( nositelné. Milan Švanda, Milan Polívka. X17NKA Návrh a konstrukce antén

X17NKA – Návrh a konstrukce antén

Antény pro RFID a wearable („nositelné“) antény Milan Švanda, Milan Polívka

Katedra elektromagnetického pole www.svandm1.elmag.org [email protected] 624 / B2

Obsah X17NKA

• Úvod – – – – –

Trocha historie Co je RFID Rozdělení Používaná kmitočtová pásma Aplikace

• Problematika antén TAGů v UHF pásmu • Aplikace UHF RFID systému pro identifikaci osob (např. sportovců a zaměstnanců) • Specifika měření RFID antén 2/66

Trocha historie

• • • • •

1948 – Harry Stockman – Communications by means of Reflected Power X17NKA 1950 – US armáda – IFF (Ident., Friend or Foe) 1960 – EAS (1 bitové) – bezpečnostní aplikace 1978 – Pasivní TAGy 1980 – Komerční použití

•

3/66

90-tá – léta masový rozvoj (technologie) a standardizace

RFID – RadioFrequency X17NKA Identification

BEZKONTAKTNÍ IDENTIFIKACE

•

4/66

Části systému – TAG (transpondér) – Čtečka – Pevné antény (jiná vazba)

KONTAKTNÍ IDENTIFIKACE

TAG (transpondér) X17NKA

• Anténa (cívka, jiný vazební prvek) • Polovodičový čip (komplexní impedance) • Baterie (u aktivních systémů)

5/66

Pevné antény (jiná vazba) X17NKA

• Patchové antény • Yagi-Uda antény • Kapacitní vazba • Induktivní vazba

• …

6/66

Čtečky 125 kHz a 13,56 MHz X17NKA

7/66

Čtečky UHF (869 MHz) X17NKA

8/66

Rozdělení RFID dle napájení X17NKA

• Aktivní – TAG obsahuje baterii - Drahé - Omezená životnost + Nízký výkon čtečky

• Pasivní – Energie z elmag pole + Nižší cena + „Neomezená“ životnost - Velký výkon čtečky (1 W)

9/66

Rozdělení RFID dle principu X17NKA

• Jednobitové (2 stavy) - bezpečnostní aplikace

• N-bitové (unikátní kód - čip)

10/66


1. Jednobitové (2 stavy) 1.1 Radiofrekvenční -

11/66

Čtečka – generátor proměnného elmag pole TAG – resonanční obvod na stejné f TAG způsobí pokles amplitudy


1. Jednobitové (2 stavy) 1.2 Mikrovlnné -

12/66

Čtečka – vysílá nosnou vlnu modulovanou např. 1kHz ASK TAG – vytvoří dvojnásobný kmitočet (varikap) Ten je identifikován


1. Jednobitové (2 stavy) 1.3 Frekvenční dělič -

13/66

Čtečka – generuje elmag pole 100 – 130 kHz TAG – vytvoří poloviční kmitočet Ten je identifikován


1. Jednobitové (2 stavy) 1.4 Elektromagnetické -

14/66

Silné magnetické pole 10 Hz – 20 kHz TAG obsahuje magneticky měkký materiál (je přemagnetováván) Vznik vyšších harmonických Ty lze detekovat


1. Jednobitové (2 stavy) 1.5 Akusticko-magnetické -

15/66

Magnetostrikce TAG obsahuje prvek, který je v magnetickém poli rozkmitán Při vypnutí zdrojového pole prvek stále kmitá Æ detekce


2. N-bitové (kód - čip) 2.1 Induktivní vazba - Základ čtečky i TAGu je rezonanční obvod - Čtečka vyšle napájecí impuls - Ten je na TAGu přijat, usměrněn a nabije kondenzátor - Slouží jako zdroj energie pro vysílání TAGu - TAG vyšle zpět kód (např. ASK)

16/66


2. N-bitové (kód - čip) 2.2 Systémy s „backscatter“ modulací - Radiový přenos - Čtečka vysílá nepřetržitě nosnou kontinuální vlnu - Nabije se opět kondenzátor pro práci TAGu - Dle kódu je nosná vlna modulována a vyslána zpět Æ Čip mění dle kódu impedanci antény (odraz)

17/66


2. N-bitové (kód - čip) 2.3 Uzavřená vazba -

18/66

TAG je v těsné blízkosti čtečky Vinutí TAGu tvoří s vinutím čtečky transformátor Nebo deskový kondenzátor

