UHF RFID Anten Tasarım Teknolojisi Üzerine Araştırma

0 Önsöz

RFID radyo frekansı tanımlama teknolojisinin (Radio Frequency Identification, RFID) uygulanması uzun bir geçmişe sahiptir. İkinci Dünya Savaşı sırasında İngiliz Hava Kuvvetleri uçakları tarafından kullanılan uçak tanımlama sistemine kadar uzanmaktadır. Son zamanlarda, RFID radyo frekansı tanımlama teknolojisi, ürün yönetimi, araç konumlandırma ve yeraltı personel konumlandırmada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknoloji, uzaysal kuplaj (alternatif manyetik alan veya elektromanyetik alan) yoluyla temassız bilgi iletimi elde etmek için radyo frekansı sinyallerini kullanan ve iletilen bilgi yoluyla otomatik tanımlama amacına ulaşan temassız otomatik tanımlama teknolojisidir.

1 RFID radyo frekans teknolojisine genel bakış

1.1 RFID kablosuz tanımlama sisteminin temel yapısı

RFID kablosuz tanımlama sistemi esas olarak RFID elektronik etiketleri, RFID Okuyucuları, antenler ve ana bilgisayar yönetim sistemlerinden oluşur. RFID elektronik etiketi ile RFID okuyucusu arasındaki bilgi kablosuz olarak iletilir, bu nedenle aralarında kablosuz alıcı-verici modülleri ve antenler (indüksiyon bobinleri) bulunur. Etki diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir.

UHF RFID Anten Tasarım Teknolojisi Üzerine Araştırma

(1) RFID elektronik etiketi (Tag): RFID elektronik etiketi, radyo frekansı tanımlama sisteminin veri taşıyıcısıdır. Bağlantı elemanları ve çiplerden oluşan her RFID elektronik etiketi, hedef nesneyi tanımlamak için nesneye eklenen benzersiz bir EPC (Elektronik Ürün Kodu) elektronik koduna sahiptir. Geleneksel barkodlarla karşılaştırıldığında, EPC kodları yalnızca belirli bir ürün türünü yansıtmakla kalmaz, aynı zamanda belirli bir ürüne özgü de olabilir.

(2) RFID okuyucu (Okuyucu): Okuyucu, elektronik etiket bilgilerini okuyabilen veya yazabilen bir cihazdır. Temel işlevi, etiketle veri iletmektir. El tipi okuyucu veya sabit okuyucu olarak tasarlanabilir.

(3) Anten (Anten): etiket ve okuyucu arasında radyo frekansı sinyalleri iletir.

1.2 RFID sisteminin çalışma prensibi

RFID elektronik etiketi, RFID okuyucunun yaydığı manyetik alana girdikten sonra, okuyucunun gönderdiği radyo frekansı sinyalini alır ve indüklenen akımla elde edilen enerji sayesinde çipte depolanan ürün bilgilerini (Pasif Etiket, pasif etiket veya pasif etiket) dışarı gönderir veya Etiket, belirli bir frekansta aktif olarak bir sinyal gönderir (Aktif Etiket, aktif etiket veya aktif etiket) ve kod çözücü bilgileri okur ve kodunu çözer ve ardından ilgili veri işleme için merkezi bilgi sistemine gönderir. Radyo frekansı tanımlama sürecinin şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmiştir.

2 RFID etiket anteni performans endeksi

RFID sisteminin tanımlama sürecinden, antenin RFID elektronik etiketini algılama sürecinde RFID elektronik etiketi ile RFID okuyucusu arasında radyo frekansı sinyallerini iletmek için bir köprü görevi görerek önemli bir rol oynadığını görmek zor değildir. RFID okuyucu anteni, RFID elektronik etiket anteninin performansı, tüm tanımlama sisteminin performansını iyileştirmek için büyük önem taşımaktadır. RFID elektronik etiketi işaretli nesneye tutturulduğundan, RFID elektronik etiket anteni işaretli nesnenin şekli ve fiziksel özelliklerinden etkilenecektir. Etki eden faktörler arasında işaretli nesnenin malzemesi, işaretli öğenin çalışma ortamı vb. yer alır. Ayrıca, RFID radyo frekansı cihazında, çalışma frekansı mikrodalga bölgesine yükseldiğinde, anten ile RFID elektronik etiket çipi arasındaki eşleşme sorunu daha da ciddi hale gelir. Bu faktörler RFID elektronik etiket antenlerinin tasarımı için daha yüksek gereksinimler ortaya koymuş, ancak aynı zamanda büyük zorluklar da getirmiştir.

