Badania nad technologią projektowania anten UHF RFID

0 Wstęp

Zastosowanie technologii identyfikacji radiowej RFID (Radio Frequency Identification, RFID) ma długą historię. Można ją prześledzić do systemu identyfikacji samolotów używanego przez brytyjskie siły powietrzne podczas II wojny światowej. Ostatnio technologia identyfikacji radiowej RFID jest szeroko stosowana w zarządzaniu przedmiotami, pozycjonowaniu pojazdów i pozycjonowaniu personelu podziemnego. Technologia ta jest bezkontaktową technologią automatycznej identyfikacji, która wykorzystuje sygnały częstotliwości radiowej do osiągnięcia bezkontaktowej transmisji informacji poprzez sprzężenie przestrzenne (zmienne pole magnetyczne lub pole elektromagnetyczne) i osiąga cel automatycznej identyfikacji poprzez przesyłane informacje.

1 Przegląd technologii częstotliwości radiowej RFID

1.1 Podstawowy skład systemu bezprzewodowej identyfikacji RFID

System bezprzewodowej identyfikacji RFID składa się głównie z elektronicznych tagów RFID, czytników RFID, anten i systemów zarządzania komputerem hosta. Informacje między elektronicznym tagiem RFID a czytnikiem RFID są przesyłane bezprzewodowo, więc między nimi znajdują się bezprzewodowe moduły nadawczo-odbiorcze i anteny (cewki indukcyjne). Diagram efektów pokazano na rysunku 1.

Badania nad technologią projektowania anten UHF RFID

(1) Elektroniczna etykieta RFID (Tag): Elektroniczna etykieta RFID jest nośnikiem danych systemu identyfikacji radiowej. Składający się z elementów sprzęgających i chipów, każdy elektroniczny Znacznik RFID ma unikalny kod elektroniczny EPC (Electronic ProductCode), który jest przymocowany do obiektu w celu identyfikacji obiektu docelowego. W porównaniu z tradycyjnymi kodami kreskowymi, kody EPC mogą nie tylko odzwierciedlać pewien rodzaj produktu, ale także być specyficzne dla pewnego produktu.

(2) Czytnik RFID (Reader): Czytnik to urządzenie zdolne do odczytywania lub zapisywania informacji z elektronicznego znacznika. Jego podstawową funkcją jest przesyłanie danych za pomocą znacznika. Może być zaprojektowany jako czytnik ręczny lub czytnik stacjonarny.

(3) Antena (Antena): przesyła sygnały radiowe między znacznikiem a czytnikiem.

1.2 Zasada działania systemu RFID

Po wejściu elektronicznego znacznika RFID w pole magnetyczne emitowane przez czytnik RFID, odbiera on sygnał częstotliwości radiowej wysłany przez czytnik i wysyła informacje o produkcie (znacznik pasywny, znacznik pasywny lub znacznik pasywny) zapisane w chipie dzięki energii uzyskanej przez prąd indukowany lub znacznik aktywnie wysyła sygnał o określonej częstotliwości (znacznik aktywny, znacznik aktywny lub znacznik aktywny), a dekoder odczytuje i dekoduje informacje, a następnie wysyła je do centralnego systemu informacyjnego w celu odpowiedniego przetworzenia danych. Schemat procesu identyfikacji radiowej przedstawiono na rysunku 2.

2 Wskaźnik wydajności anteny znacznika RFID

Łatwo zauważyć na podstawie procesu identyfikacji systemu RFID, że antena odgrywa ważną rolę jako pomost dla czytnika RFID do przesyłania sygnałów radiowych między elektronicznym znacznikiem RFID a czytnikiem RFID w procesie wykrywania elektronicznego znacznika RFID. Antena czytnika RFID, Wydajność anteny elektronicznego znacznika RFID ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności całego systemu identyfikacji. Ponieważ elektroniczny znacznik RFID jest przymocowany do oznaczonego obiektu, antena elektronicznego znacznika RFID będzie podlegać wpływowi kształtu i cech fizycznych oznaczonego obiektu. Czynniki wpływające obejmują materiał oznaczonego obiektu, środowisko pracy oznaczonego przedmiotu itp. Ponadto w urządzeniu częstotliwości radiowej RFID, gdy częstotliwość robocza wzrasta do obszaru mikrofal, problem dopasowania między anteną a chipem elektronicznego znacznika RFID staje się poważniejszy. Czynniki te stawiają wyższe wymagania projektowaniu anten elektronicznych znaczników RFID, ale również stwarzają duże wyzwania.

