Onderzoek naar UHF RFID-antenneontwerptechnologie

0 Voorwoord

De toepassing van RFID radiofrequentie-identificatietechnologie (Radio Frequency Identification, RFID) kent een lange geschiedenis. Het kan worden herleid tot het vliegtuigidentificatiesysteem dat werd gebruikt door de vliegtuigen van de Britse luchtmacht tijdens de Tweede Wereldoorlog. Onlangs is RFID radiofrequentie-identificatietechnologie op grote schaal gebruikt in itembeheer, voertuigpositionering en ondergrondse personeelspositionering. Deze technologie is een contactloze automatische identificatietechnologie, die radiofrequentiesignalen gebruikt om contactloze informatieoverdracht te bereiken via ruimtelijke koppeling (wisselend magnetisch veld of elektromagnetisch veld) en het doel van automatische identificatie bereikt via de verzonden informatie.

1 Overzicht van RFID-radiofrequentietechnologie

1.1 Basiscompositie van RFID-draadloos identificatiesysteem

Het RFID-draadloze identificatiesysteem bestaat voornamelijk uit RFID-elektronische tags, RFID-lezers, antennes en hostcomputerbeheersystemen. De informatie tussen de RFID-elektronische tag en de RFID-lezer wordt draadloos verzonden, dus er zitten draadloze transceivermodules en antennes (inductiespoelen) tussen. Het effectdiagram is weergegeven in Afbeelding 1.

Onderzoek naar UHF RFID-antenneontwerptechnologie

(1) RFID-elektronische tag (tag): RFID-elektronische tag is de gegevensdrager van het radiofrequentie-identificatiesysteem. Elke RFID elektronische tag bestaat uit koppelelementen en chips en heeft een unieke EPC (Electronic ProductCode) elektronische code, die aan het object is bevestigd om het doelobject te identificeren. Vergeleken met traditionele barcodes kunnen EPC-codes niet alleen een bepaald type product weergeven, maar ook specifiek zijn voor een bepaald product.

(2) RFID-lezer (lezer): De lezer is een apparaat dat elektronische tag-informatie kan lezen of schrijven. De basisfunctie is om gegevens met de tag te verzenden. Het kan worden ontworpen als een draagbare lezer of een vaste lezer.

(3) Antenne (antenne): verzendt radiofrequentiesignalen tussen de tag en de lezer.

1.2 Werkingsprincipe van RFID-systeem

Nadat de RFID-elektronische tag het magnetische veld betreedt dat door de RFID-lezer wordt uitgezonden, ontvangt deze het radiofrequentiesignaal dat door de lezer wordt verzonden en verzendt de productinformatie (passieve tag, passieve tag of passieve tag) die in de chip is opgeslagen op basis van de energie die wordt verkregen door de geïnduceerde stroom, of de tag verzendt actief een signaal van een bepaalde frequentie (actieve tag, actieve tag of actieve tag), en de decoder leest en decodeert de informatie en verzendt deze vervolgens naar het centrale informatiesysteem voor relevante gegevensverwerking. Het schematische diagram van het radiofrequentie-identificatieproces wordt weergegeven in Afbeelding 2.

2 Prestatie-index RFID-tagantenne

Het is niet moeilijk om uit het identificatieproces van het RFID-systeem te zien dat de antenne een belangrijke rol speelt als brug voor de RFID-lezer om radiofrequentiesignalen tussen de RFID-elektronische tag en de RFID-lezer te verzenden in het proces van het detecteren van de RFID-elektronische tag. De RFID-lezerantenne, De prestaties van de RFID-elektronische tagantenne zijn van groot belang om de prestaties van het gehele identificatiesysteem te verbeteren. Omdat de RFID-elektronische tag aan het gemarkeerde object is bevestigd, wordt de RFID-elektronische tagantenne beïnvloed door de vorm en fysieke kenmerken van het gemarkeerde object. Beïnvloedende factoren zijn onder meer het materiaal van het gemarkeerde object, de werkomgeving van het gemarkeerde item, enz. Bovendien wordt in het RFID-radiofrequentieapparaat, wanneer de werkfrequentie toeneemt tot het microgolfgebied, het aanpassingsprobleem tussen de antenne en de RFID-elektronische tagchip ernstiger. Deze factoren hebben hogere eisen gesteld aan het ontwerp van RFID-antennes voor elektronische tags, maar brachten ook grote uitdagingen met zich mee.

De antenne is een apparaat dat het vermogen van het front-end radiofrequentiesignaal ontvangt of uitstraalt in de vorm van elektromagnetische golven. Het is een apparaat op de interface tussen het circuit en de ruimte en wordt gebruikt om de energieomzetting tussen de geleide golf en de vrije ruimtegolf te realiseren. De huidige draadloze RFID-radiofrequentiesystemen zijn voornamelijk geconcentreerd in lage frequentie-, hoge frequentie-, ultrahoge frequentie- en microgolffrequentiebanden. De principes en ontwerpen van RFID-systeemantennes in verschillende werkfrequentiebanden zijn fundamenteel verschillend:

(1) Richtingskenmerken

De antennestraling is richtinggevend. De relatiecurve tussen de amplitude en de richting van de stralingn-veld wordt het richtingsdiagram genoemd, wat eigenlijk de relatiecurve is van de veldsterkte op een punt in elke richting van het verre veldveld in dezelfde richting. Het richtingsdiagram verwijst over het algemeen naar het genormaliseerde richtingsdiagram, dat wil zeggen de relatiecurve in dezelfde richting als de verhouding van de veldsterkte op een punt in elke richting van het verre veldveld tot het maximale veld op dezelfde afstand.

