автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Планарные конструкции антенн для систем радиочастотной идентификации

На права^ь-руїшїіиси

Попов Алексей Леонидович

ПЛАНАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН ДЛЯ СИСТЕМ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 НОЯ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005054744

005054744

Работа выполнена на кафедре физической электроники и технологии Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вендик Орест Генрихович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мироненко Игорь Германович, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», заведующий кафедрой микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры

кандидат технических наук Барский Илья Викторович, ООО «Симикон», генеральный директор

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт радио»

Защита состоится ноября 2012 г. в /¿/СОчасов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «22» октября 2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций,

д. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Радиочастотная идентификация (RFID — Radio Frequency Identification) - это стремительно развивающаяся технология, позволяющая производить бесконтактную передачу информации об объекте, хранящейся в памяти прикрепляемой к нему радиочастотной метки. RFID открывает широкие возможности по созданию автоматических систем на производстве, в цепях поставок и хранения товаров, розничной торговле, системах контроля доступа и оплаты и многих других областях нашей современной жизни.

Некоторые из ключевых параметров RFID системы - максимальная дистанция и надежность регистрации радиочастотных меток, форма и размеры идентификационной зоны - в существенной степени определяются конструкцией используемых антенн считывающего устройства и радиочастотных меток. Поэтому вопросам конструирования этих компонентов в RFID технологии отводится особое внимание.

К настоящему моменту конструкции антенн считывающих устройств УВЧ диапазона (860 — 960 МГц) получили развитие по двум основным направлениям: микрополосковые антенны (и их модификации) и рамочные антенны в печатном исполнении.

Микрополосковые конструкции антенн активно исследуются и развиваются в последние два десятка лет. Это объясняется их популярностью во многих других областях: мобильная связь, навигационные системы, беспроводные интернет-технологии и многое другое. Однако RFID технология предъявляет специфические требования к их характеристикам и поэтому требует дополнительного исследования и адаптации конструкций антенн, которые могут быть использованы как в качестве антенн считывающих устройств, так и радиочастотных меток.

Развитие рамочных антенн в области RFID технологии УВЧ диапазона открыло относительно новое направление, требующее существенных модификаций классических конструкций рамочных антенн и методик их расчета.

Вопросам адаптации конструкций микрополосковых и рамочных антенн для наиболее эффективного их функционирования в составе RFID систем УВЧ диапазона, а так же разработке методик расчета рассматриваемых конструкций и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке новых планарных антенн, исследовании и оптимизации характеристик известных конструкций планарных антенн с целью их эксплуатации в RFID системах УВЧ диапазона, а так же разработке аналитических моделей для расчета исследуемых структур.

Цель диссертационной работы была достигнута путем решения следующих задач:

1) разработка компактной конструкции микрополосковой антенны для RFID метки и методики ее согласования с радиочастотным чипом;

2) анализ и оптимизация основных характеристик антенны PIFA (Planar Inverted-F Antenna) с использованием аналитических моделей и электродинамического моделирования с целью оптимизации характеристик антенны для использования в составе оборудования RFID систем УВЧ диапазона;

3) разработка конструкции рамочной антенны электрически большого диаметра с квазистационарным распределением тока по периметру рамки и аналитических моделей для расчета ее входного сопротивления и напряженности магнитного поля в ближней зоне.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы численные методы расчета структур на основе их аналитических моделей, а так же электродинамическое моделирование антенных конструкций на основе метода конечных элементов (МКЭ). Проверка теоретических положений выполнялась экспериментально посредством измерения входных характеристик антенн и оценки дистанции взаимодействия считывающих устройств с радиочастотными метками.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1) Предложена новая конструкция антенны радиочастотной метки с повышенной дистанцией регистрации и возможностью размещения на металлических поверхностях.

2) Исследована зависимость характеристик направленности излучения антенны PIFA от размеров ее экрана, и предложен вариант конструкции, позволяющий оптимизировать ДН антенны для практического применения с минимальным увеличением ее размеров.

3) Разработана аналитическая модель для расчета входного сопротивления рамочной антенны электрически большого диаметра с разбиением контура антенны планарными конденсаторами.

4) Разработана аналитическая модель для оценки напряженности магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны с квазисинфазным распределением тока по контуру при ее расположении над экраном.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) При интеграции радиочастотного чипа с микрополосковой антенной, имеющей соотношение между шириной и длиной излучателя менее 1/10, комплексно-сопряженное согласование сопротивлений радиочастотного чипа (с большой емкостной составляющей и относительно невысокой активной частью импеданса) и антенны обеспечивается без использования дополнительных согласующих элементов на частотах ниже резонансной частоты антенны. Получаемая в результате интеграции пассивная радиочастотная метка имеет увеличенную на не менее чем 40% дистанцию регистрации по сравнению с другими конструкциями радиочастотных меток аналогичных размеров.

