Дослідження та моделювання антен для RFID систем

Євтушенко, Тетяна Сергіївна

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8282

Title:	Дослідження та моделювання антен для RFID систем
Authors:	Воробкало, Тетяна Василівна Євтушенко, Тетяна Сергіївна
Keywords:	радіочастотна ідентифікація;RFID-мітка;мікрополоскова антена;діаграма направленості антени;програма MMANA-GAL
Issue Date:	2021
Abstract:	Мета роботи – є дослідження антен, що використовуються в RFID системах та проведення комп’ютерного моделювання малогабаритної мікрополоскової антени з випромінювачем на основі кругової меандр-лінії в програмі MMANA-GAL.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8282
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
М_172_ТК_Євтушенко_Воробкало.pdf Restricted Access		1.54 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ
ТА КІБЕРБЕЗПЕКИ

Допущений до захисту
“____” грудня 2021 р.
Завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор
_________ Палагін В.В.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
магіста
(освітній ступінь)

на тему: Дослідження та моделювання антен для RFID систем

Виконав: студент 2 курсу, групи ТК-006
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
(освітня програма – «Телекомунікації»
Євтушенко Т.С.
(прізвище та ініціали)
Керівник Воробкало Т.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Протасов С.Ю.
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2021 року
Форма № Н-9.01
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітній рівень магістр
Спеціальність 172 – Телекомунікації та радіотехніка
Освітня програма Телекомунікації

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри Палагін В.В.
« » 2021 р.

ЗАВДАННЯ
НА ДИПЛОМНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ
Євтушенко Тетяні Сергіївні
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Дослідження та моделювання антен для RFID систем

Керівник проекту (роботи) Воробкало Тетяна Василівна, к.т.н., доцент
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом по університету від « 21 » вересня 2021 р. № 289-1/01
2. Термін здачі студентом закінченої роботи 15.12.2021
3. Вихідні дані до проекту (роботи) антени що використовуються в RFID мітках -
МПА з випромінювачем на основі кругової меандр-лінії, робочі частоти - 866 та
915 МГц, програмне середовище – MMANA-GAL
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)
1. Системи радіочастотної ідентифікації, класифікація RFID міток
2. Дослідження антен, що застосовуються в RFID системах
3. Аналіз програмного забезпечення моделювання антен
4. Моделювання випромінювачів на основі мікрополоскової антени на основі
кругової меадр-лінії в програмі MMANA-GAL
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
1. Назва, мета та завдання роботи.
2. Структура RFID системи, класифікація RFID міток
3. Типи мікрополоскових антен, їх будова.
4. Результати моделювання в програмі MMANA-GAL

6. Консультанти розділів проекту (роботи)
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв

7. Дата видачі завдання 01.09.2021

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного Строк виконання етапів
Примітка
з/п проекту (роботи) проекту (роботи)

1. П ошук та огляд літератури на тему 15.09.2021
«Системи радіочастотної ідентифікації»
В ивчення будови RFID міток та аналіз 05.10.2021
2.
характеристик антен
Розробка та побудова моделей 27.10.2021
3. м ікрополоскових антен в програмі
MMANA-GAL
4. О тримання та дослідження діаграм 17.11.2021

направленості антен.
5. О формлення пояснювальної записки 08.12.2021
6. П ідготовка доповіді та презентації 14.12.2021

Студент-дипломник Євтушенко Т.С.

(підпис)

Керівник проекту Воробкало Т.В.

(підпис)

ЗМІСТ
сторінка
Вступ ………………………………………………………………………………...5
1. СИСТЕМИ РАДІОЧАСТОТНОЇ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ……………………….7
1.1. Призначення радіочастотної ідентифікації ………………………........7
1.2. Технология RFID ………………...............................................................9
1.3. Класифікація RFID-міток…………………............................................11
1.4. Основні характеристики антен для RFID …………………..................14
1.5. Передача та прийом сигналу в RFID системах………………………..17
1.6. Діапазони частот для RFID…………………………………………….19

2. ДОСЛІДЖЕННЯ АНТЕН, ЩО ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ
В RFID СИСТЕМАХ ………………………………………………………23
2.1. Апаратна реалізація міток для RFID ………………………………….23
2.2. Типи антен для RFID систем..................................................................24
2.3. Мікрополоскові антени ………………………………………………...31
2.4. Мікрополоскові антени на основі кругової меандр лінії ……….........33
2.5. Аналіз методів дослідження та розрахунку МПА……………………37

3. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ МІКРОПОЛОСКОВИХ
АНТЕН ……………………….......................................................................41
3.1. Аналіз програмного забезпечення моделювання антен.......................41
3.2. Опис програми MMANA-GAL ………………………………………...60

ТК006.021.138.248 ПЗ
Змн. Лист № докум. Підпис Дата
Розроб. Євтушенко Т.С. Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Воробкало Т.В. Дослідження та моделювання 3 66
ЗРТ084.019. 036.248 ПЗ
антен для RFID систем
Н. Контр. Воробкало Т.В. ЧДТУ
Затверд. Палагін В.В.
4. МОДЕЛЮВАННЯ ВИПРОМІНЮВАЧІВ НА ОСНОВІ
МІКРОПОЛОСКОВОЇ КРУГОВОЇ МЕАНДР-ЛІНІЇ
В ПРОГРАМІ MMANA-GAL ………………………...............................51
4.1. Побудова моделі мікрополоскової антени на основі
чотириступінчастої кругової меадр-лінії......................................................51
4.2. Побудова моделі мікрополоскової антени на основі
восьмиступінчастої кругової меадр-лінії ………………………………….55
4.3. Дослідження та порівняння основних характеристик антен………...58

Висновки ..............................................................................................................…63
Література.................................................................................................................65

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
4
Змн Арк № докум. Підпис Дата

ВСТУП

Останнім часом все більшої популярності набувають різноманітні цифрові
технології. Однією з таких є технологія радіочастотної ідентифікації (RFID), яка є
досить ефективним способом автоматичної ідентифікації будь яких об’єктів.
Для роботи за технологією RFID знадобляться радіомітки з попередньо
внесеною в них інформацією, спеціальні зчитувальні пристрої (рідери) та
електромагнітне поле, завдяки якому і встановлюється зв'язок між мітками та
рідерами (електромагнітне поле формується системою антен).
Основні переваги RFID-технології, можуть бути успішно використані на
складах - значна дальність зчитування даних і стійкість радіоміток до впливів
зовнішнього середовища. RFID-мітки можуть використовуватися і для
маркування транспорту, зокрема для здійснення контролю в'їзду/виїзду
транспортних засобів. Маркування RFID-мітками транспорту та
великогабаритних або особливо цінних вантажів, встановлення RFID-рідерів на
в'їздах та виїздах, сканування товару при проходженні ним воріт чи інших
контрольних точок складу може зробити логістику підприємства ще
ефективнішою. Технологія дозволяє знизити сукупні витрати забезпечення
ефективної діяльності всього підприємства чи певного підрозділи.
Прискорюються операції контролю та обліку, зводиться до нуля кількість
помилок та неточностей, спричинених «людським фактором».
Існують пасивні системи RFID, здатні функціонувати без інтегрованих
джерел живлення. Такі системи мають важливу перевагу – це низька вартість
самої мітки, що збільшує значущість їх створення.
Важливим фактором для подальшого розширення сфер застосування
технології RFID є зменшення габаритних розмірів мітки. Мітки, як мінімум,
повинні бути менше маркованого об'єкта. Мітка для RFID зазвичай складається з
мікрочіпа та антени. Сучасні технології дозволяють створювати мініатюрні чіпи,
розмір яких становить менше 0,5 кв. мм. Для подальшого зменшення габаритних
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
5
Змн Арк № докум. Підпис Дата

розмірів мітки є актуальним створення малогабаритних антен. Багато технічні
параметри мітки, особливо дальність її зчитування, залежить від форми і
габаритів антен. У свою чергу габаритні розміри антени безпосередньо залежать
від робочих частот.
З цих причин мітки з малогабаритними антенами має не настільки хороші
технічні характеристики, які притаманні міткам з антенами, найбільш
підходящими для даного робочого діапазону частот. Наприклад, на частоті 915
МГц розмір антени для радіочастотної ідентифікації дорівнює 16 см.
Найпростішим вирішенням проблеми мінімізації габаритних розмірів антени
для мітки є підвищення робочої частоти. Однак такий підхід призводить до інших
обмежень, пов'язаних з: адміністративними нормами, поширенням та загасанням
радіохвиль.
Вимоги до розмірів здебільшого залежать від області застосування та
конфігурації системи. Наприклад, якщо потрібні невеликі відстані для
зчитування, то у такому разі розміри антен можуть бути максимально зменшені.
Для проектування та дослідження ВЧ та НВЧ пристроїв, в тому числі і,
антен, найчастіше застосовують комп’ютерне моделювання. Зараз існує велика
кількість різноманітних програм, таких як MMANA-GAL, HFSS, AWR, Microwave
Office CST Microwave ті інші.
Однією з найбільш розповсюджених серед радіоаматорів програм є
програма MMANA-GAL. Дана програма безкоштовно розповсюджується, має
зручний російськомовний інтерфейс, достатньо проста в використанні і дозволяє
рисувати антени будь якої конфігурації та отримувати їх діаграми направленості
та інші характеристики і параметри.
Тому мету даної роботи є дослідження антен, що використовуються в RFID
системах та проведення комп’ютерного моделювання малогабаритної
мікрополоскової антени з випромінювачем на основі кругової меандр-лінії в
програмі MMANA-GAL.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
6
Змн Арк № докум. Підпис Дата

1. СИСТЕМИ РАДІОЧАСТОТНОЇ ІДЕНТИФІКАЦІЇ

1.1. Призначення радіочастотної ідентифікації

Радіочастотна ідентифікація (RFID – від англ. "Radio frequency
identification") – це спосіб автоматичної ідентифікації об'єктів, в якому за
допомогою радіосигналів зчитуються або записуються дані в так званих
"транспондерах", або "RFID-мітках" [1].
Будь-яка RFID-система складається з пристрою, що зчитує дані ("зчитувач"
або "інтеррогатор") і безпосередньо транспондера або RFID-мітки.
Більшість RFID-міток складається з двох частин. Перша – це інтегральна
схема для зберігання та обробки інформації, модулювання і демодулювання
радіочастотного (RF) сигналу і деяких інших функцій. Друга – антена для
прийому і передачі сигналу [1].
На відміну від інших засобів ідентифікації, технологія RFID має наступні
особливості [2]:
• RFID-міткам не потрібен контакт або пряма видимість, дані з мітки можуть
бути отримані на відстані;
• RFID-мітки читаються швидко і точно, що дозволяє виконувати велику
кількість сканувань;
• RFID-мітки можна використовуватися навіть в агресивних середовищах, через
бруд, фарбу, пар, воду, пластмасу, деревину, а також використовувати
імплантацію в тіло;
• RFID-мітки легко відстежити на порівняно невеликій відстані — в метро,
офісах, банках, магазинах, зупинках;
• RFID-мітки можуть бути використані як для читання, так і для запису великого
обсягу інформації;
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
7
Змн Арк № докум. Підпис Дата

