Исследование технологии проектирования антенн UHF RFID

0 Предисловие

Применение технологии радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency Identification, RFID) имеет долгую историю. Ее можно проследить до системы идентификации самолетов, которая использовалась самолетами британских ВВС во время Второй мировой войны. В последнее время технология радиочастотной идентификации RFID широко используется в управлении предметами, позиционировании транспортных средств и подземном позиционировании персонала. Эта технология представляет собой бесконтактную технологию автоматической идентификации, которая использует радиочастотные сигналы для достижения бесконтактной передачи информации посредством пространственной связи (переменное магнитное поле или электромагнитное поле) и достигает цели автоматической идентификации посредством передаваемой информации.

1 Обзор радиочастотной технологии RFID

1.1 Основной состав беспроводной системы идентификации RFID

Беспроводная система идентификации RFID в основном состоит из электронных меток RFID, считывателей RFID, антенн и систем управления хост-компьютером. Информация между электронной меткой RFID и считывателем RFID передается по беспроводной связи, поэтому между ними имеются беспроводные приемопередающие модули и антенны (индукционные катушки). Диаграмма эффекта показана на рисунке 1.

Исследование технологии проектирования антенн UHF RFID

(1) Электронная метка RFID (тег): Электронная метка RFID является носителем данных системы радиочастотной идентификации. Состоящая из соединительных элементов и чипов, каждая электронная метка RFID имеет уникальный электронный код EPC (Electronic ProductCode), который прикрепляется к объекту для идентификации целевого объекта. По сравнению с традиционными штрихкодами, коды EPC могут не только отражать определенный тип продукта, но и быть специфичными для определенного продукта.

(2) Считыватель RFID (считыватель): Считыватель представляет собой устройство, способное считывать или записывать информацию электронной метки. Его основная функция - передавать данные с помощью метки. Он может быть спроектирован как ручной считыватель или стационарный считыватель.

(3) Антенна (Antenna): передает радиочастотные сигналы между меткой и считывателем.

1.2 Принцип работы системы RFID

После того, как электронная метка RFID попадает в магнитное поле, излучаемое считывателем RFID, она принимает радиочастотный сигнал, отправленный считывателем, и отправляет информацию о продукте (пассивная метка, пассивная метка или пассивная метка), сохраненную в чипе, в силу энергии, полученной от индуцированного тока, или Метка активно отправляет сигнал определенной частоты (активная метка, активная метка или активная метка), а декодер считывает и декодирует информацию, а затем отправляет ее в центральную информационную систему для соответствующей обработки данных. Принципиальная схема процесса радиочастотной идентификации показана на рисунке 2.

2 Индекс производительности антенны RFID-метки

Из процесса идентификации системы RFID нетрудно увидеть, что антенна играет важную роль моста для считывателя RFID для передачи радиочастотных сигналов между электронной меткой RFID и считывателем RFID в процессе считывания электронной метки RFID. Антенна считывателя RFID, производительность антенны электронной метки RFID имеет большое значение для повышения производительности всей системы идентификации. Поскольку электронная метка RFID прикреплена к маркированному объекту, антенна электронной метки RFID будет зависеть от формы и физических характеристик маркированного объекта. К факторам влияния относятся материал маркированного объекта, рабочая среда маркированного элемента и т. д. Кроме того, в радиочастотном устройстве RFID, когда рабочая частота увеличивается до микроволновой области, проблема согласования между антенной и чипом электронной метки RFID становится более серьезной. Эти факторы выдвинули более высокие требования к конструкции антенн электронных меток RFID, но также принесли большие проблемы.