2) При условии сохранения минимальных размеров антенны типа PIFA с шириной замыкающей стенки равной ширине излучателя минимальный уровень заднего лепестка диаграммы направленности обеспечивается увеличением длины экрана со стороны замыкающей стенки на А/8.

3) Входной импеданс рамочной антенны электрически большого диаметра с включенными планарными конденсаторами рассчитывается при помощи аналитической модели, представляющей рамку над

экраном в виде полосковой линии передачи, погонная индуктивность которой скомпенсирована последовательно включенными конденсаторами. Расчет активной части входного импеданса рамки производится с использованием выражения для сопротивления излучения рамки большого диаметра с равномерным распределением тока.

4) Аналитическая модель рамочной антенны над экраном с квазисинфазным распределением тока по контуру определяет характер зависимости и количественное соотношение напряженности магнитного поля рамочной антенны для различных расстояний между плоскостью антенны и экраном.

Практическая значимость результатов работы:

1) Разработана конструкция антенны радиочастотной метки, способствующая увеличению дальности действия пассивных систем RFID и повышающая надежность их работы при маркировке объектов с металлическими поверхностями.

2) Проведена оценка точности аналитической модели для расчета входного сопротивления антенны PIFA. Проведен анализ влияния размеров экрана на характеристики излучения антенны. Полученные результаты использованы при разработке конструкции антенны для настольных RFID считывателей.

3) Разработаны аналитические модели для рамочной антенны электрически большого диаметра с квазисинфазным распределением тока по контуру, предназначенные для оценки входного сопротивления и напряженности магнитного поля в ближней зоне антенны, расположенной над экраном. Предложенные модели позволяет произвести быструю предварительную оценку основных размеров и параметров структуры при разработке рамочных антенн аналогичной конструкции.

Реализация и внедрение результатов исследований:

1) Разработанная конструкция антенны радиочастотной метки была запатентована и использована компанией «Систематика» для производства специализированных радиочастотных меток под торговой

маркой «PatchTag». Метки данного типа нашли применение в проектах компании по автоматизации промышленного производства, учету передвижения транспортных средств и железнодорожного подвижного состава.

2) На основании результатов исследования конструкции антенны PIFA была разработана модель антенны для настольных считывающих устройств, которые использовались компанией «Систематика» в составе автоматизированных библиотечных систем на основе технологии RFID.

3) Разработанная конструкция рамочной антенны для систем радиочастотной идентификации УВЧ диапазона используется компанией «РСТ-Инвент» для выпуска промышленных образцов антенн данного типа, применяющихся в проектах по автоматизации промышленного производства и в розничной торговле.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: 15-ый международный студенческий семинар «Microwave and Optical Applications of Novel Physical Phenomena», 19-21 мая, Санкт-Петербург, 2008; 38-я международная европейская научная конференция «European Microwave Conference», 27-31 October 2008, Amsterdam.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и докладах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 2 международных научно-практических конференциях, перечисленных в конце автореферата. Основные положения защищены 1 авторским свидетельством на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, включает 64 рисунка и содержит список литературы из 67 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные направления в решении задач по рассматриваемой тематике и выделены те из них, рассмотрение которых проводится в работе.

В первой главе приводится обзор литературы по теме диссертации. Кратко упоминается история появления систем радиочастотной идентификации. Приводится обзор основных характеристик систем ИРГО и принципов их функционирования. Дается описание основных компонентов ЯРЮ системы, среди которых особое внимание уделяется конструкциям радиочастотных меток и антенн для считывающих устройств ЯБШ систем УВЧ диапазона. При описании меток рассматриваются особенности их современных конструкций и основные требования, эти особенности определяющие. При рассмотрении конструкций антенн считывающих устройств приводится обзор наиболее важных их характеристик с точки зрения использования в Г1РШ системах и примеры современных конструкторских решений в этой области. Кратко отмечаются направления, рассматриваемые автором в работе, и даются ссылки на соответствующие главы.

Во второй главе рассматривается конструкция антенны радиочастотной метки УВЧ диапазона, получившей наименование «Ра1сМ^» (рис. 1). В ее основе лежит хорошо известная конструкция микрополосковой антенны. Для адаптации структуры к требованиям, предъявляемым к радиочастотным меткам, и достижения максимальной эффективности антенны было произведено несколько модификаций:

1) существенное (более чем в 10 раз) уменьшение линейного размера одной из сторон антенны;

2) смещение точки возбуждения антенны (точки подключения радиочастотного чипа) к краю излучателя для удобства монтажа метки;

3) максимальное удешевление конструкции антенны за счет использования воздушной прослойки в качестве диэлектрика;

4) согласование антенны с комплексным входным сопротивлением ра-

Рис. 1. Конструкция метки «PatchTag» (размеры указаны в мм).

диочастотного чипа Philips RFID ASIC SL3S3001FTT в корпусе TSSOP8 (на частоте 868 МГц составляет Zc = 13 - j457 Ом) без использования дополнительных согласующих элементов (рис. 2, а).

