אנטנות RFID רחבות פס קומפקטיות

מאת: ד”ר אלברט סבן, חבר בכיר ב-IEEE

תקציר – תעשיית ה-RFID נמצאת בצמיחה מתמשכת בשנים האחרונות. מאמר זה מציג אנטנות מודפסות קומפקטיות ליישומי RFID לבישים. אנטנות מודפסות קומפקטיות עם פרופיל נמוך שימושיות בפיתוח של מערכות RFID לבישות. אפשר להרכיב את התג והבקר של מערכת ה-RFID על המעגל המודפס של האנטנה.  במאמר זה מוצגים שיקולי תכנון, תוצאות חישוביות ותוצאות מדודות של מספר אנטנות RFID רחבות פס עם נצילות גבוהה עבור מערכות RFID בתדר 13.5MHz. המאמר מציג את  השפעת הסביבה על הביצועים החשמליים של האנטנה.
מילות מפתח: אנטנות, מערכות RFID

1. מבוא
RFID (זיהוי באמצעות תדרי רדיו) היא שיטה אלקטרונית להחלפת נתונים באמצעות גלים בתדרי רדיו.
יש שלושה רכיבים עיקריים במערכת RFID: טרנספונדר (תג), אנטנה ובקר. אפשר להרכיב את התג, האנטנה והבקר של מערכת ה- RFID על אותו כרטיס מודפס.
במערכות תקשורת ובחיישנים נעשה שימוש נרחב באנטנות מודפסות ומיקרוסטריפ. לאנטנות מיקרוסטריפ יש תכונות אטרקטיביות כמו פרופיל נמוך, גמישות, משקל נמוך, נפח קטן ועלויות ייצור נמוכות. אנטנות מיקרוסטריפ הוצגו בהרחבה בספרים ובמאמרים בעשור האחרון [1-7]. אולם, לא נעשה שימוש נרחב באנטנות מודפסות לבישות קומפקטיות במערכות RFID בתדר 13.5MHz. תגי תדר גבוה פועלים באופן הטוב ביותר בטווח קרוב אבל יותר יעילים בחדירת עצמים לא מתכתיים, במיוחד עצמים עם תכולת מים גבוהה.
סוג חדש של אנטנות קומפקטיות רחבות פס מודפסות ומיקרוסטריפ ליישומי RFID מוצג במאמר זה.
תכונות העברת תדרי רדיו של רקמות גוף האדם נחקרו במספר מאמרים [8-9]. ההשפעה של גוף האדם על ביצועי האנטנות נחקרת במאמר זה. אפשר להשתמש באנטנות המוצעות כאנטנות לבישות על בני אדם או בעלי חיים. אפשר לחבר את האנטנות המוצעות למכוניות, משאיות, מכולות ועצמים שונים נוספים.

2. אנטנה מודפסת קומקפטית 13.5MHz עם קיטוב כפול
אחד הרכיבים הקריטיים של כל מערכת RFID הוא הביצועים החשמליים של האנטנה שלה. האנטנה היא הרכיב העיקרי להעברת אנרגיה מהמשדר אל תגי ה-RFID הפסיביים, קליטת אות התגובה של הטרנספונדר ומניעת הפרעות בתוך תחום התדר מרעש חשמלי ומרכיבי RFID אחרים סמוכים. אנטנות מודפסות קומפקטיות עם פרופיל נמוך הן חיוניות בפיתוח של מערכות RFID.

 

