Совместное появление многих отражений переменной интенсивности от разных объектов ведет к неожиданным изменениям напряженности поля Е вокруг считывателя. Такие эффекты особенно вероятны в среде, насыщенной большими металлическими объектами, что характерно для промышленного производства (оборудование, металлические трубы и т.п.). В системах RFID эти эффекты способны вызвать серьезные последствия, поскольку при локальном минимуме напряженности поля транспондер может не иметь достаточной мощности для перехода в рабочий режим.

Влияние чувствительности приемника считывателя на дальность считывания в RFID-системах

Независимо от типа электропитания транспондера необходима некоторая минимальная напряженность поля Е, чтобы активировать транспондер или обеспечить его достаточной энергией для работы схемы. Считыватель сможет обмениваться сообщениями с транспондером при выполнении следующих условий:
1. транспондер должен быть обеспечен достаточной энергией для его активации;
2. сигнал, отраженный транспондером и вернувшийся к считывателю, должен быть достаточно сильным, чтобы его можно было детектировать без ошибок.

  
Антенна типа "волновой канал" является наиболее распространенным вариантом направленной антенны в радиотехнике. Антенна представляет собой настроенный комплекс, состоящий из активного излучателя и ряда пассивных элементов. В качестве активного излучателя обычно используется 2-проводной шлейф-вибратор. Пассивные диполи, расположенные перед активным облучателем в направлении максимального излучения, функционируют в качестве директоров, в то время как диполь, обычно единственный, расположенный сзади активного облучателя, действует в качестве отражателя.

Направленная антенна типа «волновой канал» для систем RFID

Чтобы создать направленную передачу, пассивные диполи, действующие как директоры, должны быть короче, а диполь, действующий как отражатель, должен быть длиннее, чем облучатель, работающий в режиме резонанса. Все элементы антенны -активный вибратор, рефлектор и директоры - закрепляют на несущей стреле. Ширина рабочей полосы частот антенны составляет 8-10%. С увеличением числа директоров коэффициент усиления антенны типа "волновой канал возрастает.

  
Сравнительно простыми антеннами для приема передач в СВЧ диапазоне являются полуволновые симметричные вибраторы. В простейшем виде антенна-вибратор представляет собой прямой проводник (например, медный) определенной длины. На свойства антенны, особенно на входное сопротивление, сопротивление излучения и полосу пропускания, можно влиять приданием антенне соответствующей формы.

Антенны-вибраторы для RFID-систем

Линейный разрезной полуволновый вибратор состоит из двух прямолинейных проводников с небольшим промежутком между ними. Подключение к диполю производится в этом месте разрыва. Входное сопротивление этого вибратора равно 73 Ом, ширина рабочей полосы частот составляет ±15% от средней частоты. Линейный неразрезной полуволновый вибратор часто называют вибратором с шунтовым питанием. Он имеет примерно вчетверо большее сопротивление излучения по сравнению с полуволновым диполем (Ri = 240-280 Ом). Ширина рабочей полосы частот составляет ±20% от средней частоты.

  
Рассмотрим особенности функционирования микроволновой системы RFID, когда транспондер (метка) находится в зоне опроса считывателя. Считыватель излучает в окружающее пространство электромагнитные волны с эффективной излучаемой мощностью. Транспондер принимает мощность, пропорциональную напряженности поля Е на расстоянии r.

Дальность считывания в системах RFID с электромагнитной связью

Пассивная RFID-метка не имеет собственного электропитания от такого внутреннего источника напряжения, как батарея или солнечный элемент. Если транспондер находится в пределах допустимой зоны действия считывателя, напряжение индуцируется в антенне транспондера полем напряженностью Е, существующим на данном расстоянии r. Часть этого напряжения поступает на выводы антенны в виде напряжения. Только напряжение выпрямляется и используется транспондером как источник питания.

  
Микрополосковые антенны можно найти во многих современных коммуникационных устройствах. Например, они используются в самых последних поколениях GРS-приемников и мобильных телефонов, которые становятся все миниатюрнее. Благодаря особой конструктивной форме микрополосковые антенны предоставляют также определенные преимущества для систем RFID. В своем простейшем виде микрополосковая антенна строится на основе печатной платы (например, из фторопласта для более высоких частот), покрытой металлизационным слоем с обеих сторон, из которых одна сторона (нижняя) выполняет функции "земли".

Микрополосковые антенны для систем RFID

На верхней стороне формируется прямоугольная площадка, на которую подается СВЧ питание либо с помощью микрополосковой линии на той же стороне), либо с помощью фидера через отверстие в основной плате, либо с помощью промежуточной подложки, используя емкостную связь. Длина прямоугольной площадки определяет резонансную частоту антенны. Если микрополосковая антенна работает на своей резонансной частоте, разность фаз между кромками прямоугольной площадки равна точно 180°. На входной и выходной кромках этой прямоугольной площадки силовые линии поля находятся в фазе.