• пасивні RFID-мітки мають фактично необмежений термін експлуатації;
• RFID-мітки мають низьку собівартість.
В наш час сфера застосування технології радіочастотної ідентифікації є
досить широкою [2]:
• в логістиці (переміщенні товарів від постачальників сировини до споживача);
• в роздрібній торгівлі;
• в системах аутентифікації персоналу (системах контролю та керування
доступом);
• в медицині (в якості електронних карток з даними пацієнта та призначеними
ліками);
• в бібліотеках для прискорення пошуку необхідної літератури, автоматичної
видачі книг, а також інвентаризації;
• в якості біометричного паспорту в багатьох країнах;
• в якості засобу транспортних платежів (наприклад, в метрополітені);
• в якості електронного автомобільного ключа;
• для маркування тварин;
• тощо.
Метод радіочастотної ідентифікації був розроблений британськими
вченими у 1939 році як система розпізнавання «свій-чужий» для військових
літаків під час другої світової війни, і спочатку ця технологія використовувалась
виключно у військовій промисловості. Подібні системи й досі використовуються
як у військовій, так і в цивільній авіації [3].
Патент США Маріо Кардулло (Mario Cardullo) № 3,713,148 від 1973 р.
(«Пасивний радіопередавач з пам'яттю») був, по суті, прабатьком сучасної RFID-
технології. Вперше пасивний пристрій на відбитій енергії був продемонстрований
в 1971 році владі Нью-Йорка і іншим потенційним покупцям як пристрій з 16
бітами пам'яті для стягування мита на дорогах. Патент Кардулло покриває
використання радіохвиль, світла і звуку як засіб передачі інформації. Цей проект
був представлений інвесторам ще у 1969 році для використання в сфері
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
8
Змн Арк № докум. Підпис Дата

транспорту (ідентифікація самохідних машин, автоматична платіжна система
(система стягування мита), електронні номерні знаки, електронні платіжні
відомості, водіння машин, моніторинг стану транспортних засобів), в банківській
справі (електронні книги перевірок, електронні кредитні карти), у сфері безпеки
(персональна ідентифікація, автоматичні ворота, спостереження) і в медицині
(ідентифікація пацієнта, історії хвороби).
Перша демонстрація сучасних RFID-чипів (на ефекті зворотного
розсіювання), як пасивних, так і активних, була проведена в Дослідницькій
Лабораторії Лос Аламоса (англ. Los Alamos Scientific Laboratory) в 1973 році [1].
Портативна система працювала на частоті 915 Мгц і використовувала 12 бітових
міток.
Перший патент, пов'язаний власне з назвою RFID, був виданий Чарльзу
Уолтону (Charles Walton) в 1983 році (патент США за № 4,384,288) [1].

1.2. Технология RFID

Системи RFID допомагають зчитувати інформацію, що знаходиться поза
межами видимості. При цьому, як показано на рисунку 1.1 ідентифікаційний код
зберігається в мітці, що складається з мікрочіпа, прикріпленого до антени.
Як правило, система RFID складається з чотирьох компонентів (рис.1.2):
зчитувача, антени і мітки, та програмного забезпечення для зчитувачів (драйвери,
схема кодування та ідентифікації, та інше) [4].

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
9
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 1.1 – Структура RFID-мітки

Рис.1.2 Компоненти системи RFID

Розглянемо функції та процес взаємодії зчитувача та мітки. Зчитувач
забезпечує передачу інформаційних та синхронізуючих сигналів, а також
випромінювання потужності [4]. Інформаційні сигнали служать для ідентифікації
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
10
Змн Арк № докум. Підпис Дата

міток та виконання алгоритмів, необхідних зниження ймовірності помилкового
розпізнавання мітки. Синхронізація забезпечує функціональність цифрової
частини електронної схеми мітки. Синхросигнали можуть генеруватися двома
способами залежно від несучої частоти: за допомогою модуляції або з
високочастотного сигналу. Мітка повинна забезпечувати прийом енергії,
отриманої від зчитувача, та обробку інформаційних та синхронізуючих сигналів
зчитувача. Далі мітка обробляє прийняту інформацію та передає її зчитувачу у
вигляді унікального ідентифікаційного коду. Передача інформації пасивних
системах RFID виконується з допомогою модуляції сигналу зчитувача. Після
цього зчитувач приймає інформацію та передає її назад до системи збору
інформації (клієнтської частини).

1.3. Класифікація RFID-міток
За способом живлення RFID-мітки поділяють на пасивні, активні та
напівпасивні [5].
У пасивної мітки відсутні власні елементи електроживлення. Для живлення
використовується енергія електромагнітного поля зчитувача. Пасивні мітки
можуть мати мінімально-можливі розміри етикеток-наклейок або карток. Але
через обмеження потужності при такій схемі живлення дистанція зчитування
мітки відносно невелика, а радіочастотна потужність зчитувача, навпаки, повинна
бути досить великою. Прикладом пасивних RFID-міток можуть бути
радіочастотні наліпки на товарах в супермаркетах [5].
Активні мітки мають в своєму складі батарею живлення. Така мітка може
передавати радіочастотний сигнал як у відповідь на зовнішню команду, так і
самостійно. В даній схемі досягаються максимальні дистанції реєстрації до 1
кілометра або навіть більше, при досить невеликих радіочастотних потужностях
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
11
Змн Арк № докум. Підпис Дата

(за рахунок застосування високоінтегрованих електронних чіпів з хорошою
цифровою обробкою сигналів). Недоліки таких міток: відносно великі габарити
мітки і необхідність регулярної зміни батарей живлення. Наприклад, будь-який
брелок керування автомобільною сигналізацією фактично є спеціалізованою
активною RFID-міткою.
В напівпасивній мітці використовується протокол і схема радіоінтерфейсу
пасивної мітки, але також присутня і батарея живлення. Такі мітки можуть мати
трохи більшу дистанцію обміну, ніж пасивні, але все одно меншу, ніж активні.
Дана система застосовується в мітках-логгерах або мітках-датчиках, що
використовують пасивний інтерфейс для зв'язку зі зчитувачем по стандартному
протоколу, а батарейне живлення – для періодичного запису в пам'ять мітки
даних з датчиків (температури, вологості, прискорення і т.п.), без обов'язкового
перебування мітки в полі зчитувача для електроживлення підсистеми
вимірювання.
Робочі частоти будь-якого радіовипромінювального обладнання в усьому
світі жорстко регламентуються. За робочою частотою RFID-системи поділяють на
групи: LF, HF, UHF [5] (рис. 1.3).

Рис.1.3 – Приклади пасивних міток.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
12
Змн Арк № докум. Підпис Дата

LF ("Low Frequency" – низька частота) – діапазон 125...135 кГц. Основний
діючий стандарт – ISO / IEC 18000-2: 2009. Більша частина систем карткового
контролю доступу та брелоки відповідають цьому діапазону (крім транспортних
карток). Також застосовується для «чіпування» тварин. Типова дистанція
реєстрації дорівнює 10...50 мм, хоча є зчитувачі з великими петльовими антенами
з дистанцією до 0,7 метра.
HF ("High Frequency" – висока частота) – діапазон 13,56 МГц. Основний
діючий стандарт – ISO / IEC 18000-3: 2010. Цьому діапазону відповідають
транспортні проїзні картки, карти метро. Можливість одночасного зчитування
багатьох міток, закладено в стандарт – до декількох десятків. Зв'язок мітки і
зчитувача по магнітній складовій поля. І мітки, і приймально-передавальні антени
зчитувачів виконані у вигляді петльових котушок. Максимальна дистанція
реєстрації біля 1 м.
UHF ("Ultra High Frequency" – ультрависока частота) – діапазон 860...960
МГц. Діючі стандарти – GS1 EPC Global Class 1 Generation 2 та відповідного йому
стандарту ISO / IEC 18000-63 (C). Такі мітки використовують, наприклад, в
системах промислової та складської логістики. За рахунок високої частоти і
невеликої довжини радіохвиль в цьому діапазоні, мітки та обладнання даного
типу мають, у порівнянні з іншими пасивними системами, рекордними
характеристиками: дальність зчитування до декількох десятків метрів, одночасне
зчитування до декількох сотень міток в зоні реєстрації, зчитування до декількох
десятків унікальних міток в секунду, зчитування одиночних міток при їх
переміщенні через зону реєстрації на швидкості до 250 км/год, мінімально низька
ціна мітки. Можливо реєструвати мітки в складних середовищах – поруч з
рідинами або металами.
Зчитувачі RFID-міток також розподіляють на стаціонарні та портативні (в
тому числі ручні).

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
13
Змн Арк № докум. Підпис Дата

З вищесказаного можна зробити висновок, що пасивні чіпові мітки краще за
інших підходять для радіочастотної ідентифікації не тільки через свої розміри, але
і найменшу вартість. У даній роботі будуть розглядатися антени саме для таких
міток.

1.4. Основні характеристики антен для RFID

У системах RFID взаємодія міток та зчитувача відбувається за рахунок
поширення електромагнітних хвиль та полів у просторі. Така взаємодія
призводить до деяких адміністративних та фізичних обмежень. Розглянемо
співвідношення між електромагнітними хвилями та полями, щоб зрозуміти
процес їх формування в антені мітки. Існує область поля, звана далекою зоною, у
якій напруженість електромагнітного поля зменшується пропорційно 1/r. Ця
умова виконується на відстані рівній або більшій r = λ/2π від антени, де λ -
довжина хвилі, що випромінюється. У даній роботі буде досліджуватися антена
на частотах 866 і 915 МГц. Як відомо, у таких системах RFID, які працюють на
високих частотах, основна взаємодія електромагнітних хвиль відбувається у
дальній зоні.
Для подальшого аналізу систем RFID у дальній зоні електромагнітного поля
визначимо деякі важливі характеристики антен міток. Перший необхідний
параметр – імпеданс. У загальному випадку він характеризує передачу потужності
та випромінювання антени, а також співвідношення між полями та хвилями.
Зокрема, імпеданс антени дорівнює відношенню між напругою та струмом [7]:

. (1.1)

Вирізняють вхідний імпеданс. Він дорівнює імпедансу (опору) на вхідних
клемах антени, якщо розглядати її як чотириполюсник. Вхідний імпеданс –
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
14
Змн Арк № докум. Підпис Дата

комплексна величина, реальна частина якого складається з опору випромінювання
та опору омічних втрат , а реактивна частина X показує енергію, що
знаходиться в електромагнітному полі антени [7]:

. (1.2)

Співвідношення розміру антени і довжини хвилі, що випромінюється,
сильно впливає на характер вхідного імпедансу. При великому розмірі антени
проти довжиною хвилі реактивна частина імпедансу мала, тоді як резистивна
частина велика. Якщо ж розмір антени набагато менше, ніж половина довжини
хвилі, відбувається зворотне: реактивна частина імпедансу велика, а резистивна
частина - мала. Найкращим співвідношення між розмірами антени і довжиною
хвилі є зразкова рівність довжини або периметра антени і довжини хвилі, що
випромінюється. За дотримання цієї рівності реактивна частина мінімальна, а
реактивна прагне свого максимального значення. Отже, антена починає
працювати як резонатор, тим самим випромінюючи ефективніше. У системах
RFID, що працюють у дальній зоні, найчастіше використовують саме такі антени,
які називаються резонансними.
Наступний параметр характеризує інтенсивність випромінювання антенами
електромагнітних хвиль. Сама інтенсивність залежить від кількох даних:
1. Тип антени;
2. Вихідна потужність антени;
3. Відстань від антени до точки виміру інтенсивності.
Тому зручніше використовувати трохи інший параметр, який залежить
лише від конструкції антени. Це кутовий розподіл інтенсивності випромінювання
електромагнітних хвиль. Для його опису зазвичай використовують діаграму
направленості антени. Варто зазначити, що електромагнітне поле є суперпозицією
електричного та магнітного полів, тобто поля «накладаються» один на одного. ДН
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
15
Змн Арк № докум. Підпис Дата

