Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 15
1.1. История развития систем RFID 15
1.2. Основные характеристики и принципы функционирования систем RFID 16
1.3. Радиочастотные метки 22
1.4. RFID считыватели 29
1.5. Антенны RFID считывателей 30
Глава 2. Универсальная метка «PatchTag» 38
2.1. Конструкция и характеристики антенны метки 38
2.2. Экспериментальные данные 43
Глава 3. Исследование характеристик антенны PIFA 46
3.1. Постановка задачи 46
3.2. Микрополосковая антенна 49
3.2.1. Модель линии передачи 49
3.2.2. Резонаторная модель 50
3.3. Антенна типа PIFA 54
3.4. Аналитическая модель конструкции PIFA 57
3.4.1. Расчет входного сопротивления 57
3.4.2. Расчет диаграммы направленности 60
3.5. Результаты численного моделирования конструкции PIFA 64
3.5.1. Модель с экраном бесконечных размеров 64
3.5.2. Оценка влияния размера экрана на ДН антенны 66
3.6. Конструкция PIFA для настольного RFID ридера 71
Глава 4. Рамочная антенна для считывающих устройств УВЧ диапазона 78
4.1. Задачи исследования 78
4.2. Конструкция рамочной антенны 79
4.3. Измерения образца и доработка конструкции 81
4.4. Аналитическая модель для расчета топологии антенны 89
4.5. Аналитическая модель для оценки влияния экрана 94
Заключение 105
Список литературы 112
- Основные характеристики и принципы функционирования систем RFID
- Резонаторная модель
- Конструкция PIFA для настольного RFID ридера
- Измерения образца и доработка конструкции
Введение к работе
Актуальность темы. Радиочастотная идентификация (RFID – Radio Frequency Identification) – это стремительно развивающаяся технология, позволяющая производить бесконтактную передачу информации об объекте, хранящейся в памяти прикрепляемой к нему радиочастотной метки. RFID открывает широкие возможности по созданию автоматических систем на производстве, в цепях поставок и хранения товаров, розничной торговле, системах контроля доступа и оплаты и многих других областях нашей современной жизни.
Некоторые из ключевых параметров RFID системы – максимальная дистанция и надежность регистрации радиочастотных меток, форма и размеры идентификационной зоны – в существенной степени определяются конструкцией используемых антенн считывающего устройства и радиочастотных меток. Поэтому вопросам конструирования этих компонентов в RFID технологии отводится особое внимание.
К настоящему моменту конструкции антенн считывающих устройств УВЧ диапазона (860 – 960 МГц) получили развитие по двум основным направлениям: микрополосковые антенны (и их модификации) и рамочные антенны в печатном исполнении.
Микрополосковые конструкции антенн активно исследуются и развиваются в последние два десятка лет. Это объясняется их популярностью во многих других областях: мобильная связь, навигационные системы, беспроводные интернет-технологии и многое другое. Однако RFID технология предъявляет специфические требования к их характеристикам и поэтому требует дополнительного исследования и адаптации конструкций антенн, которые могут быть использованы как в качестве антенн считывающих устройств, так и радиочастотных меток.
Развитие рамочных антенн в области RFID технологии УВЧ диапазона открыло относительно новое направление, требующее существенных модификаций классических конструкций рамочных антенн и методик их расчета.
Вопросам адаптации конструкций микрополосковых и рамочных антенн для наиболее эффективного их функционирования в составе RFID систем УВЧ диапазона, а так же разработке методик расчета рассматриваемых конструкций и посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке новых планарных антенн, исследовании и оптимизации характеристик известных конструкций планарных антенн с целью их эксплуатации в RFID системах УВЧ диапазона, а так же разработке аналитических моделей для расчета исследуемых структур.
Цель диссертационной работы была достигнута путем решения следующих задач:
-
разработка компактной конструкции микрополосковой антенны для RFID метки и методики ее согласования с радиочастотным чипом;
-
анализ и оптимизация основных характеристик антенны PIFA (Planar Inverted-F Antenna) с использованием аналитических моделей и электродинамического моделирования с целью оптимизации характеристик антенны для использования в составе оборудования RFID систем УВЧ диапазона;
-
разработка конструкции рамочной антенны электрически большого диаметра с квазистационарным распределением тока по периметру рамки и аналитических моделей для расчета ее входного сопротивления и напряженности магнитного поля в ближней зоне.
Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы численные методы расчета структур на основе их аналитических моделей, а так же электродинамическое моделирование антенных конструкций на основе метода конечных элементов (МКЭ). Проверка теоретических положений выполнялась экспериментально посредством измерения входных характеристик антенн и оценки дистанции взаимодействия считывающих устройств с радиочастотными метками.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
-
Предложена новая конструкция антенны радиочастотной метки с повышенной дистанцией регистрации и возможностью размещения на металлических поверхностях.
-
Исследована зависимость характеристик направленности излучения антенны PIFA от размеров ее экрана, и предложен вариант конструкции, позволяющий оптимизировать ДН антенны для практического применения с минимальным увеличением ее размеров.
-
Разработана аналитическая модель для расчета входного сопротивления рамочной антенны электрически большого диаметра с разбиением контура антенны планарными конденсаторами.
-
Разработана аналитическая модель для оценки напряженности магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны с квазисинфазным распределением тока по контуру при ее расположении над экраном.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
При интеграции радиочастотного чипа с микрополосковой антенной, имеющей соотношение между шириной и длиной излучателя менее 1/10, комплексно-сопряженное согласование сопротивлений радиочастотного чипа (с большой емкостной составляющей и относительно невысокой активной частью импеданса) и антенны обеспечивается без использования дополнительных согласующих элементов на частотах ниже резонансной частоты антенны. Получаемая в результате интеграции пассивная радиочастотная метка имеет увеличенную на не менее чем 40% дистанцию регистрации по сравнению с другими конструкциями радиочастотных меток аналогичных размеров.
-
При условии сохранения минимальных размеров антенны типа PIFA с шириной замыкающей стенки равной ширине излучателя минимальный уровень заднего лепестка диаграммы направленности обеспечивается увеличением длины экрана со стороны замыкающей стенки на /8.
-
Входной импеданс рамочной антенны электрически большого диаметра с включенными планарными конденсаторами рассчитывается при помощи аналитической модели, представляющей рамку над эк-
раном в виде полосковой линии передачи, погонная индуктивность которой скомпенсирована последовательно включенными конденсаторами. Расчет активной части входного импеданса рамки производится с использованием выражения для сопротивления излучения рамки большого диаметра с равномерным распределением тока. 4) Аналитическая модель рамочной антенны над экраном с квазисинфазным распределением тока по контуру определяет характер зависимости и количественное соотношение напряженности магнитного поля рамочной антенны для различных расстояний между плоскостью антенны и экраном.
Практическая значимость результатов работы:
-
Разработана конструкция антенны радиочастотной метки, способствующая увеличению дальности действия пассивных систем RFID и повышающая надежность их работы при маркировке объектов с металлическими поверхностями.
-
Проведена оценка точности аналитической модели для расчета входного сопротивления антенны PIFA. Проведен анализ влияния размеров экрана на характеристики излучения антенны. Полученные результаты использованы при разработке конструкции антенны для настольных RFID считывателей.
-
Разработаны аналитические модели для рамочной антенны электрически большого диаметра с квазисинфазным распределением тока по контуру, предназначенные для оценки входного сопротивления и напряженности магнитного поля в ближней зоне антенны, расположенной над экраном. Предложенные модели позволяет произвести быструю предварительную оценку основных размеров и параметров структуры при разработке рамочных антенн аналогичной конструкции.
Реализация и внедрение результатов исследований:
1) Разработанная конструкция антенны радиочастотной метки была запатентована и использована компанией «Систематика» для производства специализированных радиочастотных меток под торговой
маркой «PatchTag». Метки данного типа нашли применение в проектах компании по автоматизации промышленного производства, учету передвижения транспортных средств и железнодорожного подвижного состава.
-
На основании результатов исследования конструкции антенны PIFA была разработана модель антенны для настольных считывающих устройств, которые использовались компанией «Систематика» в составе автоматизированных библиотечных систем на основе технологии RFID.