  
В системах RFID с электромагнитной связью, работающих в СВЧ и микроволновом диапазонах частот, применяются следующие основные типы антенн:
1. антенна-вибратор;
2. антенна типа «волновой канал»;
3. микрополосковая антенна;
4. щелевая антенна.

Антенны СВЧ и микроволнового диапазонов частот для RFID-систем

Параметры антенн не зависят от того, используются ли антенны для передачи или для приема (принцип взаимности). Если известны свойства антенны при использовании ее для передачи, то эти свойства позволяют полностью оценить ее как приемную, и наоборот. К основным параметрам антенн относятся:
1. диаграмма направленности;
2. входное сопротивление;
3. коэффициент направленного действия;
4. коэффициент полезного действия;
5. коэффициент усиления;
6. действующая длина (высота);
7. ширина полосы пропускания.

  
Радиочастотный (РЧ) интерфейс RFID считывателя выполняет следующие функции:
1. генерацию и передачу высокочастотной энергии для активации транспондера и подачи на него энергии;
2. модуляцию сигнала передачи для отправки данных на RFID-метку;
3. прием и демодуляцию РЧ сигналов, переданных RFID-меткой.

Радиочастотный интерфейс RFID считывателя

РЧ интерфейс содержит два раздельных тракта прохождения сигнала, которые соответствуют двум направлениям потока данных от транспондера и к транспондеру. Данные, передаваемые на RFID-метку, проходят по передающему тракту. Напротив, данные, принимаемые от транспондера, обрабатываются в приемном тракте. Далее будут более подробно рассмотрены эти тракты прохождения сигналов и различия в системах с разным типом связи между считывателем и RFID-меткой.

  
Электромагнитная связь в системах RFID базируется на применении высокочастотных электромагнитных полей и волн в СВЧ и микроволновом частотных диапазонах. Электромагнитное поле представляет собой совокупность взаимосвязанных электрического и магнитного полей. В сущности, электрическое и магнитное поля являются двумя характеристиками электромагнитного поля. Электромагнитное поле как форма материи не может оставаться в покое, а находится в состоянии движения. Электромагнитное поле возникает в пространстве при наличии меняющихся во времени электрических токов и зарядов.

Физические принципы электромагнитной связи в системах RFID

Последние возбуждаются в проводящих элементах антенны. В свободном пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитной волны. Излучение электромагнитного поля происходит с конечной скоростью распространения (скорость света с=300.000 км/с). Закон изменения электрического поля во времени определяет закон распределения магнитного поля в пространстве. Переменное магнитное поле образует вихревое электрическое поле, а закон изменения магнитного поля во времени определяет закон распределения электрического поля в пространстве. В последнее время современные системы идентификации с использованием RFID-технологии особенно актуальны.

  
Базовая RFID-cиcтeмa состоит из трех основных частей:
1. один или несколько транспондеров (меток или тегов);
2. считыватель с приемо-передающим интерфейсом для связи с меткой;
3. приложение, установленное на компьютере.

Основные функции компонентов системы электронной идентификации

Главными компонентами системы RFID являются считыватель и радиочастотная метка. Считыватель является стационарным блоком, тогда как транспондер (тег) является мобильным элементом. В первом приближении функции системы RFID можно рассматривать как функции считывателя по подаче энергии на транспондер, идентификации транспондера, чтению данных из этого транспондера и в некоторых случаях записи данных в транспондер.

  
Дальность считывания в системах RFID определяется как максимальное расстояние, на котором возможен обмен сообщениями между считывателем и RFID-меткой (транспондером). Транспондер должен получить от считывателя энергию, прежде чем с него можно будет считать информацию. Мощность сигнала от считывателя должна быть достаточно большой, чтобы модуляция обратного сигнала от RFID-метки могла быть принята считывателем. Главным препятствием в достижении большой дальности считывания являются физические ограничения в передаче энергии транспондеру с помощью электромагнитной индукции.

Дальности считывания RFID-систем с индуктивной связью

Для выбранной рабочей частоты факторы 1-3 относятся к конфигурации антенны и цепям настройки на транспондере. Факторы 4-5 зависят от схемы и конструкции считывателя. Факторы 6-7 определяются используемым протоколом коммуникации системы RFID. Фактор 8 зависит от воздействия помех, которое может быть уменьшено установкой полосового фильтра на приемной стороне считывателя.


Яндекс.Метрика Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru   "СМАРТ Системы"      © 2007-2016 Все права защищены.