Návrh a Konstrukce Antén

Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA Antény pro RFID a wearable ( nositelné ) antény Milan Švanda ČVUT v Praze, FEL B2: 634 milan.svanda@fel.cvut.cz zima 2011/12 1

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 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 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

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 Z chip = 76 - j340 W vstupní impedance antény Z in = 76 + j340 W Citlivost čipu Pmin ~ -7 až -18 dbm Z in Konverzní ztráty TAGu Lkonv ~ 6 db (starší až 20 db) 28

Antenna efficiency [%] Vliv blízkých kovových (dielektrických) objektů na anténní vlastnosti Dipól (72 W) nad vodivým povrchem pro d/λ 0: Z 11 ~ Z 12 => Z IN 0 (R vyz 0) => L ident zmenšuje se 100 80 60 40 20 0 0,8 0,9 1,0 Frequency [GHz] free space d/λ = 0.05 d/λ = 0.025 d/λ = 0.01 d/λ = 0.005 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) 1 erhed ( h) ld Rs 0r 1 h 0 erhed ( h) 3 16 r p( h) c1 Le( h) We( h) 1 h 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 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

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

Antenna efficiency [%] Systémové úniky Vliv těla na vlastnosti antény TAGu 100 80 d/ se snižuje R vyz se snižuje d/λ = free space, 0.05, 0.025, 0.01 60 40 20 0 0,8 0,9 1,0 Frequency [GHz] free space d/λ = 0.05 d/λ = 0.025 d/λ = 0.01 d/λ = 0.005 44

Výkonová bilance pro meander dipól 45

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

Skutečně nositelná anténa Pěnové dielektrikum (h=4.8 mm, h/ 0 0.014, 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 Z in = 76 + j340 W (Z chip 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 z --- simulace --- měření 57

Specifika měření RFID antén 58

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

Měření anténních parametrů 2/6 Zisk o Komplexní charakter (Z in = 76 + j340 W) o Měření klasicky s 50 W konektorem o Korekce odrazu Z Z Korigovaný zisk antény (do čipu) G 2 1 Z Z G 1 2 korig L odrazem Ztráta odrazem L odrazem 10log(( ) 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 kde Z rad mer R R mer rad R rad jx R loss mer Ve volném prostoru Uvnitř CAP R rad + R loss R loss 62

Měření anténních parametrů 5/6 Wheelerova metoda + monopolove provedeni Monopólové provedení o SMA 50 W konektor o Vstupní impedance Z inhalf-loop = Z in /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