Fundamentos de Antenas para Tecnologia RFID

Prof. Dr. Carlos Fernando Jungcarlosfernandojung@gmail.com

Material Didático de Apoio

http://polovp.faccat.br

Atualizado 2014

O Que é RFID

RFID é a denominação dada a Radio Frequency Identification ou

Identificação por Radiofrequência

Algumas Aplicações

Qual a Importância de se Estudar Antenas e Transmissão e

Recepção de Ondas Eletromagnéticas em Sistemas

com Tecnologia RFID?

InterferênciaExterna (própria)

InterferênciaInterna (própria)

InterferênciaExterna (terceiros)

Várias Posições da TAG no Produto

PolarizaçãoHorizontal

PolarizaçãoVertical

Intermodulação dos Sinais das

TAG’sIntensidade dos Sinais

Área de Cobertura(Posição/Polarização)

Leitura deVárias TAG’s

Leitura deUma TAG

Distância da Antena aEstruturas (Reatância)

Contato da TAG emVários Tipos de

Materiais

Fundamentos

Osciladores

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quartz_Br%C3%A9sil.jpg

Cristal

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quartz_Br%C3%A9sil.jpg

Cristal Oscilador

http://www.ecliptek.com/tech/spurmodes.html

Oscilador Eletrônico a Cristal

Oscilador Eletrônico a Cristal

Microprocessor Oscillator

Pierce Crystal Oscillator

Cristal Oscilador

http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.htmlReceptor 433 MHz

Oscilador Eletrônico

Esse circuito é um oscilador de onda senoidal que usa amplificadores operacionais que trabalham com realimentação (feedback positivo)

http://blog.novaeletronica.com.br/circuito-oscilador-de-onda-senoidal/

Ponte Wien

Onda Senoidal

http://www.mitecnologico.com/Main/CaracteristicasOndaSenoidal

Representação Fasorial de uma Onda Senoidal

Frequência / Amplitude / Fase

http://hudlac.files.wordpress.com/2009/06/ondas-freq-amp-fase.png

Ondas Eletromagnéticas

Algumas Aplicações

Campo Magnético

http://educacao.uol.com.br/fisica/campo-magnetico-lei-de-ampere.jhtm

http://robsonmagno.wordpress.com/2011/03/10/historia-do-eletromanetismo/

Corrente Elétrica

Campo Magnético

http://sites.google.com/site/medea2010esdmibeja/maxwelianos/maxewell-e-as-ondas-electromagneticas

Espectro Eletromagnético

Espectro Eletromagnético

Espectro Eletromagnético

Espectro Eletromagnético

http://www.rfid-handbook.de/rfid/5_RFID-frequencies.gif

Espectro Eletromagnético (RFID)

Antenas

Como Funciona uma Lâmpada

Como Funciona uma Lâmpada

Lâmpada

FilamentoRede 220V 60 HZ

Fase

Neutro

Condutor Elétrico (Condutor Bifilar)

Circulação de Corrente Elétrica

Como Funciona uma Antena

Como Funciona uma Antena

Sinal do Transmissor

Cabo CoaxialCondutor 1

Condutor 2

Dipolo Real

Cabo Coaxial +

-

Campo Elétrico

Irradiação

http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html

Campo Magnético

Sinal do Transmissor

Como Funciona uma Antena

Irradiação do Dipolo

Irradiação 0,5

http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html

Diagramas de Irradiação

Diagramas de Irradiação

Simulation of Mobile Phone Antenna Performance

http://www.cst.com/Content/Applications/Article/Simulation+of+Mobile+Phone+Antenna+Performance

Ganho de Irradiação da Antena

Dipolo de Meia Onda Dipolo de Meia Onda

Ganho de Irradiação da Antena

http://www.zcg.com.au/digital-radio-broadcast-antennas.html

O ganho de uma antena é medido em dBd, sendo sua unidade padrão de referência para

comparação 0 dBd(Ganho em relação a um Dipolo de Meia Onda)

Ganho de Irradiação da Antena

Dipolo de Meia Onda Antena sob Teste

http://www.zcg.com.au/digital-radio-broadcast-antennas.html

O valor em dBd expressa o ganho de sinal da antena testada quando comparado com o sinal de uma antena dipolo ½ , colocada no mesmo lugar

Antena P2

Antena X

A Antena P1 recebeumais ou menos sinal da Antena X em

relação a Antena P2, com a mesma potênciaaplicada as Antenas X e P2

Antena P1

Análise Comparativa

Ganho da Antena

Defini-se a potência, por exemplo, através da seguinte expressão matemática:

dB = 10 log P2 / P1

P2 = valor medidoP1 = valor de referência

O decibel é uma medida que expressa a comparação entre dois valores de uma mesma grandeza.