В результате расчета антенны с использованием метода конечных элементов (МКЭ) были получены характеристики, согласно которым на частоте 870 МГц антенна имеет входное сопротивление Za = 47 + j456 Ом и коэффи-

6000 5000 4000 3000 о 2000 1000 о

-1000 -2000 -3000

800 820 840 860

0 900 920 940 960 980 1000 /МГц

а)

■ Е - плоскость

- Н - ПЛОСКОСТЬ

Рис. 2. Характеристики антенны радиочастотной метки: а) зависимость входного сопротивления от частоты; б) диаграмма направленности (дБ).

циент усиления 6,2 дБ (рис. 2). При этом теоретическая оценка максимальной дистанции регистрации метки, произведенная с использованием формулы Фриса для свободного пространства [1], составила 14,4 метра, что хорошо согласуется с результатами эксперимента, приведенными на рис. 3.

Измерения при размещении радиочастотной метки на металлических поверхностях показали, что дистанция ее регистрации в этом случае увеличивается в среднем на 20%. В сравнении же с другими радиочастотными метками схожих размеров, предназначенными для маркировки металлических поверхностей, увеличение дистанции регистрации метки «PatchTag» составило от 8 до 30% в воздухе и от 40 до 65% при размещении на металле.

Результаты измерений показывают, что использование рассматриваемой антенны позволяет существенно увеличить дистанцию регистрации метки, что повышает дальность действия пассивных RFID систем УВЧ диапазона и надежность их работы.

В третьей главе диссертации проводится исследование конструкции антенны PIFA (Planar Inverted-F Antenna, рис. 4, а) и методик оценки ее основных характеристик, целью которого является оптимизация параметров антенны с точки зрения ее использования в RFID системах УВЧ диапазона. Для расчета входного сопротивления антенны используется ее модель в виде отрезка микрополосковой линии (МПЛ) передачи с волновым сопротивлением Z„, короткозамкнутой с одной стороны, и нагруженной на эквивалентное сопротивление щели Ъщ с другой (рис. 4, б). Целью расчетов является определение расстояния h между точкой подключения линии питания (Uíeu) и корот-козамкнутым краем излучателя, при котором входное сопротивление в данной точке наиболее близко к 50 Ом (волновому сопротивлению коаксиальной линии питания антенны).

* 'б I 12

я

а>

<=с о

/ \

/

/

/

- г -1-

800

840

920

960

/МГц

Рис. 3. Результаты измерений дистанции регистрации метки.

юоо

z

ДL,

точка питания

а)

б)

Рис. 4. Конструкция антенны PIFA (а) и ее эквивалентная модель в виде линии передачи (б).

Сопоставление результатов аналитических расчетов (рис. 5, а) с данными моделирования антенны с использованием МКЭ (рис. 5, б) показывает, что для антенны рассматриваемой конструкции аналитическая модель позволяет определить оптимальную точку подключения линии питания с высокой степенью точности.

На следующем этапе анализа конструкции проводится оценка влияния размеров экрана на диаграмму направленности антенны. Минимальные

10 15 20 25 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900

1г, ММ

L = W= 81 мм, А = 5 мм

f, МГц

-L = W = 81 мм, h = 5 мм, 12= 17 мм

--L = W= 79,5 мм, h = 5 мм, /2 = 17 мм

а)

б)

Рис. 5. Модуль коэффициента отражения на входе антенны: а) аналитическая модель; б) моделирование МКЭ.

начальные размеры экрана при этом устанавливаются равными Ьэк = Жэк = Ь+ +6-А (см, рис. 4, а), предельные значения размеров экрана - Ьэк = Жж = У2 (170 мм). Результаты расчетов диаграммы направленности антенны для 0-компоненты поля (£>е) показывают, что сокращения уровня заднего лепестка и симметрии диаграммы направленности (относительно центральной оси антенны Т) можно добиться путем увеличения длины экрана лишь со стороны замыкающей стенки (рис. 6).

Полученные в результате проведенного анализа данные используются при расчетах промышленного образца антенны, характеристики которого приводятся в заключительной части главы.

В четвертой главе диссертации рассматривается конструкция рамочной антенны электрически большого диаметра с разбиением контура антенны на отрезки с использованием планарных конденсаторов (рис. 7, а). Данная конструкция обеспечивает квазистационарное распределение тока по контуру рамочной антенны (рис. 7, б), что является оптимальным условием для формирования равномерного распределения магнитного поля над поверхностью

-А£„ = 0 мм--= 20 мм ■ ■ • • ДL3K = 40 мм

0'

■ - АЬэк = 60 мм 0"

30'

180'

180"

а)

б)

Рис. 6. Зависимость ДН PIFA (De) от длины экрана Д£ж, дБ: а) в плоскости XZ (ср = 0), б) в плоскости YZ (ср = 90°). (L = W= 79, 5 мм, 1г = 17 мм, L0K =W3K=\ 10 мм).

