Laboration i Radioteknik Design av RFID-antenn

Transkript

1 Laboration i Radioteknik Design av RFID-antenn I denna labb ska du visa dina klasskompisar att du/ni kan få bästa resonans på en RFIDantenn och därmed kan läsa den på längst avstånd. Första pris är en alldeles egen RFID-tagg... Svar till uppgifterna lämnas på separat papper. Om RFID RFID står för Radio Frequency IDentification och är ett samlingsnamn för tekniker för trådlös identifiering med hjälp av radiovågor där avläst objekt reflekterar tillbaka ett svar. RFID-tekniken jämförs ofta med streckkoder. Vid streckkodsavläsning skickas som du vet en ljussignal mot en etikett som med sitt speciellt linjerade tryck reflekterar tillbaka ett interferensmönster som svarar mot ett nummer som i sin tur kan matchas mot t.ex. priset på en vara. RFID fungerar på ett liknande vis men med skillnaden att man jobbar med radiovågor istället för ljusvågor. Istället för streckkoder använder man så kallade taggar som ofta liknar den i nedan figur. De absolut enklaste typerna av RFID-taggar är troligen de som används som stöldskydd i affärer. De är s.k. enbits-taggar vilket innebära att de bara har två tillstånd; av eller på. Antenn Klisterlapp Chip med straps 8mm 95 mm RFID-tagg från Alien Technology (UHF-tagg för MHz), RFID-taggen består av ett RFIDchip på ca 0.4 x 0.4 x 0.2 mm och en antenn som har storlek av strax under en halv våglängd. En passiv tagg (de vanligaste) har ingen egen energikälla i form av t.ex. ett vanligt batteri utan tar energi för att driva taggens elektronik genom att absorbera energi från den radiovåg en RFID-läsare sänder till taggen. Antennen är taggens klart största del och dess storlek styrs av vilket frekvensband taggen arbetar på. Om man generaliserar så kan man säga att en lägre frekvens ger ett längre avstånd men kräver även en större antenn.

2 Själva kommunikationen sker genom att den radiosignal RFID-läsaren skickar ut mot RFIDtaggen reflekteras tillbaka. RFID-taggen har alltså ingen egen radiosändare. Det fungerar i princip så att en strömbrytare öppnas respektive sluts över taggens antenn i takt med en digital sifferföljd. Taggens antenn ses därför some ett radarobjekt som under en given tid förändrar sin radararea i förhållande till en serie av binära tal. En öppen strömbrytare ger då ett litet radareko och en kortsluten antenn ger ett större radareko. På så vis kan man låta stort eko motsvara logisk 1 och litet eko motsvara 0 för att överföra ett binärt ID-nummer. RFID-Tagg Switch-signal Logisk Nolla 0 Logisk Etta 0 Logisk Nolla 0 RFID-Läsare Begränsat läsavstånd När en RFID läsare sänder ut en radiosignal mot en RFID tagg så induceras en spänning på taggens antenningång. Om denna spänning är tillräckligt hög så startar taggens mikroprocessor. Problemet är att luft inte är ett alltför bra medium att överföra elektrisk energi genom. I luft avtar energitätheten för radiovågor omvänt till kvadraten på avståndet från sändaren. Det innebär att för att fördubbla läsavståndet måste man fyrdubbla (två i kvadrat) uteffekten från läsaren. Högsta tillåtna uteffekt från RFID-läsaren är starkt begränsat (2 Watt i EU och 4 Watt i USA) vilket gör att taggen bara kan läsas i storleksordningen några meter från läsaren. På längre avstånd blir spänningen som induceras i taggen för låg för att klara att driva elektroniken inne i taggen. Uppgift 1: a) På vilket avstånd kan man läsa en streckkod? (Försök ta reda på det, och annars kan du alltid gissa, vilket är t.cx. det längsta avstånd du själv sett någon läsa en streckkod på?) b) Vad ser du för begränsningar och problem med streckoder? Nämn minst två saker.

