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Fundamentos de Antenas e
Arquitetura da Tecnologia RFID

                                                  Prof. Dr. Carlos Fernando Jung
                                                  carlosfernandojung@gmail.com




                          Material Didático de Apoio                      Atualizado 2012

                          Mini Curso: Tecnologia e Aplicações do Sistema RFID
http://polovp.faccat.br   (Módulo I) – Fundamentos de Antenas e Arquitetura de Sistemas RFID
O Que é RFID
RFID é a denominação dada a Radio Frequency
 Identification ou Identificação por Radiofrequência
Essa tecnologia é composta de equipamentos como leitores, antenas e tags
(etiquetas) que se comunicam através de ondas eletromagnéticas enviando
             e recendo informações sobre produtos e processos
Algumas Aplicações
Fundamentos
Princípios de Corrente Alternada
        (Ondas Senoidais)
Geração de Energia Elétrica
                                                   Sistema Hidráulico




http://m.albernaz.sites.uol.com.br/geracao_de_energia_eletrica.htm
Gerador de Corrente Alternada




 http://macao.communications.museum/por/exhibition/secondfloor/moreinfo/2_4_1_ACGenerator.html
http://macao.communications.museum/por/exhibition/secondfloor/moreinfo/2_4_1_ACGenerator.html
Onda Senoidal




                                                   Representação Fasorial de uma Onda Senoidal

http://www.mitecnologico.com/Main/CaracteristicasOndaSenoidal
Frequência / Amplitude / Fase




http://hudlac.files.wordpress.com/2009/06/ondas-freq-amp-fase.png
Osciladores
Cristal




http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quartz_Br%C3%A9sil.jpg
Cristal Oscilador




http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quartz_Br%C3%A9sil.jpg
Cristal Oscilador




               http://www.ecliptek.com/tech/spurmodes.html
Oscilador Eletrônico




Pierce Crystal Oscillator                                                                 Microprocessor Oscillator




                                                                               Cristal Oscilador




                            http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html
Ondas Eletromagnéticas
Algumas
Aplicações
Campo Elétrico e Campo Magnético




http://robsonmagno.wordpress.com/2011/03/10/historia-do-eletromanetismo/   http://educacao.uol.com.br/fisica/campo-
                                                                           magnetico-lei-de-ampere.jhtm
http://sites.google.com/site/medea20
10esdmibeja/maxwelianos/maxewell-
e-as-ondas-electromagneticas
Espectro Eletromagnético
http://gymjs.net/~j.donoval/Sexta.htm
Antenas
Fundamentos de um
  Sistema Elétrico
Sistema Elétrico




http://www.redeinteligente.com/2009/08/11/red
e-inteligente-por-que-como-quem-quando-onde/
Como Funciona uma Lâmpada
Como Funciona uma Lâmpada




                                                     Lâmpada

      Fase

Rede 220V 60 HZ                                         Filamento

     Neutro

                                                      Circulação de Corrente Elétrica
              Condutor Elétrico (Condutor Bifilar)
Como Funciona uma Antena
Como Funciona uma Antena

              Cabo Coaxial
                             Condutor 1
Sinal do
Transmissor

                             Condutor 2


                                                                                      Irradiação

                                                  Cabo Coaxial                          +

                                    Ao Transmissor                                            Campo Elétrico



                                                                                         -

              Dipolo Real
                                     http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html
Irradiação do Dipolo




                                   Irradiação 0,5

                http://www-
                antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu
                /em/smalldipole/smalldipole.html
Diagramas de Irradiação
Ganho de Irradiação da Antena
Ganho de Irradiação da Antena




    Dipolo de Meia Onda                                       Dipolo de Meia Onda


 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)
http://www.zcg.com.au/digital-radio-broadcast-antennas.html
Ganho de Irradiação da Antena




    Dipolo de Meia Onda                                       Antena sob Teste



     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

http://www.zcg.com.au/digital-radio-broadcast-antennas.html
Antena P2


 Análise Comparativa

 Antena P1




            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 X
Ganho da Antena
  O decibel é uma medida que expressa a comparação entre
  dois valores de uma mesma grandeza.


Defini-se a potência, por exemplo, através
da seguinte expressão matemática:

           dB = 10 log P2 / P1

               P2 = valor medido
            P1 = valor de referência
            0 dB = 10 x log (1) ÷ (1) sendo que log 1÷1 = 0
Exemplo de Ganho
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)
Equipamentos para Medições
  de Intensidade de Sinais

   (Amplitude x Frequência)
Spectrum Analyzer - Analisador de Espectro
(Laboratório de Metrologia e Instrumentação FACCAT)
Exemplo: Transmissão de sinal em 915 MHz e visualização no Spectrum Analyzer
Ensaio Experimental em “espaço livre” Realizado na FACCAT

                                               Antena - TAG
                               Antena Padrão




Analisador


Transmissor
Equipamento no Laboratório de Análise de Sinais de R.F. (Prof. Dr. Jung)
Communications Monitor Service (100 KHz to 1 GHz)
Recebe Sinais