модель корпуса планарный антенны конденсатор

подложка

Мм

симметрирующий трансформатор и точка питания

а)

б)

Рис. 7. Конструкция рамочной антенны (а) и распределение поверхностного тока по контуру антенны (б).

рамочной антенны и регистрации радиочастотных меток в этой зоне посредством индуктивной связи. Данный тип взаимодействия используется в 11РЮ системах УВЧ диапазона при регистрации меток в сложных условиях: плотное размещение меток или маркировка объектов, содержащих жидкости.

Первоначальный анализ рамочной антенны производится с использованием метода конечных элементов. Антенна в электродинамической модели (рис. 7, а) строится в виде структуры печатных проводников шириной Ъ = 3 мм на подложке из стеклотекстолита (ег=4,7; tg§ = 0,025) толщиной 5 = 3 мм. Для уменьшения излучения антенны в сторону, противоположную основной зоне регистрации, с нижней стороны подложки на расстоянии к = 40 мм располагается экран с размерами 200x200 мм. В проводнике антенны сделано 7 вырезов длиной £ = 3 мм. Подстройка реактивной части входного сопротивления антенны производится в процессе моделирования варьированием диаметра антенны (£> = 159 мм), длины дополнительных линий, образующих конденсатор (¿1 = 61 мм) и расстояния между дополнительными линиями и основным контуром антенны = 1,5 мм). Для согласования симметричного входа антенны, имеющего входное сопротивление = 220 Ом, с

50-0м коаксиальным кабелем в конструкции используется ЬС-симметрирующий трансформатор.

Для ускоренного предварительного расчета основных размеров антенны разработана аналитическая модель, в которой контур рамки над экраном рассматривается в качестве микрополосковой линии. При этом импеданс рамки выражается через погонные параметры линии как:

п

** 1 1 со С„

О)

где Ь\ и - погонная индуктивность и емкость линии, I - ее длина, Ст -емкость планарного конденсатора, п - число пленарных конденсаторов (и = 7 в рассматриваемом случае).

Индуктивность рамки можно определить как [2, с. 216]:

(2)

где Я - радиус рамки, Ь\ - эквивалентный радиус печатного проводника. Для расчета емкости планарного конденсатора используется выражение из [3]:

С =1 2

Ь™=А.Ъо Іф^ііі.ео(8г-і)І1п 16-І-

(3)

где Ь\вн = 59 мм.

Сопротивление излучения рамки (Я\1) вычисляется при помощи выражения для мощности излучения рамки, приведенного в [2, с. 221]. При этом влияние экрана на сопротивление излучения рамки учитывается делением полученного результата пополам:

і

2 Р

1

4П

к-Я

(4)

где 2 — резонансная частота, г) = 120я Ом, ./2(х) - функ-

ция Бесселя второго порядка.

Вычисление модуля коэффициента отражения (относительно = 220 Ом) и сравнение полученного результата с данными электродинамического

0

-5

■а -10

с? -15

-20

-25

N -

Л / / /

\ \ /

/

800

840 880 920 /МГц моделирование (МКЭ) расчеты

960

1000

— — измерения

Рис. 8. Модуль коэффициента отражения на входе антенны.

моделирования и измерений показывает достаточно хорошее совпадение полученных характеристик с точки зрения резонансной частоты (рис. 8). Наблюдаемое различие в уровне коэффициента отражения и ширине полосы пропускания может объясняться тем, что в аналитической модели не учитывается частотная зависимость сопротивления элементов, образующих симметрирующий трансформатор, и используется достаточно приблизительная оценка влияния экрана на характеристики антенны. Однако аналитическая модель может быть использована для предварительного расчета входного сопротивления антенны рассматриваемой конструкции и оценки влияния на характеристики антенны физических размеров элементов рамки.

Вопросу аналитической оценки напряженности магнитного поля рамочной антенны с экраном посвящена последняя часть четвертой главы. Известно, что если рассматривать два замкнутых контура 1 и 2 с радиусами а и Ъ, расположенными на одной оси на расстоянии 2 (рис. 9), то суммарный векторный потенциал, создаваемый первым контуром в элементе £Й2 второго контура, определяется выражени-. X ' ем [4, с. 303-304]:

Рис. 9. Взаимодействие двух замкнутых контуров.

/ ,а \ - ('6Л

I !/-'"' 2

1 ' ' \2

\ ' /

сое ас/а

4к 0 л/а2 +ь2 +г2-ІаЬсоьа. где і = - ток в проводнике первого контура.

Предполагается, что задан ток в рамке 1. Магнитное поле в плоскости рамки 2 имеет две составляющие Нг и Нг. Учитывая, что Н = го/А:

1 ЪА&Я (6)

г дг ог

В результате корректировки (5) с учетом того, что в этом выражении представлена только Аа компонента векторного потенциала и Ъ-г есть радиальная координата точки, лежащей на поверхности, стягивающей рамку 2, получаем:

сое ас/а

/2 2 2 уа +г +2 —2агсоза

(7)

Здесь /0 - полный ток, текущий через рамку 1.

