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

Παρουσίαση με θέμα: "RFID Μελέτη παθητικού UHF RFID συστήματος και σχεδίαση κεραιών tag Γιώργος Σινάτκας Νεκτάριος Τσιχλάκης 28/5/20121 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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

2 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

3 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

4 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

5 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 (100-230 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

6 Συχνότητες λειτουργίας RFID 28/5/20126 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

7 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

8 Ιστορική αναδρομή 28/5/20128 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

9 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

10 Aναγνώριση τρένου σε σταθμό 28/5/201210 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

11 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 28/5/201211 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

12 Άλλες Εφαρμογές Αυτόματες ηλεκτρονικές πληρωμές (π.χ. συσκευές με RFIDs για πληρωμή διοδίων) 28/5/201212 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

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

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

15 Tag 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 15

16 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

17 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

18 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:

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

20 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

21 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.

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

23 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 23

24 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 865-868 MHz μέγιστη διάσταση 10 cm απόσταση ανάγνωσης τουλάχιστον 2.5 m Ζchip=16-j148 @ 915 MHz δε λήφθηκε υπόψη καθορίστηκε από τα διαθέσιμα μέσα δεν έγιναν διαδικασίες ελέγχου αντοχής.

25 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 25

26 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.

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

28 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 28 Διαστάσεις κεραιών

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

30 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 30

31 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 31

32 28/5/2012 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων 32

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

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

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

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

37 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+j159.1-21.4906.9 Σχέδιο 213.93+j162-14.306.794

38 Προσομοίωση folded dipole tag antenna 28/5/201238 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

39 Σχεδίαση στο HFSS 28/5/201239 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

40 2.5cm 2cm 5cm 0.65cm Διαστασιολόγηση σχεδίου 28/5/201240 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

41 Διάγραμμα ακτινοβολίας @867 ΜΗz 28/5/201241 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

42 Παράσταση αντιστάσεων και αντιδράσεων κεραίας και chip 28/5/201242 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

43 Μέτρο του μιγαδικού συντελεστή ανάκλασης Γ 28/5/201243 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

44 Λόγος μεταφοράς ισχύος από την κεραία στο chip σε dB 28/5/201244 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

45 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 28/5/201245 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

46 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. 28/5/201246 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

47 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. 28/5/201247 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

48 Tελικό αποτέλεσμα 28/5/201248 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

49 Διάταξη Μετρήσεων Reader antenna: 4 dB κέρδος ανά άξονα Κυκλική πολωση 865-870 ΜΗz IC -14 dBm threshold 28/5/201249 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

50 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 28/5/201250 Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

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