우 등 동물관리와 이력추적 등에 널린 사용되고 있다. 유통 물류를 RFID 시스템을 사용하여 추적관리함으로써 유통과정의 투명화와 정품인증 등에 적용할 수 있다. 또한 교통, 교육과 문화, 환경, 의료 등 여러 분야에서도 RFID 시스템이 사용되고 있다.

현재 다양한 주파수 대역의 RFID 시스템이 사용되고 있고, 사용하는 주파수 대역에 따라 응용 분야가 구분된다. HF의 135 kHz 대역과 13.56 MHz 대역은 근거리용으로, 433 MHz의 UHF 대역은 능동형으로 컨테이너 관리에, 또 다른 UHF 대역인 840～960 MHz는 일반적으로 물류관리에 사용되고, 2.45 GHz 대역은 수표인증이나 여권인식 등에 사용된다. 이러한 주파수 대역별 국제규격은 ISO(International Standard Organization)와 IEC(International Electrotechnical Commission)에서 다음과 같이 규정하고 있다. ISO18000-2에서 135 kHz 이하 대역, ISO18000-3에서 스마트카드와 무선 Pay 부분인 13.56 MHz, ISO18000-7에서 능동형태그 433 MHz 대역, ISO18000-6에서 840～960 MHz UHF 대역을 규정하고, 2.45 GHz 대역은 ISO 18000-4에서 규정된다.

본 논문에서는 지역 농수산물을 학교 급식용으로 안전하게 배달하고, 그 이력을 추적관리할 뿐만 아니라 학교 급식 관리자가 스마트폰을 사용하여 농수산물이 담긴 박스를 NFC를 사용하여 검수할 수 있도록 스마트박스에 장착되는 이중대역 태그를 개발하였다. 일반적인 UHF 대역의 리더기는 일반인이 소유하기 어렵고 휴대하기 쉽지 않다. 따라서 일반적으로 물류관리에는 UHF 대역의 장거리 인식용 태그를 사용하고, 검수자는 스마트폰에 탑재된 NFC 리더기로 NFC 태그를 인식하여 생산지, 생산물, 생산날짜 등의 정보를 읽어서 농수산물을 검증하고 검수할 수 있다. 이와 같이 UHF 대역과 NFC 대역의 태그가 동시에 존재하여야만 물류 추적관리와 일반인 또는 검수자가 박스에 담긴 물건의 검증 검수가 가능하다^[1].

다중대역의 RFID 태그 안테나에 관한 기존의 논문들은 대부분 UHF와 마이크로웨이브(2.45 GHz, 5.8 GHz) 대역의 태그로서 하나의 안테나로 두 개의 대역에서 사용이 가능한 태그이다. 그런데 이러한 방식들은 안테나 급전점인 feeding point가 하나로 되어 있는 태그이므로 RFID 두 대역의 칩 중에서 하나만 사용이 가능하다. 현재 이중 대역에서 모두 사용이 가능한 칩은 없는 것으로 알려져 있으므로 결국 하나의 대역에서만 사용한다^[2]～^[5]. 참고문헌 [2]에서는 UHF와 2.45 GHz의 이중 대역 태그를 Bow-tie 형태로 Fractal 면을 추가하여 설계하였으며 참고문헌 [6]에서는 U 형태로 이중대역 태그를 설계하였다. 이중대역 태그와 관련된 대부분의 논문에서는 두 개의 밴드용 칩 사용을 고려하지 않고 설계가 되었다.

다중대역의 RFID 태그 안테나 설계에 관한 논문 중 최근 참고문헌 [1]에서 카드 크기의 HF와 UHF 대역의 태그를 소개하였다. 다중대역의 RFID 태그 안테나를 사용한 것은 유사하나 본 논문에서는 HF 대역 안테나를 스마트폰으로 NFC 기능을 사용 가능하도록 ISO/IEC 15963 규정에 맞는 Ntag213 칩을 사용하여 태그 안테나를 설계하였다.

