Туральчук П А, Холодняк Д В, Вендік І Б Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет «ЛЕТІ» Санкт-Петербург, 197376, Росія e-mail: D VKholodnyal < @ mail. eltech.ru Михайлов А. Б., Дудників С. Ю. ТОВ «Аеро солюшенз» Санкт-Петербург, 199155, Росія e-mail: sd@aerosolutions.ru

Анотація – Запропоновано оригінальну конструкція всенаправленной тривимірної антени пасивної СВЧ-мітки для радіочастотної ідентифікації Перевагою такої мітки є можливість зчитування ідентифікаційної інформації не залежно від орієнтації мітки по відношенню до двох антен зчитувача з взаємоортогональних поляризациями

I                                       Введення

Технологія радіочастотної ідентифікації (Radio Frequency Identification – RFID) [1] служить для автоматичної ідентифікації обєктів за допомогою електромагнітної взаємодії між приемопередающей базової станцією (зчитувачем) і розміщеними на обєктах радіочастотними мітками (транспондерами), в яких записана ідентифікаційна інформація Бистроразвівающейся-щаяся технологія RFID успішно застосовується в Як альтернатива штрихового кодування в промисловості, торгівлі, сфері обслуговування, для контролю доступу, у транспортній та скпадской логістиці і т д Основними перевагами RFID є: відсутність необхідності прямої видимості мітки, можливість ідентифікації декількох обєктів одночасно і більш висока швидкість зчитування інформації

Пасивна мітка для RFID складається з антени і інтегральної схеми (ІС), для живлення якої використовується енергія прийнятого антеною сигналу Мітка модулює відбитий сигнал, змінюючи вхідний імпеданс ІС, а, отже, і узгодження з нею антени між двома станами, відповідно до записаної в ІС унікальною кодової послідовністю [2]

Оскільки «непрочитані» мітки можуть бути причиною серйозних матеріальних втрат або перешкоди, необхідна 100% гарантія того, що ідентифікаційний код мітки буде лічений З цієї точки зору особливого значення набуває спрямованість антени мітки, яка визначає її орієнтаційну чутливість Переважно використовувати всенаправлені антени

Антени міток СВЧ-діапазону, доступних сьогодні на комерційному ринку, являють собою різні модифікації планарного півхвильового диполя У діаграмі спрямованості таких антен є нулі, т до уздовж своєї осі диполь не випромінює Мітка в загальному випадку може бути орієнтована по відношенню до антен зчитувача довільним чином, тому при використанні в якості антени планарного диполя можлива ситуація, коли мітка «не відповідає» і, відповідно, ідентифікації обєкта не відбувається На практиці з цим борються шляхом непаралельними розміщення антен зчитувача, що, однак, не завжди є вирішенням проблеми Для рухомих обєктів зберігається ймовірність того, що в кожен момент часу мітка буде перебувати в «нечитабельним» положенні по відношенню до активної в цей момент антені зчитувача

У даній роботі запропонована оригінальна конструкція тривимірної антени для пасивної мітки, що працює в діапазоні 866-869 МГц Антена є просторовий диполь, плечі якого розташовуються в трьох попарно-непараллель-них площинах З точки зору діаграми спрямованості для двох взаємно-ортогональних поляризацій така тривимірна антена близька до всенаправленной, т до мінімумів однієї поляризації відповідають максимуми інший На відміну від традиційних міток на основі планарного диполя, використання тривимірної СВЧ-мітки в поєднанні з двома зчитувальними антенами з взаємно-ортогональними поляризациями гарантує ідентифікацію рухомих обєктів незалежно від орієнтації мітки по відношенню до антен зчитувача

Рис 1 Конструкція тривимірної СВЧ-мітки для RFID: розгортка антени на площині (а), розміщення мітки на розі коробки (Ь) і фотографія першого експериментального зразка мітки (с)

Fig 1 Design of 3D UI4F tag for RFiD: the antenna ioft (a), tag placement on a cardboard box corner (b), and photograph of the first experimentai prototype of the tag (c)

Рис 2 Частотна залежність імпедансу тривимірної антени для різних значень кута а (а) і узгодження антени з вхідним імпедансом ІС при а = 12 ° (Ь)

Fig 2 Frequency dependence ofthe 3D antenna impedance for different values ofthe angle a (a) and matching ofthe

antenna with ASIC input impedance for a = 12° (b)

