Линейная и круговая поляризация электромагнитных волн в системах RFID

В СВЧ и микроволновом частотных диапазонах взаимодействие между считывателем и радиочастотной меткой (транспондером) RFID-систем осуществляется только с помощью электромагнитной связи. Электромагнитная волна распространяется в пространстве сферически из точки излучения, при этом электромагнитная волна транспортирует энергию в окружающее пространство. Когда расстояние от источника излучения возрастает, эта энергия распределяется на возрастающую площадь поверхности сферы. В этой связи принято рассматривать удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу площади, называемую также интенсивностью излучения S.


Направление силовых линий электрического поля определяет поляризацию электромагнитной волны. Различают линейную и круговую поляризацию электромагнитной волны. При линейной поляризации в зависимости от направления силовых линий электрического поля Е по отношению к поверхности земли различают горизонтальную поляризацию (силовые линии электрического поля идут параллельно поверхности земли) и вертикальную поляризацию (силовые линии электрического поля расположены под прямым углом к поверхности земли). Вид поляризации электромагнитных волн определяется конструкцией передающей антенны.

Например, антенна-вибратор является линейно поляризованной антенной, в которой силовые линии электрического поля расположены параллельно оси диполя. Антенна-вибратор, установленная параллельно к поверхности земли, генерирует горизонтально поляризованные волны. Соответственно антенна-вибратор, установленная под прямым углом к поверхности земли, генерирует вертикально поляризованные волны.


Передача энергии между двумя линейно поляризованными антеннами оптимальна, если обе антенны имеют одинаковое направление поляризации. С другой стороны, передача энергии находится на самом низком уровне, когда направления поляризации передающей и принимающей антенн расположены относительно друг друга точно под углом 90° или 270° (то есть горизонтальная и вертикальная антенны). В этой ситуации при расчете передачи энергии нужно брать дополнительное затухание 20 дБ из-за потерь поляризации, поскольку принимающая антенна воспринимает лишь 1/100 максимально возможной мощности от излучаемого электромагнитного поля.

В системах RFID обычно нет фиксированной взаимной ориентации между антенной мобильного транспондера и антенной считывателя. Это может привести к случайным изменениям дальности считывания, которые могут быть большими и непредсказуемыми. Данную проблему можно решить путем использования в антенне считывателя круговой поляризации. Именно антенны данного типа были использованы нами при внедрении RFID-системы учета складской продукции для компании "ЕрПлюс", которая предлагает декоративные панели и теплоизоляционные плиты. Для получения круговой поляризации два диполя монтируются в форме креста. На один из этих двух диполей подается питание через линию задержки со сдвигом на 90°. Направление поляризации электромагнитного поля, генерируемого таким образом, изменяется на 360° по мере того, как волновой фронт перемещается вперед на одну длину волны. Направление вращения поля может быть задано соответствующим подключением линии задержки.


Различают левую и правую круговую поляризацию. Для пары антенн с линейной и круговой поляризацией следует учитывать потери поляризации - при этом они не зависят от направления поляризации антенны транспондера. Энергия, транспортируемая электромагнитной волной, запасена в электрическом и магнитном полях этой волны, поэтому существует определенное соотношение между интенсивностью излучения S и напряженностями Е и Н взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Электрическое поле с напряженностью Е располагается под прямым углом по отношению к магнитному полю с напряженностью Н.

Электромагнитная волна, излучаемая антенной в окружающее пространство, встречает различные объекты. Часть высокочастотной энергии, достигающей объекта, поглощается этим объектом и преобразуется в тепло; остальная энергия отражается в разных направлениях. Небольшая часть отраженной энергии возвращается обратно к антенне источника. Радиолокационная технология использует это отражение для измерения расстояния и положения удаленных объектов. В системах RFID обратное отражение электромагнитных волн используется для передачи данных от радиочастотной метки к считывателю. Поскольку отражательные свойства объектов обычно возрастают с увеличением частоты, эти системы используются преимущественно в диапазонах частот 868 МГц (Европа), 915 МГц (США), 2,45 ГГц и выше.