중 간 보 고 서 제 출 서

1998년 공업기반기술개발사업에 의하여 개발중인 5.8□ 대역 RF-ID 기술

개발사업의 1차년도 중간보고서를 첨부와 같이 제출합니다.

첨   부: 1. 중간보고(요약)서  15부

1998  .  8  .  30  .

총괄책임자 :  변  상  기     (인)

주관기관 : 전자부품종합기술연구소

대  표  자 :  김  춘  호      직인

산업자원부장관  귀하

공업기반기술개발사업 중간보고(요약)서
사 업 명	(국 문) 5.8□ 대역 RF-ID 기술 개발 (영 문) Development of 5.8□ band RF-ID Technologies
주 관 기 관	전자부품종합기술연구소	총 괄 책 임 자	변 상 기
총 사 업 기 간	1997 . 1 . 1 . ∼ 1999 . 9 . 30 . ( 2 년 8개월 )
당 해 년 도 사 업 기 간	1997 . 10 . 1 . ∼ 1998 . 9 . 30 . ( 1 년 )
총 개발 사업비 (천 원)	정부출연금 : 200,000 참여기업 부담금 : 100,000 주관·위탁기관 부담금 : 계 : 300,000
참 여 기 관	태봉전자, 대성전기공업(델텍), 기라정보통신, 현광전자통신, 현대정보기술, C&C엔터프라이즈
주 제 어 (6 ∼ 10 개)	RF-ID, Transponder, Reader, Microstrip Patch Antenna, ASK Modulator PLL Synthesizer, LNA, Down-converter,
1. 기술개발 최종목표 □ 5.8□ 대역 RF-ID 핵심기술 개발 - 주파수대역 : 5.785-5.815□ - 감지거리 : 2m - Transponder Type : Active - Access 방식 : Read/Write 2. 기술개발의 목적 및 중요성 □기술개발의 목적 최근 세계적으로 시장수요가 급증하고 있는 무선인식시스템 기술의 핵심인 RF-ID기술의 주 파수를 5.8□ 대역에 적용하여 전송속도, 감지거리 등의 성능을 개선하고 주요부품을 국 산개발하고 상용화함. □기술개발의 중요성 무선자동인식에 의한 이동체의 관리 시스템은 세계적으로 그 수요가 급증하고 있으며 응용 분야 또한 다양해지고 있는 추세다. 고속도로 요금징수시스템, 주차관리시스템, 공장자동화, 물류관리 등 그 응용범위가 지속적으로 증대되어가고 있는 것이 현실이다. 현재 국내에서도 고속도로 및 도로 요금징수, 주차요금징수등을 위해 2.4□, 5.8□대역에서 운용되고 있는 외 국제품을 도입하여 설치가 진행중이거나 완료되어 운용중에 있다. 이를 계기로 국내에서도 그 수요가 증대될것으로 보이며 앞으로 무선자동인식시스템의 신규시장 창출이 급증할 것 으로 예상되고 있다. 이 시점에서 국내기술에 의한 국내제품의 확보가 이루어지지 않는다면, 이는 곧 국내시장의 외국제품에 의한 잠식으로 이어질뿐만아니라, 기술종속으로까지 이어져 국가경제에 막대한 손실을 가져올 수 있기 때문에 국내의 독자적인 기술개발로 경쟁력 높은

제품의 개발을 통한 우수한 성능의 제품확보가 시급한 과제이다. 이를 위해 시장형성 초기단계에 있는 5.8□ 대역 RF-ID 기술개발을 통한 시스템의 크기, 인식거리, 인식속도등에서 외국제품보다 우수한 성능의 제품을 생산하여 국제경쟁력의 확보에 의한 수입대체효과 뿐만아니라 수출증대효과를 가져와 국가경제에도 이바지 할 것으로 기대되므로 조속한 기술개발을 통한 기술우위의 확보가  필요하다.