תוכננו אנטנות דיפול קומפקטיות חדשות במבנה מיקרוסטריפ בתדר 13.5MHz כדי לספק קיטוב אופקי. האנטנה מורכבת משתי שכבות. השכבה הראשונה עשויה ממצע דיאלקטרי של FR4 בעובי 0.8mm. השכבה השנייה עשויה מממצע דיאלקטרי מסוג קפטון בעובי 0.8mm . עובי השכבות קובע את רוחב הפס של האנטנה. אנטנת חריץ מודפסת מספקת קיטוב אנכי. האנטנה המוצעת היא דו קיטובית. הדיפול המודפס ואנטנת החריץ מאפשרים קיטובים אורתוגונליים כפולים. האנטנה עם הקיטוב הכפול מוצגת באיור 1. המידות של האנטנה הן 6.4×6.4×0.16cm. אפשר לחבר את האנטנה על החולצה של הלקוח באזור הבטן של הלקוח או באזור הגב. תכנון האנטנה התבצע באמצעות תוכנת ADS של Agilent.
פרמטר ה- S11 של האנטנה טוב יותר מ-
-21dB בתדר 13.5MHz. השבח של האנטנה הוא כ- 10dBi-. רוחב האלומה של האנטנה הוא כ- 160º. פרמטרי S11 המחושבים מוצגים באיור 2. יש התאמה טובה בין התוצאות הנמדדות והמחושבות. איור 3 מציג את פרמטרי S11 הנמדדים של האנטנה. אפשר לכוונן את עוצמת השדה של הדה קיטוב של האנטנה על ידי שינוי המיקום שבו מוזן החריץ. דיאגרמת הקרינה המחושבת מוצגת באיור 4. דיאגרמת הקרינה התלת מימדית המחושבת של האנטנה מוצגת באיור 5.

3. השפעת השינויים ברשת ההזנה של האנטנה
פותחו מספר אנטנות עם רשתות הזנה שונות. אנטנה קומפקטית עם רשת הזנה שונה מוצגת באיור 6. המידות של האנטנה 8.4×6.4×0.16cm. איור 7 מציג את ה-S11 המחושב של האנטנה על גוף האדם. יש התאמה טובה בין התוצאות הנמדדות והמחושבות. דיאגרמת הקרינה המחושבת מוצגת באיור 8. טבלה 1 משווה את הביצועים החשמליים של אנטנת לולאה עם האנטנה הקומפקטית הדו קיטוית.

4. אנטנות RFID מסוג לולאה
אנטנות RFID מסוג לולאה נמצאות בשימוש רחב. מספר אנטנות RFID מסוג לולאה מוצגות ב-[9]. לאנטנות RFID מסוג לולאה יש נצילות נמוכה ורוחב פס צר. לדוגמה, העכבה הנמדדת של לולאה מרובעת עם ארבע ליפופים בתדר 13.5MHz היא 0.47 + j107.5 Ω. רשת התיאום משמשת לתיאום האנטנה
ל- 50 Ω. רשת התיאום מורכבת מקבל מקבילי של 56pF, נגד מקבילי של 1kΩ ועוד קבל של 56pF. לרשת התיאום הזאת יש רוחב פס צר.
אנטנת שידור ממוקמת במרחק של 20 ס”מ מאנטנת הלולאה המרובעת עם ארבע ליפופים. אות CW בעוצמה של 0dBm  משודר מאנטנת השידור. רמת ההספק הנמדד במוצא של אנטנת הלולאה הוא 50dBm-. אנטנת לולאה מרובעת עם ארבע ליפופים תוכננה בתדר 13.5MHz באמצעות שימוש בתוכנת  ADS של Agilent.
האנטנה מודפסת על מצע FR4. המידות של האנטנה 32×52.4×0.25mm. מבנה האנטנה מוצג באיור 9. תוצאות של S11 של אנטנת הלולאה המודפסת מוצגות באיור 10. פרמטר ה-S11 של האנטנה טוב יותר מ- -9.5dB בלי רשת תיאום חיצונית. עקום הקרינה המחושב של אנטנת הלולאה מוצג באיור 11.

5. השתנות פרמטר S11 של האנטנה כפונקציה של המרחק מהגוף
ההשתנות של עכבת המבוא של אנטנת המיקרוסטריפ כפונקציה של המרחק מהגוף חושבה באמצעות שימוש בתוכנת ADS. מבנה השכבות ששימש לחישוב S11 של האנטנה מוצג באיור 12. התכונות של רקמות גוף האדם מוצגות בטבלה 2, ראה [7]. בתכונות האלה השתמשנו בתכנון האנטנה. חושבו פרמטרי S11 עבור עוביים שונים של גוף האדם. נעיר שההבדלים בתוצאות של עובי גוף של 15 עד 100 מ”מ זניחים. חושבו פרמטרי S11 למיקום שונה של האנטנה יחסית לגוף האדם. אם מרווח האוויר בין האנטנה וגוף האדם גדל מ-0 מ”מ ל-10 מ”מ פרמטרי ה- S11 של האנטנה עשויים להשתנות בפחות מאחוז אחד. ה-VSWR של האנטנה טוב יותר מאשר 1.5:1.

