RFID Μελέτη παθητικού UHF RFID συστήματος και σχεδίαση κεραιών tag Γιώργος Σινάτκας Νεκτάριος Τσιχλάκης 28/5/20121 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Διάρθρωση Auto-ID RFID: Βασικά στοιχεία και εφαρμογές Ανάλυση παθητικού UHF RFID συστήματος Σχεδίαση Tag κεραίας- κριτήρια επίδοσης και προδιαγραφές Tag κεραίες μαιάνδρου Tag κεραία αναδιπλωμένου διπόλου Κατασκευή κεραιών Μέτρηση επίδοσης κεραιών 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 2

Auto-Identification Πρόκειται για μεθόδους αναγνώρισης αντικειμένων και συλλογής σχετικών πληροφοριών. Στις Auto-ID τεχνολογίες περιλαμβάνονται: Barcode Μαγνητικές ταινίες Οπτική αναγνώριση χαρακτήρων Βιομετρική αναγνώριση (αποτυπώματα, σάρωση οφθαλμού κτλ.) Αναγνώριση φωνής RFID συστήματα 28/5/20123 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Τι είναι RFID Η RFID τεχνολογία είναι μία από τις δεκάδες τεχνολογίες Auto-ID, η οποία χρησιμοποιεί ραδιοκύματα για τη μεταφορά πληροφορίας από ένα αντικείμενο σε έναν πομποδέκτη με σκοπό την αναγνώριση, την κατηγοριοποίηση ή την παρακολούθηση του. Ένα τέτοιο σύστημα απαρτίζεται από έναν αναγνώστη (transceiver ή reader), μία ετικέτα (transponder ή tag), και κεραίες που μεσολαβούν μεταξύ των τάσεων στα σύρματα και των κυμάτων στον αέρα, τις reader antennas και tag antennas αντίστοιχα. Τα περισσότερα tags έχουν ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC), γνωστό ως silicon chip, το οποίο περιέχει την ταυτότητα του tag (serial number) και οποιαδήποτε άλλη πληροφορία (όπως ημερομηνία παραγωγής προϊόντος, αριθμός παρτίδας, αριθμός αποθέματος κτλ ) σχετική με το αντικείμενο, καθώς και τη λογική που χρειάζονται τα πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ του reader και του tag. 28/5/20124 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Κατηγορίες tag Aνάλογα με τον τύπο της τροφοδοσίας τους χωρίζονται σε: Active tags Διαθέτουν τη δική τους μπαταρία και το δικό τους εκπομπό οπότε δεν επηρεάζονται από τα ανακλώμενα σήματα γι’ αυτό επικοινωνούν σε μεγαλύτερες αποστάσεις ( m). Semi-active tags Έχουν μπαταρία αλλά δεν έχουν εκπομπό. Passive tags Δεν έχουν ούτε μπαταρία ούτε εκπομπό αλλά λαμβάνουν ισχύ από το κύμα του reader. 28/5/20125 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Συχνότητες λειτουργίας RFID 28/5/20126 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Επίπεδα RFID συστήματος Mπορούμε να περιγράψουμε τα επίπεδα ενός RFID συστήματος ως εξής: Φυσικό επίπεδο το οποίο αποτελείται από: Ένα ή περισσότερα tags Έναν ή περισσότερους reader με μια ή περισσότερες reader antennas Το περιβάλλον όπου εγκαθίσταται το σύστημα και κυρίως αναφέρεται στα RF σήματα που υπάρχουν στο χώρο και στα αντικείμενα που προκαλούν ανάκλαση των σημάτων Επίπεδο συστημάτων πληροφορικής το οποίο αποτελείται από: Hardware όπως υπολογιστές Δίκτυα Λογισμικό (οδηγοί των συσκευών που χρησιμοποιούνται, φίλτρα, εφαρμογές, βάσεις δεδομένων) 28/5/20127 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Ιστορική αναδρομή 28/5/20128 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Εφαρμογές RFID Οι εφαρμογές εστιάζονται κυρίως στην αναγνώριση και ανίχνευση: Πρώτων υλών σε χώρους παραγωγής (π.χ. αυτοματοποίηση σε αυτοκινητοβιομηχανίες), Εμπορευμάτων σε μεταφορικά πλοία, λιμάνια και αποθήκες εμπορευμάτων, Φαρμακευτικών σκευασμάτων σε φαρμακεία και φαρμακαποθήκες, Τρένων κατά την είσοδο σε σταθμό, Ιατρικού εξοπλισμού σε νοσοκομεία, Βιβλίων, ταινιών ή οποιουδήποτε άλλου προιόντος σε καταστήματα ή οργανισμούς 28/5/20129 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Aναγνώριση τρένου σε σταθμό 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Εφαρμογές σχετικές με ασφάλεια Αντικλεπτικά συστήματα βασιζόμενα στην τεχνολογία RFID Ασφάλεια πληρωμών με κάρτες που φέρουν RFID Διαπιστευτήριες κάρτες με RFID για χρήση σε εγκαταστάσεις και εκδηλώσεις Παρακολούθηση ταχύτητας τρένων 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Άλλες Εφαρμογές Αυτόματες ηλεκτρονικές πληρωμές (π.χ. συσκευές με RFIDs για πληρωμή διοδίων) 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Παθητικό UHF RFID Σύστημα 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 13