3 Frekvenser, våglängder och antennens storlek Den för Europa mest aktulla frekvensen för RFID är 867 MHz. Varje frekvens, f, har en våglängd, (grekiskans lambda), som är proportionell till radiovågornas utbredningshastighet, som i sin tur är lika som ljusets hastighet, c= meter/sekund = m/s. Sambandet lyder: Uppgift 2: a) Vilken våglängd har frekvensen 867 MHz? b) Hur lång är därmed en halv våglångd för 867 MHz? c = f (1) En antenn har ofta en storlek av ca en halv våglängd i minst en dimension. Antennen har då resonans och elektriska strömmen bildar en stående våg på antennen. Denna stående våg kan direkt jämföras med den mekaniska stående våg som en gitarrsträng bildar vid sin grundton. Elektromagnetisk Stående Våg Halvvågs- Antenn En antenn som med tillhörande kopplingar har resonans har en rent resistiv så kallad ingångsimpedans. En sådan antenn kan därför ses som en vanlig resistor, även kallat motstånd. En antenn som inte har resonans har förutom en resistiv del även en antingen kapacitiv eller induktiv del. En sådan antenn kan ses som ett motstånd satt i serie eller parallelt med en spole eller kondensator. En effektiv antenn med tillhörande enheter har resonans!! Vågutbredning Mottagen effekt i en antenn kan beräknas med Friis Transmissionformel: 2 Pt GtGr P (2) t 4 R 2 Där P r är mottagen effekt, P t utsänd effekt, G t och G r antennens riktverkan, dvs. antennens förmåga att koncentrera energi i en riktning, aktuell våglängd och R avståndet mellan sändande och mottagande antenn. För en vanlig dipol är riktverkan ca 1.6. Bestämmelser om maximal utsänd effekt grundas oftast på utsänd effekt gånger antennens riktverkan. För RFID innebär det att P t G t max får vara lika med 2 W.

4 Uppgift 3: Vilket är teoretiskt det maximala avstånd där man kan läsa av en 867 MHz RFIDtagg med vanlig dipolantenn om taggen behöver 1mW för att operera och dess antenn har riktiverkan som en vanlig dipol? Antennens ingångsimpedans En antenn kan ses som vilken annan elektronikkomponent som helst, och kan t.ex. kallas för transformator då dess uppgift är att transformera en i signalledning elektriskt bunden energi till fri energi i luft och vice versa. I ett kopplingsschema för en sändare ses därför antennen som en last med en realdel (resistans, på samma vis som en resistor/motsånd) och en imaginärdel (på samma vis som en induktans/spole eller kapacitans/kondensator). Medan en resistor omvandlar inkommande signal till värme så omvandlar en antenn inkommande signal till radiovågor, men från kretsens eller signalledningens synvinkel är det samma sak, energin försvinner från ledningen till någonting annat. På samma vis fasförskjuter och reflekterar en induktans in signal, men omvandlar den inte till värme eller radiovågor. En last med kombinerad realdel och imaginärdel benämns impedans medan en last med enbart realdel brukar benämnas ressitans förrutom i just fallet med antenner där termen impedans alltid används. Man talar om antennens ingångsimpedans. När denna är reell skrivs den som t.ex. 75 och när den är komplex (har både realdel och imaginärdel) skrivs den t.ex. som 75 + j100. Till skillnad mot matematikens i benämner man inom elektroniken ofta impedansens imaginärdel med bokstaven j för att inte förväxla den med ström. Impedanser är oftast standardiserat till ett visst värde och inom högfrekvenselektronik är 50 det absolut vanligaste medan 75 är det klart vanligaste för TV-antenner. Antenner till passiva RFID-chip är dock ett undantag där impedansen oftast ligger i storleksordnignen 30 + j130. Detta beror på att antennen alltid måste vara matchad till sin krets eller signalledning. Impedansmatchning, reflekterad effekt och maximalt läsavstånd för RFID Inom högfrekvenselektronik hör man ofta att det är viktigt med impedansmatchning. I en perfekt impedansmatchad koppling överförs ALL energi från en enhet till en annan och vid en icke-perfekt matchad koppling överför en del av energin eller ingen alls. Den energi som inte överförs reflekteras tillbaka. Impedansmatchning erhålls då två ihopkopplade enheter har impedanser som är varandras komplexkonjugat, vilket innebär att deras impedanser ska ha samma belopp på real- och imaginärdel men motsatt tecken på imaginärdelen. Den normala TV-antennen har t.ex. impedansen 75, som är rent resistiv och därmed inte har någon imaginärdel. Den ska därför matchas till impedansen 75. Matematiskt korrekt skulle man istället kunnat säga att antennen har impedans 75 + j0 och därför ska matchas till 75 - j0. En signalledning för TV-antenner brukar därför vara märkt med 75 (ledningens karakteristiska impedans) och likaså brukar kopplingspunkterna, antennen och TV ns antenningång, vara märkt med 75. Om signalledningen som matar en antenn med impedansen Z A =75 istället har karakteristisk impedans på Z C =50 kommer en del av energin att reflekteras tillbaka till sändaren istället för att gå ut i etern. Den reflekterade signalens relativa amplitud,, beräknas enligt Z - Z A C (3) Z A ZC