Антенна - это устройство, которое принимает или излучает мощность входного радиочастотного сигнала в форме электромагнитных волн. Это устройство на интерфейсе между схемой и пространством, и используется для реализации преобразования энергии между направленной волной и волной свободного пространства. Современные беспроводные радиочастотные системы RFID в основном сосредоточены в низкочастотных, высокочастотных, сверхвысокочастотных и микроволновых диапазонах частот. Принципы и конструкции антенн систем RFID в различных рабочих диапазонах частот принципиально различаются:

(1) Направленные характеристики

Излучение антенны является направленным. Кривая зависимости между амплитудой и направлением поля излучения называется диаграммой направленности, которая на самом деле является кривой зависимости напряженности поля в точке в любом направлении поля дальней зоны в том же направлении. Диаграмма направленности обычно относитсяs к нормализованной диаграмме направленности, то есть кривой зависимости в том же направлении, что и отношение напряженности поля в точке в любом направлении поля дальней зоны к максимальному полю на том же расстоянии.

(2) Коэффициент направленности

Коэффициент направленности - это параметр, используемый для указания степени, в которой антенна излучает электромагнитные волны в определенном направлении. Коэффициент направленности любой направленной антенны относится к отношению полной мощности излучения ненаправленной антенны к полной мощности излучения направленной антенны при условии одинаковой напряженности электрического поля в точке приема. Согласно этому определению, поскольку интенсивность излучения направленной антенны изменяется во всех направлениях, коэффициент направленности антенны также изменяется в зависимости от положения точки наблюдения. В направлении, где электрическое поле излучения наибольшее, коэффициент направленности также наибольший. В общем случае коэффициент направленности направленной антенны - это коэффициент направленности максимального направления излучения, то есть на определенном расстоянии от антенны плотность потока мощности излучения Smax антенны в максимальном направлении излучения такая же, как у идеальной ненаправленной антенны с той же мощностью излучения. Отношение плотности потока мощности излучения So на том же расстоянии обозначается как D.

(3) Эффективность антенны

Эффективность антенны - это индекс, используемый для измерения эффективности антенны в преобразовании энергии. Все эффективности антенны меньше 1, что означает, что часть входной мощности антенны преобразуется в излучаемую мощность, а часть - в потерянную мощность. Эффективность антенны определяется как отношение мощности излучения антенны к входной мощности, обозначаемое как ηA.

(4) Коэффициент усиления антенны

Коэффициент антенны отражает только наиболее концентрированную степень энергии излучения антенны, а коэффициент усиления антенны не только отражает излучательную способность антенны, но и учитывает коэффициент потерь антенны. При условии одинаковой входной мощности отношение излучаемой плотности мощности S(θ, φ) направленной антенны в определенном направлении (θ, φ) в пространстве к излучаемой плотности мощности So антенны с точечным источником без потерь в этом направлении называется коэффициентом усиления антенны, обозначаемым как G(θ, φ).

Коэффициент усиления — это параметр, который всесторонне измеряет преобразование энергии и направленные характеристики большой линии. Это произведение коэффициента направленности и эффективности антенны, которая обозначается как G, а именно:

G=D·ηA

Для систем радиочастотной идентификации UHF и СВЧ RFID усиление антенны ограничено из-за малой площади антенны электронной метки RFID. Величина усиления зависит от типа диаграммы направленности антенны.

(5) Характеристики импеданса

Входное сопротивление антенны можно выразить как отношение напряжения к току в точке питания антенны, обычно как функцию частоты. Сопротивление антенны RFID должно быть спроектировано так, чтобы составлять 50 Ом или 70 Ом, чтобы достичь согласования импеданса с обычным фидером. RFID-антенна эквивалентна терминальной нагрузке считывателя и выходу электронной метки, а входное сопротивление Zin определяется как отношение входного напряжения антенны к входному току Io.

Излучаемая мощность P∑ RFID-антенны эквивалентна потерям в эквивалентном сопротивлении. Это эквивалентное сопротивление называется сопротивлением излучения Z∑,

3 Заключение

С постоянным уточнением требований к применению беспроводной радиочастотной технологии RFID и постоянным расширением области применения проектирование и исследование антенны как ключевого компонента системы RFID стали очень актуальными и неотложными. Антенная технология является одной из ключевых технологий системы RFID, и она имеет теоретическое значение и практическую ценность для зрелости и широкого применения технологии RFID.