Design of Chipless RFID Tags Using Electric Field-Coupled Inductive-Capacitive Resonators

전계-결합 유도-용량성 공진기를 이용한 Chipless RFID 태그 설계

Abstract

In this paper, the design method for a chipless RFID tag using ELC resonators is proposed. A four-bit chipless RFID tag is designed in a two by two array configuration using three ELC resonators with different resonant peak frequencies and one compact IDC resonator. The resonant peak frequency of the bistatic RCS for the IDC resonator is 3.125 GHz, whereas those of the three ELC resonators are adjusted to be at 4.225 GHz, 4.825 GHz, and 5.240 GHz, respectively, by using the gap between the capacitor-shaped strips in the ELC resonator. The spacing between the resonators is 1 mm. Proposed four-bit tag is fabricated on an RF-301 substrate with dimensions of 50 mm×20 mm and a thickness of 0.8 mm. It is observed from experiment results that the resonant peak frequencies of the fabricated four-bit chipless RFID tag are 3.290 GHz, 4.295 GHz, 4.835 GHz, and 5.230 GHz, respectively, which is similar to the simulation results with errors in the range between -2.3% and 0.2%.

본 논문에서는 전계-결합 유도-용량성(ELC; electric field-coupled inductive-capacitive) 공진기를 이용한 chipless RFID (radio frequency identification) 태그 설계 방법을 제안하였다. 공진 피크 주파수가 다른 ELC 공진기 3개와 인터디지털-커패시터(IDC; interdigital-capacitor) 구조의 소형 공진기 1개를 2×2 배열 구조로 배치하여 4-비트 chipless RFID 태그를 설계하였다. IDC 공진기의 bistatic 레이다 단면적(RCS; radar cross section)의 공진 피크 주파수는 3.125 GHz이고, ELC 공진기의 공진 피크 주파수는 커패시터 모양의 스트립의 간격을 이용하여 각각 4.225 GHz, 4.825 GHz, 5.240 GHz로 조정하였다. 공진기 사이의 간격은 1 mm이다. 제안된 4-비트 태그를 두께 0.8 mm의 50 mm×20 mm 크기의 RF-301 기판에 제작하였다. 실험 결과, 제작된 4-비트 chipless RFID 태그의 공진 피크 주파수는 3.290 GHz, 4.295 GHz, 4.835 GHz, 5.230 GHz로 -2.3% ~ 0.2% 범위의 오차를 나타내며 시뮬레이션 결과와 유사하게 측정되었다.

Ⅰ. 서론

전자파 신호를 이용하여 사물에 부착된 태그(tag)로부터 전송되는 식별(identification) 정보를 이용하여 부착 대상을 자동으로 비접촉식으로 인식하는 RFID(radio frequency identification) 기술은 차세대 자동인식 기술로 개발되어 실생활의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다[1]. RFID 태그는 반도체 제작 기술의 발달로 인해 정보를 저장하는 메모리와 주요 동작 부품을 반도체 공정을 이용하여 칩(chip)으로 제작하여 안테나와 결합하여 사용하고 있다. 이러한 칩 기반 RFID 태그는 칩에 사물에 대한 식별 정보와 다양한 주변 환경 센싱 정보를 저장할 수 있는 장점이 있으나 반도체 공정으로 제작되는 칩의 비용이 포함되어 가격이 비싼 단점이 있다.

칩 기반 RFID 태그의 비싼 가격에 대한 문제를 해결하기 위해 칩을 사용하지 않는 chipless RFID 태그에 대해서 2000년대 초부터 다양한 연구가 진행되고 있다[2]. Chipless RFID 태그의 방식은 자성체 방식, 인쇄 전자회로 방식, 마이크로파 공진기 방식 등으로 나눌 수 있다[3]. 자성체 방식은 자성체 물질이나 자성 소자를 이용하여 태그를 제작하고 리더와 태그 사이의 자계 결합의 특성을 이용하여 식별한다. 인쇄 전자회로 방식은 유기 반도체와 전도성 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 프린팅하여 태그의 주요 부품과 안테나를 제작한다. 주파수 대역에 따라 자기장이나 전자파를 이용하여 태그를 인식한다. 마이크로파 공진기 방식은 마이크로파 주파수 대역에서 공진하는 공진기를 이용하여 태그를 제작하고 전자파를 이용하여 식별하며, 현재까지 활발하게 연구되고 있다. 전자파 대신에 표면 탄성파(SAW; surface acoustic wave)를 이용하여 시간 영역에서 동작하는 태그도 개발되었다[4]. SAW 태그는 안테나를 통해서 입력된 전기 신호가 인터디지털 변환기(IDT; inter-digital transducer)에서 표면 탄성파로 변환되고, 반사판에서 반사되는 표면 탄성파 신호가 IDT를 통해서 다시 전기 신호로 변환되어 안테나를 통해 전달된다. 영하 100도에서 영상 200도에서 사용할 수 있어 극저온과 고온의 극한 환경에서 사용할 수 있는 장점이 있다.

