Mini Curso RFID Módulo I - Dr. Jung

Fundamentos de Antenas e Arquitetura da Tecnologia RFID

Prof. Dr. Carlos Fernando [email protected]

Mini Curso: Tecnologia e Aplicações do Sistema RFID (Módulo I) – Fundamentos de Antenas e Arquitetura de Sistemas RFID

Material Didático de Apoio

http://polovp.faccat.br

Atualizado 2012

O Que é RFID

RFID é a denominação dada a Radio Frequency Identification ou Identificação por Radiofrequência

Essa tecnologia é composta de equipamentos como leitores, antenas e tags (etiquetas) que se comunicam através de ondas eletromagnéticas enviando

e recendo informações sobre produtos e processos

Algumas Aplicações

Fundamentos

Princípios de Corrente Alternada(Ondas Senoidais)

http://m.albernaz.sites.uol.com.br/geracao_de_energia_eletrica.htm

Geração de Energia ElétricaSistema Hidráulico

Gerador de Corrente Alternada

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

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

Onda Senoidal

http://www.mitecnologico.com/Main/CaracteristicasOndaSenoidal

Representação Fasorial de uma Onda Senoidal

Frequência / Amplitude / Fase

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

Osciladores

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

Cristal

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/Quartz_Br%C3%A9sil.jpg

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

Cristal Oscilador

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Inside_QuartzCrystal-SimpleType.jpg

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

Cristal Oscilador

Oscilador Eletrônico

Microprocessor OscillatorPierce Crystal Oscillator

Cristal Oscilador

http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html

Ondas Eletromagnéticas

Algumas Aplicações

http://educacao.uol.com.br/fisica/campo-magnetico-lei-de-ampere.jhtm

http://robsonmagno.wordpress.com/2011/03/10/historia-do-eletromanetismo/

Campo Elétrico e Campo Magnético

http://sites.google.com/site/medea2010esdmibeja/maxwelianos/maxewell-e-as-ondas-electromagneticas

Espectro Eletromagnético

http://gymjs.net/~j.donoval/Sexta.htm

Antenas

Fundamentos de um Sistema Elétrico

Sistema Elétrico

http://www.redeinteligente.com/2009/08/11/rede-inteligente-por-que-como-quem-quando-onde/

Como Funciona uma Lâmpada

Como Funciona uma Lâmpada

Lâmpada

FilamentoRede 220V 60 HZ

Fase

Neutro

Condutor Elétrico (Condutor Bifilar)Circulação de Corrente Elétrica

Como Funciona uma Antena

Como Funciona uma Antena

Sinal do Transmissor

Cabo CoaxialCondutor 1

Condutor 2

Ao Transmissor

Cabo Coaxial +

-

Campo Elétrico

Irradiação

Dipolo Realhttp://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/smalldipole/smalldipole.html

Irradiação do Dipolo

Irradiação 0,5

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

Diagramas de Irradiação

Ganho de Irradiação da Antena

Dipolo de Meia Onda Dipolo de Meia Onda


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

O ganho de uma antena é medido em dBd, sendo sua unidade padrão de referência para

comparação 0 dBd (Ganho em relação a um Dipolo de Meia Onda)


Dipolo de Meia Onda Antena sob Teste

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

O valor em dBd expressa o ganho de sinal da antena testada quando comparado com o sinal de uma antena dipolo ½ , colocada no mesmo lugar

Antena P2

Antena X

A Antena P1 recebeumais ou menos sinal da Antena X em

relação a Antena P2, com a mesma potênciaaplicada as Antenas X e P2

Antena P1

Análise Comparativa

Ganho da Antena

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

dB = 10 log P2 / P1

P2 = valor medidoP1 = valor de referência

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

0 dB = 10 x log (1) ÷ (1) sendo que log 1÷1 = 0

Exemplo de Ganho

Conversões (Ganho Antena)

Conversão para dBi (Ganho em dBd + 2.15)

Conversão para dBd (Ganho em dBi - 2.15)

Antena Isotrópica (dBi) Antena Dipolo (dBd)

Equipamentos para Medições de Intensidade de Sinais

(Amplitude x Frequência)

Spectrum Analyzer - Analisador de Espectro(Laboratório de Metrologia e Instrumentação FACCAT)

