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

Transkript

1 Návrh a konstrukce antén Antény ny pro RFID a wearable ( nositelné é ) ) antény ny Milan Švanda, Milan Polívka Katedra elektromagnetického pole svandm1@fel.cvut.cz 624 / B2

2 Obsah 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

3 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 3/66 90-tá léta masový rozvoj (technologie) a standardizace

4 RFID RadioFrequency Identification BEZKONTAKTNÍ IDENTIFIKACE KONTAKTNÍ IDENTIFIKACE Části systému TAG (transpondér) Čtečka Pevné antény (jiná vazba) 4/66

5 TAG (transpond( transpondér) Anténa (cívka, jiný vazební prvek) Polovodičový čip (komplexní impedance) Baterie (u aktivních systémů) 5/66

6 Pevné antény ny (jiná vazba) Patchové antény Yagi-Uda antény Kapacitní vazba Induktivní vazba 6/66

7 Čtečky 125 khz a 13,56 MHz 7/66

8 Čtečky UHF (869 MHz) 8/66

9 Rozdělen lení RFID dle napájen jení 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

10 Rozdělen lení RFID dle principu Jednobitové (2 stavy) - bezpečnostní aplikace N-bitové (unikátní kód - čip) 10/66

11 Rozdělen lení 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 11/66

12 Rozdělen lení 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 12/66

13 Rozdělen lení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.3 Frekvenční dělič - Čtečka generuje elmag pole khz - TAG vytvoří poloviční kmitočet - Ten je identifikován 13/66

14 Rozdělen lení 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 14/66

15 Rozdělen lení 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 15/66

16 Rozdělen lení 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) 16/66

17 Rozdělen lení 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) 17/66

18 Rozdělen lení 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 18/66

19 Kmitočtov tová pásma Pásmo VDV,DV KV VKV UKV Mikrovlnné Kmitočtový rozsah 0-135kHz 6,78MHz, 13,56MHz, 27,125MHz 40,68MHz 433,92MHz, 869MHz, 915MHz, 2,45GHz 5,8GHz, 24,125GHz 19/66

20 Aplikace 125 a 135 khz Přístupové systémy do budov 20/66

21 Aplikace 125 a 135 khz Parkovací systémy Lyžařské vleky Logistika 21/66

22 Aplikace 125 a 135 khz Značkování zvířat 22/66

23 Aplikace 13,56 MHz Přístupové systémy do budov Odbavování zavazadel Registrace knih Garance značkového zboží 23/66

24 Aplikace UHF pásmop Náhrada čárového kódu 869 MHz Sledování palet 24/66

25 Aplikace mikrovlnné pásmo Lokalizace vagónů Přístupové systémy pro automobily (TELIDES 5,8 GHz) 25/66

26 Problematika antén TAGů v UHF pásmu 26/66

27 Komerční RFID antény ny v UHF pásmup Dipolové Mikropáskové patche (flíčkové) 27/66

28 Parametry čipů pro UHF RFID TAGy Vstupní impedance čipu Z chip = 76 - j340 Ω vstupní impedance antény Z in = 76 + j340 Ω Z in Citlivost Pmin ~ -7 až -18 dbm Konverzní ztráty TAGu Lkonv ~ 6 db (starší až 20 db) 28/66

29 Vliv blízkých kovových (dielektrických) objektů na anténn nní vlastnosti Dipól (72 Ω) nad vodivým povrchem U Z Z IN = = + I1 I1 I Z12I I 1 2 Z IN = Z 11 Z 12 pro d/λ 0: Z 11 ~ Z 12 => Z IN 0 (R vyz 0) η rad = R rad R + rad R loss => L ident zmenšuje se 29/66 Antenna efficiency [%] ,8 0,9 1,0 Frequency [GHz] free space d/λ = 0.05 d/λ = d/λ = 0.01 d/λ = 0.005

30 Řešení = distanční podložka Distanční podložka 30/66

31 Řešení = anténa na se zemní rovinou Patchovka 869 MHz velké rozměry malá účinnost při nízkém profilu efic( h) := 1 + erhed( h) ld + Rs πη0 µr 1 h λ0 erhed( h) 3 16 εr ph ( ) c1 Le( h) We( h) 1 h λ0 Lee K. F., Chen W.: Advances in Microstrip and Printed Antennas, New York: John Wiley & Sons, /66

32 Řešení = anténa na se zemní rovinou Patchovka 869 MHz velké rozměry malá účinnost při nízkém profilu 32/66

33 Řešení = AMC povrch Stínící stěna z ideálního/umělého magnetického vodiče PMC (AMC) potřebná výška 6-7 mm komplikovaná výroba DPS (prokovené díry) 33/66

34 Použití UHF RFID systému pro identifikaci sportovců v hromadných závodech 34/66

35 Motivace a cílec Dosud identifikace nf RFID systémy 35/66

36 Motivace a cílec Požadavek - použít UHF RFID systém 36/66

37 Motivace a cílec Požadavek - použít UHF RFID systém 37/66

38 Parametry systému Pracovní kmitočet Max. vysílaný výkon (trvale) Citlivost přijímače Citlivost TAGu Konverzní ztráty Polarizace všech antén 869,5 869,7 MHz 3,5 W (34 dbm) -64 dbm -6,9 dbm ~ 20 db Lineární 38/66

