Fundamentos de Antenas para Tecnologia RFID - 2014

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Fundamentos de Antenas para Tecnologia RFID - 2014

  1. 1. Fundamentos de Antenas para Tecnologia RFID Prof. Dr. Carlos Fernando Jung carlosfernandojung@gmail.com Material Didático de Apoio http://polovp.faccat.br Atualizado 2014
  2. 2. O Que é RFID
  3. 3. RFID é a denominação dada a Radio Frequency Identification ou Identificação por Radiofrequência
  4. 4. Algumas Aplicações
  5. 5. Qual a Importância de se Estudar Antenas e Transmissão e Recepção de Ondas Eletromagnéticas em Sistemas com Tecnologia RFID?
  6. 6. Interferência Externa (própria) Interferência Interna (própria) Interferência Externa (terceiros) Várias Posições da TAG no Produto Polarização Horizontal Polarização Vertical Intermodulação dos Sinais das TAG’s Intensidade dos Sinais Área de Cobertura (Posição/Polarização) Leitura de Várias TAG’s Leitura de Uma TAG Distância da Antena a Estruturas (Reatância) Contato da TAG em Vários Tipos de Materiais
  7. 7. Fundamentos
  8. 8. Osciladores
  9. 9. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quartz_Br%C3%A9sil.jpg Cristal
  10. 10. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quartz_Br%C3%A9sil.jpg Cristal Oscilador
  11. 11. http://www.ecliptek.com/tech/spurmodes.html Oscilador Eletrônico a Cristal
  12. 12. Oscilador Eletrônico a Cristal Microprocessor Oscillator Pierce Crystal Oscillator Cristal Oscilador http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html Receptor 433 MHz
  13. 13. 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
  14. 14. Onda Senoidal http://www.mitecnologico.com/Main/CaracteristicasOndaSenoidal Representação Fasorial de uma Onda Senoidal
  15. 15. Frequência / Amplitude / Fase http://hudlac.files.wordpress.com/2009/06/ondas-freq-amp-fase.png
  16. 16. Ondas Eletromagnéticas
  17. 17. Algumas Aplicações
  18. 18. 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
  19. 19. http://sites.google.com/site/medea2010esdmibeja/maxwelianos/maxewell-e-as-ondas-electromagneticas
  20. 20. Espectro Eletromagnético
  21. 21. Espectro Eletromagnético
  22. 22. Espectro Eletromagnético
  23. 23. Espectro Eletromagnético
  24. 24. http://www.rfid-handbook.de/rfid/5_RFID-frequencies.gif Espectro Eletromagnético (RFID)
  25. 25. Antenas
  26. 26. Como Funciona uma Lâmpada
  27. 27. Como Funciona uma Lâmpada Lâmpada FilamentoRede 220V 60 HZ Fase Neutro Condutor Elétrico (Condutor Bifilar) Circulação de Corrente Elétrica
  28. 28. Como Funciona uma Antena
  29. 29. Como Funciona uma Antena Sinal do Transmissor Cabo Coaxial Condutor 1 Condutor 2 Dipolo Real
  30. 30. 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
  31. 31. Irradiação do Dipolo Irradiação 0,5 http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html
  32. 32. Diagramas de Irradiação
  33. 33. Diagramas de Irradiação Simulation of Mobile Phone Antenna Performance http://www.cst.com/Content/Applications/Article/Simulation+of+Mobile+Phone+Antenna+Performance
  34. 34. Ganho de Irradiação da Antena
  35. 35. 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)
  36. 36. 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
  37. 37. Antena P2 Antena X A Antena P1 recebeu mais ou menos sinal da Antena X em relação a Antena P2, com a mesma potência aplicada as Antenas X e P2 Antena P1 Análise Comparativa
  38. 38. Ganho da Antena Defini-se a potência, por exemplo, através da seguinte expressão matemática: dB = 10 log P2 / P1 P2 = valor medido P1 = 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
  39. 39. 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)
  40. 40. Lóbulo de Irradiação
  41. 41. Lóbulo de Irradiação Antena Direcional
  42. 42. Polarização da Antena
  43. 43. Polarização Vertical e Horizontal Polarização Vertical Polarização Horizontal http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html
  44. 44. Polarização Circular http://en.wikipedia.org/wi ki/Circular_polarization
  45. 45. Impedância da Antena
  46. 46. 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
  47. 47. 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
  48. 48. http://pages.intnet.mu/ingepru/antenna.htm
  49. 49. Tipos de Antenas
  50. 50. Tipos de Antenas Embora existam muitos modelos de antenas, os tipos são basicamente três: Direcional Semi Direcional / Setorial Onidirecional
  51. 51. Antena Direcional
  52. 52. 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.