Exemplo: Transmissão de sinal em 915 MHz e visualização no Spectrum Analyzer

Ensaio Experimental em “espaço livre” Realizado na FACCAT

Analisador

Antena - TAGAntena Padrão

Transmissor

Equipamento no Laboratório de Análise de Sinais de R.F. (Prof. Dr. Jung)

Communications Monitor Service (100 KHz to 1 GHz)

Recebe Sinais

Transmite Sinais

Exemplo: Visualização de um Sinal de 915 MHz

RF Field Analyzer (100 KHz to 2 GHz)

Spectrum Analyzer (9 KHz to 2,7 GHz)

WiPry-Spectrum (Spectrum Analyzer 2,4 GHz)

Lóbulo de Irradiação

Lóbulo de Irradiação

Antena Direcional

Polarização da Antena

Polarização Vertical e Horizontal

Polarização Vertical

Polarização Horizontal

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

Polarização Circular

http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/Circular.Polarization.Circularly.Polarized.Light_Without.Components_Right.Handed.svg

Tipos de Antenas

Tipos de Antenas

Embora existam muitos modelos de antenas, os tipos são basicamente três:

Direcional

Semi-Direcional / Setorial

Onidirecional

Antena Direcional

Antena Direcional

Direcional: são antenas que transmitem os sinais em uma única direção, com ângulo de

irradiação bastante fechado, ficando aproximadamente entre 3 e 20 graus,

cobrindo uma área bastante restrita, os modelos básicos são as parabólicas,

podendo a parábola ser fechada ou não, as yagis e as helicoidais.

Irradiação Direcional

http://loja.tray.com.br/loja/produto-66984-1157-promocao_de_lancamento__antena_orion_imax_58ghz_32dbi

Irradiação Direcional

Antena ParabólicaA parabólica com parábola

fechada, atenua fortemente os ruídos vindo de traz, enquanto a

parábola de grade, atenua apenas moderadamente

Parabólica de Grade

Antena Yagi

Antena Helicoidal

Antena Setorial

Antena Setorial

Semi-Direcional ou setorial: são antenas que transmitem os sinais também em uma

única direção, porém com um ângulo de irradiação bastante aberto , ficando

aproximadamente entre 30 e 180 graus, cobrindo uma área bastante extensa, o

modelo básico é o painel setorial.

Irradiação Setorial

http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/

Antena Painel Indoor

http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Indoor-antenna.jpg

Antena Painel Outdoor

http://www.slavnet.com/page/4

Antena Onidirecional

Antena Onidirecional

Onidirecional: são antenas que transmitem os sinais em várias

direções, em ângulo de irradiação de 360 graus.

Irradiação Onidirecional

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

Visto de cima

Irradiação Onidirecional

http://www.vivasemfio.com/blog/antenas-omni-setorial-setor-uso-outdoor/

Antena Vertical

Linhas de Transmissão e Recepção

Cabos Coaxiais (50, 75 Ohms)

Cabo Paralelo (Fita 300 Ohms)



Linhas Bifilares Linhas Coaxiais

Linhas e Conectores

Características da Impedância de uma Linha de Transmissão

Z0 = Characteristic impedanceL = Inductance per unit length of the RF transmission line caused due to magnetic fields that are formed around the wires when current flows through them.C = Capacitance per unit length of the RF transmission line. This is also the capacitance that exists between two conductorsR = DC resistance per unit length of the RF transmission lineG = the dielectric conductance per lengthω = frequency (radians/s)

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5776

Ondas Estacionárias

Onda Refletida

Transmissor

Cabo Coaxial

Antena

Onda Refletida e R.O.E

Para sabermos se uma antena esta sintonizada, é necessário medirmos sua R.O.E, que é a relação entre a potência irradiada e a refletida, o que chamamos de onda estacionária, a qual pode ser medida através da

escala própria da R.O.E, ou em percentual.

Comparativo entre a escala da R.O.E e percentual:

ROE = 1___1.2__1.5___2___3_____4_____5_____9

Percentual = 0%__1%__4%_11%_25%__36%__50%__65%

A Melhor R.O.E

Classificamos a onda estacionária de acordo com seu percentual conforme segue:

Até 4% ótima, entre 4 e 8% boa, entre 8 e 11% regular, entre 11 e 18% ruim, entre 18 e 25% péssima e acima deste percentual estaremos sujeito a sérios

problemas.

