Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA
Antény pro RFID a wearable („nositelné“) antény Milan Švanda ČVUT v Praze, FEL B2: 634
[email protected] zima 2011/12 1
Osnova • Úvod o o o o o
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
Trocha historie
• • • • •
1948 – Harry Stockman – Communications by Means of Reflected Power 1950 – US armáda – IFF (Ident., Friend or Foe) 1960 – EAS (1 bitové) – bezpečnostní aplikace 1978 – Pasivní TAGy 1980 – Komerční použití
•
90-tá – léta masový rozvoj (technologie) a standardizace
3
RFID – RadioFrequency Identification
• Části systému – TAG (transpondér) – Čtečka – Pevné antény (jiná vazba) 4
TAG (transpondér) • Anténa (cívka, jiný vazební prvek) • Polovodičový čip (komplexní impedance) • Baterie (u aktivních systémů)
5
Pevné antény (jiná vazba) • Patchové antény • Yagi-Uda antény • Kapacitní vazba • Induktivní vazba
• …
6
Čtečky 125 kHz a 13,56 MHz
7
Čtečky UHF (869 MHz)
8
Rozdělení RFID dle napájení • Aktivní o TAG obsahuje baterii - Drahé - Omezená životnost + Nízký výkon čtečky
• Pasivní o Energie z elmag pole + Nižší cena + „Neomezená“ životnost - Velký výkon čtečky (1 W)
9
Rozdělení RFID dle principu • Jednobitové (2 stavy) - bezpečnostní aplikace
• N-bitové (unikátní kód - čip)
10
Rozdělení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.1 Radiofrekvenční -
Čtečka – generátor proměnného elmag pole TAG – resonanční obvod na stejné f TAG způsobí pokles amplitudy
11
Rozdělení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.2 Mikrovlnné -
Čtečka – vysílá nosnou vlnu modulovanou např. 1kHz ASK TAG – vytvoří dvojnásobný kmitočet (varikap) Ten je identifikován
12
Rozdělení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.3 Frekvenční dělič -
Čtečka – generuje elmag pole 100 – 130 kHz TAG – vytvoří poloviční kmitočet Ten je identifikován
13
Rozdělení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.4 Elektromagnetické -
-
Silné magnetické pole 10 Hz – 20 kHz TAG obsahuje magneticky měkký materiál (je přemagnetováván) Vznik vyšších harmonických Ty lze detekovat
14
Rozdělení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.5 Akusticko-magnetické -
Magnetostrikce TAG obsahuje prvek, který je v magnetickém poli rozkmitán Při vypnutí zdrojového pole prvek stále kmitá detekce
15
Rozdělení RFID dle principu 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
Rozdělení RFID dle principu 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 Čip mění dle kódu impedanci antény (odraz)
17
Rozdělení RFID dle principu 2. N-bitové (kód - čip) 2.3 Uzavřená vazba -
TAG je v těsné blízkosti čtečky Vinutí TAGu tvoří s vinutím čtečky transformátor Nebo deskový kondenzátor
18
Kmitočtová pásma Pásmo VDV,DV KV
Kmitočtový rozsah 0 - 135kHz 6,78MHz, 13,56MHz, 27,125MHz
VKV
40,68MHz
UKV
433,92MHz, 869MHz, 915MHz, 2,45GHz
Mikrovlnné
5,8GHz, 24,125GHz
19
Aplikace – 125 a 135 kHz • Přístupové systémy do budov
20
Aplikace – 125 a 135 kHz • Parkovací systémy
• Lyžařské vleky
• Logistika
21
Aplikace – 125 a 135 kHz • Značkování zvířat
22
Aplikace – 13,56 MHz • Přístupové systémy do budov
• Odbavování zavazadel • Registrace knih
• Garance značkového zboží
23
Aplikace – UHF pásmo • Náhrada čárového kódu 869 MHz • Sledování palet
24
Aplikace – mikrovlnné pásmo • Lokalizace vagónů
• Přístupové systémy pro automobily (TELIDES 5,8 GHz)
25
Problematika antén TAGů v UHF pásmu
26
Komerční RFID antény v UHF pásmu Dipolové
Mikropáskové patche (flíčkové)
27
Parametry čipů pro UHF RFID TAGy
Vstupní impedance čipu Zchip = 76 - j340 W vstupní impedance antény Zin = 76 + j340 W
Citlivost čipu Pmin ~ -7 až -18 dBm
Zin
Konverzní ztráty TAGu Lkonv ~ 6 dB (starší až 20 dB) 28
Vliv blízkých kovových (dielektrických) objektů na anténní vlastnosti Dipól (72 W) nad vodivým povrchem
pro d/λ → 0: Z11 ~ Z12 => ZIN → 0 (Rvyz → 0) => Lident zmenšuje se Antenna efficiency [%]
100 80 60 40 20 0 0,8
0,9
1,0
Frequency [GHz] free space d/λ = 0.01
d/λ = 0.05 d/λ = 0.005
d/λ = 0.025
29
Řešení = distanční podložka • Distanční podložka
30
Řešení = anténa se zemní rovinou • Patchovka
o 869 MHz velké rozměry malá účinnost při nízkém profilu
efic ( h )
erhed ( h ) 1 erhed ( h ) ld
Rs 1 3 r Le( h) 1 h 16 p ( h ) c1 We ( h ) h 0 r 0 0
Lee K. F., Chen W.: Advances in Microstrip and Printed Antennas, New York: John Wiley Sons, 1997 31
Řešení = anténa se zemní rovinou • Patchovka
o 869 MHz velké rozměry malá účinnost při nízkém profilu
32
Řešení = AMC povrch Stínící „stěna“ z ideálního/umělého magnetického vodiče PMC (AMC) • potřebná výška 6 - 7 mm • komplikovaná výroba DPS (prokovené díry)
33
Použití UHF RFID systému pro identifikaci sportovců v hromadných závodech
34
Motivace a cíle • Dosud identifikace nf RFID systémy
35
Motivace a cíle • Požadavek - použít UHF RFID systém
36
Motivace a cíle • Požadavek - použít UHF RFID systém
37
Parametry systému 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
38
Systémové úniky • Vícecestné šíření
39
Systémové úniky • Vícecestné šíření
•Vliv směrových charakteristik antén
40
Systémové úniky Předklon závodníka
41
Systémové úniky Zastínění
42
Systémové úniky Polarizační ztráty
43
Systémové úniky • Vliv těla na vlastnosti antény TAGu
d/ 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
d/λ = 0.05 d/λ = 0.005
d/λ = 0.025
44
Výkonová bilance pro meander dipól
45
Řešení = anténa se zemní rovinou • Patchovka – zemní rovina
o 869 MHz velké rozměry 61.5 x 3 mm, εr = 3.05 malá účinnost při nízkém profilu G141 ~ 0xdBi
46
Skutečně „nositelná“ anténa • • • • •
Pěnové dielektrikum (h=4.8 mm, h/00.014 , r~1.3) Vodivá tkanina Rozměry 165 x 74 mm Hmotnost ~ 20 g Lze integrovat do čísla
47
Porovnání zisků antén Antena
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
48
Výkonová bilance
49
Komerční wearable antény
50
Použití UHF RFID systému pro identifikaci zaměstnanců
51
Systémové úniky • viz. sportovci • Menší rychlost – menší nároky na zisk (0 dBi)
52
Návrh „badge TAG“ antény 1/2 o Kladný zisk (alespoň 0 dBi)
o Nositelnost • Minimální vliv lidského těla • Rozměry visačky
o Vstupní impedance Zin = 76 + j340 W (Zchip komplexně sdružená)
53
Návrh „badge TAG“ antény 2/2 • Nová „badge TAG“ anténa o Minimální vliv podložky o Jednovrstvý substrát o Rozumná velikost 60 x 100 x 0.76 mm (~ 0.2 x 0.3 x 0.002 ) o Dobrá účinnost (cca 60 %)
54
Měření „badge TAG“ antény 1/3 • Přizpůsobení (koeficient přenosu)
xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem --- měření, s kovovou podložkou
55
Měření „badge TAG“ antény 2/3 • Vyzařovací a anténní účinnost
xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem --- měření, s kovovou podložkou 56
Měření „badge TAG“ antény 3/3 Vyzařovací diagramy (f = 869 MHz) - normované
z x
y
x y x
--- simulace
z
--- měření 57
Specifika měření RFID antén
58
Měření anténních parametrů 1/6 • Přizpůsobení o Komplexní charakter (Zin = 76 + j340 W) o Měření vektorové impedance (umí i SiteMaster – nutná kalibrace na SMA v rovině konektoru) o Výpočet odrazu mezi naměřenou Zin a Zchipu (změřeno nebo katalogová hodnota)
Z 2 Z1 Z1 Z 2 59
Měření anténních parametrů 2/6 • Zisk o Komplexní charakter (Zin = 76 + j340 W)
o Měření klasicky s 50 W konektorem o Korekce odrazu
Z 2 Z1 Z1 Z 2
• Korigovaný zisk antény (do čipu)
Gkorig G Lodrazem • Ztráta odrazem
Lodrazem 10 log(() 2 ) 60
Měření anténních parametrů 3/6 • Směrové charakteristiky o Patch • Normované klasicky • Nenormované – úprava normovaných pomocí rozdílu v zisku
o Symetrické antény (dipóly, smyčky) • Nutná symetrizace • jinak sklon charakteristiky
61
Měření anténních parametrů 4/6 • Wheelerova metoda + monopolove provedeni Wheelerova metoda
rad
Rrad Rrad Rloss
kde
Z mer Rmer jX mer Ve volném prostoru Uvnitř CAP
Rrad + Rloss Rloss
62
Měření anténních parametrů 5/6 • Wheelerova metoda + monopolove provedeni Monopólové provedení o SMA 50 W konektor o Vstupní impedance Zinhalf-loop = Zin/2 = 38 + j170 W o Zrcadlící rovina 145 x 145 mm
63
Měření anténních parametrů 6/6 Wheelerova metoda Někdy problém s rezonancemi CAPu propady nutno změnit velikost CAPu Náš CAP navržen pro jiná měření (2.44 GHz) – na 869 MHz propad 64
Cvičení
• Vzorky antén • Výpočet dosahu UHF systému + srovnání s reálným systémem 65
Vybrané publikace [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
Děkuji za pozornost
„Ptejte se mě na co chcete … já na co chci odpovím“
