Presentazione Tesi di Laurea Specialistica

sommario

Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId conaccoppiamento magnetico.

Marano Barbaro

Universita degli Studi di Cataniahttp://www.unict.it

28 luglio 2009

Marano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.

http://www.unict.it

sommario

Sommario

1 Introduzione

2 Stato dell’Arte

3 Progetto Sviluppato

4 Prestazioni ottenute del Sistema complessivo.


Introduzione

Parte I

Introduzione


Introduzione

Panoramica sugli RFIdIl sistema RFIdTipologie di RFIdNormative USA - EU

RFId: Termine ed utilizzo

Il termine RFId, e l’acronimo di Radio Frequency IDentification.

(a) IFF: Identification Friend and Foe (b) Telepass c©

Figura: Applicazioni note della tecnologia RFId


Introduzione


Il Reader e il Tag

RFID reader

Application

Data

Energy

ClockContactless

data carrier =transponder

Coupling element(coil, microwave antenna)


Introduzione


Near-Field , Far-Field

LF = 13.56 MHz

UHF = 850 - 950 MHzuW = 2.4 GHz - 5.4 GHz

Reading Range = 10 cm

Reading Range = 7 m


Introduzione


Worldwide Frequency Regulamentation

Europa: 3.8 W EIRP; 2 MHz di Banda; 10 canali da 200 KHz .Stati Uniti: 4 W EIRP; 26 MHz di Banda; 63 canali da 400 KHz ;

Figura: Frequenze Operative RFId nel mondoMarano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.

Stato dell’Arte

Parte II

Stato dell’Arte


Stato dell’Arte

Il dipolo come antenna del TagRiduzione della lunghezza del bipolo: MeanderingRiduzione della lunghezza del bipolo: Tip-LoadingFormule di progetto: Formula di Friis.Formule di progetto: Coefficiente “Tao”.

Il dipolo come antenna del Tag

Ogni antenna far-field UHF per RFId si rifa al dipolo.

dA(r )4

J(r )3

J(r )2

J(r )1

λ/2L=

Zsource

X 0ant

60 nH

73

0.5 fF

Ω

'

V

A(r2) = µ04π

∫v

J(r1)e−jωr12

r12dv

H = 1µ0∇× A

E = −∇φ− jωA

PROBLEMA: Un dipolo a λ/2 alla frequenza di 900 MHz e lungo ' 16 cm.


Stato dell’Arte


Riduzione della lunghezza del bipolo: Meandering

λ/2L<

Zsource

X 0ant

40 nH

50

0.25 fF

Ω

'

V

dA(r )4

J(r )3

J(r )2

J(r )1

Il ripiegamento dei bracci dei bipolo comporta una fris piu bassa.Aumentare la lunghezza complessiva del conduttore ristabilisce la fris .

18 cm 15 cm

9.6 cm

IC


Stato dell’Arte


Riduzione della lunghezza del bipolo: Tip-Loading

E possibile ridurre l’ingombro riducendo la lunghezza del conduttore.Questo comporta un aumento di fris che puo essere ristabilita aumentando ilcontributo capacitivo.

dA(r )4

J(r )2

J(r )1

λ/2

Zsource

X 0ant

40 nH

20

1.5 pF

Ω

V

L<

f =1

2π√

LC(1)


Stato dell’Arte


Formula di Friis.

PTGT x

(λ

4πR

)2

x GR = PR

RPT

GRGT

G i=

1

Rmax =λ

4π

√PTMAX

PRMIN

GTGR (2)


Stato dell’Arte


Coefficiente di trasmissione di potenza.

R

XX

RV

Vload

load

load

ant

ant

oc

τ(f ) =Pload(f )

PFriis=

|Vg |2Rload

2|Zant (f )+Zload (f )|2

|Vg |2

8Rload

= 4RloadRant

|Zant + Zload |2(3)


Progetto Sviluppato

Parte III

Progetto Sviluppato


Progetto SviluppatoSchema a blocchi.Progettazione Stadio Near-FieldProgettazione Stadio Far-Field

Schema a blocchi.

Antenna Far-Field

Tag Completo

Accoppiamento elettromagnetico

Tag Completo

Accoppiamento elettromagnetico

IC

Antenna Far-Field

IC

Struttura da progettare

Configurazione Tradizionale

Soluzione Proposta

Primario


Minore complessità realizzativa

-Robustezza meccanica-Resa Maggiore-Affidabilità;

-Minor Costo


Progettazione Stadio Near-Field

(a) Stadio near-field iniziale. (b) Spira quadrata con die capovolto.

Figura: Stadio near-field ottimizzato per aumentare il coefficiente di accoppiamento.

ZPrimario = 13 + j5Ω @ 900 MHz L = 1.6 nH



Progettazione Stadio Far-Field

(a) BowTie - STD (b) BowTie - LINE

(c) BowTie - MEANDERED (d) BowTie - FINAL

Figura: Geometrie di antenne far-field studiate.Marano Barbaro Progettazione di un’antenna Far-Field per RFId con accoppiamento magnetico.


Modello 3D complessivo

Figura: Modello 3D della struttura complessiva.


Prestazioni Ottenute

Parte IV

Sistema Complessivo


Prestazioni OttenuteDiagramma di radiazione antennaCoefficiente di trasferimento di potenzaSistema Complessivo.

Diagramma di radiazione antenna

0.5

1

1.5

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

0.5

1

1.5

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Angolo [°]

Gua

dagn

o

Dpeak Gpeak η rad

163. .173 91%



Coefficiente di trasferimento di potenza

0.85 0.87 0.89 0.91 0.93 0.95

0.4

0.6

0.8

1

freq [GHz]

Co

eff

icie

nte

di t

rasf

erim

en

to d

i po

ten

za

0.85 0.87 0.89 0.91 0.93 0.95

0.4

0.6

0.8

1

freq [GHz]

Co

eff

icie

nte

di t

rasf

erim

en

to d

i po

ten

za

(0.9,0.99116)

Il trasferimento di potenza tra sorgente e carico si ha con una efficienzasuperiore al 90% su tutto il range 865 - 928 MHz (Bande Europee e Statunitense)



Sistema Complessivo.

Figura: Antenna Bow-Tie realizzata.



Conclusioni

E stata progettata un’antenna far-field per un Tag UHF,accoppiata magneticamente al circuito integrato. Il guadagnomassimo ottenuto e di 1.73 dBi . Il matching a larga bandaottenuto permette un trasferimento di potenza con un’efficienzasuperiore al 90 % per tutto il range di interesse. Il reading-rangemassimo teorico e di 7 m.



Ringraziamenti

Grazie per l’attenzione


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