Transmite Sinais
Exemplo: Visualização de um Sinal de 915 MHz
RF Field Analyzer (100 KHz to 2 GHz)
Spectrum Analyzer (9 KHz to 2,7 GHz)
WiPry-Spectrum (Spectrum Analyzer 2,4 GHz)
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/wi
                       ki/Circular_polarization
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 Parabólica
    A 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 Helicoidal
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
Visto de cima




                http://www.kemt.fei.tuke.sk/Predmety/KEMT320_EA/_web/Soun
                d%20Fields%20Radiated%20by%20Simple%20Sources.htm
Irradiação Onidirecional




http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/
Antena Vertical
Linhas de
Transmissão e Recepção
Linhas de Transmissão e Recepção




                     Cabos Coaxiais (50, 75 Ohms)




                     Cabo Paralelo (Fita 300 Ohms)
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 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
Ondas Estacionárias
Onda Refletida


Transmissor
                                       Antena



                        Cabo Coaxial
Onda Refletida e R.O.E
  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%
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.
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 TAG
      Circuito Integrado (chip)




                                                                         RFID Tag
                                                                         http://www.sagedata.com/the_company/




                                                                                                          Antena

RFID Tag
http://paeae.com/communication/rfid/rfid-tag-transparent-mifare-1k-13-56-mhz.html
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/
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




          http://www.oxxcode.com.br/tag-rfid-passiva/
Funcionamento da TAG
Funcionamento da TAG




RFID TAG
http://www.aliexpress.com/product-fm/457302538-
UHF-asset-RFID-Tags-wholesalers.html


                                                  Functional Block
                                                  Diagram of an RFID TAG
Schematic
Depiction of
Reader-to-
tag Data Link




                http://rfidtribe.com/index.php?option=com_content&task=view&id=423




                                                                                     Schematic
                                                                                     Depiction of
                                                                                     Tag-to-reader
                                                                                     Data Link
Simplified Physics of
            Backscatter Signaling




Modulated Backscatter Using a Transistor as a Switch
    http://rfidtribe.com/index.php?option=com_content&task=view&id=423&Itemid=99
Antenas Utilizadas em
  TAG’s (Etiquetas)
Anatomia




   http://www.propagation.gatech.edu/ECE6390/project/Fall2009/DustHound/design.html
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/
Sensibilidade da TAG
ANANYAA GAUTHAM, M.S.
Minimum Transmitted Power x Tags   The University of Texas at Arlington, 2008
Sistemas de Teste para
    TAG e Antenas
Sistema de Teste para Análise
Comparativa do Ganho de Antenas
Antena Desenvolvida
                       na Faccat para RFID




Communications
Service Monitor
IFR COM 120-B     RX


                            Sinal Transmitido
                            915 MHz / -30 dBm



            TX

                                                 Antena Padrão
                                                Dipolo de ½ Onda




                       Antena Comercial
                       para RFID
Balun
                             (Converte a Impedância de 50 para 75 Ohms)
                             (Converte a linha desbalanceada em balanceada)
Dipolo de ½ Onda (915 MHz)




                                               Antena Padrão
                                               para Ensaios
Antena TX/RX para RFID
desenvolvida na Faccat
Sistema de Teste para 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 com
plástico em forma de
carrinho de supermercado

                               Testes Realizados no
                               Campus da Faccat
Sistema de Teste para 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)
Sistema de Nivelamento      Antena TX/RX do Leitor de RFID
              a Laser – duplo feixe




Leitor RFID


                        M.Sc. Everton
                                              Dr. Marcelo




    Hardware e Software para Controle   TAG RFID fixada em um quadro de vidro
Sistema RFID TESTER

   (Análise Completa)
1 - Integration of All Required Functions for Reader and RFID Tag Testing into a single unit
2- Supports 860MHz ~ 960MHz UHF RFID
3- Supports ISO/IEC 18000-6 Air Interface Protocol
4 - Reader and Tag Emulator Functions
5 - Multi-Tag Simulator Functions for Reader Test
6- Tag Performance Test Functions
7 - RF Measurement – Spectrum, RF Envelope, Power-Time
8 - Korean mobile RFID standard compliance test                    http://www.temcell.com/tc2600a.htm
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
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
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
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
                                                                          http://www.temcell.com/tc2600a.htm
Tag   FM0/Miller Preamble
Tag   Response Time
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
Ondas irradiadas
     por diversos tipos
     de equipamentos



                                  Ondas refletidas
                                            no teto




                                                       Ondas refletidas
                                                           nas paredes
                                     Onda Direta
 Antena                                                                                  Antena
Receptora                                                                             Transmissora




                                                      Ondas refletidas
                                                          no piso
                          Ondas refletidas
                          em móveis


            Ambiente de Teste (Interno)                           Exemplo: Uma Sala
Sistema de Teste em
   “Espaço Livre”
TX
                    Antena

                               RX




              Cabos Coaxiais
Leitor RFID


                 Produto com a TAG
                 fixada na embalagem
                 colocada no interior de
                 um recipiente de isopor
Sistema de Teste em
 “Câmara Anecóica”
Absorvedor de R.F.




http://www.liv.ac.uk/~huangyi/Photos.htm




Anechoic chamber for Antenna
Measurements
                                           http://www.junseal.com.br/radiofre.html
Mini Câmara Anecóica em
     Desenvolvimento
Mini Câmara Anecóica
1ª Fase – Blindagem Eletrostática
Projeto do Protótipo...
Projeto do
Protótipo...
Processo de Fabricação do
Protótipo...
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Aspecto da Mini Câmara (Blindagem) em relação ao pesquisador
Local de colocação
      do Produto com                   TX
      embalagem



                                      RX




                           Antena de RFID TX/RX

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