마이크로파 공진기를 이용하는 방식 중에서 태그의 주파수 응답의 진폭 및 위상에서의 특이성의 존재 여부에 의해 결정되는 주파수 영역 방식이 가장 많이 연구되고 있다[5]. 주파수 영역 방식 중에서는 송수신 안테나를 사용하지 않고 공진기의 레이다 단면적 (RCS; radar cross section)의 응답에서 특이점을 통해 주파수 스펙트럼 신호를 제공하는 후방 산란 기반 방식이 태그의 크기를 줄일 수 있어 많이 연구되고 있다.

후방 산란 기반 주파수 영역 chipless RFID 태그에는 다양한 형태의 마이크로파 공진기가 사용되었다. 기판 위에 에칭된 다섯 개의 스트립 다이폴을 이용하여 5.47 GHz ~ 5.875 GHz 대역에서 동작하는 바코드 모양의 5-비트 태그가 설계되었다[6]. 공진기의 크기를 줄이기 위해 C-모양 혹은 헤어핀(hairpin)-모양의 공진기를 이용하여 2.5 GHz ~ 6.5 GHz 대역에서 동작하는 5-비트 태그가 제안되었다[7]. 다이폴의 양쪽 끝에 스파이럴(spiral)-모양 구조가 추가된 소형 다이폴 공진기를 이용하여 1.8 GHz ~ 3.6 GHz 대역에서 동작하는 20-비트 태그가 제작되었다[8]. 전계-결합 유도-용량성(ELC; electric field-coupled inductive-capacitive) 공진기와 다중 슬롯(slot) 공진기를 이용하여 식별 정보와 습도 정보를 센싱하는 태그를 6.7 GHz ~ 10.7 GHz 대역에서 동작하도록 설계하였다[9].

본 논문에서는 ELC 공진기와 인터디지털-커패시터(IDC; interdigital-capacitor) 공진기를 이용한 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그 설계 방법을 제안하였다. IDC 공진기는 ELC 공진기의 비유전율 감도 향상과 소형화를 위해 기존의 ELC 공진기의 커패시터 모양을 IDC 모양으로 변형하여 제안되었다[10]. 배열 구조에서 공진기가 추가될 때 태그의 RCS 특성을 각 공진기가 독립적으로 있는 경우와 비교하기 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 시뮬레이션하였다. 최종 설계된 4-비트 태그를 RF-301 기판(비유전율 2.97, 두께 0.8 mm)에 제작하여 시뮬레이션 결과와 특성을 비교하였다.

Ⅱ. 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그 설계

제안된 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그의 구조가 그림 1에 나타나 있다. IDC 공진기 1개와 ELC 공진기 3개로 구성되어 있다. 기판의 길이와 폭은 각각 L과 W이며, 비유전율(εr) 2.97, 두께(h) = 0.8 mm, 손실 탄젠트(tan δ) = 0.0012인 RF-301 기판을 사용하였다.

그림 1. 제안된 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그 구조

Fig. 1. Geometry of proposed 4-bit chipless RFID tag with 2×2 array configuration

IDC 공진기는 좌측 하단에 배치하였고, ELC1 공진기는 우측 하단에 배치하였다. ELC2 공진기는 우측 상단에 배치하였고, ELC3 공진기는 좌측 상단에 배치하였다. 공진기 사이의 간격은 s이다. ELC 공진기는 정사각형 루프 안에 커패시터 모양의 구조가 추가되었고, IDC 공진기는 정사각형 루프 안에 IDC 구조가 추가되었다. 공진기의 정사각형 루프의 길이와 폭은 각각 l과 w로 동일하다. ELC 공진기는 커패시터 모양 구조의 스트립 간격을 바꾸서 공진주파수를 조정할 수 있다. ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 커패시터 모양 구조의 스트립 간격은 각각 g1, g2, g3이다. IDC 공진기의 IDC 구조의 간격은 g4이다. ELC 공진기의 커패시터 모양 구조의 길이는 l1이고, IDC 공진기의 IDC 구조의 길이는 l2이다.