Qual a Melhor Antena?

A melhor antena é aquela que coloca o sinal necessário, no local de recepção, com o menor desperdiço em outras direções, com a menor potência gerada, com o menor espaço ocupado, com a menor

resistência ao vento, com o menor peso e com o menor custo.

Funcionamento do Sistema RFID


Adaptado de http://www.actionpkg.com/pages/system_diagram.html


Block Diagram of a Typical RFID Tag/Reader System

http://firewall-et.com/pop_rfid_access.html


Block Diagram of a Typical RFID Tag/Reader System

RFID TAG

Princípio

Estrutura / Componentes da TAG

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

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

RFID Tag

Circuito Integrado (chip)

Antena

RFID TAG

Irradiação da TAG

Irradiação da TAG

http://en.wikipedia.org/wiki/File:DipoleRadiation.gif

Faixa de Operação da TAG

http://www.rfid-handbook.de/rfid/5_RFID-frequencies.gif

Características das tags que operam entre as frequências de 120 a135 kHz

Coeficiente de penetrabilidade alto e moderadamente tolerante a metais;O campo magnético forma uma área de leitura bem definida e homogênea;Baixas taxas de transferência;Baixa capacidade de leitura de multiplas tags;Habilidade de leitura em ambientes sujos e húmidos;Normalmente a distância de leitura é menor que 1 metro

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

Características das tags que operam na frequência de 13,56 MHz

Bom coeficiente de penetrabilidade (exceto metais) com redução do alcance de leitura;Disponível globalmente com níveis de potência adequados e sem necessidade de licenciamento;Normalmente as tags são no formato de etiquetas;O campo magnético forma uma área de leitura bem definida e homogênea;Capacidade de leitura de múltiplas tags;Normalmente a distância de leitura é menor que 2 metros



Características das tags operam nas frequências entre 850 a 960 MHz

Possui padrões globais de utilização;Baixo coeficiente de penetrabilidade em líquidos (absorção) e metais (reflexão);Dependendo do formato da tag, a performance de leitura pode variar;Capacidade de leitura de múltiplas tags;Alta taxa de transferência;O campo elétrico extende a performance de leitura mas para definir a área de cobertura exige-se estudo preliminar;Alto alcance de leitura, acima de 5 metros


Síntese

Funcionamento da TAG

Funcionamento da TAG

Functional Block Diagram of an RFID TAG

RFID TAG

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

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

Schematic Depiction of Reader-to-tag Data Link

Schematic Depiction of Tag-to-reader Data Link

Modulated Backscatter Using a Transistor as a Switch

Simplified Physics of Backscatter Signaling

http://rfidtribe.com/index.php?option=com_content&task=view&id=423&Itemid=99

Antenas Utilizadas em TAG’s (Etiquetas)

http://www.propagation.gatech.edu/ECE6390/project/Fall2009/DustHound/design.html

Anatomia

http://pingmag.jp/2008/06/23/rfid-aesthetics/

Sensibilidade da TAG

Minimum Transmitted Power x TagsANANYAA GAUTHAM, M.S.

The University of Texas at Arlington, 2008

Sistemas de Teste para TAG e Antenas

Sistema de Teste para Análise Comparativa do Ganho de Antenas

RX

TX

Antena Comercial para RFID

Antena Desenvolvidana Faccat para RFID

Antena PadrãoDipolo de ½ Onda

CommunicationsService MonitorIFR COM 120-B

Sinal Transmitido915 MHz / -30 dBm

Dipolo de ½ Onda (915 MHz)

Balun (Converte a Impedância de 50 para 75 Ohms)(Converte a linha desbalanceada em balanceada)

Antena Padrão para Ensaios

Antena TX/RX para RFIDdesenvolvida na Faccat

Sistema de Teste para Análise da Influência de Diversos Tipos de

Materiais entre os Sinais do Leitor e TAG RFID

Utilizando uma forma estrutural do dia a dia: carrinho de supermercado

Tag Etiqueta RFID) fixada em um suporte e colocada no interior do recipiente

Recipiente construído complástico em forma de carrinho de supermercado

Testes Realizados no Campus da Faccat

Sistema de Teste para Análise da Influência de Diversos Tipos de

Materiais entre os Sinais do Leitor e TAG RFID

Utilizando chapas quadradas de diversos tipos de materiais para fixação da TAG

(Vidro – Papelão – Isopor – Madeira - Plástico)

