다양한 기술로 구현된 RFID 시스템 성능 검증

어떤 특정 기술 분야에 있어 One-Shot 측정 솔루션을 찾아볼 수 있다면, 그 기술 분야는 이미 기술적으로나 상업적으로 성숙기에 접어들었다고 볼 수 있다. 그러한 시각에서 보면 무선인식(RFID)를 포함한 IP-USN 시장은 아직 태동기를 채 벗어나지 못하고 있다고 할 수 있다. 다양한 제품과 기술표준들이 범람하고 있지만 그 다양성을 뒷받침해 줄 수 있는 측정 솔루션을 찾는 일이 쉽지만은 않을 것이다. 태동기 기술의 측정 솔루션은 마치 서로 다른 모양과 기능을 가진 레고 블록을 짜맞추어서 근사한 자동차를 만드는 것과 같다고 볼 수 있을 것이다. 이미 많은 업체들이 사용하고 있는 애질런트 범용 계측기를 이용해 RFID 및 IP-USN RF 측정 방법을 알아보도록 하겠다.

시스템 개요

AGT7050 무선인식기기 디자인 검증 시스템은 다양한 기술로 구현된 RFID 시스템 성능을 검증할 수 있다. UHF 주파수 대역의 ISO18000-C 를 근간으로 한 EPC Class1 Gen2 스펙 및 국내 모바일 RFID MRFS-5-01 스펙을 지원하며, IP-USN 기술에 우선적으로 적용 예상되는 기술인 'Zigbee' PHY 측정을 수행한다.
AGT7050은 벡터 신호 발생기, 스펙트럼 분석기, 오실로스코프, 리더/태그 애뮬레이터로 구성된다. 벡터 신호 발생기는 RFID 리더가 발생하는 다양한 명령어들을 생성해 원하는 주파수 및 파워레벨로 출력할 수 있다. 또한 별도 신호 생성 프로그램을 이용해 Zigbee RF 시험 신호를 발생한다.


▲ 표준적합성시험기기(좌측), 백터신호발생기(우측 상), 리더태그 애뮬레이터(우측 중),백터신호 분석 소프트웨어에서 제공하는 측정결과(우측 하)






스펙트럼 분석기는 리더 및 태그 신호에 대한 스펙트럼 특성 분석을 수행하며, 벡터 신호 분석 소프트웨어를 사용하여 변/복조신호 분석 기능을 수행한다. 아울러 변조형식, 코딩방법, 비트율에 대한 자동 분석 결과를 제공한다. 벡터신호 분석 소프트웨어에서 제공하는 측정결과 테이블은 한눈에 전반적인 제품 특성을 분석할 수 있게 도와준다. 리더와 태그가 주고 받는 명령어 및 데이터를 디코딩/분석한다.
오실로스코프는 정확한 타임 도메인상의 분석 결과를 제공하며, 긴 캡쳐 메모리를 사용해, 인테로게이터(Interrogator)와 태그가 주고 받는 명령어 및 정보 사이의 T1,T2,T3,T4 타임에 대한 정확한 결과를 보여준다. 오실로스코프는 EPC Global C1G2 기본 프로토콜을 지원할 뿐만 아니라, Tari Value, Delimeter, T time 등 특정 파라미터 들에 대한 조정 기능을 통해 리더와 태그의 다양한 성능 측정 환경을 제공한다.

UHF RFID Transponder의 성능 측정

수동형 RFID 시스템은 리더, 안테나 및 태그로 구성돼 있으며, 특히 태그는 안테나와 IC 가 직접 연결돼 있는 형태로 만들어져 있다. 태그에 부착된 IC는 리더가 방사하는 RF Field로부터 에너지를 얻어 동작 전원으로 사용하게 된다. 이러한 이유로 인해 태그가 방사하는 패턴을 측정하는 것이 RFID 전체 시스템의 성능을 평가하는 가장 중요한 척도가 된다고 볼 수 있다. 이러한 방사 패턴은 실질적으로 태그가 부착되는 사물의 종류, 형태, 재질에 따라 반사 또는 흡수의 과정을 거쳐 다양한 형태로 변질이 된다.