-
Разработанная конструкция рамочной антенны для систем радиочастотной идентификации УВЧ диапазона используется компанией «РСТ-Инвент» для выпуска промышленных образцов антенн данного типа, применяющихся в проектах по автоматизации промышленного производства и в розничной торговле.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: 15-ый международный студенческий семинар «Microwave and Optical Applications of Novel Physical Phenomena», 19-21 мая, Санкт-Петербург, 2008; 38-я международная европейская научная конференция «European Microwave Con-ference», 27-31 October 2008, Amsterdam.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и докладах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 2 международных научно-практических конференциях, перечисленных в конце автореферата. Основные положения защищены 1 авторским свидетельством на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, включает 64 рисунка и содержит список литературы из 67 наименований.
Основные характеристики и принципы функционирования систем RFID
Система радиочастотной идентификации состоит из двух основных компонентов (рис. 1.1):
1) радиочастотная метка (транспондер, тег), которая должна пройти процедуру идентификации;
2) считывающее устройство (ридер, считыватель), которое в зависимости от приложения может не только считывать, но и записывать данные.
Функционирование современной системы радиочастотной идентификации осуществляется следующим образом. Считыватель генерирует электромагнитное поле определенной частоты. Метка, попадая в зону активности антенны считывателя, улавливает сигнал. Принятый сигнал преобразуется в постоянный ток, питающий элементы схемы метки. Для передачи ответной информации считывающему устройству в микрочипе осуществляется варьирование подключенной к антенне нагрузки, что приводит к изменению коэф-фициента отражения антенны (т. е. эффективного .сечения рассеяния). Таким образом производится модуляция отраженного антенной метки излучения по амплитуде и производится ответная передача информации, хранящейся в памяти метки. Считыватель принимает сигнал от метки, декодирует его и передает информацию в микропроцессор, где происходит обработка сигнала. Для последующей комплексной обработки, накопления и хранения информации данные передаются в компьютер.
На сегодняшний момент существует огромное количество различных систем радиочастотной идентификации от большого числа компаний производителей. Для того чтобы дать ясное представление о присутствующих на рынке системах можно воспользоваться классификацией, приводи мойв источнике [5, с. 30 - 331 (рис. 1.2)
В первую очередь системы радиочастотной идентификации можно разделить по принципу их работы: дуплексные (Full DupleX - FDX) и полудуп лексные (Half Duplex - HDX), кроме этого существуют и последовательные системы (SEQuential - SEQ).
При дуплексном и полудуплексном методе метка передает ответные данные при включенном высокочастотном поле ридера. Когда сигнал от метки достигает антенны считывающего устройства, он значительно ослаблен по сравнению с сигналом, который передает считывающее устройство. Для того, чтобы считывающее устройство могло выделить полученный сигнал на фоне передаваемого им сигнала, в транспондере используются специальные способы передачи сигнала: модуляция нагрузкой, модуляция нагрузкой с использованием поднесущей, а также передача данных на частоте гармоник (или субгармоник) основной частоты считывающего устройства.
В последовательном методе передачи считывающее устройство в определенное время прекращает передачу сигнала на основной частоте. Эти временные промежутки распознаются транспондером, который использует их для передачи данных считывающему устройству. Основным недостатком такого способа является то, что в этот момент метка не получает извне энергии, и поэтому приходится использовать дополнительные конденсаторы или батареи, которые заранее запасают энергию и обеспечивают питание, когда транспондер передает сигнал считывающему устройству.
Объем данных, передаваемый от метки к считывающему устройству, может изменяться от нескольких байтов до нескольких килобайтов. Однако существует и исключение - так называемые однобитные транспондеры; такой транспондер действительно передает только один бит данных, и этого - ;, вполне достаточно для того, чтобы считывающее устройство сигнализировало об. одном из двух состояний:, «метка находится .в; зоне действия» вышла из зоны действия». Возможностей таких транспондеров вполне хватает для многих простых систем охраны или сигнализации, а так как для создания подобных однобитных транспондеров нет необходимости использовать какие-либо электронные компоненты, то их стоимость может быть очень низкой. По этой причине метки данного типа в огромных количествах используются в EAS-системах для контроля и предотвращения краж товаров в больших магазинах и супермаркетах.
Следующей важной характеристикой транспондера является наличие цифрового идентификатора. В наиболее простом случае цифровой идентификатор (часто это просто серийный номер транспондера) прошивается в устройство при его производстве и в дальнейшем не может быть изменен. ;м Однако в современных системах радиочастотной идентификации чаще используются такие типы транспондеров, которые позволяют считывающему устройству не только считывать, но и изменять цифровой идентификатор транспондера. Для хранения данных чаще всего используется память EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), которая обеспечивает до 100 000 циклов записи данных. В микроволновых системах RFID также может использоваться и память SRAM (Static Random Access Memory), которая имеет чрезвычайно быстрый цикл записи и чтения данных. Однако эта память не является энергонезависимой, и для предотвращения потери данных необходимо использовать непрерываемый источник питания.
