ТРЕХМЕРНАЯ МЕТКА ДЛЯ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ, ИНВАРИАНТНАЯ К ОРИЕНТАЦИИ В ПРОСТРАНСТВЕ

February 13, 2013 by admin Комментировать »

Туральчук П. А., Холодняк Д. В., Вендик И. Б. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» Санкт-Петербург, 197376, Россия e-mail: D VKholodnyal<@mail. eltech.ru Михайлов А. Б., Дудников С. Ю. ООО «Аэро Солюшенз» Санкт-Петербург, 199155, Россия e-mail: sd@aerosolutions.ru

Аннотация – Предложена оригинальная конструкция всенаправленной трехмерной антенны пассивной СВЧ- метки для радиочастотной идентификации. Преимуществом такой метки является возможность считывания идентификационной информации не зависимо от ориентации метки по отношению к двум антеннам считывателя с взаимноортогональными поляризациями.

I.                                       Введение

Технология радиочастотной идентификации (Radio Frequency Identification – RFID) [1] служит для автоматической идентификации объектов посредством электромагнитного взаимодействия между приемопередающей базовой станцией (считывателем) и размещенными на объектах радиочастотными метками (транспондерами), в которых записана идентификационная информация. Быстроразвиваю- щаяся технология RFID успешно применяется в качестве альтернативы штриховому кодированию в промышленности, торговле, сфере обслуживания, для контроля доступа, в транспортной и скпадской логистике и т. д. Основными преимуществами RFID являются: отсутствие необходимости прямой видимости метки, возможность идентификации нескольких объектов одновременно и более высокая скорость считывания информации.

Пассивная метка для RFID состоит из антенны и интегральной схемы (ИС), для питания которой используется энергия принятого антенной сигнала. Метка модулирует отраженный сигнал, изменяя входной импеданс ИС, а, следовательно, и согласование с ней антенны между двумя состояниями, в соответствии с записанной в ИС уникальной кодовой последователь-ностью [2].

Поскольку «непрочитанные» метки могут быть причиной серьезных материальных потерь или создавать угрозу безопасности, необходима 100% гарантия того, что идентификационный код метки будет считан. С этой точки зрения особое значение приобретает направленность антенны метки, которая определяет ее ориентационную чувствительность. Предпочтительно использовать всенаправленные антенны.

Антенны меток СВЧ-диапазона, доступных сегодня на коммерческом рынке, представляют собой различные модификации планарного полуволнового диполя. В диаграмме направленности таких антенн имеются нули, т. к вдоль своей оси диполь не излучает. Метка в общем случае может быть ориентирована по отношению к антеннам считывателя произвольным образом, поэтому при использовании в качестве антенны планарного диполя возможна ситуация, когда метка «не отвечает» и, соответственно, идентификации объекта не происходит. На практике с этим борются путем непараллельного размещения антенн считывателя, что, однако, не всегда является решением проблемы. Для движущихся объектов сохраняется вероятность того, что в каждый момент времени метка будет находиться в «нечитаемом» положении по отношению к активной в этот момент антенне считывателя.

В данной работе предложена оригинальная конструкция трехмерной антенны для пассивной метки, работающей в диапазоне 866-869 МГц. Антенна представляет собой пространственный диполь, плечи которого располагаются в трех попарно-непараллель- ных плоскостях. С точки зрения диаграммы направленности для двух взаимно-ортогональных поляризаций такая трехмерная антенна близка к всенаправленной, т. к минимумам одной поляризации соответствуют максимумы другой. В отличие от традиционных меток на основе планарного диполя, использование трехмерной СВЧ-метки в сочетании с двумя считывающими антеннами с взаимно-ортогональными поляризациями гарантирует идентификацию движущихся объектов вне зависимости от ориентации метки по отношению к антеннам считывателя.

Рис. 1. Конструкция трехмерной СВЧ-метки для RFID: развертка антенны на плоскости (а), размещение метки на углу коробки (Ь) и фотография первого экспериментального образца метки (с).

Fig. 1. Design of 3D UI4F tag for RFiD: the antenna ioft (a), tag placement on a cardboard box corner (b), and photograph of the first experimentai prototype of the tag (c)

Рис. 2. Частотная зависимость импеданса трехмерной антенны для различных значений угла а (а) и согласование антенны с входным импедансом ИС при а =12° (Ь).