또한, 본 논문에서 구현한 HF와 UHF 대역의 태그 중에 HF 대역의 Loop 안테나 위치가 전체 태그의 가운데 영역에 존재하는 형태의 태그이므로 UHF 대역 안테나의 음영 구역이 존재한다^[4],^[5]. 따라서 본 논문에서는 HF 대역태그에는 NXP사의 NTag213 칩을 사용하였고, UHF 대역태그에는 Alien사의 Higgs-3 칩을 사용하였다. 또한 UHF 대역 안테나의 파라미터를 조절하고, 상호간섭을 고려하여서 태그를 설계하였다. 박스의 유전율을 측정하여 스마트 박스에 태그가 임베디드가 되도록 하여서 단면 프린팅 방법으로 태그를 제조할 수 있도록 설계하였다.

Ⅱ. 본 론

태그를 박스 표면에 부착할 경우 태그가 손상되거나 벗겨져서 태그가 읽혀지지 않는 경우가 종종 발생한다. 따라서 이중대역 태그를 스마트박스 종이 사이에 임베디드하여 박스와 일체화되도록 태그를 제작 설계하였다. 박스 종이의 유전율을 설계에 반영하기 위하여 Agilent N5230A(10 MHz～20 GHz) 유전율 측정기를 사용하여 종이 박스 유전율을 10번 측정하여 평균치를 사용하였다. 사용된 박스용 종이는 중간 골판지 부분에 공기가 포함되어 있고, 또한 종이 재질도 일반 종이와 다르므로 일반적으로 사용되는 종이의 유전율(3)과는 주파수 별로 다른 값을 보여준다. 측정된 박스의 HF 대역 13.56 MHz에서 10번 측정한 유전율의 평균은 3.737이고, UHF 대역 920 MHz에서 유전율의 평균이 1.68이었다. 유전율 값을 CST 안테나 simulation 프로그램에 입력하여 태그를 설계하였다.

UHF/HF 태그가 임베디드 될 박스의 겉면에는 가로, 세로 약 100×100 mm의 영역에 태그의 위치를 나타내는 프린트가 존재하게 된다. 태그가 박스 속에 붙여지므로, 박스에 담겨진 식품의 검수자는 태그의 위치가 보이지 않아서 태그의 위치를 모르므로 박스 외부에 태그의 위치를 표시하여서 검수자가 스마트폰으로 NFC 태그를 읽어서 박스 안의 식품을 검수하게 된다.

태그는 CST 프로그램을 이용하여 그림 1과 같이 설계하였으며 CST 프로그램의 parameters sweep을 이용하여 다른 변수들의 값을 조정하면서 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 그림에서와 같이 최종적으로 미엔더 라인의 세로 길이 6.8 mm, 가로 길이 1.55 mm, 두께 0.4 mm일 때 최적의 성능을 얻었으며, 그림 1과 같이 여러 파라미터 값들을 얻을 수 있었다.

칩의 임피던스를 고려하여서 50옴 매칭이 아닌 칩의 임피던스에 안테나의 임피던스가 공액정합이 되도록 설계하였다. 칩의 data sheet의 저항 R과 정전용량 C값을 (R = 1,800Ω, C=0.85 pF) 식 (1)～식 (4)에 대입하여 칩의 임피던스 값을 920 MHz에서 22.7-201j 값을 얻을 수 있다. 이를 기반으로 최종 simulation된 S₁₁ 값과 측정값을 변환하여서 S₁₁ 값들을 비교하였다.

Z_a : 안테나 임피던스, Z_T : 칩 임피던스

Simulation 결과 상단에 위치한 UHF 태그의 왼쪽의 길이와 오른쪽의 길이가 30.4 mm, 20.4 mm일 때 920 MHz에서 최적의 반사계수의 크기가 −31.776 dB 값으로 나왔다.

그림 1을 기준으로 좌우의 양쪽 길이를 original 길이에서 q와 p의 길이를 1, 2, −1, −2 mm의 길이변화에 따른 반사계수 값의 변화 결과를 그림 2에 선택적으로 나타내었다.