0 dB = 10 x log (1) ÷ (1) sendo que log 1÷1 = 0

Conversões (Ganho Antena)

Conversão para dBi (Ganho em dBd + 2.15)

Conversão para dBd (Ganho em dBi - 2.15)

Antena Isotrópica (dBi) Antena Dipolo (dBd)

Lóbulo de Irradiação

Lóbulo de Irradiação

Antena Direcional

Polarização da Antena

Polarização Vertical e Horizontal

Polarização Vertical

Polarização Horizontal

http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html

Polarização Circular

http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization

Impedância da Antena

No centro a corrente é máxima e a tensão é mínima. O dipolo é equivalente a um circuito ressonante RLC série

Na ressonância, as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam e, portanto, a impedância é puramente resistiva.

Para dipolos de meia onda, a impedância na frequência de ressonância é aproximadamente 72 ohms (75)

http://www.mspc.eng.br/eletrn/antena110.shtml

A impedância complexa é

a impedância composta

de resistência pura

e reatância, podendo

portanto ser expressa por

uma quantidade complexa

da forma R +jX, ou R -jX.

A relação entre impedância,

resistência e reatância é

dada por:

Onde: Z é a impedância em ohms; R é

a resistência em ohms; X é a reatância

em ohms.

Z = R + jX

http://pages.intnet.mu/ingepru/antenna.htm

Tipos de Antenas

Tipos de Antenas

Embora existam muitos modelos de antenas, os tipos são basicamente três:

Direcional

Semi Direcional / Setorial

Onidirecional

Antena Direcional

Antena Direcional

Direcional: são antenas que transmitem os sinais em uma única direção, com ângulo de irradiação bastante fechado, ficando aproximadamente entre 3 e 20 graus,

cobrindo uma área bastante restrita, os modelos básicos são as parabólicas, podendo a parábola ser

fechada ou não, as yagis e as helicoidais.

Irradiação Direcional

http://loja.tray.com.br/loja/produto-66984-1157-promocao_de_lancamento__antena_orion_imax_58ghz_32dbi

Irradiação Direcional

Antena ParabólicaA parabólica com parábola

fechada, atenua fortemente os ruídos vindo de traz, enquanto a

parábola de grade, atenua apenas moderadamente

Parabólica de Grade

Antena Yagi

Antena Log Periódica

http://www.grandeeletro.com.br/audio-e-video/tv-digital-terrestre-hdtv/antenas/antena-uhf-super-log-periodica-pq45-1300-proeletronic/

http://fralbe.com/2009/04/29/logoperiodicas-introduccion/

Antena Helicoidal

Antena Horn

http://www.interferencetechnology.com/wp-content/uploads/2011/05/rodriguez_fig24.gif

http://www.emcos.com/Horn-Antenna-with-Feed-Power-Specification

http://www.mspc.eng.br/eletrn/antena110.shtml

Antena Setorial

Antena Setorial

Semi-Direcional ou setorial: são antenas que transmitem os sinais também em uma única direção,

porém com um ângulo de irradiação bastante aberto , ficando aproximadamente entre 30 e 180 graus,

cobrindo uma área bastante extensa, o modelo básico é o painel setorial.

Irradiação Setorial

http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/

Irradiação Setorial

http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/

Antena Painel Indoor

http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Indoor-antenna.jpg

Antena Painel Outdoor

http://www.slavnet.com/page/4

Antena Onidirecional

Antena Onidirecional

Onidirecional: são antenas que transmitem os sinais em várias direções, em ângulo de

irradiação de 360 graus.