  53. 53. Irradiação Direcional http://loja.tray.com.br/loja/produto-66984-1157- promocao_de_lancamento__antena_orion_imax_58ghz_32dbi
  54. 54. Irradiação Direcional
  55. 55. Antena Parabólica A parabólica com parábola fechada, atenua fortemente os ruídos vindo de traz, enquanto a parábola de grade, atenua apenas moderadamente Parabólica de Grade
  56. 56. Antena Yagi
  57. 57. 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/
  58. 58. Antena Helicoidal
  59. 59. 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
  60. 60. Antena Setorial
  61. 61. 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.
  62. 62. Irradiação Setorial http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/
  63. 63. Irradiação Setorial http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/
  64. 64. Antena Painel Indoor http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Indoor-antenna.jpg
  65. 65. Antena Painel Outdoor http://www.slavnet.com/page/4
  66. 66. Antena Onidirecional
  67. 67. Antena Onidirecional Onidirecional: são antenas que transmitem os sinais em várias direções, em ângulo de irradiação de 360 graus.
  68. 68. Irradiação Onidirecional http://www.kemt.fei.tuke.sk/Predmety/KEMT320_EA/_web/Soun d%20Fields%20Radiated%20by%20Simple%20Sources.htm Visto de cima
  69. 69. Irradiação Onidirecional http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/
  70. 70. Antena Vertical
  71. 71. Linhas de Transmissão e Recepção
  72. 72. Cabos Coaxiais (50, 75 Ohms) Cabo Paralelo (Fita 300 Ohms) Linhas de Transmissão e Recepção
  73. 73. Linhas de Transmissão e Recepção Linhas Bifilares Linhas Coaxiais
  74. 74. Linhas de Transmissão e Recepção
  75. 75. Linhas e Conectores
  76. 76. Características da Impedância de uma Linha de Transmissão Z0 = Characteristic impedance L = 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 conductors R = DC resistance per unit length of the RF transmission line G = the dielectric conductance per length ω = frequency (radians/s) http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5776
  77. 77. Ondas Estacionárias
  78. 78. Onda Refletida Reader Cabo Coaxial Antena
  79. 79. 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%
  80. 80. R.O.E (SWR)Standing Wave Ratio
  81. 81. 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.
  82. 82. 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.
  83. 83. Equipamentos para Medições e Análise de Sinais
  84. 84. Spectrum Analyzer - Analisador de Espectro (Laboratório de Metrologia e Instrumentação FACCAT)
  85. 85. Exemplo: Transmissão de sinal em 915 MHz e visualização no Spectrum Analyzer
  86. 86. Equipamento do Laboratório de Análise de Sinais de R.F. (Prof. Dr. Jung)
  87. 87. Spectrum Analyzer (9 KHz to 2,7 GHz)
  88. 88. Digital Oscilloscope (500 MHz)
  89. 89. Communications Monitor Service (100 KHz to 1 GHz)
  90. 90. Recebe Sinais Transmite Sinais
  91. 91. RF Explorer - Spectrum Analyzer (15 MHz a 2,7 GHz)
  92. 92. Exemplo: Análise do Espectro de WiFi (2,4 a 2,483 GHz)
  93. 93. Exemplo: Análise do Espectro de FM (88 a107 MHz)
  94. 94. WiPry-Spectrum (Spectrum Analyzer 2,4 GHz)
  95. 95. WiPry-Spectrum (Spectrum Analyzer 2,4 GHz)
  96. 96. Antenna Analyzer AA-1000 (100 KHz a 1 GHz)
  97. 97. Funcionamento do Sistema RFID
  98. 98. Funcionamento do Sistema RFID Adaptado de http://www.actionpkg.com/pages/system_diagram.html
  99. 99. Funcionamento do Sistema RFID Block Diagram of a Typical RFID Tag/Reader System http://firewall-et.com/pop_rfid_access.html
  100. 100. Funcionamento do Sistema RFID Block Diagram of a Typical RFID Tag/Reader System
  101. 101. RFID TAG
  102. 102. Princípio
  103. 103. Estrutura - Componentes da TAG
  104. 104. RFID Tag http://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
  105. 105. Irradiação da TAG
  106. 106. Irradiação da TAG http://en.wikipedia.org/wiki/File:DipoleRadiation.gif
  107. 107. Faixa de Operação da TAG
  108. 108. http://www.rfid-handbook.de/rfid/5_RFID-frequencies.gif
  109. 109. 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/
  110. 110. 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/
  111. 111. 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
  112. 112. http://www.oxxcode.com.br/tag-rfid-passiva/ Síntese
  113. 113. Funcionamento da TAG
  114. 114. 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