Kmitočtová pásma X17NKA

Pásmo VDV,DV KV

0 - 135kHz 6,78MHz, 13,56MHz, 27,125MHz

VKV

40,68MHz

UKV

433,92MHz, 869MHz, 915MHz, 2,45GHz

Mikrovlnné 19/66

Kmitočtový rozsah

5,8GHz, 24,125GHz

Aplikace – 125 a 135 kHz X17NKA

• Přístupové systémy do budov

20/66


• Parkovací systémy

• Lyžařské vleky

• Logistika

21/66


• Značkování zvířat

22/66

Aplikace – 13,56 MHz X17NKA

• Přístupové systémy do budov • Odbavování zavazadel • Registrace knih

• Garance značkového zboží

23/66

Aplikace – UHF pásmo X17NKA

• Náhrada čárového kódu 869 MHz • Sledování palet

24/66

Aplikace – mikrovlnné pásmo X17NKA

• Lokalizace vagónů

• Přístupové systémy pro automobily (TELIDES 5,8 GHz)

25/66

X17NKA

Problematika antén TAGů v UHF pásmu

26/66

Komerční RFID antény v UHF pásmu X17NKA

Dipolové

Mikropáskové patche (flíčkové)

27/66

Parametry čipů pro UHF RFID TAGy X17NKA

Vstupní impedance čipu Zchip = 76 - j340 Ω Æ vstupní impedance antény Zin = 76 + j340 Ω

Zin

Citlivost Pmin ~ -7 až -18 dBm Konverzní ztráty TAGu Lkonv ~ 6 dB (starší až 20 dB) 28/66

Vliv blízkých kovových (dielektrických) objektů na anténní vlastnosti X17NKA

Dipól (72 Ω) nad vodivým povrchem

Z IN

U1 Z11 I1 Z12 I 2 = = + I1 I1 I1

Z IN = Z11 − Z12 pro d/λ → 0: Z11 ~ Z12 => ZIN → 0 (Rvyz → 0) => Lident zmenšuje se R

Antenna efficiency [%]

ηrad =

rad

R rad + R loss

100 80 60 40 20 0 0,8

0,9

1,0

Frequency [GHz]

29/66

f ree space d/λ = 0.01

d/λ = 0.05 d/λ = 0.005

d/λ = 0.025

Řešení = distanční podložka X17NKA

• Distanční podložka

30/66

Řešení = anténa se zemní rovinou X17NKA

• Patchovka

– 869 MHz Æ velké rozměry Æ malá účinnost při nízkém profilu efic( h ) :=

erhed ( h ) 1 + erhed ( h ) ⋅ ⎡⎢ ld +

⎢⎣

⎛ Rs ⎞ ⋅ ⎛⎜ 1 ⎞ ⎤⎥ ⋅ ⎡⎢⎛ 3 ⎞ ⋅ ⎛⎜ εr ⎞ ⋅ ⎛ Le( h) ⎞ ⋅ ⎛⎜ 1 ⎞⎤⎥ ⎜ ⎜ 16 p ( h ) ⋅ c1 ⎜ We ( h) h π ⋅ η0 ⋅ µr ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠⎜ h ⎥ ⎝ ⎠⎜ ⎢ ⎥ ⎝ λ0 ⎠ ⎦ ⎣ ⎝ λ0 ⎠⎦

Lee K. F., Chen W.: Advances in Microstrip and Printed Antennas, New York: John Wiley & Sons, 1997

31/66


• Patchovka

– 869 MHz Æ velké rozměry Æ malá účinnost při nízkém profilu

32/66

Řešení = AMC povrch X17NKA

Stínící „stěna“ z ideálního/umělého magnetického vodiče PMC (AMC) • potřebná výška 6 - 7 mm • komplikovaná výroba DPS (prokovené díry)

33/66

X17NKA

Použití UHF RFID systému pro identifikaci sportovců v hromadných závodech

34/66

Motivace a cíle X17NKA

• Dosud identifikace nf RFID systémy

35/66


• Požadavek - použít UHF RFID systém

36/66


• Požadavek - použít UHF RFID systém

37/66

Parametry systému X17NKA

38/66

Pracovní kmitočet

869,5 – 869,7 MHz

Max. vysílaný výkon (trvale)

3,5 W (34 dBm)

Citlivost přijímače

-64 dBm

Citlivost TAGu

-6,9 dBm

Konverzní ztráty

~ 20 dB

Polarizace všech antén

Lineární

Systémové úniky X17NKA

• Vícecestné šíření

39/66


• Vícecestné šíření

•Vliv směrových charakteristik antén 40/66


Předklon závodníka

41/66


Zastínění

42/66


Polarizační ztráty

43/66


• Vliv těla na vlastnosti antény TAGu

d/λ se snižuje Rvyz se snižuje d/λ = free space, 0.05, 0.025, 0.01

Antenna efficiency [%]