 

6. יישומים של האנטנה המוצעת.
יישום של האנטנה המוצעת מוצג באיור 13. אפשר למקם את אנטנות ה- RFID בחגורת אנטנות. את חגורת האנטנות  ניתן לחבר באזור הבטן של הלקוח והגב. האנטנות יכולות לשמש כאנטנות שידור או קליטה. האנטנות יכולות לקלוט מידע או לשדר מידע למערכות רפואיות.
במערכות RFID המרחק בין האנטנה המשדרת והקולטת הוא פחות מ- 2D²/λ, כש- D הוא המידה הגדולה ביותר של האנטנה. האנטנה הקולטת והמשדרת מצומדות מגנטית. ביישומים האלה אנו מתייחסים לעקום הקרינה של השדה הקרוב ולא השדה הרחוק.
איור 14-15, מציגים אנטנות מודפסות קומפקטיות לשימושי RFID ניתן לחבר את האנטנות האלו בתוך חגורה המוצמדת לאזור הבטן או הגב של הלקוח

7. סיכום
מאמר זה מציג אנטנות מודפסות קומפקטיות רחבות פס ליישומי RFID. רוחב האלומה של האנטנה הוא בסביבות 160º. השבח של האנטנה בסביבות -10dBdBi. אפשר להשתמש באנטנות המוצעות כאנטנות לבישות על בני אדם או בעלי חיים.  אפשר לחבר את האנטנות המוצעות למכוניות, משאיות ועצמים שונים נוספים. אם מגדילים את מרווח האוויר בין האנטנה וגוף האדם מ- 0 מ”מ ל-10 מ”מ פרמטרי ה- S11 של האנטנה עשויים להשתנות בפחות מאחוז אחד. ה- VSWR טוב יותר מאשר 1.5:1 בכל הסביבות שנבדקו.

מקורות:
[1] J.R. James, P.S Hall and C. Wood, “Microstrip Antenna Theory and Design”,1981.
[2] A. Sabban and K.C. Gupta, “Characterization of Radiation Loss from Microstrip Discontinuities Using a Multiport Network Modeling Approach”, I.E.E.E Trans. on M.T.T, Vol. 39,No. 4,April 1991, pp. 705-712.
[3] A. Sabban,”A New Wideband Stacked Microstrip Antenna”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symp., Houston, Texas, U.S.A, June 1983.
[4] A. Sabban, E. Navon “A MM-Waves Microstrip Antenna Array”, I.E.E.E Symposium, Tel-Aviv, March 1983.
[5] R. Kastner, E. Heyman, A. Sabban, “Spectral Domain Iterative Analysis of Single and Double-Layered Microstrip Antennas Using the Conjugate Gradient Algorithm”, I.E.E.E Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 36, No. 9, Sept. 1988, pp. 1204-1212.
[6] A. Sabban, “Wideband Microstrip Antenna Arrays”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symposium MELCOM, Tel-Aviv,1981.
[7] A. Sabban, “Microstrip Antenna Arrays”, Microstrip Antennas, Nasimuddin Nasimuddin (Ed.), ISBN: 978-953-307-247-0, InTech, http://www.intechopen.com/articles/show/title/microstrip-antenna-arrays  , pp..361-384, 2011.
[8] Lawrence C. Chirwa*, Paul A. Hammond, Scott Roy, and David R. S. Cumming, “Electromagnetic Radiation from Ingested Sources in the Human Intestine between 150 MHz and 1.2 GHz”, IEEE Transaction on Biomedical eng., VOL. 50, NO. 4, April 2003, pp 484-492.
[9] D.Werber, A. Schwentner and E. M. Biebl, “Investigation of RF transmission properties of human tissues”, Adv. Radio Sci., 4, 357-360, 2006.
[10] Youbok Lee, “Antenna Circuit Design for RFID Applications”, Microchip Technology Inc., Microchip AN 710c.
ד”ר אלברט סבן, חבר בכיר ב-IEEE
המחלקה להנדסת אלקטרוניקה, מכללת אורט בראודה, כרמיאל.