Fig. 2. Frequency dependence ofthe 3D antenna impedance for different values ofthe angle a (a) and matching ofthe

antenna with ASIC input impedance for a = 12° (b)

II. Конструкция трехмерной метки

Конструкция трехмерной СВЧ-метки для RFID лредставлена на Рис. 1 [3]. Метка изготавливается в лланарном ислолнении в виде развертки, изображенной на Рис. 1, а, ло той же технологии, что и традиционные метки. Предназначенная для применений в складской логистике метка становится трехмерной лри ее размещении на объекте (на углу коробки), как показано на Рис. 1, Ь. Плечи пространственного диполя располагаются на трех сторонах коробки, т. е. в трех попарно-непараллельных плоскостях.

Антенна метки была разработана для использования с ИС Philips ЕРС 1.19 G2 в корпусе TSSOP-8, имеющей входной импеданс Z\„ = 12-J422 Ом. ИС подключается непосредственно к выводам антенны без использования дополнительных согласующих цепей. Комплексное согласование антенны с входным импедансом ИС достигается выбором взаимного расположения плеч антенны (угол а на Рис. 1, а). Частотные зависимости вещественной и мнимой частей импеданса антенны для различных значений угла а, полученные при помощи электродинамического моделирования, приведены на Рис. 2, а.

Изменение электромагнитной связи между плечами антенны изменяет и форму диаграммы направленности. Оптимальное значение угла а определяется, исходя из допустимого рассогласования и направленных свойств антенны. В нашем случае оптимальный угол между плечами антенны составил 12°,

при этом на центральной частоте импеданс антенны равен Za = 20+J422 Ом, что обеспечивает в рабочей полосе частот (868-869 МГц) согласование антенны с ИС с коэффициентом отражения не хуже, чем -10 дБ (Рис. 2, Ь).

Диаграмма направленности разработанной трехмерной антенны представлена на Рис. 3 в сравнении с диаграммой направленности планарного полуволнового диполя в различных плоскостях. Благодаря тому, что минимумам одной поляризации в диаграмме направленности трехмерной антенны соответствуют максимумы ортогональной поляризации, достигается инвариантность метки к ориентации в пространстве. Использование двух считывающих антенн с взаимно-ортогональными поляризациями позволяет идентифицировать такую метку вне зависимости от ее ориентации.

Поскольку чувствительность приемника считывателя выше чувствительности метки [2], максимальная дистанция считывания – предельное расстояние, на котором возможно считывание идентификационного кода, определяется пороговым уровнем мощности, необходимым для включения ИС метки.

Взаимодействие считывателя с трехмерной меткой исследовалось при помощи электродинамического моделирования и экспериментально. Моделировалась ситуация, приближенная к реальной (Рис. 4, а). Определялся коэффициент передачи мощности от направленной антенны считывателя с двойной поляризацией и усилением 6.5 дБ к трех

Рис. 3. Диаграммы направленности трехмерной антенны (сплошные линии) и планарного диполя (пунктир). Fig. 3. Radiation patterns of the 3D antenna (solid lines) and a planar dipole (dashed lines) in E-plane and H-plane

Рис. 4. Модель для исследования взаимодействия считывателя с меткой при ее различной ориентации (а) и полученная зависимость коэффициента передачи от частоты (Ь).

Fig. 4. А model to investigate tag readability for different orientations (a) and simulated transmission coefficient as a function of frequency (b)

мерной метке, располагающейся под различными углами на расстоянии 2 м. Коробка с трехмерной меткой поворачивалась на 360° вокруг каждой из трех осей с малым шагом. В рабочей полосе частот значение коэффициента передачи для различных ориентаций изменялось в пределах от -40 дБ до – 45 дБ (Рис. 4, Ь). Таким образом, при определенной стандартом RFID излучаемой мощности в 2 Вт мощность, получаемая ИС метки составляет от 200 мкВт до 60 мкВт. Для ИС Philips ЕРС 1.19 G2 порог вкпючения составляет -30 мкВт, что для данных условий соответствует коэффициенту передачи ^8 дБ (пунктир на Рис. 4, Ь). Для сравнения на Рис. 4, Ь также приведены частотные зависимости коэффициента передачи для обычного планарного диполя в «читаемом» и «не читаемом» положениях.

Экспериментальное исследование разработанной трехмерной метки подтвердило ее работоспособность на расстоянии в 2 м при любом положении по отношению к двум антеннам с круговой поляризацией.