3. 기술개발의 내용 및 범위

□년도별 주요 개발내용

- 당해년도 :□Transponder 설계 및 제작

□Reader용 RF모듈 제작

□Reader안테나 설계

□제어 S/W개발

- 차년도 :  □Reader, Transponder 보완설계, 제작

□디스플레이, 동작제어 S/W 보완제작

□RF-ID 시스템 조립 및 시험

□당해년도 개발내용 및 범위

① Transponder 설계 및 제작

- Impedance Matching 회로 및 Decoder 설계

- Active형 Transponder제작

②  Microstrip Patch Antenna 설계

③  RF-ID Reader RF Board 설계

- Reader RF Board 회로, PCB Layout 설계 및 제작도면 작성

④  제어 S/W개발

4. 기술개발 결과

① 시작품 현황

- Transponder, Reader, Microstrip Patch Antenna 시작품

② 설계도면

- Transponder, Microstrip Patch Antenna, Reader RF 회로 설계도면

③ 주차관리 운영 S/W개발

5. 기대효과

당 과제를 통한 RF-ID 기술 개발은 중소기업을 중심으로 이루어짐으로서 중소기업에의 기      술이전이 용이하며, 중소기업의 독자 마케팅이 가능한 국제경쟁력있는 제품 생산을 통해 국      내시장 및  해외시장 진출을 도모함으로서 무역역조개선 및 수출증대에 기여함.

목   차

1. 당해연도 개발 실적  및  내용	1

가. Transponder 개발	1

1) 개   요	1

2) Transponder 설계	1

3) 제작 및 측정	2

나. 마이크로스트립 안테나 개발	3

1) 안테나 설계	3

2) 안테나 제작 및 측정	4

다. Reader 개발	5

1) 개  요	5

2) 개발 실적 및 내용 : 설계도, 시작품 및 측정결과	6

가) ASK Modulator 시작품	6

나) 5.8□ PLL Synthesizer시작품, 측정결과(VCO스팩트럼, 주파수제어 스팩트럼)	6

다) RF Down-Converter Schematic	7

라) LNA시작품 및 측정결과	7

마) Hybrid Coupler 시작품, Simulation 및 측정결과	8

바) Baseband 시작품	8

사) 개발결과 요약	8

라. 운영 프로그램 개발	9

2. 결  론	9

3. 향후계획	9

1. 당해연도 개발 실적  및  내용

가. Transponder 개발

1) 개   요

Battery를 내장한 능동형(Active) Transponder로서 Reader로부터 ASK변조된 RF신호를 마          이크로스트립 패치 안테나에 의해 수신하면 Schottky 다이오드에 의해 복조되어 디지털 회로          부로 데이터를 전송한다. 디지털 회로부에선 복조된 데이터 명령에 의해 저장된 고유데이터          를 송신회로로 전송한다. 또한 Transponder내에 EEPROM을 가지고 있어 자기 고유의 ID 및          Reader에서 보내준 데이터를 저장할 수 있다. Transponder는 Wake-up 회로가 있어                  Transponder의 동작을 Sleep 모드 또는 수신/전송모드 전환이 수행된다. 일련의 동작이 끝나          면 PIN Diode를 거쳐 Transponder 고유 ID 데이터를 Reader로 전송한다.

2) Transponder 설계

수신부 회로도                                   송신부 회로도

안테나부 회로도

CPU 및 EEPROM 회로도

3) 제작 및 측정

Transponder 시작품 Layout

Menchester coding에 의한 변조특성                  Transponder 고유정보

나. 마이크로스트립 안테나 개발

1) 안테나 설계

마이크로스트립 패치 안테나는 소형, 박형, 경량 등의 장점을 가지고 있어 여러 분야에 사           용되고 있다. 이것은 대역폭과 편파 특성에 있어서 한계가 있으며 이를 극복하기 위한 많은            연구가 이뤄지고 있다. 복사소자를 회전시키는 형태인 시퀀셜 배열에 위상지연 급전을 주면            대역폭을 넓힐 뿐만 아니라 교차 편파(cross polarization)를 줄일 수가 있으므로 RF-ID의 송/수           신상의 오차 발생을 감소시킬 수 있다. 패치의 크기를 결정하기 위하여 전송선로 방법을 이용           하고, 전체적인 형태를 해석하는데는 수치해석 방법 중 모멘트 방법을 이용한 시뮬레이터인            앙상블 5.1을 사용하여 5.8□ 대역 RF-ID 송/수신용 안테나를 2×2 병렬 급전과 시퀀셜 배열           로 설계, 제작하고 대역특성을 모의실험 결과와 비교 고찰한다.