(2) Richtingscoëfficiënt

De richtingscoëfficiënt is een parameter die wordt gebruikt om aan te geven in welke mate de antenne elektromagnetische golven in een bepaalde richting uitstraalt. De richtingscoëfficiënt van elke richtingsantenne verwijst naar de verhouding van het totale stralingsvermogen van de niet-richtingsantenne tot het totale stralingsvermogen van de richtingsantenne onder de voorwaarde van gelijke elektrische veldsterkte op het ontvangstpunt. Volgens deze definitie varieert de richtingscoëfficiënt van de antenne ook met de positie van het observatiepunt, omdat de stralingsintensiteit van de richtingsantenne in alle richtingen varieert. In de richting waar het elektrische stralingsveld het grootst is, is de richtingscoëfficiënt ook het grootst. Over het algemeen is de richtingscoëfficiënt van een directionele antenne de richtingscoëfficiënt van de maximale stralingsrichting, dat wil zeggen dat op een bepaalde afstand van de antenne de stralingsvermogensfluxdichtheid Smax van de antenne in de maximale stralingsrichting hetzelfde is als die van een ideale niet-directionele antenne met hetzelfde stralingsvermogen. De verhouding van de stralingsvermogensfluxdichtheid So op dezelfde afstand wordt aangeduid als D.

(3) Antenne-efficiëntie

Antenne-efficiëntie is een index die wordt gebruikt om de effectiviteit van een antenne bij het omzetten van energie te meten. De antenne-efficiënties zijn allemaal kleiner dan 1, wat betekent dat een deel van het ingangsvermogen van de antenne wordt omgezet in uitgestraald vermogen en een deel daarvan verloren vermogen is. Antenne-efficiëntie wordt gedefinieerd als de verhouding van antennestralingsvermogen tot ingangsvermogen, aangeduid als ηA.

(4) Antenneversterking

De antennecoëfficiënt weerspiegelt alleen de meest geconcentreerde mate van de stralingsenergie van de antenne, en de antenneversterking weerspiegelt niet alleen het stralingsvermogen van de antenne, maar houdt ook rekening met de verliesfactor van de antenne. Onder de voorwaarde van hetzelfde ingangsvermogen wordt de verhouding van de uitgestraalde vermogensdichtheid S(θ, φ) van de directionele antenne in een bepaalde richting (θ, φ) in de ruimte tot de uitgestraalde vermogensdichtheid So van de verliesvrije puntbronantenne in deze richting de versterking van de antenne genoemd, aangeduid als G(θ, φ).

De versterkingscoëfficiënt is een parameter die de energieomzetting en richtingskarakteristieken van de grote lijn uitgebreid meet. Het is het product van de richtingscoëfficiënt en de antenne-efficiëntie, die wordt aangeduid als G, namelijk:

G=D·ηA

Voor UHF- en microgolf-RFID-radiofrequentie-identificatiesystemen is de versterking van de antenne beperkt vanwege het kleine oppervlak van de RFID-elektronische tagantenne. De hoeveelheid versterking is afhankelijk van het type antennestralingspatroon.

(5) Impedantiekarakteristieken

De ingangsimpedantie van een antenne kan worden uitgedrukt als de verhouding van spanning tot stroom bij het antennevoedingspunt, meestal als een functie van de frequentie. De impedantie van de RFID-antenne moet worden ontworpen om 50 Ω of 70 Ω te zijn om impedantieaanpassing met de conventionele feeder te bereiken. De RFID-antenne is equivalent aan de terminale belasting van de lezer en de uitvoer van de elektronische tag, en de ingangsimpedantie Zin wordt gedefinieerd als de verhouding van de antenne-ingangsspanning tot de ingangsstroom Io.

Het uitgestraalde vermogen P∑ van de RFID-antenne is equivalent aan het verlies in een equivalente impedantie. Deze equivalente impedantie wordt de stralingsimpedantie Z∑ genoemd,

3 Conclusie

Met de voortdurende verduidelijking van de toepassingsvereisten van RFID draadloze radiofrequentietechnologie en de voortdurende uitbreiding van het toepassingsgebied, is het ontwerp en onderzoek van de antenne als een belangrijk onderdeel van het RFID-systeem zeer urgent en dringend geworden. Antennetechnologie is een van de belangrijkste technologieën van het RFID-systeem en heeft theoretische betekenis en praktische waarde voor de volwassenheid en brede toepassing van RFID-technologie.