  115. 115. Antenas Utilizadas em TAG’s (Etiquetas)
  116. 116. http://www.propagation.gatech.edu/ECE6390/project/Fall2009/DustHound/design.html Anatomia
  117. 117. http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/
  118. 118. http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/
  119. 119. http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/
  120. 120. http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/
  121. 121. http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/
  122. 122. http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/
  123. 123. Antenas Utilizadas em Reader’s (Leitores)
  124. 124. Antenas para Leitores RFID
  125. 125. A RFID I Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat
  126. 126. Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat A RFID II
  127. 127. Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat A RFID III
  128. 128. Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat A RFID III
  129. 129. Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat A RFID III
  130. 130. Antena para Leitores RFID desenvolvida na Faccat A RFID III
  131. 131. Experimentos com TAG’s e Antenas
  132. 132. Ensaio Experimental em “espaço livre” Realizado na FACCAT Analisador Antena - TAG Antena Padrão Transmissor
  133. 133. 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
  134. 134. Tag Etiqueta RFID) fixada em um suporte e colocada no interior do recipiente Recipiente construído com plástico em forma de carrinho de supermercado Testes Realizados no Campus da Faccat
  135. 135. 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)
  136. 136. Antena TX/RX do Leitor de RFID TAG RFID fixada em um quadro de vidro Leitor RFID Dr. Marcelo M.Sc. Everton Hardware e Software para Controle Sistema de Nivelamento a Laser – duplo feixe
  137. 137. Sistema RFID TESTER (Análise Completa)
  138. 138. 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 Parameters Tag Memory Bank Data Tag Transmission Power, Modulation Type and Flag Persistence Value Display Command and Response Log http://www.temcell.com/tc2600a.htm
  139. 139. 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 Power Reader Power-up/-down RF envelope Reader PIE Symbol Interval (Delimiter, Tari, PW, RTcal, TRcal, etc.) Reader Preamble and Frame-Sync Reader Response Time http://www.temcell.com/tc2600a.htm
  140. 140. 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 Settings Inventory and Select Tag Commands including Read, Write, Kill, Lock, Access, BlockWrite and BlockErase Automatic TUT (Tag Under Test) Generator Automatic Presumption Tag Lock Status Display Command and Response Log http://www.temcell.com/tc2600a.htm
  141. 141. 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 Power Tag BLF (Backscattering Link Frequency) Accuracy Tag Duty Cycle Tag FM0/Miller Preamble Tag Response Time http://www.temcell.com/tc2600a.htm
  142. 142. 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
  143. 143. Variáveis que Interferem em Sistemas de Teste (Ondas Refletidas) Atenuação e/ou Reforço
  144. 144. Ambiente de Teste (Interno) Exemplo: Uma Sala Ondas irradiadas por diversos tipos de equipamentos Antena Transmissora Antena Receptora Ondas refletidas em móveis Ondas refletidas no teto Ondas refletidas no piso Ondas refletidas nas paredes Onda Direta
  145. 145. Sistema de Teste em “Espaço Livre”
  146. 146. Produto com a TAG fixada na embalagem colocada no interior de um recipiente de isopor TX RX Antena Leitor RFID Cabos Coaxiais
  147. 147. Sistema de Teste em “Câmara Anecóica”
  148. 148. http://www.junseal.com.br/radiofre.html Absorvedor de R.F. http://www.liv.ac.uk/~huangyi/Photos.htm Anechoic chamber for Antenna Measurements
  149. 149. Mini Câmara Anecóica em Desenvolvimento
  150. 150. Mini Câmara Anecóica 1ª Fase – Blindagem Eletrostática
  151. 151. Projeto do Protótipo...
  152. 152. Projeto do Protótipo...
  153. 153. Processo de Fabricação do Protótipo...
  154. 154. Instalação de 1 antena para ajuste dos suportes de fixação...
  155. 155. Instalação de 2 antenas para ajuste dos suportes de fixação...
  156. 156. Aspecto da Mini Câmara (Blindagem) em relação ao pesquisador
  157. 157. Local de colocação do Produto com embalagem Produto com a TAG Colocada na embalagem Antena de RFID TX/RX TX RX TAG

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