Antena to urządzenie, które odbiera lub emituje moc sygnału radiowego front-end w postaci fal elektromagnetycznych. Jest to urządzenie na styku obwodu i przestrzeni, które służy do realizacji konwersji energii między falą prowadzoną a falą wolnej przestrzeni. Obecne bezprzewodowe systemy częstotliwości radiowej RFID koncentrują się głównie na pasmach niskiej częstotliwości, wysokiej częstotliwości, ultrawysokiej częstotliwości i mikrofal. Zasady i konstrukcje anten systemów RFID w różnych pasmach częstotliwości roboczych są zasadniczo różne:

(1) Charakterystyka kierunkowa

Promieniowanie anteny jest kierunkowe. Krzywa zależności między amplitudą a kierunkiem promieniowaniaPole n nazywane jest diagramem kierunkowym, który jest w rzeczywistości krzywą zależności natężenia pola w punkcie w dowolnym kierunku pola dalekiego pola w tym samym kierunku. Diagram kierunkowy odnosi się ogólnie do znormalizowanego diagramu kierunkowego, czyli krzywej zależności w tym samym kierunku co stosunek natężenia pola w punkcie w dowolnym kierunku pola dalekiego pola do maksymalnego pola w tej samej odległości.

(2) Współczynnik kierunkowości

Współczynnik kierunkowości to parametr używany do wskazania stopnia, w jakim antena emituje fale elektromagnetyczne w określonym kierunku. Współczynnik kierunkowości dowolnej anteny kierunkowej odnosi się do stosunku całkowitej mocy promieniowania anteny niekierunkowej do całkowitej mocy promieniowania anteny kierunkowej pod warunkiem równego natężenia pola elektrycznego w punkcie odbioru. Zgodnie z tą definicją, ponieważ natężenie promieniowania anteny kierunkowej zmienia się we wszystkich kierunkach, współczynnik kierunkowości anteny zmienia się również wraz z położeniem punktu obserwacji. W kierunku, w którym pole elektryczne promieniowania jest największe, współczynnik kierunkowości jest również największy. Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik kierunkowości anteny kierunkowej jest współczynnikiem kierunkowości maksymalnego kierunku promieniowania, to znaczy, że w pewnej odległości od anteny gęstość strumienia mocy promieniowania Smax anteny w maksymalnym kierunku promieniowania jest taka sama jak idealnej anteny bezkierunkowej o tej samej mocy promieniowania. Współczynnik gęstości strumienia mocy promieniowania So w tej samej odległości jest oznaczony jako D.

(3) Sprawność anteny

Sprawność anteny to wskaźnik służący do pomiaru skuteczności anteny w przetwarzaniu energii. Sprawność anteny jest mniejsza od 1, co oznacza, że część mocy wejściowej anteny jest zamieniana na moc promieniowaną, a część jest mocą traconą. Sprawność anteny jest definiowana jako stosunek mocy promieniowania anteny do mocy wejściowej, oznaczony jako ηA.

(4) Zysk anteny

Współczynnik anteny odzwierciedla tylko najbardziej skoncentrowany stopień energii promieniowania anteny, a zysk anteny nie tylko odzwierciedla zdolność promieniowania anteny, ale także uwzględnia współczynnik strat anteny. W warunkach tej samej mocy wejściowej stosunek gęstości mocy promieniowanej S(θ, φ) anteny kierunkowej w określonym kierunku (θ, φ) w przestrzeni do gęstości mocy promieniowanej So bezstratnej anteny źródła punktowego w tym kierunku nazywa się zyskiem anteny, oznaczonym jako G(θ, φ).

Współczynnik wzmocnienia to parametr, który kompleksowo mierzy konwersję energii i charakterystykę kierunkową dużej linii. Jest to iloczyn współczynnika kierunkowości i sprawności anteny, który jest oznaczany jako G, mianowicie:

G=D·ηA

W przypadku systemów identyfikacji radiowej RFID UHF i mikrofalowej wzmocnienie anteny jest ograniczone ze względu na małą powierzchnię anteny znacznika elektronicznego RFID. Wielkość wzmocnienia zależy od rodzaju wzoru promieniowania anteny.

(5) Charakterystyka impedancji

Impedancja wejściowa anteny może być wyrażona jako stosunek napięcia do prądu w punkcie zasilania anteny, zwykle jako funkcja częstotliwości. Impedancja anteny RFID powinna być zaprojektowana na 50 Ω lub 70 Ω, aby osiągnąć dopasowanie impedancji do konwencjonalnego zasilacza. Antena RFID jest równoważna obciążeniu terminala czytnika i wyjściu znacznika elektronicznego, a impedancja wejściowa Zin jest zdefiniowana jako stosunek napięcia wejściowego anteny do prądu wejściowego Io.

Moc promieniowana P∑ anteny RFID jest równoważna stracie w równoważnej impedancji. Tę równoważną impedancję nazywa się impedancją promieniowania Z∑,

3 Wniosek

Wraz z ciągłym wyjaśnianiem wymagań aPlikacji bezprzewodowej technologii częstotliwości radiowej RFID i ciągłym rozszerzaniem pola aplikacji, projektowanie i badania anteny jako kluczowego komponentu systemu RFID stały się bardzo pilne i pilne. Technologia antenowa jest jedną z kluczowych technologii systemu RFID i ma znaczenie teoretyczne i wartość praktyczną dla dojrzałości i szerokiego zastosowania technologii RFID.