Reader 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 14 Μεταφορά δεδομένων στο tag Μεταφορά ισχύος Λήψη της απάντησης του tag Half-Duplex Full-Duplex

Tag 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 15

Επικοινωνία 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 16 Επικοινωνία reader-tag (downlink or forward link) Επικοινωνία tag-reader (uplink or reverse link or backscattered link ) Forward link Εξίσωση Friis

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 17 Ισχύς στο chip; Ισοδύναμο κύκλωμα tag κεραίας και chip Πώς ορίζεται ο συντελεστής ανάκλασης s; Friis Κατώφλι ισχύος για το chip

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 18 Reverse Link Radar Εξίσωση Radar Διατομή σκέδασης: χαρακτηριστικό του στόχου - μέτρο για την ποσότητα ισχύος που σκεδάζει ο στόχος. Αποδεικνύεται ότι για το tag ισχύει:

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 19 Η διατομή σκέδασης περιγράφει τη διαδικασία διαμόρφωσης του οπισθοσκεδαζόμενου κύματος. state 1 state 2

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 20 Εξίσωση Radar Ευαισθησία-Διακριτική ικανότητα δέκτη του reader. Συνοψίζοντας, οι περιορισμοί που τίθενται από τις απαιτήσεις ισχύος των στοιχείων του συστήματος είναι: 1. Περιορισμός στην απόσταση 2. Περιορισμός στην απόσταση

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 21 Τυπικές τιμές: Άρα: τα Παθητικά UHF RFID συστήματα forward-limited σχεδίαση tag κεραίας ώστε να πετύχουμε συζυγή προσαρμογή.

Σχεδίαση tag κεραίας 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 22 Κριτήρια επίδοσης Range = μέγιστη απόσταση ανάγνωσης

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 23

Προδιαγραφές σχεδίασης 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 24 1.Συχνότητα 2.Μέγεθος και σχήμα 3.Απόσταση ανάγνωσης 4.Εφαρμογές με κίνηση 5.Κόστος 6.Αξιοπιστία 865 MHz. Ευρωπαϊκή λειτουργία στην περιοχή MHz μέγιστη διάσταση 10 cm απόσταση ανάγνωσης τουλάχιστον 2.5 m 915 MHz δε λήφθηκε υπόψη καθορίστηκε από τα διαθέσιμα μέσα δεν έγιναν διαδικασίες ελέγχου αντοχής.

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 25

Tag κεραίες μαιάνδρου 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 26 Βασική ιδέα η συμπίεση του διπόλου ώστε να αποκτήσει το επιθυμητό μέγεθος και την επιθυμητή σύνθετη αντίσταση εισόδου.

