Исследование микрополосковой антенны для RFID-технологии на круговой меандр-линии

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ RFID-ТЕХНОЛОГИИ НА КРУГОВОЙ МЕАНДР-ЛИНИИ

Актуальной проблемой для современного этапа развития средств связи и телекоммуникаций является преобразование физической информации в виртуальную. Для ее решения часто применяется технология радиочастотной идентификации или RFID (Radio Frequency IDentification). Преобразование информации в физическую форму осуществляется путем бесконтактного считывания данных, которые записаны в метках, прикрепленных к живым или неживым объектам [1, 2]. Системы RFID помогают считывать информацию, которая находится вне пределов видимости. Виртуальная информация хранится в метке, прикрепленной к объекту, и преобразование в физическую форму происходит за счет бесконтактного считывания данных с этой метки. Метка представляет собой микрочип с прикрепленной к нему антенной. Связь между меткой и считывателем может быть двух видов: емкостной (при использовании электрического поля) и индуктивной (при использовании магнитного поля).

Наилучшими характеристиками обладают антенны, у которых хотя бы один из линейных размеров (длина или ширина) равен половине длины волны. Такая антенна ведет себя как резонатор. Существует несколько типов резонансных антенн. В системах RFID наибольшую распространенность получили фольгирован-ные полуволновые диполи и микрополосковые (патчевые) антенны различных конфигураций [2]. Микро-полосковые излучатели изготавливаются как планарные антенны, которые печатаются на диэлектрическую пластину. Обычно они состоят из трех слоев: сверху - проводящая пластина (патч), посередине - диэлектрический слой (подложка), в основании - проводящая металлическая пластина (экран). В качестве диэлектрика используются широко распространенные материалы, применяемые для высокочастотных печатных плат, например, фторопласт, поликор или другие.

Использование в микрополосковых антеннах для радиочастотной идентификации спиральных и меандро-вых структур позволяет создавать миниатюрные излучатели, геометрические размеры которых много меньше излучаемых или принимаемых длин волн [3 - 5]. Таким условиям удовлетворяют, например, микрополосковые спиральные антенны. В основе таких антенн лежит круговой или прямоугольный резонатор с логарифмическим, арифметическим или эллиптическим видом намотки спирали. Антенная структура имеет осевое излучение, поляризованное по кругу или эллипсу. Однако в дальней зоне поляризация таких антенн становится линейной [6, 7]. Это приводит к ухудшению кроссполяризационных свойств и затрудняет возможности их применения для радиочастотной идентификации в диапазоне 866-915 МГц.

Информация об авторах:

Елизаров Андрей Альбертович, д.т.н., профессор, НИУ "ВШЭ", Департамент электронной инженерии, Москва, Россия Нестеренко Анастасия Николаевна, магистрант, НИУ "ВШЭ", Департамент электронной инженерии, Москва, Россия Закирова Эльмира Алексеевна, к.т.н., инженер-конструктор, ВНИИ Автоматики им. Н.Л.Духова, Москва, Россия Кухаренко Александр Сергеевич, к.т.н., главный инженер, ООО "Сбербанк-Сервис", Москва, Россия

Для цитирования:

Елизаров А.А., Нестеренко А.Н., Закирова Э.А., Кухаренко А.С. Исследование микрополосковой антенны для RFID-технологии на круговой меандр-линии // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №9. С. 37-42.

For citation:

Yelizarov A.A., Nesterenko A.N., Zakirova E.A., Kukharenko A.S.

Елизаров Андрей Альбертович,

НИУ "ВШЭ", Москва, Россия, a.yelizarov@hse.ru

Нестеренко Анастасия Николаевна,

НИУ "ВШЭ", Москва, Россия, nnastyl6@yandex.ru

Закирова Эльмира Алексеевна,

ВНИИ Автоматики им. Н.Л.Духова, Москва, Россия, jekyll1604@mail.ru

Статья подготовлена в результате проведения исследования (№ 17-05-0009) в рамках Программы "Научный фонд Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ)" в 2017-2018 гг. и в рамках государственной поддержки ведущих университетов Российской Федерации "5-100".

Кухаренко Александр Сергеевич,

ООО "Сбербанк-Сервис", Москва, Россия, alexk.05@mail.ru

Ключевые слова: RFID-технология, микрополосковая антенна, круговая меандр-линия.

Дня работы в указанном диапазоне частот авторамп предложены конструкций антенн для 1ШП-тс\нологии на основе отрезков замедляющей структуры в виде круговых меандр-линий с различной периодичностью структуры, топологии которых представлены на рис. 1 (а, о), Антенны выполнены на подложках с относительной диэлектрической проницаемостью 5.6 и имеют внешний диаметр ПО мм, внутренний 83 мм, при ширине микронолоскового проводника 4.5 мм [9-12].

а) б)

Рис. 1. Топология мнкрополосковоП RFID антенны:

а) на основе четырехступевчэтой круговой меандр-линии,

б) на основе восьмнступенчагой круговой меандр-линии.

Важным параметром структур на базе меандр-линий являются дисперсионные характеристики. Они были получены экспериментально и показали достаточно равномерное изменение коэффициента замедления на рабочих частотах антенны от 4 до 6. Такие результаты позволяют сделать вывод, что можно прямо пропорционально величине замедления уменьшать геометрические размеры Меандр-линий при сохранении их прежней электрической длимы 14-6]. В этом случае максимальная длина волны антенны определяется ее максимальной электрической длиной, а минимальная - точностью изготовления структуры вблизи точки питания антенны.

Модель антенны в программной среде MMANA-GAL v, 1.2-0.20. показана на рис. 2. Как известно, при возбуждении периодической структуры возможно два режима работы: в первом - электромагнитная волна сосредотачивается вблизи структуры без излучения, а во втором - наблюдается излучение электромагнитных волн в окружающее пространство ¡12, 13]. Режим работы периодической Структуры определяется соотношением между коэффициентом фазы питающей волны, распространяющейся вдоль структуры, п периодом структуры. При малом периоде по сравнению с длиной волны излучение отсутствует, а при их совпадении происходит интенсивное резонансное излучение. В последнем случае энергия питающей волны в структуре практически полностью преобразуется в энергию излученных электромагнитных волн, а возбуждение структуры за областью излучения резко уменьшается, что не нарушает режим работы антенны. Период структуры у предложенных вариантов антенн является постоянным, что позволяет объяснить отсутствие отсечки тока в периодической системе реализацией режима резонансного излучения ¡13. )4j.

- •"  — —Г"~

й / А *  г

IVniuiptn ВцЗ Бы-.чпттч

йрЯИИГТЬ MfprtT : edtFJMVCrCpd г Ctd«|0»WTSmtJ Сч?  pSHIirt Г-t I

Л л i

• Wiyi*

4 мщ

Г. И '

5 к >.....

Чш-. и  .

^kui l'Hit А

lua '«'»Il

Masumi там -. MACLttnf

БыборВрЩЙ^ 1 I v

Анализ диаграмм направленности (рис.3), рассчитанных в программе MMANA-GAL v.1.2.0.20 для варианта антенны на основе круговой меандр-линии, подтверждает наличие у данной структуры осевого излучения с круговой поляризацией, ортогонального плоскости подложки.

При этом на рабочей частоте антенны 866 МГц достигается наиболее равномерная диаграмма направленности. С увеличением частоты до 915 МГц появляется изрезанностъ, что объясняется ростом потерь на излучение. Проведенное моделирование аналогичных микрополоейовых антенн на базе круговых меандр-линий с меньшим числом периодов также показало увеличение изрезанности диаграмм направленное'™. что связано с уменьшением коэффициентов замедления таких структур.

На рисунке 4 показана модель антенны типа «бабочка» на основе двойной круговой меандр-линии в программе AWR Design Environment v.9.0.4847. Габаритные размеры антенны 230 х 115 мм. Рабочая частота - 915 МГц.

Для согласования антенны с внешним подводящим 50-омным коаксиальным кабелем использовалось согласующее устройство на основе П-образного фильтра. Схема устройства показана на рис. 5.

Полученная характеристика комплексного коэффициента отражения SM для данного устройства согласования показала ярко выраженный резонанс на частоте 915 МГц при VSWR не превышающем 1,5.

Результаты компьютерного моделирования диаграмм направленности антенны представлены lia рис. 6 п 7.

Полученные характеристики демонстрируют равномерные характеристики диаграмм направленности с круговой вращающейся поляризацией и незначительной изрезанно-стью.

Модель микрополосковой антенны на синфазной решетке из четырех излучателей на основе круговой меандр-линии показана на рис.8. Габаритные размеры антенны - 250 х 250 мм. Рабочая частота - 866 МГц.