100 80 60 40 20 0 0,8

0,9

1,0

Frequency [GHz] free space d/λ = 0.01

44/66

d/λ = 0.05 d/λ = 0.005

d/λ = 0.025

Výkonová bilance pro meander dipól X17NKA

45/66


• Patchovka – zemní rovina

141 x 61.5 x 3 mm, εr = 3.05

– 869 MHz Æ velké rozměry Æ malá účinnost při nízkém profilu G ~ 0 dBi

46/66

Skutečně „nositelná“ anténa X17NKA

• • • • •

47/66

Pěnové dielektrikum (h=4.8 mm, h/λ0=0.014 , εr~1.3) Vodivá tkanina Rozměry 165 x 74 mm Hmotnost ~ 20 g Lze integrovat do čísla

Porovnání zisků antén X17NKA

Antena

48/66

G [dBi]

Meandr, volný prostor

2.2

Meandr, 20 mm od těla

-5.7

Test patch, volný prostor

-3.0

Test patch, 0 mm od těla

-0.1

Wearable RFID patch, volný prostor

6.3

Wearable RFID patch, 0 mm od těla

5.0

Výkonová bilance X17NKA

49/66

Komerční wearable antény X17NKA

50/66

X17NKA

Použití UHF RFID systému pro identifikaci zaměstnanců

51/66


• viz. sportovci • Menší rychlost – menší nároky na zisk (0 dBi)

52/66

Návrh „badge TAG“ antény 1/2 X17NKA

• Požadované parametry – Kladný zisk (alespoň 0 dBi) – Nositelnost • Minimální vliv lidského těla • Rozměry visačky

– Vstupní impedance Zin = 76 + j340 Ω (Zchip komplexně sdružená)

53/66

Návrh „badge TAG“ antény 2/2 X17NKA

• Nová „badge TAG“ anténa – Minimální vliv podložky – Jednovrstvý substrát – Rozumná velikost 60 x 100 x 0.76 mm (~ 0.2 x 0.3 x 0.002 λ) – Dobrá účinnost (cca 60 %)

54/66

Měření „badge TAG“ antény 1/3 X17NKA

• Přizpůsobení (koeficient přenosu)

xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem --- měření, s kovovou podložkou

55/66


• Vyzařovací a anténní účinnost

xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem

56/66

--- měření, s kovovou podložkou


Vyzařovací diagramy (f = 869 MHz) - normované

z x x

--- simulace --- měření

y x 57/66

y

z

X17NKA

Specifika měření RFID antén

58/66

Měření anténních parametrů 1/6 X17NKA

• Přizpůsobení – Komplexní charakter (Zin = 76 + j340 Ω) – Měření vektorové impedance (umí i SiteMaster – nutná kalibrace na SMA v rovině konektoru) – Výpočet odrazu mezi naměřenou Zin a Zchipu (změřeno nebo katalogová hodnota)

Z 2 − Z1 Γ= Z1 + Z 2 59/66


• Zisk – Komplexní charakter (Zin = 76 + j340 Ω) – Měření klasicky s 50 Ω konektorem – Korekce odrazu

Z 2 − Z1 Γ= Z1 + Z 2

• Korigovaný zisk antény (do čipu)

Gkorig = G + Lodrazem • Ztráta odrazem

Lodrazem = 10 ⋅ log((Γ ) 2 ) 60/66


• Směrové charakteristiky – Patch • Normované klasicky • Nenormované – úprava normovaných pomocí rozdílu v zisku

– Symetrické antény (dipóly, smyčky) • Nutná symetrizace • jinak sklon charakteristiky

61/66


• Wheelerova metoda + monopolove provedeni Wheelerova metoda

ηrad kde

R rad = R rad + R loss

Z mer = Rmer + jX mer Ve volném prostoru Uvnitř CAP 62/66

Rrad + Rloss Rloss


• Wheelerova metoda + monopolove provedeni Monopólové provedení – SMA 50 Ω konektor – Vstupní impedance Zinhalf-loop = Zin/2 = 38 + j170 Ω – Zrcadlící rovina 145 x 145 mm

63/66


Wheelerova metoda Někdy problém s rezonancemi CAPu Æ propady Æ nutno změnit velikost CAPu Náš CAP navržen pro jiná měření (2.44 GHz) – na 869 MHz propad 64/66

Cvičení X17NKA

• Vzorky antén • Výpočet dosahu UHF systému • Srovnání s reálným systémem • Rozdělení

65/66

A: 11:00 – 11:45 B: 11:45 – 12:30

Vybrané publikace X17NKA

[1]

Finkenzeller, K., RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, 2nd edition, John Wiley & Sons, 2005.

[2]

http://trolleyscan.com, 5.6.2006

[3]

Wong K. L., Compact and broadband microstrip antennas, New York, John Wiley & Sons, 2002

[4]

www.svandm1.elmag.org

66/66

Děkuji za pozornost

„Ptejte se mě na co chcete … já na co chci odpovím“

( nositelné. Milan Švanda, Milan Polívka. X17NKA Návrh a konstrukce antén

Recommend Documents