антени визначається нормованою електричною складовою електромагнітного
поля. На площині діаграма направленості описується виразом:

. (3)

Антени мають здатність випромінювати концентрований пучок енергії в
певному напрямку. Це дозволяє збільшити дальність передачі антени, а також
підвищити густину потоку потужності. Щоб охарактеризувати властивість антени
концентрувати та випромінювати енергію краще в одному напрямку, ніж в
іншому, застосовують термін направленість. Для візуалізації спрямованих
властивостей антени зручно використовувати діаграми направленості. Однак,
крім направленості антени, важливо знати і наскільки ефективно вхідна
потужність перетворюється на вихідну потужність випромінювання. Для
чисельного визначення цього перетворення використовується термін підсилення
антени. Часто визначення терміну підсилення наступне - це відношення
потужності випромінювання у певному напрямку до вхідної потужності. Також
існує термін коефіцієнт підсилення, який також служить для чисельного
визначення направлених властивостей антени. Щоб обчислити коефіцієнт
підсилення необхідно вхідну потужність ідеальної антени розділити на вхідну
потужність спрямованої антени (формула (1.4)), причому напруженість у точці
спостереження в обох антен повинна збігатися:

, (1.4)

де PA і P – вхідні потужності спрямованої та ідеальної антен, а EA та E –
напруженості полів, створювані спрямованою та ідеальною антеною.
Отже, можна зробити висновок, що підсилення визначається ставленням
між максимальною інтенсивністю випромінювання антени, що розраховується, і
максимальною інтенсивністю випромінювання ідеальної антени. Ідеальною
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
16
Змн Арк № докум. Підпис Дата

вважається ізотропна антена, яка не має виражених властивостей направленості,
тобто вона випромінює енергію з однаковою інтенсивністю на всі боки.
Знаючи підсилення антени, можна визначити ще один параметр – вихідну
потужність. Ця потужність визначається виразом: GtPt, де Gt – коефіцієнт
підсилення, а Pt – вхідна потужність антени.

1.5. Передача та прийом сигналу в RFID системах

Сигнал від зчитувача до мітки антени передається за допомогою
електромагнітних хвиль. Деяка частина потужності сигналу, яку мітка приймає
від зчитувача, поглинається, а решта відбивається. Отже, забезпечується робота
одразу двох функцій [8]:
1. Поглинена потужність служить для ідентифікації унікального коду та
задоволення енергетичних потреб пасивної мітки;
2. Відбита потужність необхідна для передачі інформації від мітки до
зчитувача.
Пасивні мітки працюють у такий спосіб: спочатку відбувається
накопичення енергії, а потім її використання для реалізації процесу ідентифікації.
Для накопичення достатньої енергії необхідно забезпечити необхідний рівень
вихідної потужності антени. Якщо ж цього не відбувається, слід зменшити
відстань від зчитувача до мітки.
Як говорилося раніше, пасивні мітки використовують енергію поля у
дальній зоні. Їх зв'язок із зчитувачем відбувається у вигляді варіації імпедансу
навантаження. При цьому процесі здійснюється керування налаштуванням антени
та імпедансу навантаження. Певна добірка значення імпедансу навантаження
призводить до наступного: процес розсіювання та відображення потужності в
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
17
Змн Арк № докум. Підпис Дата

антені мітки відбувається приблизно так само, як і випромінювання антеною
власного сигналу.
Відбиту від мітки потужність по каналу зв'язку отримує і обробляє
зчитувач. Такий процес отримання сигналу зветься модуляція відбитого сигналу.
Саме явище відображення визначається як розсіювання електромагнітної хвилі,
яка поширюється в середовищі на будь-яких неоднорідностях.
У системах RFID передача інформації відбувається від мітки до зчитувача
за допомогою контрольованої зміни зворотного відображення потужності.
Зчитувач повинен випромінювати електромагнітні хвилі радіодіапазону. У свою
чергу, мітки повинні приймати хвилі цього ж діапазону. У системах RFID
зчитувач є передавачем, а мітка – приймачем сигналу. У разі, якщо передавач і
приймач поєднані, відбувається зворотне відображення, яке носить назву
моностатичне відображення. Параметром, що характеризує моностатичне
відображення, є ефективна поверхня розсіювання (ЕПР). Термін ЕПР допомагає
визначити кількість потужності, яка відбилася у певному напрямку [7]:

, (1.5)

де Ps і Pi - відбита частина потужності, і частина потужності, що падає відповідно.
Для того щоб проаналізувати сигнали, модульовані мітками, потрібно
розглядати всі характеристики, пов'язані з відображенням антен міток. Через те,
що існує два різновиди антен – для прийому та передачі сигналів, то відповідно
можна виділити два типи відображення:
1. Структурне відображення визначається конфігурацією, габаритами та
матеріалами антеною;
2. Антенне відображення визначається діаграмою направленості антени та
кількістю випромінюваної та прийнятої енергій.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
18
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Отже, просторовий розподіл відбитої енергії визначається низкою
параметрів і характеристик: типом, габаритами та конфігурацією антени, а також
діапазоном випромінювання, довжиною хвилі та направленістю випромінювання.

1.6. Діапазони частот для RFID

В даний час системи RFID переважно застосовуються для ідентифікації
готових товарів глобального ланцюга доставки від виробника до покупця. Через
те, що багато різноманітних товарів імпортується та експортується з одних країн
до інших, існує необхідність забезпечення функціонування міток у різних країнах.
Для цього до міток та зчитувачів пред'являються певні вимоги:
1. Мітки повинні мати сумісність зі зчитувачами будь-якої з країн
виробника та покупця;
2. І мітки, і зчитувачі повинні відповідати загальним вимогам
електромагнітної сумісності.
Такі вимоги називаються регламентами та складаються спеціальними
організаціями: міжнародним союзом ITU (International Telecommunication Union),
європейська організація CEPT (European Conference of Postal and
Telecommunications Administrations) та іншими національними адміністраціями.
Сумісність систем RFID різних країн можна забезпечити двома шляхами.
Перший спосіб – створювати мітки, які працюють у всіх світових частотних
діапазонах для RFID, другий – потрібно виділити певні діапазони частот всім
країн.
Перший спосіб передбачає створення міток, що мають дуже широку смугу
частот (наприклад, від 125 кГц до 13,56 МГц). Таке рішення технічно складне, а
також вимагає значних вартісних витрат. Щоб уникнути цих складнощів, ширину
смуги частот прийнято обмежувати. Наприклад, деякі антени працюють у
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
19
Змн Арк № докум. Підпис Дата

вузькому діапазоні 902 - 928 МГц або в близьких діапазонах 866 МГц в Європі і
915 МГц в США [9].
Другий спосіб дозволяє виділити певні вузькі смуги частот у всіх країнах,
що допоможе створити недорогі мітки та забезпечити їх повне функціонування у
світі, а також сумісність систем RFID різних виробників. Існує термін SRD (Short
Range Devices), який описує радіоелектронні пристрої, що передають. Даний клас
пристроїв здатний створювати мінімальні перешкоди іншим пристроям та
служить для створення одностороннього або двостороннього зв'язку між
об'єктами.
Для кращої взаємодії всіх радіоелектронних пристроїв необхідно розумно
використовувати спектр частот радіовипромінювання. Тобто виділити низку
діапазонів для функціонування кожного класу радіоелектронних пристроїв.
Системи RFID належать класу пристроїв SRD і для них існують різні діапазони.
Діапазони ISM (Industrial, Science and Medicine) призначені для роботи в
пристроях, які застосовуються у промисловості, науці та медицині. Яким би
незначним був завадовий вплив SRD пристроїв на радіо і телекомунікації,
міжнародний союз ITU виділяє вузькі діапазони частот. Основні діапазони ISM
[10]:
• 13,553 – 13,567 МГц;
• 26,957 – 27,283 МГц;
• 40,66 - 40,70 МГц;
• 902 – 928 МГц;
• 2,4 – 2,5 ГГц;
• 5,725 – 5,785 ГГц;
• 24 – 24,25 ГГц.
У багатьох країнах без ліцензій можна використовувати додатково
низькочастотний діапазон LF (Low Frequency) 9 кГц – 135 кГц та HF (High
Frequency) 13,56 МГц, а також UHF (Ultra High Frequency) діапазони [10].
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
20
Змн Арк № докум. Підпис Дата

На сучасному етапі розвитку системи RFID використовують чотири частоти
з UHF та мікрохвильового діапазонів: 433 МГц, 860 – 960 МГц, 2,45 ГГц та 5,78
ГГц.
Дальність дії систем радіочастотної ідентифікації залежить від діапазону
частот. Якщо розглядати системи із пасивними чіповими мітками, то дальність
пропорційна довжині хвилі сигналу [7]. При аналізі технічних характеристик
систем RFID різних виробників було встановлено такі дані: у діапазоні 433 МГц
дальність дії дорівнює 10…12 м, у діапазоні 900 МГц – 5…6, у діапазоні 2,45 ГГц
– 1,5…2 м. Щодо дальності найкращим варіантом є мітки, що працюють на
частоті 433 МГц. Але антени для таких міток потрібно виготовляти великих
розмірів, що позначається на ціні та різноманітності місць використання. Також
можуть часто виникати проблеми з електромагнітною сумісністю за рахунок
вузької ширини діапазону. З вищевикладених причин у час у всіх країнах
найчастіше використовують системи RFID UHF діапазону 860 – 960 МГц. Для
подальшого дослідження вибрано дві частоти в цьому діапазоні: 866 МГц та 915
МГц.
Отже мета роботи буде полягати в проведенні дослідження антен, що
використовуються в RFID системах та проведені комп’ютерне моделювання
малогабаритної мікрополоскової антени, шо працює в СВЧ діапазоні (860 – 960
МГц ) в програмі MMANA-GAL.
Поставлена в роботі мета досягається шляхом вирішення наступних завдань:
1. Дослідження основних типів антен та їх характеристик, що
використовуються в RFID системах.
2. Аналіз методів розрахунку мікрополоскових антен.
3. Аналіз сучасного програмного забезпечення, щодо моделювання антен.
4. Проведення моделювання двох видів антен із різним періодом меандр-
структури при двох значеннях робочих частот 866 МГц та 915 МГц.
програмі MMANA-GAL.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
21
Змн Арк № докум. Підпис Дата

5. Побудова та аналіз діаграм направленості (ДН) для двох видів антен на
вказаних вище частот
6. Дослідження вплив ширини мікрополоски на властивості направленості
антен.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
22
Змн Арк № докум. Підпис Дата

2. ДОСЛІДЖЕННЯ АНТЕН, ЩО ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ В RFID
СИСТЕМАХ

2.1 Апаратна реалізація міток для RFID

Технічна реалізація функціональності міток може обмежуватися
електромагнітною та апаратною сумісністю. При проектуванні міток потрібно
виходити з характеристик і кінцевої вартості готового продукту. Технологія RFID
в даний час здатна замінити інші свої аналоги саме через поєднання високого
рівня якості ідентифікації та низької ціни виробництва.
Пасивна мітка, як правило, складається з трьох компонентів: антени,
електронної схеми (чіпа) і лінії передачі, що з'єднує їх. Всі вони забезпечують
функціональність мітки та виконують певні функції. Антена перетворює енергію
електромагнітного поля на електричну енергію при отриманні сигналу, і здійснює
зворотне перетворення при передачі сигналу. Лінія передачі потрібна для
отримання електричної енергії від антени та направлення її в електронну схему. В
електронній схемі здійснюються послідовно процеси перетворення, запасання та
використання отриманої енергії, далі йде відправка унікального коду (у вигляді
сигналу) в антену через канал передачі.
Як було сказано раніше, системи RFID у дальній зоні взаємодіють за
рахунок електромагнітного поля та хвиль. Найкращі характеристики мають
антени, у яких хоча б один з лінійних розмірів (довжина або ширина) дорівнює
половині довжини хвилі. Антена поводиться як резонатор, і, отже, вхідний
імпеданс складається з реальної частини. Також це сприяє прискоренню обміну
енергією між антеною та електронною схемою, збільшенню ефективності
прийому та випромінювання енергії та полегшенню узгодження антени з
навантаженням.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
23
Змн Арк № докум. Підпис Дата