В программируемых системах для управления циклами чтения и записи данных, а также для определения прав на чтение или запись данных используется «внутренняя логика» носителя данных. Обычно она реализуется с помощью конечных автоматов. С их помощью можно реализовывать самые сложные процессы, однако их недостатком является невысокая гибкость, так как при изменении протокола необходимо заменять саму электронную микросхему. Это означает, что при разработке новых версий транспондера появится необходимость вновь разрабатывать и микросхему, что связано с достаточно высокими затратами.»Применение , микропроцессоров позволяет избавиться от подобных ограничений. Основная исполняемая программа или операционная система, которая осуществляет управление используемыми в приложении данными, может быть записана в процессе изготовления микропроцессора в самой микросхеме. При этом существует возможность свободно вносить изменения и дополнения в логику работы программы, а также модифицировать ее для нужд различных приложений.
Следует также упомянуть и о тех радиочастотных метках, где для хранения данных используются различные физические эффекты, - сюда относятся транспондеры на ПАВ (поверхностных акустических волнах) без возможности записи [6, 7].
Важнейшей характеристикой транспондера является способ подачи питания. Различают пассивные транспондеры, которые не имеют собственного источника питания и всю необходимую энергию получают от считывающего устройства (используя электрическое или магнитное поле). В отличие от них активные транспондеры имеют собственный источник питания (батарейку), который полностью обеспечивает питание электронных компонентов или же запасает переданную энергию для кратковременной поддержки работы устройства.
Следующей важной характеристикой является рабочая частота RFID системы, которая в свою очередь определят дальность действия метки. В большинстве случаев частота передачи данных транспондером не отличается от частоты, которую использует считывающее устройство. Однако часто мощность передаваемого транспондером излучения может быть на несколько порядков ниже, чем мощность излучения, передаваемого считывающим устройством. Выбор рабочего диапазона частот RFID систем ограничен так называемыми ISM-диапазонами (Industrial, Scientific, Medical), которые доступны свободно во всем мире и специально выделены для промышленных, научных и медицинских применений. В ходе эволюции RFID выделились три основных частотных диапазона
Резонаторная модель
Конструкцию микрополосковой антенны можно так же трактовать как резонатор, ограниченный сверху и снизу проводниками (излучатель и экран) и «магнитными стенками» по периметру антенны (боковые открытые стороны), с основным режимом колебаний ТМхою (рис. 3.3), соответствующим нижней резонансной частоте: где vo - скорость света, гг - диэлектрическая проницаемость.
Для упрощения модели пользуются следующими приближениями:
1) плотность электрического тока на внешней поверхности излучателя пренебрежимо мала по сравнению с плотностью электрического тока на поверхности экрана;
2) тангенциальная составляющая магнитного поля к боковым стенкам антенны очень мала, а, следовательно, плотность эквивалентного электрического тока на боковых стенках антенны близка к нулю.
Таким образом, ненулевую плотность имеют лишь эквивалентные магнитные токи по боковому периметру резонатора (рис. 3.3).
Как уже было упомянуто ранее, в модели линии передачи микрополос-ковая антенна представляется в виде двух излучающих щелей, расположенных на расстоянии, равном длине излучателя L. Аналогично, в рассматриваемой модели только две торцевые щели (с плотностью эквивалентных магнитных токов М\ и Мі на рис. 3.3) являются преобладающими источниками излучения, поскольку поля, излучаемые оставшимися двумя щелями, в базовых плоскостях взаимно компенсируются.
Торцевые излучающие щели формируют двухэлементную антенную решетку с расстоянием между элементами приблизительно равным U2. При этом, в направлении перпендикулярном плоскости антенны компоненты поля складываются синфазно и дают максимум излучения.
Компоненты электрического поля каждой излучающей щели равны: где Z = -y-sm9cos9, Z = ——cos 9, &o — волновое число, o - напряженность поля между кромками щели, г - расстояние от щели до точки наблюдения.
