Návrh a Konstrukce Antén

Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA Antény pro RFID a nositelné antény Milan Švanda ČVUT v Praze, FEL B2: 639 milan.svanda@fel.cvut.cz zima 2015/16

Osnova Úvod o Trocha historie o Co je RFID o Rozdělení o Používaná kmitočtová pásma o 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 1-bitové bezpečnostní aplikace 1978 Pasivní TAGy 1980 Komerční použití 90-tá léta masový rozvoj (technologie) a standardizace DNES Identifikace kovů a osob, bezčipová RFID 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 (866 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 (EAS - Electronic Article Surveillance) N-bitové (unikátní kód - čip) 10

Rozdělení RFID dle principu 1. Jednobitové (2 stavy) 1.2 Radiofrekvenční - Čtečka generátor proměnného elektromagnetického pole - TAG resonanční obvod naladěný na stejném kmitočtu - Přítomnost TAGu 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 vnitřní kapacitor - Kapacitor 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 VKV UKV Mikrovlnné Kmitočtový rozsah 0 135kHz (125kHz) 6,78MHz; 13,56MHz; 27,125MHz 40,68MHz 433,92MHz; 866MHz; 915MHz; 2,45GHz 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 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 (TELIDES 5,8 GHz - aktivní systém) Přístupové systémy pro automobily (TELIDES 5,8 GHz - aktivní systém) 25

Problematika antén TAGů v UHF pásmu 26

Parametry čipů pro UHF RFID TAGy Vstupní impedance čipu Z chip = 76 - j340 W vstupní impedance antény Z in = 76 + j340 W Citlivost čipu Pmin ~ -7 až -18 dbm (-20 dbm) Konverzní ztráty TAGu Lkonv ~ 6 db (starší až 20 db) 27

Objekty pro identifikaci v UHF pásmu Objekt z neutrálního materiálu o Materiály s parametry blízkými vakuu - papírové krabice, volný prostor o Antény - typu zkrácený dipól o Běžné, spolehlivé, komerčně dostupné Objekt ovlivňující zářič o Kovy, kapaliny (v nádobách), lidské tělo, o Mikropáskové antény, další řešení o Dosud není uspokojivě vyřešeno 28

Minimalizace vlivu identifikovaného objektu Distanční podložka o Velké rozměry pro nízké kmitočty Odstínění pomocí vodivé roviny Antény nad stínicí rovinou Antény se zemí (patch) o Pokles účinnosti pro malé výšky AMC povrchy o Složitá výroba o Velké rozměry AMC pro nízké kmitočty 29

Vliv stínicí vodivé roviny Dipól nad vodivou rovinou (~ 72 W) h = l/4 - konstruktivní interference h < l/4 - destruktivní interference Zin = U 1 I 1 = Z 11 I 1 I 1 + Z 12 I 2 I 1 ; I 1 = I 2 Z in = Z 11 Z 12 pro d/l 0 Z11 ~ Z12 Rrad 0 hrad klesá dosah klesá 32

Vliv stínicí vodivé roviny Dipól nad vodivou rovinou (~ 72 W) 33

Vyzařovací účinnost patchové antény Vodivá rovina je principiální součástí antény V UHF RFID pásmu (866 MHz) o Relativně velké rozměry (l0/2 ~ 170 mm) o Malá vyzařovací účinnost pro nízkoprofilové antény (< 30%) Lee K. F., Chen W.: Advances in Microstrip and Printed Antennas, New York: John Wiley Sons, 1997 35

Umělý magnetický povrch (AMC) Stínící stěna z ideálního/umělého magnetického vodiče PMC /AMC komplikovaná výroba DPS (prokovené díry) potřebná výška 6-7 mm 37

Použití UHF RFID systému pro identifikaci sportovců v hromadných závodech 38

Motivace a cíle Dosud: identifikace nf RFID systémy Požadavek: použít UHF RFID systém 39

Uspořádání systému 40

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 41

Výkonová bilance systému Stanovení výkonové rezervy pro spolehlivou funkci systému Citlivost TAGu Citlivost čtečky 42

Systémové úniky Vícecestné šíření Vliv směrových charakteristik (antén TAGu i pevných) Vliv těla na vlastnosti antény TAGu (viz dříve) Předklon závodníka Zastínění Polarizační ztráty 43

Systémové úniky Vícecestné šíření Vliv směrových charakteristik (antén TAGu i pevných) 44

Systémové úniky Předklon závodníka 45

Systémové úniky Zastínění 46

Systémové úniky Polarizační ztráty L pol ( db) 10 log cos 2 Pro úhel 30 jsou Lpol 1.3 db 47

Výkonová bilance pro meander dipól Modelování původního dipólového TAGu pomocí meandru 48

Patchová nositelná ( wearable ) anténa Pěnové dielektrikum (h=4.8 mm, h/l 0 =0.014, e r ~1.3) Vodivá tkanina Rozměry 165 x 74 mm Hmotnost ~ 20 g Lze integrovat do čísla 49