После подстановки (7) в (6), вычисления производных и упрощения вычислений для случая, когда г«а имеем: а-10

4тсг

аг сое2 асіа. 2? Заг(г2 - аг сое а) сое2 си/а

(8)

В результате дальнейших преобразований с учетом, что г«а, и пренебрежения вторым слагаемым выражение (8) упрощается до следующего вида:

а2 •/„

(9)

2(а2 + г2)3'2 '

С учетом того, что нормальная компонента магнитного поля на экране равна нулю, наличие экрана можно представить как наличие двух рамок с противофазными токами в них. В результате выражение (9) преобразуется к следующему виду:

2 а

1+мг Гі+^г

Приведенное на рисунке 10 сравнение графиков напряженности магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны, полученных с использованием выражения (10), с данными электродинамического моделирования двух вариантов конструкции рамочной антенны с квазисинфазным распределением тока по контуру показывает, что на стадии первоначальных расчетов аналитическая модель может дать приемлемое описание зависимости напряженности магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны от ее расстояния до экрана: расположение точки максимума, соотношение между значениями напряженности магнитного поля для различных расстояний между рамкой и экраном.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, описаны примеры практического использования полученных результатов и перспективы развития рассматриваемых в работе конструкций антенн.

г, мм

Рис. 10. Зависимость напряженности магнитного поля от высоты рамочной антенны над экраном (модель 1-е разделительными конденсаторами; модель 2-е планарными конденсаторами (рис. 7, а)).

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Rao, К. V. S. Antenna design forUHF RFID tags: a review and a practical application [Текст] / К. V. S. Rao, P. V. Nikitin, S. F. Lam // Antennas and Propagation. - 2005. - V.53, № 12. - P. 3870 - 3876.

2. Balanis, C. A. Antenna theory: analysis and design [Текст] / С. A. Bala-nis. - 2nd ed. - John Wiley & Sons, 1997. - 960 p.

3. Вендик, О. Г. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика [Текст] / О. Г. Вендик, С. П. Зубко, M. А. Никольский // Журнал Технической Физики. -1999. - Том 69. - Вып. 4. - С. 1 - 7.

4. Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники [Текст]: учебник для вузов, в 2-х т. / Л. Р. Нейман, К. С. Демирчян. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1981. - Т.2. - 416 с.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Попов, А. Л. Напряженность магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны для систем радиочастотной идентификации [Текст] / А. Л. Попов, О. Г. Вендик, Н. А. Зубова // Письма в Журнал Технической Физики.-2010.-Т. 36. - Вып. 19. - С. 16-22.

2. Попов, А. Л. Модель рамочной антенны для систем радиочастотной идентификации [Текст] / А. Л. Попов, О. Г. Вендик // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2010. - Вып. 7. - С. 3 - 7.

3. Попов, А. Л. Планарная антенна для настольных считывающих устройств систем радиочастотной идентификации [Текст] / А. Л. Попов, О. Г. Вендик // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2011. - Вып. 2. -С. 3-8.

Другие статьи и материалы конференций:

4. Popov, A. High gain antenna for passive UHF RFID tags (Антенна с высоким коэффициентом усиления для пассивных RFID меток УВЧ диапазона) [Текст] / A. Popov, S. Dudnikov, A. Mikhaylov // Proc. of 15th Anniversary International Student Seminar on Microwave and Optical Applications of Novel Physical Phenomena. - 2008. - P. 35 - 38.

5. Popov, A. Passive UHF RFID tag with increased read range (Пассивная RFID метка УВЧ диапазона с увеличенной дистанцией регистрации) [Текст] / A. Popov, S. Dudnikov, A. Mikhaylov // Proc. of the 38th Microwave Conference. - 2008. - P. 1106 - 1108.

6. Метка для радиочастотной идентификации [Текст]: патент на полезную модель № 62723 Рос. Федерация: МПК G 08 В 13/00/ Попов А. Л., Михайлов А. Б.; заявитель и патентообладатель ООО «Аэро Со-люшенз СПб». - № 2006136537/22; заявл. 18.10.2006; опубл. 27.04.2007, Бюл. № 12.

Подписано в печать 11.10.12. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 97.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключительной части следует отметить основные результаты работы и области их практического применения.