Для нахождения суммарного поля излучения двух щелей пользуются множителем решетки, который для данного случая решетки из двух излучающих элементов, имеющих одинаковую амплитуду и фазу и разделенных расстоянием L вдоль оси Y (рис. 3.3) равен:
Таким образом, с учетом множителя решетки, суммарное поле излучения (для микрополосковой антенны с экраном бесконечных размеров) в двух базовых плоскостях определяется выражениями:
1) для плоскости XY (9 = 90, 9 ф 90 и 279 ср 369):
2) для плоскости XZ ( p = 0, 0 9 189):
Пример типичной диаграммы направленности микрополосковой антенны, рассматриваемый в [37], показан на рис. 3.4. Видно, что данные, полученные с использованием приведенных выше соотношений, хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Исключение составляют области вблизи углов ф = 90 и ф = 270 в плоскости XY и зона, расположенная ниже экрана антенны. Эти расхождения объясняются приближениями, используемыми в рассматриваемой модели [37, с. 744 - 748].
Таким образом, данный тип антенн обеспечивает направленное излучение в одной полусфере с малым уровнем боковых и задних лепестков. Это свойство в сочетании с относительно небольшими габаритными размерам определило широкое использование рассмотренной конструкции в качестве антенн стационарных считывателей RFID-систем УВЧ диапазона. Из аналогичных соображений она так же является одним из наиболее удобных вариантов для мобильных и настольных терминалов. Однако существенным недостатком при этом остаются габаритные размеры микрополоскового излучателя. Значительно сократить их позволяет модификация антенны, результатом которой является конструкция PIFA.
Конструкция PIFA для настольного RFID ридера
Рассмотренная в двух предыдущих подразделах конструкция антенны была использована в настольных считывателях систем радиочастотной идентификации.
В процессе практической реализации антенны были произведены некоторые модификации ее конструкции, включающие в себя:
1) уменьшение ширины излучателя и экрана с целью получения возможности размещения антенны в наиболее подходящем из доступных типоразмеров корпуса;
2) добавление вырезов в экране антенны с целью расширения полосы рабочих частот.
Идея последней модификации была позаимствована из источника [40, с. 79]. Использование данной техники, согласно приведенным результатам, позволяет увеличить рабочий диапазон до 3% относительно центральной частоты. При относительно небольшом требуемом диапазоне рабочих частот (865 if t l/ iV ГУЛІІJ O O МГц):4; данная мера была призвана обеспечить компенсацию і рассогла-І ; жч Л сования с линией питания при возможном сдвиге резонансной частоты антенны из-за неточностей изготовления конструкции в процессе массового производства.
Конструкция антенны с указанными модификациями имеет следующие размеры L = 76,5 мм, W = 70 мм, h = 17 мм, Ьэк =145 мм, W3K = 95 мм, 4 = 30 мм, ws = 1 мм, s = 19 мм (рис. 3.17, а). Образцы были изготовлены из латунных листов толщиной 0,5 мм (рис. 3.17, б).
Диаграмма направленности модифицированной конструкции антенны показана на рис. 3.18. Сравнивая ее с диаграммой направленности для конструкции антенны с экраном аналогичной длины без вырезов (см. рис. 3.14, Ьэк = 150 мм), следует отметить, что уровень заднего лепестка в диаграмме направленности увеличился на 2 дБ. Причиной этому, предположительно, являются два фактора: уменьшение относительной ширины экрана на 5,5 мм (по сравнению с размером излучателя) и присутствие вырезов в экране, которые могут быть источником паразитного излучения.
На рис. 3.19 приведены расчетные и измеренные зависимости модуля коэффициента отражения на входе антенны. Согласно полученным данным, использование вырезов в экране позволяет увеличить диапазон рабочих частот антенны по уровню Su - - 10 дБ на треть (с 1,8 до 2,4 %). Следует отметить наличие сдвига в 15 МГц между точкой оптимального согласования, полученной при численном моделировании и измерениях. На рисунке показан результат корректировки данной погрешности в процессе оптимизации промышленного образца. Эта подстройка может быть легко осуществлена изменением длины излучателя L (укорочением на 2 мм, в данном случае).