Irradiação Onidirecional

http://www.kemt.fei.tuke.sk/Predmety/KEMT320_EA/_web/Sound%20Fields%20Radiated%20by%20Simple%20Sources.htm

Visto de cima

Irradiação Onidirecional

http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/

Antena Vertical

Linhas de Transmissão e Recepção

Cabos Coaxiais (50, 75 Ohms)

Cabo Paralelo (Fita 300 Ohms)

Linhas de Transmissão e Recepção

Linhas de Transmissão e Recepção

Linhas Bifilares Linhas Coaxiais

Linhas de Transmissão e Recepção

Linhas e Conectores

Características da Impedância de uma Linha de Transmissão

Z0 = Characteristic impedanceL = Inductance per unit length of the RF transmission line caused due to magnetic fields that are formed around the wires when current flows through them.C = Capacitance per unit length of the RF transmission line. This is also the capacitance that exists between two conductorsR = DC resistance per unit length of the RF transmission lineG = the dielectric conductance per lengthω = frequency (radians/s)

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5776

Ondas Estacionárias

Onda Refletida

Reader

Cabo Coaxial

Antena

Onda Refletida e R.O.E (SWR)

Para sabermos se uma antena esta sintonizada, é necessário medirmos sua R.O.E, que é a relação entre a potência irradiada e a refletida, o que chamamos de onda estacionária, a qual pode ser

medida através da escala própria da R.O.E, ou em percentual.

Comparativo entre a escala da R.O.E e percentual:

ROE =

1___1.2__1.5___2___3_____4_____5_____9

Percentual =

0%__1%__4%_11%_25%__36%__50%__65%

R.O.E (SWR) Standing Wave Ratio

A Melhor R.O.E

Classificamos a onda estacionária de acordo com seu percentual conforme segue:

Até 4% ótima, entre 4 e 8% boa, entre 8 e 11% regular, entre 11 e 18% ruim, entre 18 e 25% péssima e acima deste percentual estaremos

sujeito a sérios problemas.

Qual a Melhor Antena?

A melhor antena é aquela que coloca o sinal necessário, no local de recepção, com o menor desperdiço em outras direções, com a menor

potência gerada, com o menor espaço ocupado, com a menor resistência ao vento,

com o menor peso e com o menor custo.

Equipamentos para Medições e Análise de Sinais

Spectrum Analyzer - Analisador de Espectro(Laboratório de Metrologia e Instrumentação FACCAT)

Exemplo: Transmissão de sinal em 915 MHz e visualização no Spectrum Analyzer

Equipamento do Laboratório de Análise de Sinais de R.F. (Prof. Dr. Jung)

Spectrum Analyzer (9 KHz to 2,7 GHz)

Digital Oscilloscope (500 MHz)

Communications Monitor Service (100 KHz to 1 GHz)

Recebe Sinais

Transmite Sinais

RF Explorer - Spectrum Analyzer (15 MHz a 2,7 GHz)

Exemplo: Análise do Espectro de WiFi (2,4 a 2,483 GHz)

Exemplo: Análise do Espectro de FM (88 a107 MHz)

WiPry-Spectrum (Spectrum Analyzer 2,4 GHz)

WiPry-Spectrum (Spectrum Analyzer 2,4 GHz)

Antenna Analyzer AA-1000 (100 KHz a 1 GHz)

Funcionamento do Sistema RFID

Funcionamento do Sistema RFID

Adaptado de http://www.actionpkg.com/pages/system_diagram.html

Funcionamento do Sistema RFID

Block Diagram of a Typical RFID Tag/Reader System

http://firewall-et.com/pop_rfid_access.html

Funcionamento do Sistema RFID

Block Diagram of a Typical RFID Tag/Reader System

RFID TAG

Princípio

Estrutura - Componentes da TAG

RFID Taghttp://paeae.com/communication/rfid/rfid-tag-transparent-mifare-1k-13-56-mhz.html

http://www.sagedata.com/the_company/

RFID Tag

Circuito Integrado (chip)