마이크로스트립 안테나의 등가회로 모델에 의해 패치의 크기를 정하고 배열 이론에 의해 병렬

급전의 2×2 배열 안테나를 설계한다.

(a)	(b)

패치 안테나의 레이아웃

(a)는 동일 위상에 서로 다른 진폭의 전류를 급전시키는 형태이고 (b)는 서로 다른 위상과 서           로 다른 진폭의 전류를 급전시키는 안테나의 레이아웃이다. 여기서 특수한 방사패턴을 얻기            위해 위상차를 90°씩 주지 않고 불균일한 위상차를 주었다. 이렇게 주는 이유는 Dual-Beam           방사패턴을 얻기 위함이다. 이러한 형태의 방사패턴은 RF-ID와 같이 사람이나 동물, 그리고            물품의 출입 관리 시스템에 아주 적합하다.

안테나의 Dual-Beam 방사패턴 특성

기판은 62mil 테프론 기판을 사용하였으며, 패치의 크기는 15.3×15.3□로 정하고 진폭 급전은

앞에서 주어진 바와 같이 1:1.73:1.73:1의 비율을 적용하였다. 그리고 위상 지연은 파장의 0,            1/4, 1/2, 3/4 배로 변화를 주었다.

2) 안테나 제작 및 측정

실제 제작한 안테나의 편파는 RHCP를 주었으며, 전류의 진폭 변화를 갖는 안테나((a)형)는             115□ (비대역폭 이 약 1.8%)를 얻었고, 전류의 진폭과 위상 변화를 갖는 안테나((b)형)는              1.5:1 대역폭이 132□(비대역폭이 약 2%)를 얻었다. 따라서 위상과 진폭을 동시에 변화시켰을           때가 진폭만을 변화시킨 경우보다 더 넓은 대역폭을 주었으며, 동일 패치 크기를 사용할 때            주파수가 천이됨을 볼 수 있었다. 위의 두 가지 경우는 모두 모의 실험 결과와 좋은 일치를            주었으며 (b)형의 안테나는 RF-ID에서 원하는 주파수와 좋은 일치를 주었다. 전류의 진폭과 위           상 변화를 갖는 안테나의 복사 패턴으로 정방향으로 배치시켰을 때의 특성과 안테나를 90도            회전시켰을 때의 복사 패턴을 측정한 결과이다.

전류의 진폭 변화를 갖는 2×2배열 안테나의 반사손실과 스미스 차트((a)형)

전류의 진폭과 위상 변화를 갖는 2×2배안테나의 반사손실과 스미스 차트((b)형)

정방향	90。방향 회전

전류의 진폭과 위상 변화를 갖는 안테나의 복사 패턴 ((b)형)

다. Reader 개발

1) 개  요

RF-ID시스템의 Reader는 마이크로스트립 안테나, RF회로부, 변복조회로부, CPU를 포함           한 Digital Board로 구성된다. Digital Board는 PC와 연결되며 운영 프로그램에 의해 RF-ID시           스템을 제어하게 된다. RF회로부는 Circulator, LNA, double-balanced mixer, hybrid coupler,            divider, combiner, oscillator 및 변복조회로부로 구성된다. LO신호 발생원으로는 주파수안정도           가 우수한 VCO나 DRO가 사용되며 국부발진(LO)신호출력은 Wilkinson divider에 의해 분배되           어 2개의 hybrid coupler에 인가된다. LNA에 의해 증폭된 RF수신신호는 hybrid coupler의 다른           단자에 LO신호와 90도 위상차를 갖도록 하여 double balanced mixer에 인가되어 180도 위상           차를 갖는 출력검파신호가 2개의 mixer에서 출력되어 combine된 후에 IF증폭단에 인가된다.            RF-ID Reader RF front-end에 해당하는 reader down-converter 상세블럭도는 아래와 같고, LO           신호는 또한 고주파증폭기를 거쳐 transponder인식을 위한 RF 송신주파수로 사용된다.