Следует отметить, что в процессе изменения конструкции настольного считывателя (размеры и материал корпуса, близость расположения антенны к поверхности корпуса), конструкция PIFA подвергалась незначительным изменениям: корректировка длины излучателя, смещение точки подключения линии питания. Таким образом, компенсировалось влияние близкорасположенных к излучателю частей корпуса (диэлектрическая крышка, боковые металлические стенки). В данной работе описание подобных модификаций опущено.
В заключение вышесказанного можно сделать следующие общие выводы. Конструкция PIFA пригодна для использования в настольных терминалах систем радиочастотной идентификации. Несмотря на существенно более высокий уровень излучения в направлении, противоположном основному, по сравнению с конструкцией микрополосковой антенны, PIFA обладает несомненными преимуществами по габаритным размерам. В ряде случаев при проектировании антенны это может исключить использование дорогостоящих СВЧ диэлектриков с высокой относительной диэлектрической проницаемостью, часто используемых для уменьшения размеров печатных излучателей. Как показывает приведенный выше пример, достаточно компактный излучатель может быть реализован на основе простых материалов.
Так же данная конструкция удобна в случае, когда необходимо получить низкопрофильную антенну с максимумом излучения в направлении, перпендикулярном плоскости антенны. В случае систем радиочастотной идентификации эта необходимость появляется достаточно часто: настольные и ручные считыватели, станции книговыдачи, идентификационные зоны в системах розничной торговли.
Однако, данной конструкции так же свойственен существенный недостаток, общий для всего класса микрополосковых антенн - узкий диапазон рабочих частот. В частности, практический опыт использования описанной в данной главе конструкции показал существенное влияние на входные характеристики антенны погрешностей производства и необходимость установки допусков высокой точности на изготовление частей конструкции и их монтаж. В результате, не удалось обеспечить процесс производства, обеспечи-вающий необходимую точность изготовления и не требующий последующей обязательной проверки и подстройки образцов антенн. М( !,« „Решить данную проблему,позволяет,высокоточное изготовление антенн i,Mm на основе современных технологий производства печатных плат. Однако, как ! h f уже было упомянуто ранее, требуемой точности можно добиться лишь с использованием в качестве основы специализированных диэлектриков, которые обеспечивают стабильность относительной диэлектрической проницаемости в требуемом диапазоне частот. Анализ рынка специализированных материалов выявил недостаток подобного решения с точки зрения себестоимости конечного изделия.
Альтернативным решением может являться конструкция дипольной антенны с рефлектором в планарном исполнении (рис. 3.20) [61]. Наличие рефлектора в структуре антенны позволяет провести корректировку диаграммы направленности диполя как отдельного излучателя и сконцентрировать излу-чение антенны в одной полусфере. К основным"преимуществам данной кон- , иЦ\Ц струкции по сравнению с антенной PIFA можно отнести:
1) более широкий диапазон рабочих частот;
2) возможность достаточно простой корректировки направленности излучения антенны посредством изменения длины рефлектора (относительно длины диполя) и расстояния между диполем и рефлектором;
3) высокую технологичность и низкую стоимость изготовления.
К недостатку данной конструкции, с точки зрения ее использования в мобильных RFID терминалах, можно отнести расположение точки максимума диаграммы направленности, которая лежит на оси параллельной плоскости антенны. При подобных характеристиках направленности излучения антенна может быть не пригодна для размещения в настольных терминалах, имеющих плоский корпус. Так же следует отметить сильное влияние на характеристики антенны близкорасположенных объектов (это могут быть другие элементы конструкции мобильного устройства). Однако размеры корпуса для настольного считывающего устройства и компоновка его внутренних элементов на момент подготовки рукописи были таковы, что не накладывали существенных ограничений на использование антенны данного типа. Вышеизложенные факторы стали основанием для проведения работ по ее внедрению в конструкцию считывающего устройства.
Измерения образца и доработка конструкции
На основании результатов моделирования был изготовлен тестовый образец антенны и проведены его измерения. Согласно результатам измерений, центральная точка рабочей полосы частот оказалась сдвинута приблизительно на 50 МГц относительно требуемого диапазона 865 - 870 МГц (рис. 4.4,график «измерения»). Как было выяснено впоследствии, причиной расхождения результатов явилась некорректная установка толщины подложки s в модели (см. рис. 4.1). При первоначальных расчетах толщина подложки s в модели бралась равной 3 мм, тогда как при изготовлении тестового образца использовалась подложка толщиной 1,5 мм. Повторное моделирование показало значительно лучшее совпадение результатов численных расчетов и экспериментальных данных (рис. 4.4, графики «измерения» и «моделирование ( =1,5 мм)»). Выявленная ошибка, помимо прочего, показала значительное влияние толщины подложки на характеристики антенны.