Antena

RFID TAG

Irradiação da TAG

Irradiação da TAG

http://en.wikipedia.org/wiki/File:DipoleRadiation.gif

Faixa de Operação da TAG

http://www.rfid-handbook.de/rfid/5_RFID-frequencies.gif

Características das tags que operam entre as frequências de 120 a135 kHz

Coeficiente de penetrabilidade alto e moderadamente tolerante a metais;O campo magnético forma uma área de leitura bem definida e homogênea;Baixas taxas de transferência;Baixa capacidade de leitura de multiplas tags;Habilidade de leitura em ambientes sujos e húmidos;Normalmente a distância de leitura é menor que 1 metro

http://www.oxxcode.com.br/tag-rfid-passiva/

Características das tags que operam na frequência de 13,56 MHz

Bom coeficiente de penetrabilidade (exceto metais) com redução do alcance de leitura;Disponível globalmente com níveis de potência adequados e sem necessidade de licenciamento;Normalmente as tags são no formato de etiquetas;O campo magnético forma uma área de leitura bem definida e homogênea;Capacidade de leitura de múltiplas tags;Normalmente a distância de leitura é menor que 2 metros

http://www.oxxcode.com.br/tag-rfid-passiva/

http://www.oxxcode.com.br/tag-rfid-passiva/

Características das tags operam nas frequências entre 850 a 960 MHz

Possui padrões globais de utilização;Baixo coeficiente de penetrabilidade em líquidos (absorção) e metais (reflexão);Dependendo do formato da tag, a performance de leitura pode variar;Capacidade de leitura de múltiplas tags;Alta taxa de transferência;O campo elétrico extende a performance de leitura mas para definir a área de cobertura exige-se estudo preliminar;Alto alcance de leitura, acima de 5 metros

http://www.oxxcode.com.br/tag-rfid-passiva/

Síntese

Funcionamento da TAG

Funcionamento da TAG

Functional Block Diagram of an RFID TAG

RFID TAG

http://www.aliexpress.com/product-fm/457302538-UHF-asset-RFID-Tags-wholesalers.html

Antenas Utilizadas em TAG’s (Etiquetas)

http://www.propagation.gatech.edu/ECE6390/project/Fall2009/DustHound/design.html

Anatomia

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

Antenas Utilizadas em Reader’s (Leitores)

Antenas para Leitores RFID

A RFID I

Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat

Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat

A RFID II

Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat

A RFID III

Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat

A RFID III

Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat

A RFID III

Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat

A RFID III

Experimentos com TAG’s e Antenas

Ensaio Experimental em “espaço livre” Realizado na FACCAT

Analisador

Antena - TAGAntena Padrão

Transmissor

Análise da Influência de Diversos Tipos de Materiais entre os Sinais do Leitor e

TAG RFID

Utilizando uma forma estrutural do dia a dia: carrinho de supermercado

Tag Etiqueta RFID) fixada em um suporte e colocada no interior do recipiente

Recipiente construído complástico em forma de carrinho de supermercado

Testes Realizados no Campus da Faccat

Análise da Influência de Diversos Tipos de Materiais entre os Sinais do Leitor e

TAG RFID

Utilizando chapas quadradas de diversos tipos de materiais para fixação da TAG(Vidro – Papelão – Isopor – Madeira - Plástico)

Antena TX/RX do Leitor de RFID

TAG RFID fixada em um quadro de vidro

Leitor RFID

Dr. MarceloM.Sc. Everton

Hardware e Software para Controle

Sistema de Nivelamentoa Laser – duplo feixe

Sistema RFID TESTER

(Análise Completa)

RDID Tag Emulator Mode for Reader Testing

The TC-2600A can emulate as a reference Tag to test Readers. Since an actual Tag backscatters the Reader signal and communicates based on accurate link timing in microseconds, the TC-2600A analyzes the Reader signal to provide an experimental environment. This environment simulates a real world situation and communication with the Reader is carried out by maintaining accurate link timing as if an actual Tag is backscattering. Furthermore, adjustable power enables easy measurement of the Reader sensitivity and the TC-2600A can simultaneously test up to 10 tags, allowing easy setting of Tag information according to test conditions.

Tag Memory Bank ParametersTag Memory Bank DataTag Transmission Power, Modulation Type and Flag Persistence ValueDisplay Command and Response Log

http://www.temcell.com/tc2600a.htm

Reader RF Measurement

The TC-2600A can operate in the Tag mode and measure the Reader signal to analyze the Reader performance when it communicates with an actual Tag. The measurements are automatically displayed on the screen according to the measurement objective of parameters and their values.