III. Заключение

Предложенная СВЧ-метка для RFID, инвариантна к ориентации в пространстве, благодаря трехмерной антенне, которая является всенаправленной по совокупности двух взаимно-ортогональных поляризаций. Использование трехмерной метки гарантирует идентификацию объекта при любой ориентации метки по отношению к антеннам считывателя. Дистанция считывания составляет два метра, что является стандартом для применений RFID в складской логистике.

IV.                            Список литературы

[1]  к. FInkenzeller, RFID Handbook: Radio-Frequency Identification Fundamentals and Applications, Wiley, 2nd edition, 2004.

[2]  K. V. S. Rao, P. V. Nikitin, and S. F. Lam, «Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application», IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 53, No. 12, pp. 3870- 3876, 2005.

[3]  S. Yu. Dudnikov, A. B. Mikhailov, D. V. Kholodnyak, and P. A. Turalchuk, Patent No. 49319, June, 2005 (in Russian).

3D RFID TAG INVARIANT TO ITS ORIENTATION

P. A. Turalchuk, D. V. Kholodnyak, I. B. Vendik

St. Petersburg Electrotechnical University «LETI»

St. Petersburg, 197376, Russia e-mail: D VKholodnyak@mail. eltech.ru A. B. Mikhailov, S. Yu. Dudnikov Aero Solutions LLC St. Petersburg, 199155, Russia e-mail: sd@aerosolutions.ru

Abstract-An original design of omnidirectional 3D antenna for passive UHF RFID tag is proposed. An advantage of such a tag is the ability to be read independently on tag orientation with respect to two reader antennas with orthogonal polarizations.

I.                                      Introduction

Radio frequency identification (RFID) is of a great practical interest for various fields of industry, trade and transport services, especially to provide tracking and tracing of moving objects [1], [2]. Since an unread RFID tag may cause significant economic loss or security threat, 100 % readability is required. A tag can be oriented arbitrary with respect to reader antenna and, therefore, must be readable in any position. From this point of view omnidirectional antennas are preferable for RFID tags. In this paper we present original design of omnidirectional 3D antenna for passive RFID tags operating in the frequency range 866-869 MHz. The antenna is a folded dipole, whose arms are situated on three non-parallel planes.

II.                                     3D Tag Design

Design of 3D RFID tag is presented in Fig. 1 [3]. The tag is fabricated as a planar structure, whose loft is shown in Fig. 1, a. The tag becomes three-dimensional when being placed onto object (cardboard box) in such a way that the antenna arms are situated on three non-parallel planes as illustrated in Fig. 1, b.

The tag antenna was designed for application specific integrated circuit (ASIC) Philips EPC 1.19 G2 in TSSOP-8 package with the input impedance Zi„ = 12-j422 Ohm. The necessary complex conjugate matching is provided by adjustment of the angle a between the antenna arms (see Fig. 1, a). With a = 12°, the antenna impedance Za = 20+j422 Ohm is obtained at the central frequency that provides in the operating frequency range the reflection coefficient not worse than -12 dB (Fig. 2).

Radiation patterns ofthe 3D antenna developed and a simple planar dipole are presented in a comparison in Fig. 3. The 3D antenna is near omnidirectional because the minima for one polarization correspond to the maxima for the orthogonal polarization. As a result an RFID tag using the 3D antenna is invariant to its orientation with respect to reader antennas with two orthogonal polarizations.

Because reader sensitivity is typically high in comparison with tag [2], the read-range is determined by a minimum threshold power of the ASIC. In order to investigate readability of the 3D tag for different orientations, an electromagnetic simulation of power transmission from the dual-polarization reader antenna with the gain of 6.5 dBi to the 3D tag antenna placed at the distance of 2 meters (Fig. 4, a) was carried out.

The simulation revealed that for all orientations of the 3D tag the transmission coefficient in the operating bandwidth varies from -40 dB to -45 dB (Fig. 4, b.). If the effective radiated power of the reader antenna is 2 W, the power received by the tag antenna is between 200 μW and 60 μW that exceeds the minimum threshold power ofthe ASIC used (30 μW).

The experimental investigation of the developed 3D tag confirmed its ability to be read at the distance of 2 meters in any orientation with respect to two reader antennas with circular polarization.

III.                                        Conclusion

The proposed UHF RFID tag is invariant to its orientation due to the 3D antenna, which is omnidirectional by a sum of two orthogonal polarizations. Using the 3D RFID tag provides reliable identification independently on its orientation with respect to dual polarization reader antenna. The read-range of the 3D RFID tag was estimated as 2 meters.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты