Fundamentos de Antenas para Tecnologia RFID - 2014
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Fundamentos de Antenas para Tecnologia RFID
Prof. Dr. Carlos Fernando [email protected]
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