II Конструкція тривимірної мітки

Конструкція тривимірної СВЧ-мітки для RFID лредставлена ​​на Рис 1 [3] Мітка виготовляється в лланарном іслолненіі у вигляді розгортки, зображеної на Рис 1, а, ло тією ж технологією, що і традиційні мітки Призначена для застосувань в складській логістиці мітка стає тривимірної лрі її розміщенні на обєкті (на розі коробки), як показано на Рис 1, Ь Плечі просторового диполя розташовуються на трьох сторонах коробки, тобто в трьох попарно-непаралельних площинах

Антена мітки була розроблена для використання з ІС Philips ЕРС 119 G2 в корпусі TSSOP-8, що має вхідний імпеданс Z \ = 12-J422 Ом ІС підключається безпосередньо до висновків антени без використання додаткових узгоджувальних ланцюгів Комплексне узгодження антени з вхідним імпедансом ІС досягається вибором взаємного розташування плечей антени (кут а на Рис 1, а) Частотні залежності речовій та уявної частин імпедансу антени для різних значень кута а, отримані за допомогою електродинамічного моделювання, наведені на Рис 2, а

Зміна електромагнітного звязку між плечима антени змінює і форму діаграми спрямованості Оптимальне значення кута а визначається, виходячи з допустимого неузгодженості і спрямованих властивостей антени У нашому випадку оптимальний кут між плечима антени склав 12 °,

при цьому на центральній частоті імпеданс антени дорівнює Za = 20 + J422 Ом, що забезпечує в робочій смузі частот (868-869 МГц) узгодження антени з ІС з коефіцієнтом відображення не гірше, ніж -10 дБ (Мал 2, Ь)

Діаграма спрямованості розробленої тривимірної антени представлена ​​на Рис 3 в порівнянні з діаграмою спрямованості планарного півхвильового диполя в різних площинах Завдяки тому, що мінімумам однієї поляризації в діаграмі спрямованості тривимірної антени відповідають максимуми ортогональної поляризації, досягається інваріантність мітки до орієнтації в просторі Використання двох зчитувальних антен з взаємно-ортогональними поляризациями дозволяє ідентифікувати таку мітку незалежно від її орієнтації

Оскільки чутливість приймача зчитувача вище чутливості мітки [2], максимальна дистанція зчитування – гранична відстань, на якому можливе зчитування ідентифікаційного коду, визначається пороговим рівнем потужності, необхідним для включення ІС мітки

Взаємодія зчитувача з тривимірною міткою досліджувався за допомогою електродинамічного моделювання та експериментально Моделювалася ситуація, наближена до реальної (Мал 4, а) Визначався коефіцієнт передачі потужності від спрямованої антени зчитувача з подвійною поляризацією і посиленням 65 дБ до трьох

Рис 3 Діаграми спрямованості тривимірної антени (суцільні лінії) і планарного диполя (пунктир) Fig 3 Radiation patterns of the 3D antenna (solid lines) and a planar dipole (dashed lines) in E-plane and H-plane

Рис 4 Модель для дослідження взаємодії зчитувача з міткою при її різної орієнтації (а) і отримана залежність коефіцієнта передачі від частоти (Ь)

Fig 4 А model to investigate tag readability for different orientations (a) and simulated transmission coefficient as a function of frequency (b)

мірної мітці, що розташовується під різними кутами на відстані 2 м Коробка з тривимірною міткою поверталася на 360 ° навколо кожної з трьох осей з малим кроком У робочій смузі частот значення коефіцієнта передачі для різних орієнтацій змінювалося в межах від -40 дБ до – 45 дБ (Мал 4, Ь) Таким чином, при певній стандартом RFID випромінюваної потужності в 2 Вт потужність, одержувана ІС мітки становить від 200 мкВт до 60 мкВт Для ІС Philips ЕРС 119 G2 поріг вкпюченія становить -30 мкВт, що для даних умов відповідає коефіцієнту передачі ^ 8 дБ (пунктир на Рис 4, Ь) Для порівняння на Рис 4, Ь також наведені частотні залежності коефіцієнта передачі для звичайного планарного диполя в «читається» і «не читається» положеннях

Експериментальне дослідження розробленої тривимірної мітки підтвердило її працездатність на відстані в 2 м при будь-якому положенні по відношенню до двох антен з круговою поляризацією