В Главе 2 рассмотрена конструкция радиочастотной метки с микропо-лосковой антенной компактных размеров, которая на текущий момент времени обеспечивает максимальные показатели по дальности регистрации среди меток аналогичных размеров. Важным является тот факт, что дистанция регистрации не уменьшается при расположении метки на металлических поверхностях. Эти свойства определяют основные области использования радиочастотной метки предложенной конструкции:

1) автоматизация учета передвижения транспортных средств (транспортная логистика на предприятиях, учет передвижения транспортных средств по платным автодорогам, автоматизированные стоянки);

2) идентификация железнодорожного транспорта; \ , ,

3) маркировка контейнеров; л 1

4) автоматизация производства (маркировка изделий на конвейерных линиях, внутренняя логистика в производственных цехах).

Описанная конструкция радиочастотной метки стала основой серийно выпускаемого продукта (рис. 5.1), уже нашедшего свое применение в ряде пилотных проектов:

1) производство машин:

•КАМАЗ;

• АвтоВАЗ;

2) производственная логистика:

•MARS;

• Wrigley;

3) учет основных средств:

• Иркутскэнерго;

Рис. 5.1. Метка Ра1:с11Та§.

4) автоматизация учета передвижения транспортных средств предприятий:

• пивоваренная компания Балтика;

5) идентификация подвижного железнодорожного состава:

• Санкт-Петербургский метрополитен.

Перспективы дальнейшего усовершенствования конструкции так же хорошо прослеживаются. Так, на фоне общей тенденции развития конструкций радиочастотных меток, становится очевидной необходимость уменьшения физических размеров антенны метки с сохранением ее основных преимуществ. Для решения этой задачи, на взгляд автора, могут быть использованы подложки из специализированных СВЧ материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и методики уменьшения размеров микрополосковой антенны, аналогичные рассмотренной в третьей главе. Неизбежные при этом потери в коэффициенте усиления антенны и, соответственно, дистанции регистрации метки могут быть частично компенсированы увеличением чувствительности радиочастотных чипов, что является одним из основных показателей их постоянного развития.

Рис. 5.3. Использование антенны PIFA в выставочных макетах. более специфична и появляется в рамках рассматриваемой нами технологии. Тем не менее, несмотря на выявленные недостатки, автор полагает, что сейчас вряд ли существует более удобная конструкция антенны для компактных мобильных RFID-терминалов.

В Главе 4 рассмотрена конструкция рамочной антенны для считывающих устройств RFID систем УВЧ диапазона. Результатом проведенных исследований стала разработка аналитической модели для расчета входного сопротивления рамочной антенны электрически большого диаметра, имеющей специфическую конструкцию, а так же аналитической модели для оценки влияния экрана на напряженность магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны. В процессе работы была произведена оценка основных характеристик антенны, среди которых следует выделить:

1) равномерное распределение магнитного поля над поверхностью рамки в ближней зоне антенны;

2) широкий диапазон рабочих частот.

Появление подобных антенн в RFID системах УВЧ диапазона (наряду с существенным уменьшением цены отдельной метки) открыло для технологии дверь в ряд новых областей и позволило расширить ее эксплуатацию до уровня маркировки отдельных изделий (ILT - Item Level Tagging в иностранбудущего» с автоматической системой учета товаров на полке и в корзине покупателя. Из требований данной области вытекают и перспективы дальнейшего развития рамочных антенн для Ш^ГО систем УВЧ диапазона:

1) увеличение рабочей зоны антенны;

2) увеличение напряженности магнитного поля в ближней зоне антенны. Подводя общий итог, стоит подчеркнуть, что основным результатом проделанной работы стали модели антенн, которые в настоящее время уже активно используются. Однако каждая из рассмотренных конструкций имеет свой потенциал развития, и существующие на данный момент проблемы, несомненно, будут решены, поскольку с ежегодным повышением интереса к технологии ЯБЮ увеличиваются усилия, затрачиваемые на ее совершенствование.

1. Dobkin, D. М. The RF in RFID: passive UHF RFID in practice Текст. / D. M. Dobkin. Elsevier, 2007. - 504 p.

2. Landt, J. The history of RFID Текст. / J. Landt // IEEE Potentials. 2005. -V. 24, №4.-P. 8-11.

3. Chawla, V. An overview of passive RFID Текст. / V. Chawla, D. S. Ha // IEEE Communications Magazine. 2007. - V. 45, № 9. - P. 11 - 17.

4. Pursula, P. Analysis and design of UHF and millimeter wave radio frequency identification Текст.: dissertation for the degree of Doctor of Science / Pekka Pursula. Espoo: VTT, 2008. - 82 p.

5. Гуреева, О. Принципы проектирования транспондеров для системы RFID на поверхностных акустических волнах Текст. / О. Гуреева // Современная электроника. 2005. - №4. - С. 52 - 57.

6. Regulatory status for using RFID in the UHF spectrum Текст. GS1 EPCglobal, 2007.

7. Dobkin, D. M. Environmental effects on RFID tag antennas Текст. / D. M. Dobkin, S. M. Weigand // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.-2005.-P. 135- 138.

8. Min, K.-S. A study of capacity change antenna for RFID tag depending on ground plane Текст. / К.- S. Min, J. -W. Kim, С.- K. Park, V.- H. Tran // Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) Proceedings. 2005.