Anten, ön uç radyo frekans sinyalinin gücünü elektromanyetik dalgalar biçiminde alan veya yayan bir cihazdır. Devre ile uzay arasındaki arayüzde bulunan bir cihazdır ve yönlendirilmiş dalga ile serbest uzay dalgası arasındaki enerji dönüşümünü gerçekleştirmek için kullanılır. Mevcut RFID kablosuz radyo frekans sistemleri esas olarak düşük frekans, yüksek frekans, ultra yüksek frekans ve mikrodalga frekans bantlarında yoğunlaşmıştır. Farklı çalışma frekans bantlarındaki RFID sistem antenlerinin prensipleri ve tasarımları temelde farklıdır:

(1) Yön özellikleri

Anten radyasyonu yönlüdür. Radyasyonun genliği ile yönü arasındaki ilişki eğrisin alanı, aslında uzak alan alanının aynı yöndeki herhangi bir noktasındaki alan şiddetinin ilişki eğrisi olan yön diyagramı olarak adlandırılır. Yön diyagramı genellikle normalize edilmiş yön diyagramına, yani uzak alan alanının herhangi bir noktasındaki alan şiddetinin aynı mesafedeki maksimum alana oranı ile aynı yöndeki ilişki eğrisine atıfta bulunur.

(2) Yönlendirme katsayısı

Yönlendirme katsayısı, antenin belirli bir yönde elektromanyetik dalgaları ne ölçüde yaydığını belirtmek için kullanılan bir parametredir. Herhangi bir yönlü antenin yönlendirme katsayısı, yönsüz antenin toplam radyasyon gücünün, alıcı noktada eşit elektrik alan şiddeti koşulu altında yönlü antenin toplam radyasyon gücüne oranını ifade eder. Bu tanıma göre, yönlü antenin radyasyon yoğunluğu her yöne değiştiğinden, antenin yönlülük katsayısı da gözlem noktasının konumuna göre değişir. Radyasyon elektrik alanının en büyük olduğu yönde, yönlülük katsayısı da en büyüktür. Genel olarak, yönlü bir antenin yönlülük katsayısı, maksimum radyasyon yönünün yönlülük katsayısıdır, yani antenden belirli bir mesafede, antenin maksimum radyasyon yönündeki radyasyon güç akısı yoğunluğu Smax, aynı radyasyon gücüne sahip ideal bir yönsüz anteninkiyle aynıdır. Radyasyon güç akısı yoğunluğunun oranı Yani aynı mesafede D olarak gösterilir.

(3) Anten verimliliği

Anten verimliliği, bir antenin enerjiyi dönüştürmedeki etkinliğini ölçmek için kullanılan bir endekstir. Anten verimlilikleri 1'den azdır, bu da antenin giriş gücünün bir kısmının yayılan güce, bir kısmının da kaybolan güce dönüştürüldüğü anlamına gelir. Anten verimliliği, anten radyasyon gücünün giriş gücüne oranı olarak tanımlanır ve ηA olarak gösterilir.

(4) Anten kazancı

Anten katsayısı yalnızca anten radyasyon enerjisinin en yoğun derecesini yansıtır ve anten kazancı yalnızca antenin radyasyon kapasitesini yansıtmaz, aynı zamanda antenin kayıp faktörünü de dikkate alır. Aynı giriş gücü koşulu altında, uzayda belirli bir yöndeki (θ, φ) yönlü antenin yayılan güç yoğunluğunun S(θ, φ) bu yöndeki kayıpsız nokta kaynak anteninin yayılan güç yoğunluğu So'ya oranına antenin Kazancı denir ve G(θ, φ) olarak gösterilir.

Kazanç katsayısı, büyük hattın enerji dönüşümünü ve yön özelliklerini kapsamlı bir şekilde ölçen bir parametredir. Yönlülük katsayısının ve anten verimliliğinin ürünüdür ve G olarak gösterilir, yani:

G=D·ηA

UHF ve mikrodalga RFID radyo frekansı tanımlama sistemleri için, antenin kazancı, RFID elektronik etiket anteninin küçük alanı nedeniyle sınırlıdır. Kazanç miktarı, anten radyasyon deseninin türüne bağlıdır.

(5) Empedans özellikleri

Bir antenin giriş empedansı, genellikle frekansın bir fonksiyonu olarak, anten besleme noktasındaki voltaj/akım oranı olarak ifade edilebilir. RFID Anteninin empedansı, geleneksel besleyici ile empedans uyumu sağlamak için 50 Ω veya 70 Ω olacak şekilde tasarlanmalıdır. RFID anteni, okuyucunun terminal yüküne ve elektronik etiketin çıkışına eşdeğerdir ve giriş empedansı Zin, anten giriş voltajının giriş akımı Io'ya oranı olarak tanımlanır.

RFID anteninin yayılan gücü P∑, eşdeğer empedanstaki kayba eşdeğerdir. Bu eşdeğer empedansa radyasyon empedansı Z∑ denir,

3 Sonuç

RFID kablosuz radyo frekans teknolojisinin uygulama gereksinimlerinin sürekli olarak netleştirilmesi ve uygulama alanının sürekli olarak genişlemesiyle, antenin RFID sisteminin temel bir bileşeni olarak tasarımı ve araştırması çok acil ve acil hale gelmiştir. Anten teknolojisi, RFID sisteminin temel teknolojilerinden biridir ve RFID teknolojisinin olgunluğu ve yaygın uygulaması için teorik öneme ve pratik değere sahiptir.