태그 안테나의 직접적인 성능 측정은 몇 가지 이유에 의해 측정 자체가 힘든 경우가 일반적인데, 첫 번째로 태그 안테나는 50옴에 매칭돼 있지 않아서 사실상 측정을 위한 특별한 매칭 회로가 필요하다. 두 번째는 대부분의 저가형 태크는 아주 얇은 flexible laminate substrate로 만들어져 있어 안테나와 계측기를 전기적으로 직접 연결하기는 힘들다. 따라서 가장 현실적인 태그 안테나의 성능 측정은 IC Assembly 이후에 무접촉 방법을 사용해 시험하는 것이다.

추천 측정 방법


▲ 애질런트 스팩트럼 분석기





수동형 UHF RFID IC의 전단부 회로는 Schottky 다이오드 기반의 정류기와 Voltage Multiplier로 구성돼 있다. 이 다이오드 구조는 마치 수동형 다이오드 믹서의 비선형 특성과 유사하다. 일반적으로 비선형 부품을 사용하는 시스템은 다음과 같은 voltage transfer 특성을 가진다.

IC 전단부 회로의 이러한 비선형적인 특성은 무접촉 방사 패턴 기술을 이용해 간접적으로 분석할 수 있으며, 이때 방사 패턴은 전형적인 Two Tone 측정 방식을 사용해 측정할 수 있다. 여기서는 RF Two-Tone 측정기술에 대한 세부적인 부분까지는 다루지 않는다. 인접한 두 개

▲ 애질런트 오실로스코프





의 주파수 성분 f1과 f2를 사용해 IC에 전원을 공급하게 되면, 이에 의해 생성된 TOI(Third Order Intermodulation)가 Fundamental Frequency 주위에 발생하게 될 것이다.이때, TOI의 amplitude는 IC다이오드의 특성과 Fundamental Frequency의 amplitude에 따라 다른 결과를 보이게 된다. 물론, IC전단부의 amplitude 특성은 태그 내에 구성된 voltage transfer circuit의 효율에 따라 정해진다. 따라서, 태그의 성능은 상기 Two-Tone 측정 방법에서 나타나는 IMD 성분을 분석함에 의해 간접적으로 분석할 수 있다. IMD의 amplitude 레벨은 태그 안테나의 gain에 따라 정해지며, 전형적으로 턴 테이블을 이용한 360도 방사 패턴 측정을 통해 분석할 수 있다.

시험 환경 설정

태그의 RF 특성을 측정하기 위한 다양한 측정 방법이 제안됐고, 많은 Lab에서 연구됐으나, <그림1>에서 지원하는 시험 방법은 프로토콜이나 IC 제조사에 관계없이 시험이 가능하다.
해당 configuration에서 특정 부분을 언급하자면, 증폭기 후단부의 Isolator가 추가됐다는 점인데, 이는 증폭기 자체가 발생시키는 예상치 못한 IMD에 대비하기 위함이다. <그림1>에 제안된 시험 구성은 애질런트에서 저렴한 비용으로 구성을 해 놓은 상태이므로 이미 구성된 해당 시험 환경을 사용한다면 개발자들이 별도의 시험 환경을 구성하는 시간과 노력을 줄일 수 있을 것이다.


▲ <그림1>






결론

비용적으로 효율적이고 신뢰성 있는 RFID 시스템 구축을 위해서는 해당 제품에 부착될 최적의 태그를 개발/선택하는 것이 필수다. 따라서, 제안된 시험 방법은 이러한 신뢰성있는 시스템 구축에 아주 유용할 것이다. 태그 성능 시험의 주요 항목 중 제안된 패턴 측정 이외에도 Far Field에서의 공진 주파수 측정 항목을 배제할 수 없을 것이다. Far Field 공진 주파수 측정 또한 제안된 시험 방법을 응용/변경함으로 인해 가능하다. 일반적으로 부품 레벨의 측정에 사용되는 네트워크 애널라이저(Network Analyzer), LCR Meter 등으로 많은 개발자들이 시험을 하고 있지만, 현실적으로 서두에서 지적됐던 계측기와 DUT의 Contact(Probe) 문제가 해결되지 않고는 측정에 있어 많은 어려움에 봉착하게 될 것이다. 따라서 현 시점에서 최적의 태그 성능 시험 방법은 무접촉에 의한 방사 패턴 및 Far Field 공진 주파수 특성을 분석함으로 인해 태그의 RF 성능을 간접적으로 평가하는 것이 가장 현실적인 방법이라 판단된다.

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