Рис. 2. Модель антенны па одиночной меандр-лКвии в программе MMANA-GAL v. 1.2.0.20

T-Comm Том 11. #9-2017

Т-Сотт Vol.ll. #9-2017

Т-Сотт Том 11. #9-2017

PREDICTION MODELING FOR AKUSTICHESKM DESIGNING

Andrey A. Yelizarov, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, a.yelizarov@hse.ru Anastasiya N. Nesterenko, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, nnasty16@yandex.ru Elmira A. Zakirova, All-Russia Research Institute of Automatics (VNIIA) named N. L.Duchov, Moscow, Russia, jekyll1604@mail.ru Alexander S. Kukharenko, "Sberbank-Service" Company, Moscow, Russia, alexk.05@mail.ru

Abstract

An actual problem of the modern state of communication and telecommunication technologies is the conversion of the physical data in to virtual ones. Radio frequency identification (RFID) technologies are often used for the purpose. Conversion of information in to physical form is provided by the method of contactless reading of data, which are recorded on labels, which are fixed on alive and lifeless objects [1, 2]. RFID systems help to get information, which is out of view. A virtual information is stored on a label, which is fixed on an object, and the conversion in to physical form is provided by contactless reading of data from the label. The label appears to be a microchip with an antenna, connected to it. The coupling of a label and a reader can be of two types: capacitive (in case of using electrical field) and inductive (in case of using magnetic field). Antennas, one of which linear dimensions (length or width) is equal to a half wave length, have best characteristics. Such an antenna acts as a resonator. There are several types of resonant antennas. The most popular for RFID systems are strip-line dipoles and microstrip (printed) antennas of different configurations [2]. Microstrip radiators are fabricated as planar antennas, printed on a dielectric substrate. Usually they contain three layers: conducting plane (patch) on the top, dielectric layer (substrate) in the middle and a conducting metal plane (ground plane) as a base. Materials widely-used for high frequency PSBs manufacturing such as teflon, polikor and others are used as dielectric. The use of spiral and meander structures in microstrip antennas for radio frequency identification allows creation of miniature radiators, which dimensions are much smaller then the length of receiving or transmitting waves [3- 6]. Microstrip spiral antennas can be an example. The base of such antennas is a rectangle resonator with logarithmic, arithmetic or elliptical spiral. The antenna structure provides an axial radiation with circle or elliptical polarization. But in the far field the polarization of the antenna appears to be linear [7-8]. The fact forces the decreasing of polarization properties and makes difficult their implementation for radio frequency identification in the band 866-915 MHz.

Keywords: RFID technology; microstrip antenna; circular meander-line.

References

1. Sharfeld T. (2001). Low cost passive Radio-Frequency Identification System Design. NA.

2. Finkentseller C.

3. Yelizarov A.A., Pchelnikov Y.N.

4. Yelizarov A.A., Zakirova E.A.

5. Yelizarov A.A., Zakirova E.A.

6. Yelizarov A.A., Zakirova E.A.

7. Lee Y. (2003). Antenna Circuit Design for RFID Applications. Microchip Technology inc., USA, AN7I0, pp.1-50.

8. Yelizarov A.A., Kastorskaya A.S., Kukharenko A.S.

9. Yelizarov A.A., Zakirova E.A.

10. Yelizarov A.A.

I I. Yelizarov A.A., Kastorskaya A.S., Kukharenko A.S. (2010). Investigations of a microstrip antenna for radio frequency identification. Thesisses of LXV science session, dedicated to the radio Day, Moscow, pp. 3-5. (in Russian).

12. Yelizarov A.A., Zakirova E.A., Filimonova A.S. (2013). Innovative technical solutions in the development of microstrip antennas and microwave devices on multilayer printed circuit boards. Innovative information technologies: Materials of The International Scientific-Practical Conference, Prague, part 2, pp. 218-225.

13. Yelizarov A. A., Zakirova E.A.

14. Yelizarov A.A., Zakirova E.A.

Information about authors:

Yelizarov Andrey Albertovich, Dr. S'c-Eng., Professor, National Research University "Higher School of Economics", Electronic Engineering Department, Moscow, Russia Nesterenko Anastasiya Nikolaevna, Magistrant, National Research University "Higher School of Economics", Electronic Engineering Department Moscow, Russia Zakirova Elmira Alexeevna, Ph. D., Design Engineer, All-Russia Research Institute of Automatics (VNIIA) named N. L.Duchov, Moscow, Russia Kukharenko Alexander Sergeevich, Ph. D., Chief Engineer, "Sberbank-Service" Company, Moscow, Russia