sommario
Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId conaccoppiamento magnetico.
Marano Barbaro
Universita degli Studi di Cataniahttp://www.unict.it
28 luglio 2009
Marano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.
sommario
Sommario
1 Introduzione
2 Stato dell’Arte
3 Progetto Sviluppato
4 Prestazioni ottenute del Sistema complessivo.
Marano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.
Introduzione
Parte I
Introduzione
Marano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.
Introduzione
Panoramica sugli RFIdIl sistema RFIdTipologie di RFIdNormative USA - EU
RFId: Termine ed utilizzo
Il termine RFId, e l’acronimo di Radio Frequency IDentification.
(a) IFF: Identification Friend and Foe (b) Telepass c©
Figura: Applicazioni note della tecnologia RFId
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Introduzione
Panoramica sugli RFIdIl sistema RFIdTipologie di RFIdNormative USA - EU
Il Reader e il Tag
RFID reader
Application
Data
Energy
ClockContactless
data carrier =transponder
Coupling element(coil, microwave antenna)
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Introduzione
Panoramica sugli RFIdIl sistema RFIdTipologie di RFIdNormative USA - EU
Near-Field , Far-Field
LF = 13.56 MHz
UHF = 850 - 950 MHzuW = 2.4 GHz - 5.4 GHz
Reading Range = 10 cm
Reading Range = 7 m
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Introduzione
Panoramica sugli RFIdIl sistema RFIdTipologie di RFIdNormative USA - EU
Worldwide Frequency Regulamentation
Europa: 3.8 W EIRP; 2 MHz di Banda; 10 canali da 200 KHz .Stati Uniti: 4 W EIRP; 26 MHz di Banda; 63 canali da 400 KHz ;
Figura: Frequenze Operative RFId nel mondoMarano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.
Stato dell’Arte
Parte II
Stato dell’Arte
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Stato dell’Arte
Il dipolo come antenna del TagRiduzione della lunghezza del bipolo: MeanderingRiduzione della lunghezza del bipolo: Tip-LoadingFormule di progetto: Formula di Friis.Formule di progetto: Coefficiente “Tao”.
Il dipolo come antenna del Tag
Ogni antenna far-field UHF per RFId si rifa al dipolo.
dA(r )4
J(r )3
J(r )2
J(r )1
λ/2L=
Zsource
X 0ant
60 nH
73
0.5 fF
Ω
'
V
A(r2) = µ04π
∫v
J(r1)e−jωr12
r12dv
H = 1µ0∇× A
E = −∇φ− jωA
PROBLEMA: Un dipolo a λ/2 alla frequenza di 900 MHz e lungo ' 16 cm.
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Stato dell’Arte
Il dipolo come antenna del TagRiduzione della lunghezza del bipolo: MeanderingRiduzione della lunghezza del bipolo: Tip-LoadingFormule di progetto: Formula di Friis.Formule di progetto: Coefficiente “Tao”.
Riduzione della lunghezza del bipolo: Meandering
λ/2L<
Zsource
X 0ant
40 nH
50
0.25 fF
Ω
'
V
dA(r )4
J(r )3
J(r )2
J(r )1
Il ripiegamento dei bracci dei bipolo comporta una fris piu bassa.Aumentare la lunghezza complessiva del conduttore ristabilisce la fris .
18 cm 15 cm
9.6 cm
IC
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Stato dell’Arte
Il dipolo come antenna del TagRiduzione della lunghezza del bipolo: MeanderingRiduzione della lunghezza del bipolo: Tip-LoadingFormule di progetto: Formula di Friis.Formule di progetto: Coefficiente “Tao”.
Riduzione della lunghezza del bipolo: Tip-Loading
E possibile ridurre l’ingombro riducendo la lunghezza del conduttore.Questo comporta un aumento di fris che puo essere ristabilita aumentando ilcontributo capacitivo.
dA(r )4
J(r )2
J(r )1
λ/2
Zsource
X 0ant
40 nH
20
1.5 pF
Ω
V
L<
f =1
2π√
LC(1)
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Stato dell’Arte
Il dipolo come antenna del TagRiduzione della lunghezza del bipolo: MeanderingRiduzione della lunghezza del bipolo: Tip-LoadingFormule di progetto: Formula di Friis.Formule di progetto: Coefficiente “Tao”.
Formula di Friis.