Porovnání zisků antén Anténa Zisk [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 Wearable RFID patch, 0 mm od těla 6.3 5.0 50

Výkonová bilance 51

Ukázka komerčních nositelných (wearable) antén 52

Použití UHF RFID systému pro identifikaci zaměstnanců 53

Systémové úniky Viz identifikace sportovců Menší rychlost menší nároky na zisk (0 dbi) 54

Návrh antén pro visačky (badge) - požadavky o Kladný zisk (alespoň 0 dbi) o Nositelnost Minimální vliv lidského těla Rozměry visačky o Vstupní impedance Z in = 22 + j195 W (Z chip komplexně sdružená) 55

Metoda vázaných patchů Výrazně vyšší účinnost oproti patchové anténě shodné výšky substrátu 56

Metoda vázaných patchů ladění Zin Buzení pomocí budicího zářiče Přímé buzení - ladicí štěrbiny Vyzařovací účinnost > 55% Přizpůsobení RFID, 50 W Počet vrstev 2 Výška profilu 1 mm (0,003 l0) Vyzařovací účinnost > 55% Přizpůsobení Přímé buzení - hřebenová štěrbina Vyzařovací účinnost > 55% Přizpůsobení Komplexní RFID Počet vrstev 1 Výška profilu 0,76 mm (0,0022 l0) RFID, 50 W Počet vrstev 1 Výška profilu 0,76 mm (0,0022 l0) 57

Metoda vázaných patchů a skládané dutiny Buzení antény přímé smyčkou Vyzařovací účinnost > 50% > 40% Přizpůsobení RFID RFID, 50 W Počet vrstev 2 3 Výška profilu 3,04 mm (0,009 l0) 3,3 mm (0,01 l0) 58

Odolnost antén vůči vlivu objektu Přizpůsobení (koeficient přenosu) xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem --- měření, s kovovou podložkou 59

Odolnost antén vůči vlivu objektu Vyzařovací a celková účinnost xx simulace, volný prostor --- měření, bez fantomu --- měření, s agarem --- měření, s kovovou podložkou 60

Odolnost antén vůči vlivu objektu Vyzařovací diagramy (f = 866 MHz) - normované z x y x y x z --- simulace --- měření 61

Specifika měření RFID antén 62

Měření anténních parametrů Přizpůsobení o Jednokanálové měření 50 W SMA konektor namísto čipu o Monopólové provedení Vstupní impedance Z in monopól = Z in dipól / 2 o Diferenční měření Kalibrace VNA a posun kalibrační roviny na konec sondy ( port extension ) Měření s11, s21 a s12 pomocí diferenční sondy na dvoukanálovém VNA Výpočet vstupní impedance z s-parametrů Vztah pro symetrické antény: Komplexní charakter Z in (např. 22 + j195 W) Vektorové měření impedance (kalibrace v rovině konektoru) Výpočet odrazu mezi naměřenou Z in a Z čipu (změřeno nebo katalogová hodnota) 63

Měření anténních parametrů Zisk o Pozor nelze v monopólovém provedení! (jiná vyzařovací charakteristika) Komplexní charakter Z in (např. 22 + j195 W) o Měření na konektoru Měření klasickými metodami s 50 W konektorem Korekce odrazu Z Z Korigovaný zisk antény (s čipem): 2 1 - Z Z 1 2 G korig G mer L odrazem Ztráta odrazem: L odrazem 10 log( 2 ) o Měření pomocí radarového průřezu (RCS) Viz literatura 64

Měření anténních parametrů Směrové charakteristiky o Nesymetrické antény (např. nesymetricky napájený patch) Normované klasicky Nenormované úprava normovaných pomocí rozdílu v zisku o Symetrické antény (dipóly, smyčky) Nutná symetrizace jinak sklon charakteristiky 65

Měření anténních parametrů Účinnost (Wheelerova metoda) h rad kde Z R mer rad R rad R R mer loss jx mer Provedou se 2 měření Zin: 1) Měření ve volném prostoru R rad + R loss 2) Měření uvnitř kloboučku (CAP) R loss Monopólové provedení o SMA 50 W konektor o Vstupní impedance Z in monopól = Z in dipól / 2 66

Měření anténních parametrů Wheelerova metoda problémy o Citlivost měření - impedance na okraji Smithova diagramu o Problém s vlastními rezonancemi kloboučku propady nutno změnit velikost CAPu 67

Cvičení Vzorky antén Výpočet výkonové bilance a dosahu UHF RFID systému + srovnání s reálným systémem Diskuse vlivu prostředí 68

Vybrané publikace [1] Finkenzeller, K., RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, 2nd edition, John Wiley Sons, 2005. [2] Qing, Goh, Chen, Measurement of UHF RFID Tag Antenna Impedance, IWAT 2009 [3] Wong K. L., Compact and broadband microstrip antennas, New York, John Wiley & Sons, 2002 [4] http://trolleyscan.com [4] www.svandm1.elmag.org 69

Děkuji za pozornost Ptejte se mě na co chcete já na co chci odpovím