2.2. Типи антен для RFID систем

У системах RFID з електромагнітної зв'язком, що працюють в СВЧ і
мікрохвильовому діапазонах частот, застосовуються такі основні типи антен [8]:
1. антена-вібратор;
2. антена типу «хвильовий канал»;
3. мікрополоскова антена;
4. щілинна антена.
Параметри антен не залежать від того, чи використовуються антени для
передачі або для прийому (принцип взаємності). Якщо відомі властивості антени
при використанні її для передачі, то ці властивості дозволяють повністю оцінити
її як прийомну, так і навпаки.
Перш ніж розбирати конструктивні особливості і параметри конкретних
типів антен для зазначених діапазонів частот, розглянемо спочатку основні
поняття і загальні співвідношення, справедливі для всієї групи цих антен. Для
практичних цілей достатнє уявлення про властивості направленості антени, які
можна отримати, знаючи її діаграми направленості в горизонтальній
(азимутальній) і вертикальній (меридіональній) площинах.
Більш важливою, особливо в СВЧ і мікрохвильовому діапазонах, є діаграма
направленості в горизонтальній площині. Потужність, яку випромінює ізотропне
джерело, рівномірно розподіляється по площі сферичної поверхні. Якщо
проінтегрувати питому потужність електромагнітної хвилі по площі всієї поверхні
сфери, в результаті отримаємо потужність, що випромінюється ізотропним
джерелом Рвип. Однак реальна антена, наприклад, диполь випромінює енергію, що
подається на нього, нерівномірно в різних напрямках. Зокрема, антена-вібратор
зовсім не випромінює енергії в своєму осьовому напрямку. Якщо антена
випромінює енергію з різною напруженістю в різних напрямках, тоді
інтенсивність випромінювання в кращому напрямку антени може бути більшою,
ніж для ізотропного джерела.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
24
Змн Арк № докум. Підпис Дата

З діаграмою направленості пов'язані такі параметри антени:
1. Коефіцієнт спрямованої дії антени - характеризує виграш по потужності в
навантаженні завдяки спрямованим властивостям антени і являє собою
відношення потужності, яку розвиває антена на навантаженні, до потужності, що
розвивається на тому ж навантаженні уявним ненаправленим (ізотропним)
випромінювачем при одній і тій же напруженості електромагнітного поля в точці
прийому. При цьому передбачається, що антена орієнтована на максимум
прийому.
2. Коефіцієнт корисної дії антени характеризує втрати потужності в антені і
являє собою відношення потужності випромінювання до суми потужностей
випромінювання і втрат, тобто до повної потужності, яка підводиться до антени
від передавача. Чим менше опір випромінювання Rr. і чим більше опір втрат Rn,
тим нижче коефіцієнт корисної дії. Антени НВЧ і мікрохвильового діапазонів
мають коефіцієнт корисної дії, близький до одиниці.
3. Коефіцієнт підсилення антени по потужності Кр характеризує реальний
виграш по потужності в навантаженні, що дається даної антеною в порівнянні з
ненаправленим випромінювачем, з урахуванням спрямованих властивостей
антени і втрат в ній. Коефіцієнт підсилення антени тим більше, чим менше
ширина діаграми направленості і рівень задніх і бічних пелюсток. У довідковій
літературі часто вказують коефіцієнт підсилення по відношенню до
напівхвильового вібратора, а не до ізотропного випромінювача.
Важливою характеристикою антени є вхідний опір (вхідний імпеданс)
антени, який визначається як відношення напруги до струму на затискачах
антени. Ширина смуги пропускання антени - смуга частот, в межах якої
нерівномірність частотної характеристики (залежність напруги на навантаженні
від частоти) не перевищує заданої. Ширина смуги пропускання тим більше, чим
менше залежать від частоти коефіцієнт підсилення і вхідний опір антени.
Розглянемо перший тип антен. Порівняно простими антенами для прийому
передач в СВЧ діапазоні є напівхвильові симетричні вібратори [11]. У
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
25
Змн Арк № докум. Підпис Дата

найпростішому вигляді антена-вібратор є прямий провідник (наприклад, мідний)
певної довжини. На властивості антени, особливо на вхідний опір, опір
випромінювання і смугу пропускання, можна впливати наданням антені
відповідної форми.

Рис.2.1 – Антени-вібратори для RFID систем

Лінійний напівхвильовий вібратор складається з двох прямолінійних
провідників з невеликим проміжком між ними. Підключення до диполю
проводиться в місці розриву.
Вхідний опір цього вібратора - 73 Ом, ширина робочої смуги частот
становить ± 15% від середньої частоти. Лінійний нерозрізний напівхвильовий
вібратор часто називають вібратором з шунтовим харчуванням. Він має
приблизно вчетверо більший опір випромінювання в порівнянні з напівхвильовим
диполем (Ri = 240-280 Ом). Ширина робочої смуги частот становить ± 20% від
середньої частоти.
Особливим варіантом шлейфового вібратора є 3-провідний шлейф-вібратор.
Опір випромінювання 3-х провідного шлейф-вібратора істотно залежить від
діаметрів провідників і відстані між провідниками. Саме такі вібратори,
наприклад, використовуються в якості СВЧ-антен при впровадженні системи
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
26
Змн Арк № докум. Підпис Дата

обліку продукції на складах. На практиці опір випромінювання 3-х провідного
шлейф-вібратора приймає значення 540-2000 Ом. Орієнтацію вібраторів потрібно
виробляти так, щоб напрямок на прийняте випромінювання було
перпендикулярно поздовжньої осі вібраторів.
Найбільшого поширення на практиці отримали лінійний розрізні вібратор і
2-провідний шлейф-вібратор, так як вони мають кілька ширшу смугу
пропускання, ніж інші вібратори, і легко узгоджуються з коаксіальними кабелями
з хвильовим опором 75 Ом.
Застосовуючи надмалі антени нерідко стикаються з тим, що струми, які
виникають на випромінюваній металевій формі і створюють поле в дальній зоні,
знаходяться на одній стороні підкладки, а внизу розташовані ланцюги
узгодження, струми яких теж впливають на діаграму направленості, погіршуючи
кінцеві характеристики. Електродинамічне проектування призводить до кращих
результатів, тому що враховує компенсацію струмів.
Другий тип антен для RFID систем, антена типу "хвильовий канал" є
найбільш поширеним варіантом спрямованої антени в радіотехніці [11]. Антена є
налаштований комплекс, що складається з активного випромінювача і ряду
пасивних елементів. В якості активного випромінювача зазвичай
використовується 2-провідний шлейф-вібратор. Пасивні диполі, розташовані
перед активним випромінювачем в напрямку максимального випромінювання, і
функціонують як директорів, в той час як диполь, зазвичай єдиний, розташований
позаду активного випромінювача і діє як відбивач.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
27
Змн Арк № докум. Підпис Дата

а) б)
Рис. 2.2 – Направлені антени типу "хвильовий канал" для RFID систем
а) патч-антена, б) патч-антена в корпусі

Щоб створити спрямовану передачу, пасивні диполі, що діють як
директори, повинні бути коротше, а диполь, що діє як відбивач, повинен бути
довшим, ніж випромінювач, що працює в режимі резонансу. Всі елементи антени
-активний вібратор, рефлектор і директори - закріплюють на несучої стрілі.
Ширина робочої смуги частот антени становить 8-10%. Зі збільшенням числа
директорів коефіцієнт підсилення антени типу "хвильовий канал" зростає.
За допомогою антени такого типу можуть бути отримані коефіцієнти
підсилення від 9 (на основі трьох елементів) до 12 дБ (на основі семи елементів) в
порівнянні з ізотропним випромінювачем. Так звані довгі антени типу "хвильовий
канал" (10, 15 або більше елементів) можуть мати підсилення до 15 дБ в
головному напрямку випромінювання. Через свого розміру антени типу
"хвильовий канал" використовуються виключно в якості антен для зчитувачів.
Ця антена передає тільки в напрямку максимального випромінювання при
точно відомому куту розкриву. Перешкоди від сусідніх пристроїв або зчитувачів
можуть бути придушені. Завдяки популярності антен типу "хвильовий канал" як
для телевізійного або прийому, так і для промисловості існує досить багато
технічної документації по принципам їх дії і конструкцій.
Застосування петльової ближнепольної антени, яка має фізичні розміри в
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
28
Змн Арк № докум. Підпис Дата

10-30 мм, при великій потужності зчитування дозволяє зчитувати Gen2-мітки
невеликих розмірів в 5-10 мм (спеціальної "ближнепольної " конструкції), але теж
з маленького відстані - менше 10 мм. При цьому радіочастотна мітка може
розташовуватися в непростих умовах - поблизу великих металевих поверхонь або
сильно екрануючим матеріалами.
Одними з найбільш розповсюджених антен в RFID системах є
мікрополоскові антени (МПА). Мікрополоскових антени можна знайти в багатьох
сучасних комунікаційних пристроях. Наприклад, вони використовуються в самих
останніх поколіннях GРS-приймачів і мобільних телефонів, які стають все
мініатюрніше. Завдяки особливій конструктивній формі мікрополоскових антени
надають також певні переваги для систем RFID. У своєму найпростішому вигляді
мікрополоскова антена будується на основі друкованої плати (наприклад, із
фторопласта для більш високих частот), покритої метализаційні шаром з обох
сторін, з яких одна сторона (нижня) виконує функції "землі" [12].

Рис. 2.3 – Мікрополоскові антени для RFID систем

На верхній стороні формується прямокутний майданчик, на який подається
СВЧ живлення або за допомогою мікрополоскової лінії на тій же стороні, або за
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
29
Змн Арк № докум. Підпис Дата

допомогою фідера через отвір в основній платі, або за допомогою проміжної
підкладки, використовуючи ємнісний зв'язок. Довжина прямокутного майданчика
визначає резонансну частоту антени. Якщо мікрополоскова антена працює на
своїй резонансній частоті, різниця фаз між краями прямокутного майданчика
дорівнює точно 180°. На вхідному і вихідному крайках ціього прямокутного
майданчика силові лінії поля знаходяться в фазі.
Відповідно кромки поводяться подібно до двох синфазних збуджених
щілинних антен. Поляризація антени лінійна і паралельна поздовжній крайці. При
відповідному способі подачі енергії, мікрополоскові антени можна також
використовувати з круговою поляризацією. Щоб згенерувати електромагнітні
хвилі з круговою поляризацією, на випромінюючий елемент подаються сигнали з
фазовим зрушенням на 90 ° тільки на дві кромки, які геометрично зміщені на 90°.
З'єднання мікросмужкових елементів в групи дозволяє збільшити
спрямовану дію і коефіцієнт підсилення антени. Щоб сформувати групову
мікрополоскову антену, можна об'єднати окремі випромінюючі елементи. В
результаті такого об'єднання зростає підсилення в порівнянні з окремим
елементом. Таким чином, гарантується синфазне живлення окремих елементів.
Цей пристрій поляризується в напрямку відрізків з'єднувальних смужок. При
використанні технології травлення друкованих плат виробництво
мікросмужкових антен виходить недорогим і з високим рівнем відтворюваності.
Якщо в середині великої металевої площині вирізати смужку довжиною λ/2,
то отримана щілину може бути використана як випромінювач щілинної антени
для СВЧ і мікрохвильового діапазону, четвертий тип антен для RFID систем.
Ширина цієї щілини повинна бути набагато менше її довжини. Базова точка
такого випромінювача розміщується в середині його поздовжньої сторони. СВЧ
живлення на таку антену зазвичай подається по коаксіальному кабелю.
Останнім часом в системах RFID найбільшого поширення набули
мікрополоскові (патчові) антени різних конфігурацій. Розглянемо докладніше
структуру та характеристики мікрополоскових антен (МПА).
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
30
Змн Арк № докум. Підпис Дата

2.3. Мікрополоскові антени

Мікрополоскові випромінювачі виготовляються як планарні антени, що
друкуються на діелектричну пластину. На рисунку 2.4 зображено структуру
таких антен. Зазвичай вони складаються з трьох шарів: посередині –
діелектричний шар (підкладка), зверху – провідна пластина (патч), в основі –
провідна металева пластина [13].