III Висновок

Запропонована СВЧ-мітка для RFID, инвариантна до орієнтації в просторі, завдяки тривимірної антені, яка є всенаправленной за сукупністю двох взаємно-ортогональних поляризацій Використання тривимірної мітки гарантує ідентифікацію обєкта при будь-якої орієнтації мітки по відношенню до антен зчитувача Дистанція зчитування становить два метри, що є стандартом для застосувань RFID в складської логістики

IV                            Список літератури

[1] к FInkenzeller, RFID Handbook: Radio-Frequency Identification Fundamentals and Applications, Wiley, 2nd edition, 2004

[2]  K V S Rao, P V Nikitin, and S F Lam, «Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application», IEEE Trans Antennas Propag, Vol 53, No 12, pp 3870- 3876, 2005

[3]  S Yu Dudnikov, A B Mikhailov, D V Kholodnyak, and P A Turalchuk, Patent No 49319, June, 2005 (in Russian)

3D RFID TAG INVARIANT TO ITS ORIENTATION

P A Turalchuk, D V Kholodnyak, I B Vendik

St Petersburg Electrotechnical University «LETI»

St Petersburg, 197376, Russia e-mail: D VKholodnyak@mail eltechru A B Mikhailov, S Yu Dudnikov Aero Solutions LLC St Petersburg, 199155, Russia e-mail: sd@aerosolutionsru

Abstract-An original design of omnidirectional 3D antenna for passive UHF RFID tag is proposed An advantage of such a tag is the ability to be read independently on tag orientation with respect to two reader antennas with orthogonal polarizations

I                                      Introduction

Radio frequency identification (RFID) is of a great practical interest for various fields of industry, trade and transport services, especially to provide tracking and tracing of moving objects [1], [2] Since an unread RFID tag may cause significant economic loss or security threat, 100 % readability is required A tag can be oriented arbitrary with respect to reader antenna and, therefore, must be readable in any position From this point of view omnidirectional antennas are preferable for RFID tags In this paper we present original design of omnidirectional 3D antenna for passive RFID tags operating in the frequency range 866-869 MHz The antenna is a folded dipole, whose arms are situated on three non-parallel planes

II                                     3D Tag Design

Design of 3D RFID tag is presented in Fig 1 [3] The tag is fabricated as a planar structure, whose loft is shown in Fig 1, a The tag becomes three-dimensional when being placed onto object (cardboard box) in such a way that the antenna arms are situated on three non-parallel planes as illustrated in Fig 1, b

The tag antenna was designed for application specific integrated circuit (ASIC) Philips EPC 119 G2 in TSSOP-8 package with the input impedance Zi„ = 12-j422 Ohm The necessary complex conjugate matching is provided by adjustment of the angle a between the antenna arms (see Fig 1, a) With a = 12°, the antenna impedance Za = 20+j422 Ohm is obtained at the central frequency that provides in the operating frequency range the reflection coefficient not worse than -12 dB (Fig 2)

Radiation patterns ofthe 3D antenna developed and a simple planar dipole are presented in a comparison in Fig 3 The 3D antenna is near omnidirectional because the minima for one polarization correspond to the maxima for the orthogonal polarization As a result an RFID tag using the 3D antenna is invariant to its orientation with respect to reader antennas with two orthogonal polarizations

Because reader sensitivity is typically high in comparison with tag [2], the read-range is determined by a minimum threshold power of the ASIC In order to investigate readability of the 3D tag for different orientations, an electromagnetic simulation of power transmission from the dual-polarization reader antenna with the gain of 65 dBi to the 3D tag antenna placed at the distance of 2 meters (Fig 4, a) was carried out

The simulation revealed that for all orientations of the 3D tag the transmission coefficient in the operating bandwidth varies from -40 dB to -45 dB (Fig 4, b) If the effective radiated power of the reader antenna is 2 W, the power received by the tag antenna is between 200 μW and 60 μW that exceeds the minimum threshold power ofthe ASIC used (30 μW)

The experimental investigation of the developed 3D tag confirmed its ability to be read at the distance of 2 meters in any orientation with respect to two reader antennas with circular polarization

III                                        Conclusion

The proposed UHF RFID tag is invariant to its orientation due to the 3D antenna, which is omnidirectional by a sum of two orthogonal polarizations Using the 3D RFID tag provides reliable identification independently on its orientation with respect to dual polarization reader antenna The read-range of the 3D RFID tag was estimated as 2 meters

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р