표 1에 제안된 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그의 최종 설계변수들이 나타나 있다. 모든 공진기의 정사각형 루프의 길이와 스트립의 폭은 각각 8 mm와 0.5 mm로 같게 설계하였다.

표 1. 제안된 4-비트 chipless RFID 태그의 최종 설계변수

Table 1. Final design parameters of proposed 4-bit chipless RFID tag

그림 3은 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기를 2×2 배열 구조로 배치했을 때의 bistatic RCS 특성과 그림 2에 나타나 있는 각각의 단일 공진기의 특성을 비교하였다. RCS 측정을 위해서는 송신과 수신을 위해 광대역 혼 안테나를 사용하고 송수신 안테나 사이의 상호 결합을 줄이기 위해 어느 정도 간격을 유지해야 하므로 송신과 수신 위치가 다른 bistatic RCS를 사용한다[10]. Bistatic RCS 송신측 입사 각도는 z축을 기준으로 zx- 평면에서의 각도로서 실험에서 사용된 30o를 적용하였다. RCS의 단위는 dBsm (decibel per square meter)이다.

그림 2. 단일 공진기 구조: (a) IDC 공진기, (b) ELC1 공진기, (c) ELC2 공진기, (d) ELC3 공진기

Fig. 2. Geometries of single resonators: (a) IDC resonator, (b) ELC1 resonator, (c) ELC2 resonator, (d) ELC3 resonator

그림 3. 제안된 4-비트 chipless RFID 태그와 단일 공진기의 bistatic RCS 비교

Fig. 3. Comparison of bistatic RCS for proposed 4-bit chipless RFID tag and single resonators

그림 2(a)의 IDC 단일 공진기는 3.22 GHz에서 공진 피크(resonant peak)가 발생하고 RCS 값은 -35.33 dBsm이다. 그림 2(b)의 ELC1 단일 공진기는 4.245 GHz에서 공진 피크가 발생하고 RCS 값은 -28.46 dBsm이다. 그림 2(c)의 ELC2 단일 공진기는 4.835 GHz에서 공진 피크가 발생하고 RCS 값은 -27.10 dBsm이다. 그림 2(d)의 ELC2 단일 공진기는 5.265 GHz에서 공진 피크가 발생하고 RCS 값은 -26.87 dBsm이다. ELC 공진기의 경우 커패시터 모양 구조의 스트립 간격이 0.5 mm에서 1.5 mm로 커질수록 등가 커패시턴스가 작아져서 공진 피크 주파수가 높은 주파수로 이동함을 알 수 있다.

IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기를 2×2 배열 구조로 배치했을 때, IDC 공진기의 공진 피크 주파수는 3.215 GHz로 0.005 GHz(0.16%) 낮은 주파수로 이동하였고 RCS 값은 -31.76 dBsm로 3.57 dB 증가하였다. ELC1 공진기의 공진 피크 주파수는 4.225 GHz로 0.02 GHz(0.47%) 낮은 주파수로 이동하였고 RCS 값은 -26.10 dBsm로 2.36 dB 증가하였다. ELC2 공진기의 공진 피크 주파수는 4.825 GHz로 0.01 GHz(0.21%) 낮은 주파수로 이동하였고 RCS 값은 -25.61 dBsm로 1.49 dB 증가하였다. ELC3 공진기의 공진 피크 주파수는 5.240 GHz로 0.025 GHz(0.47%) 낮은 주파수로 이동하였고 RCS 값은 -26.32 dBsm로 0.55 dB 증가하였다. 따라서 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기를 2×2 배열 구조로 배치했을 때 단일 공진기만 있을 때와 비교했을 때 공진 피크 주파수는 약간 낮은 주파수로 이동하고 RCS 값은 증가함을 알 수 있다.