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 27 Σχέδια κεραιών Σχέδιο 1 Σχέδιο 2

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 28 Διαστάσεις κεραιών

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 29 Επίδραση των παραμέτρων της κεραίας

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 30

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 31

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 32

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 33 Επίδοση κεραιών μαιάνδρου Σχέδιο 1Σχέδιο 2

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 34 Σχέδιο 1Σχέδιο 2

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 35 Σχέδιο 1Σχέδιο 2

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 36 Σχέδιο 1Σχέδιο 2

28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 37 Συνοψίζοντας, δίνονται τα χαρακτηριστικά των δύο κεραιών στη συχνότητα σχεδιασμού: Σύνθετη αντίσταση εισόδου (Ω) Return Loss (dB) Κέρδος (dBi) Μέγιστη απόσταση ανάγνωσης (m) Σχέδιο 1 17+j Σχέδιο j

Προσομοίωση folded dipole tag antenna 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Σχεδίαση στο HFSS 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

2.5cm 2cm 5cm 0.65cm Διαστασιολόγηση σχεδίου 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Διάγραμμα ΜΗz 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Παράσταση αντιστάσεων και αντιδράσεων κεραίας και chip 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Μέτρο του μιγαδικού συντελεστή ανάκλασης Γ 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Λόγος μεταφοράς ισχύος από την κεραία στο chip σε dB 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Χημική μέθοδος Αρχικά σχεδιάζουμε την κεραία σε κάποιο σχεδιαστικό πρόγραμμα και αφού μαυρίσουμε ολόκληρη την επιφάνεια της, την εκτυπώνουμε σε μια διαφάνεια. Στη συνέχεια τοποθετούμε την εκτυπωμένη διαφάνεια πάνω στην πλακέτα FR4 και την ακτινοβολούμε στην συσκευή υπεριώδους έκθεσης για 125 sec. Αφαιρούμε τη διαφάνεια και τοποθετούμε την πλακέτα στο διάλυμα του developer (εμφάνιση). Συσκευή υπέρυθρης ακτινοβολίας Συσκευή εμφάνισης και χάραξης 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Μετά από 1 min ξεπλένουμε καλά την πλακέτα ώστε να φύγουν τα υπολείμματα του developer. Θερμαίνουμε στους 50 C το διάλυμα etcher και τοποθετούμε την πλακέτα για 8-15 min έως ότου αφαιρεθεί η περιττή στρώση χαλκού. Τέλος ξεπλένουμε καλά την πλακέτα με νερό και την καθαρίζουμε με οινόπνευμα ώστε να αφαιρεθεί η φωτοευαίσθητη επίστρωση από την κεραία μας. 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Το τελευταίο στάδιο είναι η διαδικασία της συγκόλλησης του chip στην κεραία Χρησιμοποιώντας το κολλητήρι απλώνουμε το καλάι στην είσοδο της κεραίας, βραχυκυκλώνοντας τα ποδαράκια του chip που βρίσκονται από την ίδια μεριά. 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Tελικό αποτέλεσμα 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Διάταξη Μετρήσεων Reader antenna: 4 dB κέρδος ανά άξονα Κυκλική πολωση ΜΗz IC -14 dBm threshold 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Αποτελέσματα μετρήσεων Μαίανδρος 1 Το Σχέδιο 1 των κεραιών μαιάνδρου είχε απόσταση ανάγνωσης τα 6 m, ενώ στα 6.20 m δεν ήταν πλέον ανιχνεύσιμο. Στη συνέχεια εμφανίστηκε στα 7.50 m και χάθηκε οριστικά μετά τα 8 m. Μαίανδρος 2 Το Σχέδιο 2 ήταν ανιχνεύσιμο μέχρι τα 5.20 m. Στα 5.50 m έπαψε να είναι ανιχνεύσιμο. Εμφανίστηκε ξανά στα 7.50 m και ήταν ορατό μέχρι τα 8 m. Το tag έπαψε να είναι ορατό μετά τα 8.50 m. Folded dipole Στα 6.20 m έχασε το tag ο reader και το ξαναδιάβασε στα 7.50 m μεχρι τα 8.50 m όπου και το έχασε 28/5/ Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

Ευχαριστούμε τους: 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 51 Αντώνη Δημητρίου Δημήτρη Ντάικο Σταμάτιο Αμανατιάδη για τη βοήθειά τους.