Users can easily verify complex measurement results such as:Reader Transmission Spectrum and PowerReader Power-up/-down RF envelopeReader PIE Symbol Interval (Delimiter, Tari, PW, RTcal, TRcal, etc.)Reader Preamble and Frame-SyncReader Response Time

http://www.temcell.com/tc2600a.htm

Reader Emulator Mode for Tag Testing

The TC-2600A RFID test set can operate as a reference Reader to test RFID Tags. Every command can be executed to test RFID Tag operations, including Inventory, Read and Write, Access, Kill, Lock, etc. As in the Tag Emulator mode, the TC-2600A communicates with the Tag while maintaining link timing. When operating, a Reader and Tag performance can be evaluated according to various test conditions below.

Reader Transmission Power, Modulation Type & Depth, PIE symbol interval, Link timing, Query Command Parameter SettingsInventory and Select TagCommands including Read, Write, Kill, Lock, Access, BlockWrite and BlockEraseAutomatic TUT (Tag Under Test) GeneratorAutomatic Presumption Tag Lock StatusDisplay Command and Response Log

http://www.temcell.com/tc2600a.htm

Tag RF Measurement

The TC-2600A can operate as a reference Reader to communicate with a Tag and analyze a Tag's backscattering signal in various ways. Commands necessary for test conditions are sent to the Tag, a waveform of the Tag's response signal is displayed according to users’ measurement objectives and the experimental parameters are automatically measured and displayed. Accordingly, users can easily perform RF measurements without the complex process of using markers to measure desired values in the signal waveform.

Tag Spectrum and PowerTag BLF (Backscattering Link Frequency) AccuracyTag Duty CycleTag FM0/Miller PreambleTag Response Time

http://www.temcell.com/tc2600a.htm

Tag Performance Test

Along with the measurement of specific parameters such as Tag modulation characteristics and signal spectrum, overall Tag performance measurements such as Tag sensitivity, read range and frequency tolerance are some of the most important parameters in Tag performance testing. There is no longer the need for the anechoic chamber, complex jigs for distance adjustment and several instruments for measuring RFID Tag performance. The TC-2600A features combined with an UHF TEM cell, which provides a RF environment similar to an anechoic chamber, provides an excellent Tag performance measurement system along with automatic measurement of Tag sensitivity

Tag Identification Sensitivity Tag Read Identification Sensitivity Tag Write Identification Sensitivity Frequency tolerance to Tag Sensitivity Calculate Read Range

http://www.temcell.com/tc2600a.htm

Variáveis que Interferem em Sistemas de Teste

(Ondas Refletidas)Atenuação e/ou Reforço

Ambiente de Teste (Interno) Exemplo: Uma Sala

Ondas irradiadaspor diversos tiposde equipamentos

AntenaTransmissora

AntenaReceptora

Ondas refletidas em móveis

Ondas refletidas no teto

Ondas refletidas no piso

Ondas refletidas nas paredes

Onda Direta

Sistema de Teste em“Espaço Livre”

Produto com a TAG fixada na embalagem colocada no interior de um recipiente de isopor

TX

RX

Antena

Leitor RFID

Cabos Coaxiais

Sistema de Teste em“Câmara Anecóica”

http://www.junseal.com.br/radiofre.html

Absorvedor de R.F.

http://www.liv.ac.uk/~huangyi/Photos.htm

Anechoic chamber for Antenna Measurements

Mini Câmara Anecóica emDesenvolvimento

Mini Câmara Anecóica 1ª Fase – Blindagem Eletrostática

Projeto do Protótipo...

Projeto do Protótipo...

Processo de Fabricação doProtótipo...

Instalação de 1 antena para ajuste dos suportes de fixação...

Instalação de 2 antenas para ajuste dos suportes de fixação...

Aspecto da Mini Câmara (Blindagem) em relação ao pesquisador

Local de colocação do Produto com embalagem

Produto com a TAG Colocada na embalagem

Antena de RFID TX/RX

TX

RX

TAG