UHF 태그와 HF 태그의 사이거리에 따른 UHF 대역의 |S₁₁|의 크기 변화를 그림 3에 도시하였다. 태그 사이거리가 10 mm, 15 mm, 20 mm일 때 결과 값을 보여준다. 사이거리의 변화에 따른 중심주파수 변화는 거의 없으며 |S₁₁| 값의 차이가 크지 않았다. 그림 3에서 최적의 값을 갖는 거리가 20 mm로 최적의 거리의 설계 값을 정하였다.

UHF 대역의 simulation 결과와 측정한 반사계수의 크기는 그림 4에서 비교하였다. 920 MHz에서 simulation 값은 약 −14 dB이고 측정값은 −11 dB로 측정이 되었으며 중심 주파수에서 두 측정치가 근사함을 보여 주었다. 두태그의 Port 간에 |S₁₂|와 |S₂₁|은 값이 −50 dB 이하로서 충분히 작음을 확인하였다.

HF 태그의 설계는 칩 제조사에서 제공이 되는 프로그램으로 13.56 MHz에서 공진이 일어나도록 근접한 값으로 설계 값을 정하므로, 그 설계치는 감은 수 N=6, 태그의 크기 40×44 mm와 루프 안테나의 도체 부분의 굵기와 간격은 각각 0.4 mm로 설계하였다.

NTag213의 전체 정전용량 C값이 50 pF이므로, 13.56 MHz에서 공액정합을 이루기 위하여 인덕턴스의 값은 $2\pi fL=\frac{1}{2\pi fC}$에 의하여 L 값이 2.76 uH이어야 한다.

HF태그 설계의 결과로는 network analyzer로 측정한 L값은 약 2.56 uH으로 앞서 계산한 L값인 2.76 uH과 유사한 값이 나타난다. 따라서 측정된 L값을 이용하여 HF 대역의 반사 계수의 크기 값을 구하면 그림 5와 같다. 반사계수 값은 약 12.7 MHz이며, 반사계수는 약 −38 dB로 나타나게 된다. HF 대역에서는 인식거리가 인증기관에서 측정하여서 4.3 cm 정도로 충분함을 보여 주었다.

설계한 태그를 주문 제작하여서 만든 Tag는 그림 6과 같다. 그림 7에서 x-y와 y-z 평면의 안테나 패턴을 보여주며, 920 MHz에서 이득이 약 1.909 dB이다.

UHF 대역 인식거리 측정하기 위해서 사용된 리더기와 안테나는 Alien사의 9900이고, 송신출력은 0 dB이며, 안테나는 6 dB인 원형편파 안테나를 사용하여 측정하여 그 결과를 그림 8과 같이 보여준다. 인식거리가 920 MHz에서 박스에 태그를 임베디드하였을 때 0도 정면에서 약 3.6 m의 인식거리를 기록하였다.

Ⅲ. 결 론

본 논문에서 개발된 이중 대역 태그는 UHF(920 MHz)와 HF(13.56 MHz)에서 동작하는 태그로서 HF 대역은 NFC 동작이 가능하도록 NTag213 칩을 UHF 대역은 Alien Higgs3 를 사용하여 설계되었다. UHF 대역에서 3.6 m, HF 대역에서 4.3 cm의 인식거리를 갖는다. 태그가 박스에 붙여지는 경우에 태그가 박스에서 떨어지거나, 붙여진 면이 훼손되어 태그가 읽히지 않는 상황이 없도록 하기 위하여 박스면 안쪽에 임베디드 되도록 제작하였다. NFC 동작이 가능하므로 일반 소비자나 검수자가 스마트폰으로 박스의 내용물을 검수할 수 있고, 생산부터 소비까지 모든 과정을 정확하고 투명하게 정보를 제공 받을 수 있으므로 식재료나 일반 식재료 소비자들에게 안심 서비스를 제공 할 수 있다.