그림 4는 2×2 배열 구조에서 공진기 사이의 간격 s가 3 mm 에서 1 mm로 바뀔 때 제안된 4-비트 chipless RFID 태그의 bistatic RCS 특성의 변화를 비교하였다.

그림 4. 제안된 4-비트 chipless RFID 태그의 공진기 사이의 간격에 따른 RCS 특성

Fig. 4. RCS characteristics of proposed 4-bit chipless RFID tag vs. spacing between resonators

공진기 사이의 간격 s가 3 mm에서 1 mm로 줄어들수록 공진기 사이의 상호 결합이 증가하여 4-비트 chipless RFID 태그의 bistatic RCS 특성의 공진 피크 주파수는 약간 낮은 주파수로 이동하였고 RCS 값은 조금 증가하였다. 먼저, s가 3 mm일 때, IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 공진 피크 주파수는 각각 3.220 GHz, 4.243 GHz, 4.858 GHz, 5.270 GHz이고, RCS 값은 각각 -33.67 dBsm, -26.91 dBsm, -26.20 dBsm, -26.43 dBsm이다. s가 2 mm로 줄어들면, IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 공진 피크 주파수는 각각 3.218 GHz, 4.235 GHz, 4.843 GHz, 5.253 GHz로 낮은 주파수로 조금 이동하고, RCS 값은 각각 -32.92 dBsm, -26.54 dBsm, -25.98 dBsm, -26.36 dBsm로 조금 증가한다. s가 1 mm로 더 줄어들면, IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 공진 피크 주파수는 각각 3.215 GHz, 4.225 GHz, 4.825 GHz, 5.240 GHz로 낮은 주파수로 조금 더 이동하고, RCS 값은 각각 -31.76 dBsm, -26.10 dBsm, -25.61 dBsm, -26.32 dBsm로 조금 더 증가한다. 표 2와 3은 공진기 사이의 간격 s에 따른 2×2 배열 구조에서 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 공진 피크 주파수와 RCS 값을 각각 비교 정리하였다.

표 2. 공진기 사이의 간격에 따른 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 공진 피크 주파수 비교(GHz)

Table 2. Comparison of resonant peak frequencies of IDC, ELC1, ELC2, and ELC3 resonators for varying the spacing between the resonators in GHz

표 3. 공진기 사이의 간격에 따른 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 RCS 값 비교(dBsm)

Table 3. Comparison of RCS values of IDC, ELC1, ELC2, and ELC3 resonators for varying the spacing between the resonators in dBsm

Ⅲ. 제작 및 실험 결과

그림 5와 같이 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 단일 공진기와 제안된 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그를 RF-301 기판(ε_r = 2.97, h = 0.8 mm, tan δ = 0.0012) 위에 제작하였다.

그림 5. 제작된 단일 공진기와 제안된 4-비트 chipless RFID 태그사진: (a) 단일 공진기, (b) 제안된 4-비트 chipless RFID 태그

Fig. 5. Photograph of fabricated single resonators and proposed 4-bit chipless RFID tag: (a) single resonators, (b) proposed 4-bit chipless RFID tag

bistatic RCS 측정 setup은 그림 6과 같이 전파 무반사실 내에 광대역 송수신 안테나를 이용하여 구성하였다. Bistatic RCS 계산을 위해 필요한 송수신 안테나의 전달계수(S₂₁)를 측정하기 위해 Agilent사의 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하였다. 광대역 송수신 안테나는 2 GHz ~ 18 GHz 대역에서 전압정재파비가 2 이하이고 6 ~ 17 dBi의 이득을 가지는 C&G Microwave사의 double-ridged horn 안테나를 사용하였다. 송수신 안테나와 피측정 물체(단일 공진기 혹은 4-비트 태그) 사이의 거리는 300 mm 정도이고 송신안테나는 태그 표면의 수직한 방향과 30o 정도의 입사 각도를 가진다.

그림 6. 측정 setup 사진

Fig. 6. Photograph of measurement setup

측정한 송수신 안테나의 전달계수를 이용하여 bistatic RCS 값을 계산하기 위해 식 (1)을 사용하였다[10].