Рис.2.4 - Зовнішній вигляд МПА в розрізі.

З переваг використання МПА виділяють:
• Високу повторюваність характеристик;
• Низька вартість;
• Мінімальні габаритні розміри.
Також здатність випромінювати енергію з лінійною, круговою та
еліптичною поляризацією, призводить до зручних конструктивних рішень і
забезпечує роботу у двох-або багаточастотних режимах. До недоліків таких антен
відноситься зразкова рівність їх габаритних розмірів та робочої довжини хвилі,
що визначається резонансним режимом роботи. На високих частотах, наприклад,
на 915 МГц, розміри мікрополоскової антени можуть досягати 35 см [12].
Діелектрик в МПА необхідний для зменшення габаритних розмірів самого
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
31
Змн Арк № докум. Підпис Дата

випромінювача. Такі мікрополоскові антени з гарною діелектричною підкладкою
дозволяють створювати мініатюрні випромінювачі.
Ширина частотної смуги в МПА приблизно дорівнює одному - двом
відсоткам. Діелектрик може вплинути на ширину смугу, причому як розширити,
так і звузити. Наприклад, якщо збільшити товщину діелектричної підкладки,
ширина смуги пропускання антени збільшиться. Якщо взяти діелектрик з
більшою діелектричною проникністю, то смуга пропускання, навпаки, звузиться.
Також необхідно пам'ятати, що параметри діелектрика впливають і на інші
характеристики мікрополоскових антен.
Для відповідності МПА високим технічним вимогам та забезпечення
функціональності діелектрик повинен мати наступні властивості: високу
температурну стабільність, мінімальні енергетичні втрати, однорідність структури
та незмінність габаритних розмірів. Такі якості мають діелектричні матеріали, які
в основному і використовуються при виготовленні МПА: фторопласт, полікор і
т.д.
Провідна пластина МПА має лінійні розміри, що дорівнює приблизно 0,1 -
0,2 робочої довжини хвилі. За формою вони можуть бути трьох видів: круглими,
прямокутними чи еліптичними. Така різноманітність сприяє створенню антен з
різним набором певних характеристик, наприклад, вхідного імпедансу,
направленості та поляризації випромінювання. Металева основа за своїми
габаритами трохи більша, ніж пластина.
Запитування енергією провідної пластини можна забезпечувати трьома
стандартними способами: апертурним, за рахунок коротких ліній передачі та
безпосередньо електромагнітним зв'язком. Кожен спосіб підведення енергії має
свої переваги та недоліки. Однак всі способи впливають на характеристики
антени також, як і різні форми пластини, що проводить.
За формою випромінювача розрізняють мікрополоскові антени (рис. 2.4.):
вібраторного (дипольного) типу, дискового типу, спірального типу, прямокутного
типу [14].
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
32
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 2.5 - Види мікрополоскових антен: а) вібраторного, б) дискового, в)
спірального, г) прямокутного типів

Мікрополоскових антени універсальні, вони розробляються як окремий
автономний елемент, зазвичай на вхідний опір 50 Ом, і це дозволяє вибрати
відповідну антену з широкого набору розроблених антен тільки по частотним
характеристикам.
Використання в мікрополоскових антенах для радіочастотної ідентифікації
спіральних і меандрових структур дозволяє створити мініатюрні випромінювачі,
геометричні розміри яких набагато менше випромінюваних довжин хвиль, або,
що приймаються [15].

2.4. Мікрополоскові антени на основі кругової меандр лінії

Розглянемо близький за своєю структурою аналог – мікрополоскову
спіральну антену. В основі такої антени лежить круговий або прямокутний
резонатор з різним видом намотування: логарифмічним, арифметичним або
еліптичним. Така структура має осьове випромінювання, поляризоване по колу чи
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
33
Змн Арк № докум. Підпис Дата

еліпсу. Однак у дальній зоні поляризація стає лінійною. Це призводить до
погіршення поляризаційних властивостей. І відповідно використовувати їх в
антенах для систем RFID небажано на частотах 866 і 915 МГц.
При розгляді параметрів меандр-структури зупинимося на дисперсійних
характеристиках. Вони були отримані експериментально в роботі [15] і показали
досить рівномірну зміну коефіцієнта уповільнення на робочих частотах антени від
4 до 6. Такі результати дозволяють зробити висновок, що можливо прямо
пропорційно величині коефіцієнту уповільнення зменшувати геометричні розміри
таких структур при збереженні їх електричної довжини. При цьому максимальна
довжина хвилі антени визначається її максимальною електричноїю довжиною, а
мінімальна – точністю виготовлення структури поблизу точки живлення [15].
Тому в конструкції антени для RFID будемо використавувати відрізок
періодичної уповільнюючої структури у вигляді меандр-лінії з різною
періодичністю структури [16].
Розрахуємо конструктивні параметри МПА на основі меандр-лінії.
Як вже згадувалося, конструкція будь-якої мікрополоскової aнтени
представляє собою полоскову лінію, яка є трипровідною лінією, в якій простір
між провідниками заповнено діелектриком. Провідники мають гарне екранування,
але складні в експлуатації та налаштуванні. Така полоскова лінія є симетричною.
Але живлення МПА більш доцільно реалізовувати за допомогою несиметричної
полоскової лінії, оскільки вона має простоту виготовлення і більше
застосовується, ніж симетрична лінія.
Для розрахунку конструктивних параметрів антени спочатку задамося
значенням відносної діалектричної проникності матеріалу підкладки: ε = 5,6.
Основні вимоги при вибору матеріалу діелектрика: необхідне значення
діелектричної проникності; малі втрати; висока механічна міцність,
теплостійкість, однорідність матеріалу, стійкість параметрів у часі, мала
гігроскопічність. забезпечується можливість виготовлення листів фольгованого
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
34
Змн Арк № докум. Підпис Дата

матеріалу необхідного розміру. Задаємося значенням хвильового опору лінії
живлення: Wл = 50 Ом
Розміри мікрополоскової aнтени зазвичай спів розмірні з довжиною хвилі.
Тому перш за все розрахуємо довжину хвилі за формулою

с
0 = ,
f

де с – швидкість поширення хвилі, f – частота випромінювання антени.
Так як дана RFID мітка повинна працювати в СВЧ діапазоні на частотах
860...960 МГц тоді

с 3108
0 = = = 0,346
f 860 106 м.
Радіус круглої спіральної антени визначається за формулою

 0,346
r = 0 = = 55
2 2 3,14 , мм
Для того щоб узгодити фідер і полоскову лінію вибирається ширина
полоскової ліній d рівна d = 4,5 мм.
Розрахуємо довжину провідника l, тобто. оптимальна довжина провідника
буде при якій на кінцях антени зберігся амплітудний максимум:

l = (0,40,5)0 173
мм,

а оптимальна довжина провідника

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
35
Змн Арк № докум. Підпис Дата

lопт = l + =175+3,14 =178,14
мм,

Для мікрохвильових антен переважною є товщина діелектрика, що
визначається за формулою [17]:

,

де λ – довжина хвилі, μr – відносна магнітна проникність, εr – відносна
діелектрична проникність діелектрика. В якості діелектрика застосовуються
діелектричні матеріали з низькими втратами (тефлон, поліетилен,
політетрафторетилен ті інші), з =1-1,5, =2-2,6. Підставивши данні в формулу
отримаємо h= (6.84÷2.53) мм
На рисунку 2.6 представлені варіанти топології антен на основі кругової
меандрлінії з різною періодичністю структури. Антени виконані на підкладках із
відносною діелектричною проникністю 5,6 і мають зовнішній діаметр 110 мм,
внутрішній 83 мм, при ширині мікросмужкового провідника 4,5 мм [16].

а) б)

Рис. 2.6. Топологія випромінювача МПА: а) - на основі чотириступінчастої
кругової меандр-лінії; б) - на основі восьмиступінчастої кругової меандр-лінії
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
36
Змн Арк № докум. Підпис Дата

2.5. Аналіз методів дослідження та розрахунку МПА

Для подальшого вдосконалення характеристик мікрополоскових антен
використовувалися найякісніші діелектрики, що сприяло зменшенню габаритів
випромінювачів. Однак з іншого боку наявність діелектрика в структурі антени
ускладнює знаходження необхідних параметрів МПА, оскільки необхідно
розраховувати вплив поверхневих хвиль [17].
Отже, для визначення характеристик випромінювачів знадобляться точні
розрахункові методи. В основному такі методи базуються на суворих теоремах та
законах, які дозволяють з необхідною для подальшого проектування та
виробництва точністю дізнатися параметри антен. Існує багато методів
розрахунку характеристик випромінювання МПА. Далі розглянемо деякі з
них[17].
Перший метод дослідження розподілу випромінювання мікрополоскових
антен був заснований на наступному спрощення. Будь-яку прямокутну МПА з
шириною a і довжиною b можна подати як два лінійні магнітні вібратори,
відстань між якими b. Для обліку внутрішнього зв'язку у просторі між
випромінюючими вібраторами вносять відрізок довгої лінії. Головні параметри
лінії, а саме – постійне поширення та характеристичний опір, залежать від
ширини мікрополоскової антени. Також у довгій лінії припускають поширення
лише хвилі нижчого типу, так звану квазі-Т хвилю. Необхідно враховувати
багатошарову структуру МПА, зокрема наявність діелектрика. Для цього у довгій
лінії розглядають спеціальний параметр – діелектричну проникність підкладки.
Якщо особлива точність розрахунків не потрібна, то випромінювання
кожного з двох вібраторів розглядаються як незалежні один від одного. Якщо ж
точність необхідна, слід враховувати зовнішній взаємозв'язок вібраторів, тобто
взаємний вплив їх обох. Вхідний опір МПА знаходять, виходячи зі зміни
конфігурації вібраторів щодо точок живлення.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
37
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Такий розрахунковий метод допомагає розрахувати діаграму направленості
мікрохвильової антени у вигляді суперпозиції двох лінійних магнітних вібраторів,
а також визначити довжину резонансної хвилі. Удосконалений метод розглядає як
МПА прямокутний резонатор із магнітними стінками [12].
Другий метод ґрунтується на поданні МПА у вигляді хвилеводу з
магнітними стінками та еквівалентними параметрами. Така математична модель
називається модель Олінера [12]. Ширина еквівалентного хвилеводу визначається
так, щоб його характеристичний опір і постійна поширення дорівнювали
аналогічним параметрам мікрополоскової антени, що розраховується. З цієї ж
умови вибирається діелектрик, що заповнює хвилевод; його діелектрична
проникність має задовольняти рівності параметрів, названих вище.
Цей метод переважно використовується для знаходження еквівалентних
параметрів довгих ліній, які містять однорідності. Однак через те, що
мікрополоскові структури фізично є відрізками довгих ліній, такий метод можна
застосовувати і для розрахунку МПА. Математичною моделлю мікрополоскової
антени є відрізок хвилеводу. Визначення характеристик випромінювання
відбувається шляхом розрахунку випромінювання на торцях хвилеводу.
Поведінку електромагнітного поля у дальній зоні виражають через векторний
потенціал, знайдений з розподілу струму на торцях хвилеводу [12].
Обидва вищеописані методи мають загальний істотний недолік:
невідповідність параметрів і характеристик отриманих шляхом теоретичних
розрахунків з експериментальними даними. Тому почали створюватися методи,
що поєднують у собі теоретичний розрахунок та експериментальні параметри.
Таким чином, дані, отримані в результаті експерименту, є базою для подальшого
теоретичного розрахункового методу. Прикладом такого підходу може бути
наступний метод.
Спочатку розглядають простір між провідним екраном та діелектричною
підкладкою. Його поділяють на області, що мають постійні параметри в кожній
точці, і визначають векторний потенціал кожної області з огляду на наявність
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
38
Змн Арк № докум. Підпис Дата