9. Deavours, D. D. Improving the near-metal performance of UHF RFID tags Текст. / D. D. Deavours // Proc. of 2010 IEEE International Conference on RFID. 2010. - P. 187 - 194.

10. Eunni, M. A novel planar microstrip antenna design for UHF RFID Текст. / M. Eunni, M. Sivakumar, D. D. Deavours // Journal of Systemics, Cybernetics and Informatics. 2007. - V. 5, № 1. - P. 6 - 10.

11. Kim, J.- S. Shorted microstrip patch antenna using inductively coupled feed for UHF RFID tag Текст. / J.- S. Kim, W. Choi, G.- Y. Choi, C.- S. Pyo, J.-S. Chae // ETRI Journal. 2008. - V. 30, №4. - P. 600 - 602.

12. Aroor, S. A dual-resonant microstrip-based UHF RFID "Cargo" Tag Текст. / S. Aroor, D. D. Deavours // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2008. - P. 579 - 582.

13. Rao, К. V. S. UHF RFID tag for metal containers Текст. / К. V. S. Rao, S. F. Lam, P. V. Nikitin // Proc. of 2010 Asia-Pacific Microwave Conference. -2010.-P. 179- 183.

14. Popugaev, A. E. A small high performance metal-mountable RFID tag antenna Текст. / A. E. Popugaev, R. Wansch // Proc. of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation. 2010. - P. 1-4.

15. Mun, L. N. Design of high performance RFID systems for metallic item identification Текст.: thesis for the degree of Doctor of Philosophy / Mun Leng Ng. Adelaide: School of Electrical and Electronic Engineering, 2008. - 235 p.

16. Xuezhi Z. Slots in metallic label as RFID tag antenna Текст. / Z. Xuezhi,

17. J. Siden, W. Gang, H.- E. Nilsson // Proc! of IEEE Antennas and Propagation So- 1 ',L ciety International Symposium. 2007. - P. 1749 - 1752.

18. Chen, S.- L. A Y-Y-chaped slot antenna design for an RFID tag designed for metallic tag applications Текст. / S.- L. Chen, К.- H. Lin // Proc. of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS). 2009. - P. 427 - 430.

19. Diugwu, C. A. Dual-band antenna for passive RFID tags Текст. / С. A. Diugwu, J. C. Batchelor, R. J. Langley, M. Fogg // SAIEE Africa Research Journal. 2006. - V. 97, № 3. - P. 208 - 211.

20. Rusu, M. Minkowski fractal microstrip antenna for RFID tags Текст. /t

21. M. Rusu, M. Hirvonen, H. Rahimi, P. Enoksson, C. Rusu, N. Pesonen, O. Verne-san, H. Rustad // Proc. of the 38th European Microwave Conference. 2008. - P. 666 - 669.

22. Mayer, L. W. A dual-band HF/UHF antenna for RFID tags Текст. / L. W. Mayer, A. L. Scholtz // Proc. of IEEE 68th Vehicular Technology Conference. -2008.-P. 1-5.

23. Park, J.- Y. Microstrip line monopole antenna for the wearable applications Текст. / J.- Y. Park, J.- M. Woo // Proc. of the 38th European Microwave Conference. 2008. - P. 1277 - 1279.

24. Rajagopalan, H. Conformal RFID antenna design suitable for human monitoring and metallic platforms Текст. / H. Rajagopalan, Y. Rahmat-Samii // Proc. of the Fourth European Conference on Antenna and Propagation. 2010. -P. 1-5.

25. Balanis, C. A. Antenna theory: analysis and design Текст. / С. A. Bala-nis. 2nd ed. - John Wiley & Sons, 1997. - 960 p.

26. Bahl, I. J. Microstrip antennas Текст. /1. J. Bahl, P. Bhartia. Artech ,i i\ (1. House, 1982.-348 p.

27. Слюсар, В. Антенны PIFA для мобильных средств связи: многообразие конструкций Текст. / В. Слюсар // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2007. - № 1. - С. 64 - 74.

28. Wong, К.- L. Compact and broadband microstrip antennas Текст. / K.-L. Wong. John Wiley & Sons, 2002. - 327 p.

29. Dobkin, D. M. Segmented magnetic antennas for near-field UHF RFID Текст. / D. M. Dobkin, S. M. Weigand, N. Iye // Microwave Journal. 2007. - V. 50, № 6.

30. Qing, X. Segmented loop antenna for UHF near-field RFID applications Текст. / X. Qing, С. K. Goh, Z. N. Chen // Electronics Letters. 2009. - V. 45, № 17.-P. 872-873.

31. Li, X. Segmented coupling eye-shape UHF band near field antenna design Текст. / X. Li, J. L. Yong, Y. D. Yu // Proc. of Asia Pacific Microwave Conference. 2009. - P. 2401 - 2404.