При анализе графика зависимости входного сопротивления антенны от частоты (без симметрирующего трансформатора, рис. 4.5) было установлено, что для сдвига резонансной частоты антенны в нужный диапазон, необходимо увеличить суммарную емкость включенных в цепь конденсаторов.
Подстройка планарных конденсаторов может быть выполнена несколькими путями:
1) увеличением длины конденсаторных линий;
2) уменьшением расстояния между этими линиями и основным проводником антенны;
3) добавлением дополнительных линий со стороны, противоположной уже имеющимся.
Поскольку доработка имеющегося образца допускала лишь последнюю модификацию, то для дальнейшей оптимизации характеристик антенны был выбран данный способ. В результате экспериментальной подстройки тестового образца антенны хороший уровень согласования в нужном диапазоне частот был достигнут (рис. 4.6, образец 2). Для этого с внутренней стороны петли были размещены дополнительные конденсаторные линии шириной Ь=3 мм, длиной L2=35 мм и отступом t2-l мм от основного проводника петли. Модифицированная конструкция антенны показана на рис. 4.7.
После подстройки были проведены измерения дистанции регистрации ближнепольных тегов (метка, в которой используется петлевая антенна) с использованием двух рассмотренных выше образцов антенн (рис. 4.8).
В результате измерений было выявлено значительное уменьшение напряженности магнитного поля в ближней зоне второго образца антенны.
Об этом косвенно свидетельствовало уменьшение более чем в два раза дистанции регистрации ближнепольных меток при использовании второго образца антенны по сравнению с первым. Возможными причинами наблюдаемого уменьшения дистанции регистрации метки могли быть:
1) изменение распределения максимумов напряженности магнитного поля над структурой антенны (дистанция регистрации меток измерялась только в центральной части антенны);
2) значительное уменьшение амплитуды тока, текущего по периметру рамки, при включении в конструкцию дополнительных линий.
Для выявления действительных причин значительного ухудшения характеристик второго образца были проведены дополнительные численные расчеты, в результате которых была получена графическая зависимость распределения поверхностного тока по периметру рамки (рис. 4.9) и распределения нормальной (по отношению к плоскости антенны) компоненты вектора напряженности магнитного поля вдоль осей X и Y (рис. 4.10) для двух рассматриваемых образцов.
Как видно из первого рисунка, несмотря на геометрически равномерное расположение дополнительных конденсаторных линий, их внесение в структуру приводит к значительной неравномерности в распределении поверхностного тока по периметру рамки и существенному уменьшению его амплитуды в отдельных зонах антенны. Это, в свою очередь, согласно графикам на рисунке 4.10, приводит к уменьшению общей напряженности магнитного поля и увеличению неравномерности его распределения вдоль оси X. В результате точка максимума напряженности магнитного поля смещается от центра антенны.
Для проверки влияния взаимного размера конденсаторных линий, расположенных по обеим сторонам основного контура рамки, на равномерность распределения тока по контуру антенны, была дополнительно рассмотрена ситуация, когда линии располагались симметрично на расстоянии i = /2= 1,5 мм от основного контура петли и имели равные размеры L\ =L2 = 37,5 мм (рис. 4.11). Однако, на рисунке видно, что неравномерное распределение поверхностного тока по периметру антенны наблюдается и в этом случае.
Таким образом, второй вариант конструкции конденсаторов не обеспечивает требуемых характеристик и поэтому не может быть рекомендован к использованию. По данной причине для подстройки входного сопротивления антенны был использован другой способ: вблизи точки питания в разрыв основного проводника был добавлен чип-конденсатор емкостью 0,82 пФ, а расстояние между подложкой и экраном уменьшено до 25 мм. Повторные измерения дистанции регистрации меток выявили сохранение характеристик антенны при данном способе ее подстройки. Было даже отмечено небольшое увеличение дистанции регистрации, что объясняется улучшением согласования антенны с линией питания. Конструкция с последними модификациями была взята за основу для модели антенны, используемой на практике (рис. 4.12).