граничних умов. Після цього за певними потенціалами знаходять розподіл
електромагнітного поля, що збуджується. Діаграма направленості МПА є ДН
двоелементної решітки: перший елемент - мікрополосковий відрізок лінії, з
певним розподілом струму, другий - дзеркальне відображення цього відрізка на
провідну пластину [17].
Такий метод найчастіше застосовується для розрахунку МПА, проте не
позбавлений недоліку. Внаслідок того, що наявність діелектрика враховується
опосередковано, поверхневі хвилі залишаються без уваги. Це може призвести до
неправильної побудови діаграми направленості. В ідеальній моделі до
мікрополоскової антени підводиться певна потужність, необхідна для збудження
випромінювання. Але практично частину цієї потужності йде формування
поверхневих хвиль, цим самим зменшуючи потужність випромінювання МПА.
Особливо важливо враховувати ці паразитні хвилі при проектуванні антен з
довжинами хвиль від кількох сантиметрів до часток міліметрів.
Існують методи для розрахунку розподілу випромінювання
мікросмужкових антен, які враховують вплив паразитних поверхневих хвиль. У
таких методах визначити випромінювальну здатність антени допомагає
знаходження розподілу струму по МПА. Для цього потрібно вирішити рівняння
Поклінгтона та використовувати певну функцію Гріна. Ця функція знаходиться
при вирішенні завдання формування електромагнітного поля диполем Герца на
підкладці з діелектрика [17].
Як і в попередньому методі, мікрополоскова антена розбивається на області
з постійними параметрами. Такий спосіб рішення зветься метод моментів. Далі
векторні потенціали областей інтегруються. Однак рішення ускладнюється через
наявність поверхневих хвиль. Число збуджуваних поверхневих хвиль визначає
кількість про полюсів. Забезпечити розрахунок інтегралів у полюсах дуже важко.
І як наслідок, описаний метод не дозволяє побудувати діаграми направленості
випромінювання антени. Однак якщо застосувати теорему про відрахування,
можна отримати дані про опір випромінювання паразитних поверхневих хвиль.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
39
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Ще один метод розрахунку мікросполоскових антен базується на вирішенні
рівняння Гельмгольця з використанням інтегралів Зоммерфельда. Математичною
моделлю МПА є горизонтальний електричний диполь на діелектричній підкладці.
Спочатку знаходять векторний потенціал з урахуванням граничних умов лінії
розділу діелектрика і довкілля (повітря). Далі знаходять рішення рівняння
Гельмгольця, тим самим визначаючи компоненти електромагнітних полів у
діелектриці та повітрі. Для подальшого дослідження розглядають вектор
напруженості магнітного поля, що лежить перпендикулярно до площини розділу
діелектрик-повітря. Якщо обнулити цю компоненту поля, то з виразів, що
залишилися, можна знайти розподіл струму на поверхні провідної пластини.
Також це допомагає обчислити резонансну частоту мікрополоскоаої антени [18].
На завершення огляду розрахункових методів знаходження розподілу
випромінювання МПА узагальним вищесказане. Найточнішим методом можна
назвати рішення, що ґрунтується на моделі диполя Герца з діелектричною
підкладкою та використанням функцій Гріна. За такого підходу визначаються два
види опорів випромінювання: перший – збуджуваного просторовими хвилями,
другий – поверхневими хвилями. Проте рішення ускладняється необхідністю
розрахунку інтегралів у полюсах і дозволяє розрахувати діаграми направленості з
урахуванням поверхневих хвиль. Також труднощі є знаходження залежності
опору випромінювання поверхневих хвиль.
Даний метод має такі недоліки при використанні функцій Гріна, заснованих
на розкладанні електромагнітного поля хвиль типу E і H. Компоненти
електричного і магнітного полів лежать в площині перпендикулярній межі
розділу двох середовищ.
При розкладанні функцій Гріна хвиль інших типів, а саме LE і LM, можна
розрахувати інтеграли в полюсах, використовуючи спеціальне програмне
забезпечення. Відповідно, стає можливою побудова ДН як для просторових хвиль,
так і для поверхневих.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
40
Змн Арк № докум. Підпис Дата

3. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ МІКРОПОЛОСКОВИХ
АНТЕН

3.1. Аналіз програмного забезпечення моделювання антен

В даний час існує безліч пакетів програм для моделювання НВЧ пристроїв,
у тому числі антен. Кожна з цих програм має свій набір функціональних
можливостей. Залежно від конкретного завдання може знадобитися певне
програмне забезпечення.
Для вибору програмного забезпечення, за допомогою якого
проводитиметься моделювання в даній роботі, необхідно розглянути та
проаналізувати основні можливості сучасних пакетів програм, таких як: CST
Microwave Studio, Microwave Office та MMANA-GAL та ін.
CST Microwave Studio є однією з пакетів універсальної програми від CST
Studio Suite CST. Це комерційна програма моделювання призначена для точного
та швидкісного чисельного моделювання ВЧ та НВЧ пристроїв (фільтрів, антен,
планарних і багатошарових структур, розгалужувачів потужності та ін.), а також
дозволяє проводити аналізу проблем цілісності сигналів та досліджувати
електромагнітну сумісність як в часовій, так і частотних областях з
використанням сіток розбиття прямокутної або тетроїдної форм.
В CST Microwave Studio використовуються декілька обчислювальних
методів: метод апроксимації для ідеальних граничних умов (англ. – PBA),
розроблений спеціально для цієї програми, та метод певних інтегралів (англ. – FI),
що працює в часовій області [19]. Метод апроксимації ґрунтується на розбиття
всіх поверхонь на невеликі сегменти [18].
Основні функціональні можливості програми [19]:
• Моделювання мікросмужкових та діелектричних фільтрів;
• Моделювання різних типів антен;
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
41
Змн Арк № докум. Підпис Дата

• Моделювання ліній передач;
• Розрахунок S-параметрів у широкому діапазоні частот;
• Побудова об'ємної структури НВЧ пристрою;
• Різні режими порушення структури;
• Розрахунок власних мод та імпедансів портів;
• Анімаційне відображення полів;
• Розрахунок поля антен у дальній зоні (дво- та тривимірне уявлення
поля, посилення, розрахунок кутової ширини основного та бічних
пелюсток діаграми направленості).
Основні переваги програми CST Microwave Studio:
• Має широкий набір функцій;
• Потужний тривимірний редактор НВЧ пристроїв;
• Зручний інтерфейс;
• Дозволяє швидко вирішувати завдання моделювання складних НВЧ
пристроїв із криволінійними поверхнями.
Microwave Office – ще одна комерційна програма, для моделювання
об'ємних НВЧ пристроїв [20]. Вона включає два модулі:
• пакет Voltaire дозволяє моделювати лінійні та нелінійні схеми,
• пакет EMSight – НВЧ пристрою.
У пакеті Voltaire використовуються такі обчислювальні методи:
одночастотний та багаточастотний метод гармонійного балансу, ряди Вольтерра,
аналіз змішувачів, а також методи лінійного та шумового аналізів. У пакеті
EMSight використовує метод моментів Галеркіна та метод швидкого свіпування
за частотою (англ. – FFS) [20].
Основні функціональні можливості програми Microwave Office:
• Моделювання лінійних та нелінійних кіл;
• Моделювання мікрополочкових об'ємних конструкцій;
• Побудова частотної характеристики у широкій смузі частот;
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
42
Змн Арк № докум. Підпис Дата

• Можливість аналізу сполуки кількох НВЧ структур;
• Анімаційне представлення поля у дальній зоні;
• Побудова ДН у дальній зоні.
Основні переваги програми:
• Має широкий набір функцій;
• Підтримує файли систем Spice та MMICAD;
• Забезпечує точну частоту для простих пристроїв.
Програма MMANA-GAL простий та надійний програмний комплекс для
створення, редагування, аналізу та розрахунку антен методом моментів [21].
Програмний пакет представлений у двох варіантах: безкоштовний базовий
MMANA-GAL basic та професійний MMANA-GAL pro.
MMANA-GAL basic орієнтований на радіоаматорські потреби. На відміну
від платного пакета, у ньому суттєво зменшено швидкість обчислень та кількість
елементів моделі (сегментів, проводів, джерел, навантажень), відсутня низка
можливостей, наприклад, автоперевірки чи об'єднання антен. Робочі файли
професійної версії можна відкрити базовою, лише якщо кількість елементів
моделей лежить у межах допустимих для MMANA-GAL basic.
Програма має російськомовний інтерфейс. Крім того, в налаштуваннях
можна змінити н мову написів і повідомлень.
Основою розрахунків MMANA-GAL є максвелівська система рівнянь, а
обчислювальною базою – модернізований MININEC3. Програма працює з будь-
якими типами антен, які представлені у вигляді наборів тонких проводів [21].
Обчислювальний метод, що використовуються в програмі – метод
багатовимірних матриць (моментів). Цей метод полягає у розбитті кожного
провідника антени на відрізки рівної довжини (сегменти) та обчисленні струму
(власного та наведеного від усіх інших сегментів) у кожному з цих відрізків [20].
Антени легко малюються і правляться за допомогою завдання цифрових
значень, або у графічному вікні, що має об'ємне уявлення. У програмі можна
об'єднувати до чотирьох різних файлів моделей, створюючи цілі антенні
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
43
Змн Арк № докум. Підпис Дата

комплекси. При обчисленні будуть враховані навантаження та дроти всіх антен
складової системи. Будь-яку зміну після розрахунку моделі можна відкотити
назад. Кількість операцій відкату обмежується лише розміром жорсткого диска.
Основні функціональні можливості MMANA-GAL:
• Моделювання будь-яких типів антен;
• Розрахунок параметрів антен на будь-якій частоті;
• Побудова плоских ДН;
• Побудова об'ємних ДН;
• Можливість порівнювати результати моделювання кількох антен;
• Побудова частотних графіків КСВ та Zвх.
Переваги:
• Має достатній набір функцій для даної роботи;
• Зрозумілий інтерфейс;
• Можливість безкоштовного використання;
• Не має обмежень щодо взаємного розташування проводів.
З наведеного вище огляду трьох різних пакетів ПЗ можна зробити висновок,
що MMANA-GAL найкраще підходить для цілей даної роботи. Програма має
зручний інтуїтивний інтерфейс, безкоштовна і проста в освоєнні, а також дозволяє
виконати моделювання антени і побудувати необхідні діаграми направленості.