5 vilket i detta exempel ger en reflekterad signal med amplitud 0.25 gånger amplituden på ingående signal till antennen. Eftersom effekt, P, är proportionellt mot spänning, U, i kvadrat över en resistans, R, enligt 2 U P (4) R så är relativ reflekterad effekt, P Reflekterad, proportionellt mot relativ reflekterad spänning i kvadrat: P Reflekterad 2 2 Z A - Z C (5) Z A Z C Notera att effekten är reell varför beloppet av reflektionskoefficienten tas i kvadrat. I fallet med TV-antennen spelar beloppstecknen ingen roll eftersom alla ingående termer är reella, men om någon term innehåller en imaginärdel måste beloppstecknen vara med. För den 75 TV-antenn som är ihopkopplad med en 50 -ledning innebär det att =6.25 % av i antennen mottagen effekt reflekteras tillbaka till etern och resterande = % går vidare till signalledningen. Om TV n har en ingångsimpedans på 75 händer samma sak igen, dvs. signalen tappar ytterligare 6.25 % vilket ger en total förlust på 12 1 % (försök förstå varför det inte blir 12.5 %...). En förlust på 12.1 % betyder att = 87.9 % av effekten ändå går fram till TV n trots en 50 ledning istället för den korrekta 75 ledningen. Uppgift 4: Hur stor del av i en antenn mottagen effekt går fram till ett RFID-chip om chippet har impedans Z c = 20 - j130 och antennen har impedans Z A = 50 + j80? Tillgänglig effekt avtar också med ökat avstånd, R, till RFID-läsaren, proportionellt till 1 / R 2. Maximalt läsavstånd är därför proportionellt mot (1-2 ) Uppgift 5: Hur stort blir det relativa läsavståndet i Uppgift 4? Din Antenn Du ska alltså tillverka din egen RFID-antenn, koppla ihop den med ett RFID-chip och prova vilket läsavstånd du får från en RFID-läsare. RFID-chippen har en ingångsimpedans med en stor kapacitiv del, varför din antenns ingångsimpedans måste ha motsvarande induktiva del. Detta kan bland annat fås genom att ta en vanlig dipol och lägga en extra loop över antenn-ingången (loop = induktans = spole på ett varv), som t.ex. nedan antenn.

6 Din antenn gör du av genom att klippa och skära i koppartejp som du sedan klistrar eller tejpar på ett vanligt A4-papper. Tänk på att de flesta koppartejper endast är ledande på ena sidan så att om du t.ex. gör en brygga med en extra bit måste du lägga den upp och ner för att bilda kontakt. Det är helt fritt att välja form på antennen men det rekommenderas att du gör en antenn som är i storleks ordningen ½ i någon riktning och sätter chippet någorlunda symmetriskt. När du skurit till lämplig antenn tejpar du enkelt fast ett RFID-chip över antenningången. Du kan sedan prova din tagg direkt framför RFID-läsaren. Efteråt så får du hjälp av en labbassistent att mäta upp ingångsimpedansen med hjälp av ett speciellt mätinstrument. Med hjälp av mätdatat får du tips om hur du kan göra små förändringar i din antenn för att göra den bättre och på så vis uppnå ett längre läsavstånd. Uppgift 6: Mät upp ingångsimpdansen på RFID-chippet. Uppgift 7: Gör en enkel men måttsatt skiss över din antenn på separat papper. Gör en tabell där du fyller i läsavstånd och ingångsimpedans för varje försök I en kolumn fyller du i beräknat relativt läsavstånd utifrån uppmätt impedans på chip och antenn. För varje nytt försök ska i tabellen också få plats: o Anteckningar och/eller måttsatt ritning vad som förändrats hos antennen. T.ex. o ökat eller minskat ett eller flera mått, lagt till eller tagit bort någon del. En kort motivering om VARFÖR just denna modifikation gjorts. Om inte tabellcellen räcker till fortsätter du på baksidan! Försök hela tiden, med assistenternas hjälp, att förstå varför ändringarna ger de resultat de ger Samråd med labassitenterna när ni tycker antennen duger och kan gå vidare till nästa uppgift. Uppgift 8: Ge en kort kommentar för hur läsavstånd beräknade fråm impedanser förhåller sig till uppmätta med RFID-läsare. Omgivningens påverkan En antenn påverkas starkt av näraliggande material. En antenn i en mobiltelefon måste till exempel klara att fungera i en hand samt nära ett huvud. Prova därför att lägga din RFID-tagg på några olika objekt. Uppgift 9: a) Gör en tabell och notera det maximala läsavståndet när din tagg läggs mot: 1. En bok 2. En metallyta 3. En fylld vattenflaska 4. Din egen handflata 5-? Annat objekt du provat på: b) Vilka slutsatser kan du dra av resultaten i 9 a)?

7 Uppgift 10 (Frivillig utmaning): Om något av objekten i Uppgift 4 gav en icke-fungerande tagg eller en tagg med extremt kort läsavstånd, hur skulle man då kunna lösa detta? Hur långt ifrån objektet måste du hålla taggen för att den ska fungera och vilket läsavstånd får du då? Kan man lägga en distans mellan besvärligt objekt och taggen? Ge dina svar efter bästa förmåga och diskutera dem gärna med övriga labbgrupper och labbassistenterna. Lycka Till!