\(\begin{aligned}\sigma_{\text {tag }}=\left[\frac{S_{21, t a g}-S_{21, \text { air }}}{S_{21, r e f}-S_{21, a i r}}\right]^{2} \sigma_{r e f}\end{aligned}\)       (1)

피측정 물체의 측정된 RCS 값(σ_tag)은 기준으로 사용될 물체의 RCS 값(σ_ref), 피측정 물체의 측정된 전달계수(S_{21, tag}), 기준 물체를 두었을 때 측정된 전달계수(S_{21, ref}), 물체가 없을 때 측정된 공기 중 전달계수(S_{21, air}) 등을 이용하여 계산하였다. 기준 물체로는 길이 30 mm, 직경 0.4 mm 인 구리선을 사용하였다.

그림 7은 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 단일 공진기에 대해서 측정된 bistatic RCS 값과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. IDC 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 RCS 값은 3.22 GHz와 -35.33 dBsm이고, 측정된 bistatic RCS의 공진 피크 주파수는 3.295 GHz로 2.33% 증가하였고 RCS 값은 -36.91 dBsm으로 1.58 dB 감소하였다.

그림 7. 단일 공진기의 측정된 bistatic RCS 값 비교: (a) IDC, (b) ELC, (c) ELC2, (d) ELC3

Fig. 7. Comparison of measured bistatic RCS values for single resonators: (a) IDC, (b) ELC1, (c) ELC2, and (d) ELC3

ELC1 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 RCS 값은 4.245 GHz와 -28.46 dBsm이고, 측정된 bistatic RCS의 공진 피크 주파수는 4.305 GHz로 1.41% 증가하였고 RCS 값은 -30.39 dBsm로 1.93 dB 감소하였다. ELC2 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 RCS 값은 4.835 GHz와 -27.10 dBsm이고, 측정된 bistatic RCS의 공진 피크 주파수는 4.830 GHz로 0.1% 감소하였고 RCS 값은 -27.92 dBsm로 0.82 dB 감소하였다. ELC3 공진기의 경우, 시뮬레이션한 bistatic RCS의 공진 피크 주파수와 RCS 값은 5.270 GHz와 -26.87 dBsm이고, 측정된 bistatic RCS의 공진 피크 주파수는 5.260 GHz로 0.19% 감소하였고 RCS 값은 -27.19 dBsm로 0.32 dB 감소하였다. 공진기 제작 상의 오차와 측정 setup 오차 등으로 인해 측정 결과가 시뮬레이션과 다른 것으로 판단된다.

그림 8은 제안된 4-비트 chipless RFID 태그의 측정된 bistatic RCS 값과 시뮬레이션 결과를 비교하였다.

그림 8. 제안된 4-비트 chipless RFID 태그의 측정된 bistatic RCS 값 비교

Fig. 8. Comparison of measured bistatic RCS values for proposed 4-bit chipless RFID tag

제안된 4-비트 chipless RFID 태그의 IDC, ELC1, ELC2, ELC3 공진기의 시뮬레이션한 공진 피크 주파수는 각각 3.215 GHz, 4.225 GHz, 4.825 GHz, 5.240 GHz이고, RCS 값은 각각 –31.76 dBsm, -26.10 dBsm, -25.61 dBsm, -26.32 dBsm이다. 측정한 공진 피크 주파수는 각각 3.290 GHz, 4.295 GHz, 4.835 GHz, 5.230 GHz이고, RCS 값은 각각 –33.83 dBsm, -27.87 dBsm, -25.98 dBsm, -26.65 dBsm이다. 공진 피크 주파수의 오차는 -2.3% ~ 0.2%이고, RCS 값의 오차는 1.3% ~ 6.8%이다.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 IDC 공진기 1개와 커패시터 모양 구조의 스트립 간격이 다른 ELC 공진기 3개를 이용한 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그 설계 방법을 연구하였다.

단일 공진기와 비교할 때 2×2 배열 구조로 배치할 경우 공진 피크 주파수가 조금 낮은 주파수로 이동하고 RCS 값이 증가하였다. 또한, 배열 구조에서 공진기 사이의 간격을 줄일수록 주파수의 이동과 RCS 값의 증가가 커졌다.

제작된 2×2 배열 구조의 4-비트 chipless RFID 태그의 특성은 시뮬레이션 결과와 유사하게 측정되었다. 공진 피크 주파수의 오차는 -2.3% ~ 0.2%이고, RCS 값의 오차는 1.3% ~ 6.8%이다.