3.2. Опис програми MMANA-GAL

При старті програми MMANA відкривається закладка Геометрія і ви бачите
кілька полів угорі та три таблиці (рис. 3.1). Поле ім'я – це назва антени, будь-яка,
яку ви внесете. Воно буде фігурувати вгорі всіх закладок, і під тим самим ім'ям
антена буде виводитись при її подальшому порівнянні з іншими. Поле F. MHz –
основна частота антени. Це значення буде використовуватися в наступних
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
44
Змн Арк № докум. Підпис Дата

стандартних розрахунках (якщо ви не задасте там інше значення). У цьому полі є
зручний для вибору список частот – кілька з кожного аматорського діапазону, а
якщо вам потрібна специфічна частота, то просто введіть її значення вручну.

Рис. 3.1 – Закладка Геометрія в програмі MMANA

Закладка Геометрія містить 3 таблиці, які призначені для введення та
редагування проводів, навантажень та джерел. Також, в цій закладці розташовані
елементи, які дозволяють задати параметри сегментації та основної частоти [22].
Таблиця проводів розташована у верхній частині закладки Геометрія та має
вісім колонок. Перші шість колонок, що позначаються X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2,
описують декартові координати початку та кінця проводу. Сьома колонка R
описує радіус проводу. Остання колонка Seg описує спосіб сегментації, тобто
спосіб розподілу даного проводу на сегменти для методу моментів.
Існують наступні загальні обмеження методу моментів щодо сегментації та
розташування проводів:
• Довжина сегмента (мінімальна) має бути меншою ніж 0,1λ.
• Довжина сегмента повинна бути більшою, ніж діаметр проводу.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
45
Змн Арк № докум. Підпис Дата

• Для високої точності розрахунку максимальний радіус не повинен
перевищувати 1%..
• Відношення довжини сегментів у проводах, що з'єднуються, повинно
бути менше 2
• Практично завжди найкращим виходом є однаковий спосіб
сегментації всіх проводів антени
• Відношення радіусів проводів, що утворюють перехід, має бути
менше 10.
• Неможливо розраховувати структури, в яких один провід частково
знаходиться всередині іншого (коаксіальні, екрановані).
Друга таблиця в закладці Геометрія – таблиця навантаження. Вона
призначена для завдання RLC елементів, що включаються в повода антени. Від
способу опису навантаження залежить кількість використовуваних колонок.
Колонка Puls служить для опису місця включення навантаження, яке в даній
програмі описується так само, як і джерела. В колонці Type описується тип
навантаження, який може бути LC, R + jX, S.
Для вибору типу навантаження слід клацнути лівою кнопкою миші в
колонці Type та вибрати бажаний тип зі спливаючого меню. Навантаження можна
включати вимикати позначаючи віконце "Застосувати нагр." Для включення
джерел та навантажень найкраще створювати окремий короткий дріт. У такому
разі не виникають проблеми при зміні щільності сегментації та при перекладі
моделі з *.maa в *.nec.
Наступна закладка Вигляд служить для виведення зовнішнього зображення
антени та струмів, що в ній протікають (рис. 3.2). Останні виводяться лише в тому
випадку, якщо антена вже була прорахована.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
46
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 3.2 – Закладка Вигляд в програмі MMANA

Зображення антени можна обертати, рухаючи мишею з натиснутою лівою
кнопкою по полю із зображенням. Для переміщення антени необхідно додатково
натиснути клавішу Shift (або Ctrl) клавіатури. Виділити один із проводів антени
можна за допомогою клацання мишею або за допомогою кнопок вгору/вниз у
меню Вибір проводу. Вибраний провід зображується потовщеною лінією, а в
нижньому правому куті з'являється напівпрозора таблиця з описом координат
проводу в декартових і полярних координатах.
Закладка Обчислення (рис.3.3) служить для запуску розрахунків та виклику
вікон оптимізації, графіків та редакторів дроту та елементів. На цій сторінці
можна встановлювати частоту для поточного розрахунку, параметри землі та
матеріал дротів (потрібний матеріал можна обрати з декількох встановлених або
вибравши тип користувача, описати параметри свого матеріалу).

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
47
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 3.3 – Закладка Обчислення в програмі MMANA

Результати останнього обчислення виводиться у верхньому рядку таблиці
та дублюються у полі правого верхнього кута вікна. У випадку моделі з кількома
джерелами таблиці виводиться Za тільки для першого джерела. Za для інших
джерел - у полі правого верхнього кута.
Поле Добавити висоту показує цифру, яка буде автоматично додана до всіх
координат Z антени. Зміною цієї цифри зручно оперативно рухати антену за
висотою. Однак, якщо ви проектуєте антену, що стосується землі, то сума
координати Z кінця дроту, що стосується землі та цифри в полі Добавити висоту
повинні дорівнювати нулю.
Поле Земля дозволяє вибрати тип землі, а також при виборі реальної землі
задати і подивитися її профіль, як набір з декількох ділянок з різними
характеристиками-висот. Для первинного вивчення антени рекомендується
вибирати або вільний простір або ідеальну землю. І лише розібравшись із
роботою самої антени переходити до Реальної землі та вивчати вплив землі на
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
48
Змн Арк № докум. Підпис Дата

антену. Розуміння антени одразу над реальною землею – це непросте завдання,
особливо для недосвідченого користувача.
Також потрібно враховувати, що модифікований MININEC-3, що
використовується в MMANA-GAL, розраховує вхідний опір і ближнє (реактивне)
поле без урахування втрат у реальній землі (тобто вважаючи землю ідеально
провідною) [21]. Втрати землі враховуються лише при розрахунку діаграми
направленості моделі антени.
Радіус близької зони становить близько l/2p = 0,16l. Тому, якщо над
реальною землею розраховуються: або горизонтальна антена, що містить хоча б
один провід нижче 0,16l, або вертикал з противагами, піднятими на висотах від
0,005l до 0,05l, то точніші результати за Za і Ga дають обчислення на ядрі NEC2.
MININEC3 у цих випадках дає похибку тим більшу, чим сильніше відрізняються
параметри землі від ідеальних.
І остання закладка в програмі – закладка Діаграма направленості (рис.3.4).

Рис. 3.4 – Закладка Обчислення в програмі MMANA

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
49
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Для побудови діаграми направленості в закладці обчислення необхідно
задати частоту. Потім вказати тип ґрунту – реальний, після висоту від ґрунту та
матеріал провідників. Після заповнення даних запускаємо розрахунок
натисканням кнопки "Start".
За замовчуванням горизонтальна діаграма направленості виводиться саме
для зенітного кута, який відповідає максимальному підсиленню. Але в програти
кнопку Зенітний кут. ДН у вертикальній площині буде будуватися для
азимутального кута 0°, тобто вздовж вісі Х. Цей кут також можна змінити, якщо
обертати антену навколо осі Z, відкривши в меню Правка – обертання вікно для
обертання.
На обох випадках можна викликати (лівим кліком) вимірювальний вектор,
що може переміщається по ДН. Дані підсилення для поточного кута виводяться в
середині вгорі. Вимикається вектор правим клацанням. Вектор не виводиться у
режимі V+H та після оптимізації.
За двомірною діаграмою буває дуже важко визначити спрямованість
антени, і це може призвести до невірного уявлення про характеристики антени.
Тому введено можливість перегляду 3D (тривимірного зображення) діаграми
направленості), для виклику вікна із тривимірним зображенням діаграми
направленості слід натиснути кнопку 3 D ДН. Тривимірне зображення з'являється
із затримкою, потрібною для обчислень.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
50
Змн Арк № докум. Підпис Дата

4. МОДЕЛЮВАННЯ ВИПРОМІНЮВАЧІВ НА ОСНОВІ
МІКРОПОЛОСКОВОЇ КРУГОВОЇ МЕАНДР-ЛІНІЇ В ПРОГРАМІ
MMANA-GAL

4.1. Побудова моделі мікрополоскової антени на основі
чотириступінчастої кругової меадр-лінії

Побудуємо в програмі MMANA-GAL модель мікрополоскової антени на
основі чотириступінчастої кругової меадр-лінії. Даній моделі відповідають
наступні параметри:
• Період меандр структури – 4
• Внутрішній діаметр антени – 83 мм
• Зовнішній діаметр антени – 110 мм
• Матеріал антени – мідь
• Ширина мікрополоски – 4,5 мм
• Відносна діелектрична проникність підкладки – 5,6
• Мінімальна робоча частота – 866 МГц
• Максимальна робоча частота – 915 МГц
В закладці Геометрія спочатку задаємо значення частоти 866 МГц. В вікні
Правка проводу за допомогою миші нарисуємо антену зображену на рисунку 2.6.
Нарисуємо антену в двомірні площині ХУ. В цьому випадку для полегшення
проектування зображення МПА є координатна сітка із зазначенням масштабу
Загальний вигляд отриманої комп'ютерної моделі малогабаритного
мікрополоскового випромінювача на основі чотириступінчастої кругової
меадрлінії показаний на рисунку 4.1.
Розглянемо діаграму направленості, отриману в результаті моделювання
для робочої частоти 866 МГц (рис.4.2)

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
51
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 4.1 – Модель мікрополоскового випромінювача на основі чотириступінчастої
кругової меадр-лінії в програмі MMANA-GAL

Рис. 4.2 – Діаграми направленості на робочій частоті 866 МГц в горизонтальній та
вертикальній площині
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
52
Змн Арк № докум. Підпис Дата

В програмі MMANA-GAL є можливість перегляду тривимірного
зображення діаграми направленості, яка дає можливість краще розглянути
властивості направленості антени. На рисунку 3.3 зображена 3D діаграми
направленості досліджуваної антени.

Рис. 4.3 – 3D діаграма направленості на робочій частоті 866 МГц

Збільшимо робочу частоту антени до 915 МГц, та отримаємо діаграми
направленості для цього випадку (рис. 4.4, рис. 4.5)
Можна помітити, що на меншій робочій частоті досягається рівномірна
діаграма спрямованості. Це відбувається через те, що зі збільшенням частоти
відбувається збільшення втрат на випромінювання.
Як видно з діаграм направленості антени основі ступінчастої кругової
меандр-лінії мають осьове випромінювання, перпендикулярне площині підкладки,
та кругову поляризацію, що якраз і потрібно для антен RFID міток.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
53
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 4.4 – Діаграми направленості на робочій частоті 915 МГц в горизонтальній та
вертикальній площині

Рис. 4.5 – 3D діаграма направленості на робочій частоті 915 МГц

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
54
Змн Арк № докум. Підпис Дата

4.2. Побудова моделі мікрополоскової антени на основі
восьмиступінчастої кругової меадр-лінії

Далі побудуємо мікрополоскову антену на основі восьмиступінчастої
кругової меадр-лінії (рис. 4.6). Параметри даної антени наступні:
• Період меандр структури – 8
• Внутрішній діаметр антени– 83 мм
• Зовнішній діаметр антени – 110 мм
• Матеріал антени – мідь
• Ширина мікрополоски – 4,5 мм
• Відносна діелектрична проникність підкладки: – 5,6
• Мінімальна робоча частота – 866 МГц
• Максимальна робоча частота – 915 МГц
Отримаємо діаграму направленості даної антени для робочої частоти 866
МГц на площині (рис. 4.7) та тривимірну ДН (рис. 4.8)
Також як і в попередньому випадку збільшимо робочу частоту антени до
915 МГц, та отримаємо діаграми направленості для цього випадку (рис. 4.9, рис.
4.10)