PTGT x
(λ
4πR
)2
x GR = PR
RPT
GRGT
G i=
1
Rmax =λ
4π
√PTMAX
PRMIN
GTGR (2)
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Stato dell’Arte
Il dipolo come antenna del TagRiduzione della lunghezza del bipolo: MeanderingRiduzione della lunghezza del bipolo: Tip-LoadingFormule di progetto: Formula di Friis.Formule di progetto: Coefficiente “Tao”.
Coefficiente di trasmissione di potenza.
R
XX
RV
Vload
load
load
ant
ant
oc
τ(f ) =Pload(f )
PFriis=
|Vg |2Rload
2|Zant (f )+Zload (f )|2
|Vg |2
8Rload
= 4RloadRant
|Zant + Zload |2(3)
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Progetto Sviluppato
Parte III
Progetto Sviluppato
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Progetto SviluppatoSchema a blocchi.Progettazione Stadio Near-FieldProgettazione Stadio Far-Field
Schema a blocchi.
Antenna Far-Field
Tag Completo
Accoppiamento elettromagnetico
Tag Completo
Accoppiamento elettromagnetico
IC
Antenna Far-Field
IC
Struttura da progettare
Configurazione Tradizionale
Soluzione Proposta
Primario
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Minore complessità realizzativa
-Robustezza meccanica-Resa Maggiore-Affidabilità;
-Minor Costo
Progetto SviluppatoSchema a blocchi.Progettazione Stadio Near-FieldProgettazione Stadio Far-Field
Progettazione Stadio Near-Field
(a) Stadio near-field iniziale. (b) Spira quadrata con die capovolto.
Figura: Stadio near-field ottimizzato per aumentare il coefficiente di accoppiamento.
ZPrimario = 13 + j5Ω @ 900 MHz L = 1.6 nH
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Progetto SviluppatoSchema a blocchi.Progettazione Stadio Near-FieldProgettazione Stadio Far-Field
Progettazione Stadio Far-Field
(a) BowTie - STD (b) BowTie - LINE
(c) BowTie - MEANDERED (d) BowTie - FINAL
Figura: Geometrie di antenne far-field studiate.Marano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.
Progetto SviluppatoSchema a blocchi.Progettazione Stadio Near-FieldProgettazione Stadio Far-Field
Modello 3D complessivo
Figura: Modello 3D della struttura complessiva.
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Prestazioni Ottenute
Parte IV
Sistema Complessivo
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Prestazioni OttenuteDiagramma di radiazione antennaCoefficiente di trasferimento di potenzaSistema Complessivo.
Diagramma di radiazione antenna
0.5
1
1.5
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
0.5
1
1.5
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Angolo [°]
Gua
dagn
o
Dpeak Gpeak η rad
163. .173 91%
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Prestazioni OttenuteDiagramma di radiazione antennaCoefficiente di trasferimento di potenzaSistema Complessivo.
Coefficiente di trasferimento di potenza
0.85 0.87 0.89 0.91 0.93 0.95
0.4
0.6
0.8
1
freq [GHz]
Co
eff
icie
nte
di t
rasf
erim
en
to d
i po
ten
za
0.85 0.87 0.89 0.91 0.93 0.95
0.4
0.6
0.8
1
freq [GHz]
Co
eff
icie
nte
di t
rasf
erim
en
to d
i po
ten
za
(0.9,0.99116)
Il trasferimento di potenza tra sorgente e carico si ha con una efficienzasuperiore al 90% su tutto il range 865 - 928 MHz (Bande Europee e Statunitense)
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Prestazioni OttenuteDiagramma di radiazione antennaCoefficiente di trasferimento di potenzaSistema Complessivo.
Sistema Complessivo.
Figura: Antenna Bow-Tie realizzata.
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Prestazioni OttenuteDiagramma di radiazione antennaCoefficiente di trasferimento di potenzaSistema Complessivo.
Conclusioni
E stata progettata un’antenna far-field per un Tag UHF,accoppiata magneticamente al circuito integrato. Il guadagnomassimo ottenuto e di 1.73 dBi . Il matching a larga bandaottenuto permette un trasferimento di potenza con un’efficienzasuperiore al 90 % per tutto il range di interesse. Il reading-rangemassimo teorico e di 7 m.
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Prestazioni OttenuteDiagramma di radiazione antennaCoefficiente di trasferimento di potenzaSistema Complessivo.
Ringraziamenti
Grazie per l’attenzione
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