RF-ID Reader 블록도

RF-ID Reader Down-Converter

2) 개발 실적 및 내용 : 설계도, 시작품 및 측정결과

가) ASK Modulator 시작품

나) 5.8□ PLL Synthesizer시작품, 측정결과(VCO스팩트럼, 주파수제어 스팩트럼)

5.8□ PLL Synthesizer시작품

주파수 Spectrum 특성                        전압제어에 의한 주파수 범위

다) RF Down-Converter Schematic

RF Down-Converter Schematic

라) LNA시작품 및 측정결과

LNA 시작품          LNA 이득 특성 (20dB 감쇄기 부착)

마) Hybrid Coupler 시작품, Simulation 및 측정결과

90°하이브리드 시작품

90°하이브리드 삽입손실, 반사손실 특성        90°하이브리드 위상 특성

바) Baseband 시작품

Baseband 시작품

사) 개발결과 요약

- LNA(설계목표)

이득:  20□ ( 20□)

NF :  0.8   ( 1□ )

- PLL Synthesizer(설계목표)

주파수범위 : 5.785-5.825□ ( 5.785-5.825□)

출력      :  0 □m ( -3□m)

- Hybrid Coupler(설계목표)

S11   :  -30□ ( -30□)

라. 운영 프로그램 개발

초기화면                     차량진입상태                 차량출고상태

2. 결  론

당해연도에는 5.8□대역의 주차관리용 RF-ID 기술의 핵심이되는 RF transponder, Reader용 RF         모듈, Reader 안테나, 제어 S/W를 개발하였다.

RF  transponder는 Active형으로 89C2051 MCU를 사용하였으며, Detector회로는 Schottky다이오         드 검파회로와 비교기를 사용하여 설계하였다. Backscatter모드시의 변조 및 스위칭회로로서 바         이폴라 트랜지스터와 PIN다이오드를 사용하여 설계하였으며, 송/수신모드에서 Reader에 의한           Write기능, Reader의 질문에 의한 인식데이터의 송신기능을 확인하였으며, 2개의 원형편파 패          치 안테나를 transponder와 동일 Board에 설계, 제작하였다.

Reader는 RF보드와 디지털보드로 구분 설계하였으며 RF보드는 ASK 모듈레이터 모듈, RF             down-converter 및 Baseband 3개 모듈로 설계, 제작하였다.

주차관리 운용 프로그램은 RS-232 연결방식으로 Visual Basic으로 프로그램하여 초기 전파발신         점검, 차량 번호판 인식, 차량 진입/출고 시간기록, 요금계산 등의 기능을 갖도록 하였다.

당해년도에는 연구목표로 설정한 transponder 개발, Reader용 RF모듈 제작, Reader안테나 설          계 및 제어 S/W 개발을 완료 하였으며, 차년도에는 Reader용 RF모듈의 통합보드화 및 디지털         보드를 포함한 RF-ID시스템 조립 및 운용시험, 제어 S/W의 보완개발을 수행할 예정이다.

3. 향후계획

차기개발기간에는 당해연도에 개발한 Transponder의 보완개발, Reader 시스템 제작 운용 S/W         보완, RF-ID 시스템 통합 및 통합시험을 수행하고 RF-ID 시스템의 구현을 위한 기술의 참여업체         로의 이전을 통하여 주차관리용 RF-ID 시스템을 상용화할 계획으로 진행해 나갈 예정이다.