4.6 – Модель мікрополоскового випромінювача на основі восьмиступінчастої
кругової меадр-лінії в програмі MMANA-GAL
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
55
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 4.7 – Діаграми направленості восьмиступінчастої кругової меадр-лінії на
робочій частоті 866 МГц

Рис. 4.8 – 3D діаграми направленості восьмиступінчастої кругової меадр-лінії на
робочій частоті 866 МГц
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
56
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис. 4.9 – Діаграми направленості восьмиступінчастої кругової меадр-лінії на
робочій частоті 915 МГц

Рис. 4.10 – 3D діаграми направленості восьмиступінчастої кругової меадр-лінії на
робочій частоті 915 МГц
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
57
Змн Арк № докум. Підпис Дата

4.3. Дослідження та порівняння основних характеристик антен

Так як були отримані діаграми направленості для двох типів антен: в
вигляді чотирьохступінчастої та восьмиступінчастої кругової меадр-лінії, а також
для двох значень частот, то отримані результати потрібно порівняти, щоб зробити
висновки. В програмі MMANA-GAL є можливість проглядати одночасно два
графіка і одній системі координат. Для цього використовується вікно
«Порівняти».
Меню «Порівняти», дає можливість об'єктивно порівнювати різні антени
(діаграми направленості та їх основні параметри). Після розрахунку однієї антени
(закладка Обчислення) потрібно зайти в меню порівняння, і будемо бачити ДН
цієї антени, далі за допомогою кнопки «Відкрити» можна відкрити ДН та
характеристики іншої антени (заздалегідь збережені в *.mab файлі) і отримаємо
обидві діаграми направленості накладеними одна на одну. У табличці під ДН
будуть наведені основні параметри обох порівнюваних антен. Кількість
порівнюваних антен в програмі не обмежена.
На рисунках 4.11 та 4.12 наочно показано порівняння діаграм направленості
мікрополоскових антен з різним періодом меандр-структури на робочих частотах
866 МГц і 915 МГц відповідно.
Як видно з рисунків 4.11 та 4.12, зі збільшенням числа періодів меандр-
структури діаграми спрямованості антени для обох частот стають гладкішими. Це
пов’язане зі збільшенням коефіцієнта уповільнення такої структури.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
58
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Рис.4.11 – Діаграми направленості на робочій частоті 866 МГц для
мікрополоскових антен на основі меанд-ліній: чотириступінчаста - виділена
чорним кольором і восьмиступінчаста - виділена червоним кольором

Рис.4.12 – Діаграми направленості на робочій частоті 915 МГц для
мікрополоскових антен на основі меанд-ліній: чотириступінчаста - виділена
чорним кольором і восьмиступінчаста - виділена червоним кольором

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
59
Змн Арк № докум. Підпис Дата

Також дослідимо залежність діаграми направленості від ширини
мікрополоски. Попередні результати були отримані для ширини 4,5 мм.
Дослідимо які відбудуться зміни в діаграмі направленості, якщо збільшити або
зменшити ширину мікрополоски.
На рисунку 4.13 наведені діаграми направленості мікрополоскових антен на
основі 8-ступінчастої меандр-лінії на робочій частоті 866 МГц з різною шириною
мікрополоски: а) – 1,6 мм, б) – 4,5 мм, в) - 9 мм. Верхні графіки це ДН у
вертикальній площині, нижні – у горизонтальній. Червоними лініями позначені
ДН із вертикальною поляризацією, а синіми – з горизонтальною. Неважко
помітити, що за зміни ширини ДН у вертикальній проскості змінюється слабо. У
горизонтальній площині при великій ширині мікросмужкового провідника 9 мм
ДН сильно порізана при будь-якій поляризації. Тому вужчі полоски, краще. Але
при виготовленні мікрополосок меншої ширини становить труднощі і призводить
до підвищення вартості виробництва антени. Якщо порівнювати ДН на рисунку
4.13 а) і рисунку 4.13 б), всі вони майже ідентичні.
Отже можна зробити висновок про те, що вибір товщини мікросмужка 4.5
мм є найкращим з точки зору рівномірності діаграм направленості та простоти
виготовлення.
При збільшенні робочої частоти до 915 МГц та досліджені діаграм
направленості антен з різною шириною мікрополоски отримано, що характер
зміни порізаності такий самий, як і на низькій частоті. Моделювання антен з
меншою кількістю періодів меандр-структури показало схожу тенденцію
збільшення порізаності зі збільшенням ширини мікрополоски.

Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
60
Змн Арк № докум. Підпис Дата

а) б) в)

Рис. 4.13 Діаграми направленості антен при ширині мікрополоски:
а) – 1,6 мм, б) – 4,5 мм, в) – 9 мм

Таким чином можна зробити наступні висновки що до результатів
виконаного моделювання мікрополоскових випромінювачів з різною
періодичністю меандр-структури на робочих частотах 866 та 915 МГц.
Проаналізувавши діаграми направленості антен, зроблено такі висновки:
1. Антена на основі чотириступінчастої кругової меандр – лінії має кругову
поляризацію та осьове випромінювання, перпендикулярне площині підкладки;
2. Антена на основі восьмиступінчастої кругової меандр – лінії також має
осьове випромінювання, перпендикулярне площині підкладки, та кругову
поляризацію;
3. На робочій частоті 866 МГц спостерігається найбільш рівномірна
діаграма направленості обох антен;
4. Зі збільшенням частоти до 915 МГц на діаграмах спрямованості обох
антен з'являється порізаність;
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
61
Змн Арк № докум. Підпис Дата

5. Незалежно від робочої частоти зі збільшенням числа періодів меандр-
структури ступінь порізаності діаграм спрямованості зменшується.
6. Вибрану ширину мікрополоски 4,5 мм найкраще використовувати для
створення антени на основі меандрлінії з будь-якою періодичністю структури.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
62
Змн Арк № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

В даній роботі було проведено дослідження антен, що використовуються в
RFID системах та комп’ютерне моделювання малогабаритної мікрополоскової
антени з випромінювачем на основі кругової меандр-лінії в програмі MMANA-
GAL.
Однією з основних складових системи RFID є мітка з антеною. Мітка
повинна забезпечувати прийом сигналів, обробку інформації та передачу її
зчитувачу. За способом живлення RFID-мітки поділяються на активні та пасивні,
а за робочою частотою поділяють на низько частоті (LF), високочастотні (HF) та
надвисокочастотні (UHF). Частота зв'язку визначає швидкість передачі інформації
між радіоміткою та зчитувачем, адже чим нижча робоча частота, тим менша
швидкість передачі даних.
Надвисокочастотні мітки за рахунок високої частоти і невеликої довжини
радіохвиль мають, у порівнянні з іншими пасивними системами, кращі
характеристиками: дальність зчитування до декількох десятків метрів, одночасне
зчитування до декількох сотень міток в зоні реєстрації, зчитування до декількох
десятків унікальних міток в секунду.
В роботі проведено аналіз видів антен, що застосовуються в RFID-системах.
Останнім часом найбільшого поширення завдяки своїм перевагам набули
мікрополоскові (патчові) антени різних конфігурацій. Тому як об'єкт дослідження
було обрано саме мікрополоскові антени які підвищують технологічність та
компактність RFID міток.
В роботі проведено комп’ютерне моделювання малогабаритного
випромінювача на мікрополосковій круговій меандр-лінії для радіочастотної
ідентифікації на частотах 866 та 915 МГц за допомогою програми MMANA-GAL.
Було отримано діаграми направленості для двох видів антен з різним періодом
меандр-структури. Проведено аналіз ДН, який показав, що антени на основі
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
63
Змн Арк № докум. Підпис Дата

меандр-лінії мають кругову поляризацію та осьове випромінювання,
перпендикулярне площині підкладки. Зроблено висновок про залежність
рівномірності отриманих ДН від робочої частоти та від періоду меандр-структури.
Тобто зі зростанням частоти на діаграмах направленості з'являється порізаність, а
при збільшенні періоду меандр-лінії ДН стають гладкішими. Перше пояснюється
збільшенням втрат на випромінювання, друге – зростанням коефіцієнта
уповільнення. Також після аналізу ДН двох видів антен при різній ширині
мікрополоски, можна зробити висновок, що зі збільшенням ширини на діаграмах
направленості збільшується порізаність. Найкраща ширина мікрополоски для
двох видів антен дорівнює 4.5 мм. Дане дослідження дозволяє зробити висновок,
що випромінювач на мікрополосковій круговій меандр-лінії може бути
використаний для RFID на робочих частотах 866 і 915 МГц, які є стандартними в
Європі та США відповідно.
Отже досліджені антени можна використовувати в RFID-мітках НВЧ
діапазону особливостями якого є висока дальність і швидкість роботи та наявність
антиколізійних механізмів. Їх можна використовувати, наприклад, як у сфері
роздрібної торгівлі: для контролю за переміщенням товару між складом та
магазином, запобігання крадіжкам, зручності проведення інвентаризації, так і в
складських та логістичних комплексах: для відстеження переміщення товарів,
збільшення швидкості приймання та відвантаження, зниження впливу людського
фактора та ін..
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
64
Змн Арк № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID
2. http://electrik.info/device/1247-radiochastotnaya-identifikaciya-rfid.html
3. https://www.datakrat.ru/technology/rfid-radiochastotnaya-identifikatsiya
4. http://www.idexpert.ru/reviews/935/
5. http://uhf-rfid.info/technology/
6. http://www.vital-ic.com/files/Catalog_RFID_light.pdf
7. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. Учебник для радиотехнических
специальностей ВУЗов. — М.: Высшая школа, 1988. — 432 с.
8. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь,
1989.
9. ITU-R SM.1056 Limitation of Radiation for Industrial, Scientific and Medical
(ISM) Equipment, 1994.
10. ITU Radio Regulations, V.1, International Telecommunications Union, 1998.
11. http://asupro.com/gps-gsm/means-identification/reference/uhf-shf-antennas-
frequency-ranges-rfid.html
12. Панченко Б.А. Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. – М.: Радио и
связь, 1986.
13. https://www.radartutorial.eu/06.antennas/an39.ru.html
14. https://ru.qwe.wiki/wiki/Microstrip_antenna
15. Lee Y. Antenna Circuit Design for RFID Applications // Microchip Technology
inc. 2003. AN710. P. 1-50.
16. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы
технологических приборов и устройств с использованием электродинамических
замедляющих систем. М.: Радио и связь, 2002.
17. Панченко Б.А., Князев С.Т. Электродинамический расчет характеристик
полосковых антенн. М.: Радио и связь, 2002.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
65
Змн Арк № докум. Підпис Дата

18. Моделирование антенн и элементов тракта: Учебно-методическое пособие /
Под ред. Шишакова К.В. Ижевск: ИжГТУ, 2009.
19. Фатеев А.В. Применение ПО CST Microwave Studio для расчёта
микроволновых антенн и устройств СВЧ: Учебное пособие. – Томск: Томск. гос.
ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2014. – 121 с
20. https://www.awr.com/ru/products/microwave-office
21. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе
MMANA. М.: Радио Софт, 2002.
22. http://gal-ana.de/basicmm/ru/
23. Методичні вказівки до виконання випускних робіт бакалавра та дипломних
робіт для студентів напряму підготовки та спеціальності «Радіотехніка» освітньо-
кваліфікаційних рівнів «бакалавр», «спеціаліст», «магістр» усіх форм навчання /
Укл. В.В. Палагін, В.В. Філіпов. – Черкаси: ЧДТУ, 2016. – 53 с.
Арк
ТК006.021.138.248 ПЗ
66
Змн Арк № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets