Έρευνα για την τεχνολογία σχεδίασης κεραιών UHF RFID

0 Πρόλογος

Η εφαρμογή της τεχνολογίας αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων RFID (Radio Frequency Identification, RFID) έχει μακρά ιστορία. Μπορεί να αναχθεί στο σύστημα αναγνώρισης αεροσκαφών που χρησιμοποιήθηκε από τα αεροσκάφη της βρετανικής Πολεμικής Αεροπορίας κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Πρόσφατα, η τεχνολογία αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων RFID έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη διαχείριση αντικειμένων, στον εντοπισμό θέσης οχημάτων και στον υπόγειο εντοπισμό θέσης προσωπικού. Αυτή η τεχνολογία είναι μια τεχνολογία αυτόματης αναγνώρισης χωρίς επαφή, η οποία χρησιμοποιεί σήματα ραδιοσυχνοτήτων για να επιτύχει μετάδοση πληροφοριών χωρίς επαφή μέσω χωρικής σύζευξης (εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ή ηλεκτρομαγνητικό πεδίο) και επιτυγχάνει το σκοπό της αυτόματης αναγνώρισης μέσω των μεταδιδόμενων πληροφοριών.

1 Επισκόπηση της τεχνολογίας ραδιοσυχνοτήτων RFID

1.1 Βασική σύνθεση του ασύρματου συστήματος αναγνώρισης RFID

Το ασύρματο σύστημα αναγνώρισης RFID αποτελείται κυρίως από ηλεκτρονικές ετικέτες RFID, συσκευές ανάγνωσης RFID, κεραίες και συστήματα διαχείρισης κεντρικού υπολογιστή. Οι πληροφορίες μεταξύ της ηλεκτρονικής ετικέτας RFID και του αναγνώστη RFID μεταδίδονται ασύρματα, επομένως υπάρχουν μονάδες ασύρματου πομποδέκτη και κεραίες (επαγωγικά πηνία) μεταξύ τους. Το διάγραμμα εφέ φαίνεται στο σχήμα 1.

Έρευνα για την τεχνολογία σχεδίασης κεραιών UHF RFID

(1) Ηλεκτρονική ετικέτα RFID (Ετικέτα): Η ηλεκτρονική ετικέτα RFID είναι ο φορέας δεδομένων του συστήματος αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων. Αποτελούμενη από στοιχεία ζεύξης και τσιπ, κάθε ηλεκτρονική ετικέτα RFID έχει έναν μοναδικό ηλεκτρονικό κωδικό EPC (Electronic ProductCode), ο οποίος είναι προσαρτημένος στο αντικείμενο για την αναγνώριση του αντικειμένου στόχου. Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς γραμμωτούς κώδικες, οι κωδικοί EPC μπορούν όχι μόνο να αντικατοπτρίζουν έναν συγκεκριμένο τύπο προϊόντος, αλλά και να είναι συγκεκριμένοι για ένα συγκεκριμένο προϊόν.

(2) Αναγνώστης RFID (Reader): Ο αναγνώστης είναι μια συσκευή ικανή να διαβάζει ή να γράφει πληροφορίες ηλεκτρονικών ετικετών. Η βασική του λειτουργία είναι να μεταδίδει δεδομένα με την ετικέτα. Μπορεί να σχεδιαστεί ως συσκευή ανάγνωσης χειρός ή σταθερή συσκευή ανάγνωσης.

(3) Κεραία (Κεραία): μετάδοση σημάτων ραδιοσυχνοτήτων μεταξύ της ετικέτας και της συσκευής ανάγνωσης.

1.2 Αρχή λειτουργίας του συστήματος RFID

Αφού η ηλεκτρονική ετικέτα RFID εισέλθει στο μαγνητικό πεδίο που εκπέμπεται από τη συσκευή ανάγνωσης RFID, λαμβάνει το σήμα ραδιοσυχνότητας που αποστέλλεται από τη συσκευή ανάγνωσης και στέλνει τις πληροφορίες προϊόντος (Passive Tag, παθητική ετικέτα ή παθητική ετικέτα) που είναι αποθηκευμένες στο τσιπ λόγω της ενέργεια που λαμβάνεται από το επαγόμενο ρεύμα ή Η ετικέτα στέλνει ενεργά ένα σήμα ορισμένης συχνότητας (Ενεργή ετικέτα, ενεργή ετικέτα ή ενεργή ετικέτα) και ο αποκωδικοποιητής διαβάζει και αποκωδικοποιεί τις πληροφορίες και στη συνέχεια τις στέλνει στο κεντρικό σύστημα πληροφοριών για σχετικά δεδομένα επεξεργασία. Το σχηματικό διάγραμμα της διαδικασίας αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων φαίνεται στο Σχήμα 2.

2 Δείκτης απόδοσης κεραίας ετικέτας RFID

Δεν είναι δύσκολο να δει κανείς από τη διαδικασία αναγνώρισης του συστήματος RFID ότι η κεραία παίζει σημαντικό ρόλο ως γέφυρα για τη συσκευή ανάγνωσης RFID για τη μετάδοση σημάτων ραδιοσυχνοτήτων μεταξύ της ηλεκτρονικής ετικέτας RFID και της συσκευής ανάγνωσης RFID στη διαδικασία ανίχνευσης της ηλεκτρονικής RFID ετικέτα. Η κεραία ανάγνωσης RFID, Η απόδοση της κεραίας ηλεκτρονικής ετικέτας RFID είναι πολύ σημαντική για τη βελτίωση της απόδοσης ολόκληρου του συστήματος αναγνώρισης. Εφόσον η ηλεκτρονική ετικέτα RFID είναι προσαρτημένη στο επισημασμένο αντικείμενο, η κεραία ηλεκτρονικής ετικέτας RFID θα επηρεαστεί από το σχήμα και τα φυσικά χαρακτηριστικά του επισημασμένου αντικειμένου. Οι παράγοντες που επηρεάζουν περιλαμβάνουν το υλικό του επισημασμένου αντικειμένου, το περιβάλλον εργασίας του επισημασμένου αντικειμένου κ.λπ. Επιπλέον, στη συσκευή ραδιοσυχνοτήτων RFID, όταν η συχνότητα λειτουργίας αυξάνεται στην περιοχή μικροκυμάτων, το πρόβλημα αντιστοίχισης μεταξύ της κεραίας και του ηλεκτρονικού RFID Το τσιπ ετικέτας γίνεται πιο σοβαρό. Αυτοί οι παράγοντες προκάλεσαν υψηλότερες απαιτήσεις για το σχεδιασμό κεραιών ηλεκτρονικών ετικετών RFID, αλλά έφεραν και μεγάλες προκλήσεις.

Η κεραία είναι μια συσκευή που λαμβάνει ή εκπέμπει την ισχύ του σήματος ραδιοσυχνοτήτων του μπροστινού άκρου με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Είναι μια συσκευή στη διεπαφή μεταξύ του κυκλώματος και του χώρου, και χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση της μετατροπής ενέργειας μεταξύ του κατευθυνόμενου κύματος και του κύματος ελεύθερου χώρου. Τα τρέχοντα συστήματα ασύρματων ραδιοσυχνοτήτων RFID συγκεντρώνονται κυρίως σε ζώνες συχνοτήτων χαμηλής συχνότητας, υψηλής συχνότητας, εξαιρετικά υψηλής συχνότητας και μικροκυμάτων. Οι αρχές και τα σχέδια των κεραιών συστημάτων RFID σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων λειτουργίας είναι θεμελιωδώς διαφορετικές:

(1) Χαρακτηριστικά κατεύθυνσης

Η ακτινοβολία της κεραίας είναι κατευθυντική. Η καμπύλη σχέσης μεταξύ του πλάτους και της κατεύθυνσης της ακτινοβολίαςΤο n πεδίο ονομάζεται διάγραμμα κατεύθυνσης, το οποίο είναι στην πραγματικότητα η καμπύλη σχέσης της έντασης του πεδίου σε ένα σημείο σε οποιαδήποτε κατεύθυνση του πεδίου του μακρινού πεδίου προς την ίδια κατεύθυνση. Το διάγραμμα κατεύθυνσης αναφέρεται γενικά στο κανονικοποιημένο διάγραμμα κατεύθυνσης, δηλαδή στην καμπύλη σχέσης στην ίδια κατεύθυνση με την αναλογία της έντασης του πεδίου σε ένα σημείο σε οποιαδήποτε κατεύθυνση του πεδίου απομακρυσμένου πεδίου προς το μέγιστο πεδίο στην ίδια απόσταση.

(2) Συντελεστής κατευθυντικότητας

Ο συντελεστής κατευθυντικότητας είναι μια παράμετρος που χρησιμοποιείται για να δείξει τον βαθμό στον οποίο η κεραία ακτινοβολεί ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ο συντελεστής κατευθυντικότητας οποιασδήποτε κατευθυντικής κεραίας αναφέρεται στον λόγο της συνολικής ισχύος ακτινοβολίας της μη κατευθυντικής κεραίας προς τη συνολική ισχύ ακτινοβολίας της κατευθυντικής κεραίας υπό την προϋπόθεση ίσης έντασης ηλεκτρικού πεδίου στο σημείο λήψης. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, δεδομένου ότι η ένταση ακτινοβολίας της κατευθυντικής κεραίας ποικίλλει προς όλες τις κατευθύνσεις, ο συντελεστής κατευθυντικότητας της κεραίας ποικίλλει επίσης ανάλογα με τη θέση του σημείου παρατήρησης. Στην κατεύθυνση όπου το ηλεκτρικό πεδίο ακτινοβολίας είναι το μεγαλύτερο, ο συντελεστής κατευθυντικότητας είναι επίσης ο μεγαλύτερος. Γενικά, ο συντελεστής κατευθυντικότητας μιας κατευθυντικής κεραίας είναι ο συντελεστής κατευθυντικότητας της μέγιστης κατεύθυνσης ακτινοβολίας, δηλαδή, σε μια ορισμένη απόσταση από την κεραία, η πυκνότητα ροής ισχύος ακτινοβολίας Smax της κεραίας στη μέγιστη κατεύθυνση ακτινοβολίας είναι η ίδια με αυτήν μιας ιδανικής μη κατευθυντικής κεραίας με την ίδια ισχύ ακτινοβολίας Ο λόγος της πυκνότητας ροής ισχύος ακτινοβολίας Άρα στην ίδια απόσταση συμβολίζεται ως D.

(3) Απόδοση κεραίας

Η απόδοση της κεραίας είναι ένας δείκτης που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της αποτελεσματικότητας μιας κεραίας στη μετατροπή ενέργειας. Οι αποδόσεις της κεραίας είναι όλες μικρότερες από 1, πράγμα που σημαίνει ότι μέρος της ισχύος εισόδου της κεραίας μετατρέπεται σε ακτινοβολούμενη ισχύ και μέρος της χάνεται. Η απόδοση της κεραίας ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος ακτινοβολίας της κεραίας προς την ισχύ εισόδου, που συμβολίζεται ως ηΑ.

(4) Κέρδος κεραίας

Ο συντελεστής κεραίας αντικατοπτρίζει μόνο τον πιο συγκεντρωμένο βαθμό της ενέργειας ακτινοβολίας της κεραίας και το κέρδος της κεραίας όχι μόνο αντανακλά την ικανότητα ακτινοβολίας της κεραίας, αλλά λαμβάνει επίσης υπόψη τον παράγοντα απώλειας της κεραίας. Υπό την προϋπόθεση της ίδιας ισχύος εισόδου, ο λόγος της πυκνότητας ακτινοβολούμενης ισχύος S(θ, φ) της κατευθυντικής κεραίας σε μια ορισμένη κατεύθυνση (θ, φ) στο χώρο προς την πυκνότητα ισχύος ακτινοβολίας Άρα της κεραίας σημειακής πηγής χωρίς απώλειες σε Αυτή η κατεύθυνση ονομάζεται κέρδος της κεραίας, που συμβολίζεται ως G(θ, φ).

Ο συντελεστής κέρδους είναι μια παράμετρος που μετρά συνολικά τη μετατροπή ενέργειας και τα κατευθυντικά χαρακτηριστικά της μεγάλης γραμμής. Είναι το γινόμενο του συντελεστή κατευθυντικότητας και της απόδοσης της κεραίας, που συμβολίζεται ως G, δηλαδή:

G=D·ηA

Για συστήματα αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων UHF και μικροκυμάτων RFID, το κέρδος της κεραίας είναι περιορισμένο λόγω της μικρής περιοχής της κεραίας ηλεκτρονικής ετικέτας RFID. Το ποσό του κέρδους εξαρτάται από τον τύπο του μοτίβου ακτινοβολίας της κεραίας.

(5) Χαρακτηριστικά σύνθετης αντίστασης

Η σύνθετη αντίσταση εισόδου μιας κεραίας μπορεί να εκφραστεί ως ο λόγος της τάσης προς το ρεύμα στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας, συνήθως ως συνάρτηση της συχνότητας. Η σύνθετη αντίσταση της κεραίας RFID θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να είναι 50 Ω ή 70 Ω προκειμένου να επιτευχθεί αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης με τον συμβατικό τροφοδότη. Η κεραία RFID είναι ισοδύναμη με το τερματικό φορτίο της συσκευής ανάγνωσης και την έξοδο της ηλεκτρονικής ετικέτας και η σύνθετη αντίσταση εισόδου Zin ορίζεται ως ο λόγος της τάσης εισόδου της κεραίας προς το ρεύμα εισόδου Io.

Η ακτινοβολούμενη ισχύς P∑ της κεραίας RFID είναι ισοδύναμη με την απώλεια σε μια ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση. Αυτή η ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση ονομάζεται σύνθετη αντίσταση ακτινοβολίας Z∑,

3 Συμπέρασμα

Με τη συνεχή διευκρίνιση των απαιτήσεων εφαρμογής της τεχνολογίας ασύρματων ραδιοσυχνοτήτων RFID και τη συνεχή επέκταση του πεδίου εφαρμογής, ο σχεδιασμός και η έρευνα της κεραίας ως βασικό στοιχείο του συστήματος RFID έχει γίνει πολύ επείγουσα και επείγουσα. Η τεχνολογία κεραιών είναι μία από τις βασικές τεχνολογίες του συστήματος RFID και έχει θεωρητική σημασία και πρακτική αξία για την ωριμότητα και την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας RFID.