39 Systémov mové úniky Vícecestné šíření 39/66

40 Systémov mové úniky Vícecestné šíření Vliv směrových charakteristik antén 40/66

41 Systémov mové úniky Předklon závodníka 41/66

42 Systémov mové úniky Zastínění 42/66

43 Systémov mové úniky Polarizační ztráty 43/66

44 Systémov mové úniky Vliv těla na vlastnosti antény TAGu d/λ se snižuje R vyz se snižuje d/λ = free space, 0.05, 0.025, 0.01 Antenna efficiency [%] ,8 0,9 1,0 Frequency [GHz] 44/66 free space d/λ = 0.05 d/λ = d/λ = 0.01 d/λ = 0.005

45 Výkonová bilance pro meander dipól 45/66

46 Řešení = anténa na se zemní rovinou Patchovka zemní rovina 141 x 61.5 x 3 mm, ε 869 MHz velké rozměry r =3.05 malá účinnost při nízkém profilu G ~ 0 dbi 46/66

47 Skutečně nositelná anténa na Pěnové dielektrikum (h=4.8 mm, h/λ 0 =0.014, ε r ~1.3) Vodivá tkanina Rozměry 165 x 74 mm Hmotnost ~ 20 g Lze integrovat do čísla 47/66

48 Porovnání zisků antén Antena Meandr, volný prostor Meandr, 20 mm od těla Test patch, volný prostor Test patch, 0 mm od těla Wearable RFID patch, volný prostor Wearable RFID patch, 0 mm od těla G [dbi] /66

49 Výkonová bilance 49/66

50 Komerční wearable antény ny 50/66

51 Použit ití UHF RFID systému pro identifikaci zaměstnanc stnanců 51/66

52 Systémov mové úniky viz. sportovci Menší rychlost menší nároky na zisk (0 dbi) 52/66

53 Návrh badge TAG antény 1/2 Požadované parametry Kladný zisk (alespoň 0 dbi) Nositelnost Minimální vliv lidského těla Rozměry visačky Vstupní impedance Z in = 76 + j340 Ω (Z chip komplexně sdružená) 53/66

54 Návrh badge TAG antény y 2/22 Nová badge TAG anténa Minimální vliv podložky Jednovrstvý substrát Rozumná velikost 60 x 100 x 0.76 mm (~ 0.2 x 0.3 x λ) Dobrá účinnost (cca 60 %) 54/66

55 Měření badge TAG antény y 1/31 Přizpůsobení (koeficient přenosu) xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem --- měření, s kovovou podložkou 55/66

56 Měření badge TAG antény y 2/32 Vyzařovací a anténní účinnost xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem 56/ měření, s kovovou podložkou

57 Měření badge TAG antény 3/3 Vyzařovací diagramy (f = 869 MHz) - normované z x y x y x --- simulace --- měření 57/66 z

58 Specifika měření RFID antén 58/66

59 Měření anténn nních parametrů 1/6 Přizpůsobení Komplexní charakter (Z in = 76 + j340 Ω) Měření vektorové impedance (umí i SiteMaster nutná kalibrace na SMA v rovině konektoru) Výpočet odrazu mezi naměřenou Z in a Z chipu (změřeno nebo katalogová hodnota) Γ = Z Z 2 1 Z + Z /66

60 Měření anténn nních parametrů 2/6 Zisk Komplexní charakter (Z in = 76 + j340 Ω) Měření klasicky s 50 Ω konektorem Korekce odrazu Γ = Z Z Korigovaný zisk antény (do čipu) 2 1 Z + Z korig L odrazem 1 2 G = G + Ztráta odrazem L odrazem = 10 log(( Γ) 2 ) 60/66

61 Měření anténn nních parametrů 3/6 Směrové charakteristiky Patch Normované klasicky Nenormované úprava normovaných pomocí rozdílu v zisku Symetrické antény (dipóly, smyčky) Nutná symetrizace jinak sklon charakteristiky 61/66

62 Měření anténn nních parametrů 4/6 Wheelerova metoda + monopolove provedeni Wheelerova metoda kde η rad = R rad R + Z = R + mer mer rad R jx loss mer Ve volném prostoru Uvnitř CAP R rad + R loss R loss 62/66

63 Měření anténn nních parametrů 5/6 Wheelerova metoda + monopolove provedeni Monopólové provedení SMA 50 Ω konektor Vstupní impedance Z inhalf-loop = Z in /2 = 38 + j170 Ω Zrcadlící rovina 145 x 145 mm 63/66

64 Měření anténn nních 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 64/66

65 Cvičen ení Vzorky antén Výpočet dosahu UHF systému Srovnání s reálným systémem Rozdělení A: 11:00 11:45 B: 11:45 12:30 65/66

66 Vybrané publikace [1] Finkenzeller, K., RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, 2nd edition, John Wiley & Sons, [2] [3] Wong K. L., Compact and broadband microstrip antennas, New York, John Wiley & Sons, 2002 [4] 66/66

67 Děkuji za pozornost Ptejte se měm na co chcete já na co chci odpovím