32. Ong Y. S. A segmented loop antenna for UHF near-field RFID Текст. /»і m Y: S/Ong, X. Qing,* С. K. Goh, Z.,N. Chen // Proc. of IEEE Antennas and Propav

33. ЧіЧ1' ІЧ# • < -С-6' '"И,*1 v t ',<■ t" ' • ''<, ' »."It" (л S 'gation Society International Symposium. 2010. - P. 1-4.

34. Qing, X. UHF near-field RFID reader antenna with capacitive couplers Текст. / X. Qing, Z. N. Chen, С. K. Goh // Electronics Letters. 2010. - V. 46, № 24.-P. 1591 - 1592.

35. Chen, Z. N. Loop antenna for UHF near-field RFID reader Текст. / Z. N. Chen, С. K. Goh, X. Qing // Proc. of 4th European Conference of Antennas and Propagation. 2010. - P. 1 - 4.

36. Choi, W. Near-field antenna for RFID smart shelf in UHF Текст. / W. Choi, J.- S. Kim, J.- H. Bae, G. Choi, J.- S. Chae // Proc. of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2009. - P. 1 - 4.

37. Hong, J. A shelf antenna using near-field without dead zones in UHF RFID Текст. / J. Hong, J. Choo, J. Ryoo, C. Choi // Proc. of IEEE International Conference on Industrial Technology. 2009. - P. 1-4.

38. Cargo Tag. RFID asset management tags Текст.: спецификация -(ww.motorola.com/web/Business/Products/RFID/RFID%20Tags/Asset%20Mana gment%20RFID%20Tags/Documents/staticFiles/CargoTagSSNew.pdf?locale Id=52).

39. Popov, A. Passive UHF RFID tag with increased read range (Пассивная RFID метка УВЧ диапазона с увеличенной дистанцией регистрации) Текст. / A. Popov, S. Dudnikov, A. Mikhaylov // Proc. of the 38th Microwave Conference. -2008.-P. 1106- 1108.

40. SL3S30 01 FTT. TSOOP8 Package Specification Текст.: спецификация. Philips Semiconductors, 2003.

41. Rao, К. V. S. Antenna design for UHF RFID tags: a review and a practical application Текст. / К. V. S. Rao, P. V. Nikitin, S. F. Lam // Antennas and Propagation. 2005. - V.53, № 12. - P. 3870 - 3876.

42. PATCHTAG Текст.: свидетельство на товарный знак № 345081 Рос. Федерация; правообладатель ООО «Аэро Солюшенз СПб». № 2006729837; > заявл. 18.10.2006; опубл. 25.03.2008.

43. Huynh, M. С. Т. A numerical and experimental investigation of planar in-verted-F antennas for wireless communication applications Текст.: thesis for thedegree of Master of Science / Minh Chau T. Huynh. - Virginia Polytechnic Institute, 2000.- 117 p.

44. Сазонов, Д.М. Антенны и устройства СВЧ Текст.: учеб. для радио-технич. спец вузов / Д. М. Сазонов. М.: Высш. шк., 1988. - 432 с.

45. Фуско, В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование Текст. / В. Фуско; пер. с англ. А. А. Вольман, А. Д. Муравцова. М.: Радио и связь, 1990.-288 с.

46. Вендик, О.Г. Электродинамика Текст.: конспект лекций / О. Г. Вен-дик, Т. Б. Самойлова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. - 144 с.

47. Попов, A. JI. Планарная антенна для настольных считывающих устройств систем радиочастотной идентификации Текст. / А. Л. Попов, О. Г. Вендик // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. - Вып. 2. - С. 3 - 8.

48. Попов, А. Л. Напряженность магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны для систем радиочастотной идентификации Текст. / А. Л, Попов, О. Г. Вендик, Н. А. Зубова // Письма в Журнал Технической Физики. -2010. ~Т. 36.- Выи. 19.-С. 16 -22. , .

49. F ь * ) * *, ' * k Ц * ^ \

50. AVR2004: LC-balun for AT86RF230 Текст.: application note. Atmel. - (http://www.atmel.com/dyn/resources/proddocuments/doc8113.pdf).

51. Попов, А. Л. Модель рамочной антенны для систем радиочастотной идентификации Текст. / А. Л. Попов, О. Г. Вендик // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2010. - Вып. 7. - С. 3 - 7.

52. Гупта, К. Машинное проектирование СВЧ устройств Текст. / К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха; пер. с англ. С. Д. Бродецкой, под ред. В. Г. Шейк-мана. М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.

53. Вендик, О. Г. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика Текст. / О. Г. Вендик, С. П. Зубко, М. А. Никольский // Журнал Технической Физики. 1999. - Том 69. -Вып. 4.-С. 1-7.

54. Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники Текст.: учебник для вузов, в 2-х т. / Л. Р. Нейман, К. С. Демирчян. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1981. - Т.2. -416 с.