Antena TX/RX do Leitor de RFID

TAG RFID fixada em um quadro de vidro

Leitor RFID

Dr. MarceloM.Sc. Everton

Hardware e Software para Controle

Sistema de Nivelamentoa Laser – duplo feixe

Sistema RFID TESTER

(Análise Completa)

1 - Integration of All Required Functions for Reader and RFID Tag Testing into a single unit2- Supports 860MHz ~ 960MHz UHF RFID3- Supports ISO/IEC 18000-6 Air Interface Protocol4 - Reader and Tag Emulator Functions5 - Multi-Tag Simulator Functions for Reader Test6- Tag Performance Test Functions7 - RF Measurement – Spectrum, RF Envelope, Power-Time8 - Korean mobile RFID standard compliance test http://www.temcell.com/tc2600a.htm

RDID Tag Emulator Mode for Reader Testing

The TC-2600A can emulate as a reference Tag to test Readers. Since an actual Tag backscatters the Reader signal and communicates based on accurate link timing in microseconds, the TC-2600A analyzes the Reader signal to provide an experimental environment. This environment simulates a real world situation and communication with the Reader is carried out by maintaining accurate link timing as if an actual Tag is backscattering. Furthermore, adjustable power enables easy measurement of the Reader sensitivity and the TC-2600A can simultaneously test up to 10 tags, allowing easy setting of Tag information according to test conditions.

Tag Memory Bank ParametersTag Memory Bank DataTag Transmission Power, Modulation Type and Flag Persistence ValueDisplay Command and Response Log

http://www.temcell.com/tc2600a.htm

Reader RF Measurement

The TC-2600A can operate in the Tag mode and measure the Reader signal to analyze the Reader performance when it communicates with an actual Tag. The measurements are automatically displayed on the screen according to the measurement objective of parameters and their values.

Users can easily verify complex measurement results such as:Reader Transmission Spectrum and PowerReader Power-up/-down RF envelopeReader PIE Symbol Interval (Delimiter, Tari, PW, RTcal, TRcal, etc.)Reader Preamble and Frame-SyncReader Response Time


Reader Emulator Mode for Tag Testing

The TC-2600A RFID test set can operate as a reference Reader to test RFID Tags. Every command can be executed to test RFID Tag operations, including Inventory, Read and Write, Access, Kill, Lock, etc. As in the Tag Emulator mode, the TC-2600A communicates with the Tag while maintaining link timing. When operating, a Reader and Tag performance can be evaluated according to various test conditions below.

Reader Transmission Power, Modulation Type & Depth, PIE symbol interval, Link timing, Query Command Parameter SettingsInventory and Select TagCommands including Read, Write, Kill, Lock, Access, BlockWrite and BlockEraseAutomatic TUT (Tag Under Test) GeneratorAutomatic Presumption Tag Lock StatusDisplay Command and Response Log


Tag RF Measurement

The TC-2600A can operate as a reference Reader to communicate with a Tag and analyze a Tag's backscattering signal in various ways. Commands necessary for test conditions are sent to the Tag, a waveform of the Tag's response signal is displayed according to users’ measurement objectives and the experimental parameters are automatically measured and displayed. Accordingly, users can easily perform RF measurements without the complex process of using markers to measure desired values in the signal waveform.

Tag Spectrum and PowerTag BLF (Backscattering Link Frequency) AccuracyTag Duty CycleTag FM0/Miller PreambleTag Response Time


Tag Performance Test

Along with the measurement of specific parameters such as Tag modulation characteristics and signal spectrum, overall Tag performance measurements such as Tag sensitivity, read range and frequency tolerance are some of the most important parameters in Tag performance testing. There is no longer the need for the anechoic chamber, complex jigs for distance adjustment and several instruments for measuring RFID Tag performance. The TC-2600A features combined with an UHF TEM cell, which provides a RF environment similar to an anechoic chamber, provides an excellent Tag performance measurement system along with automatic measurement of Tag sensitivity

Tag Identification Sensitivity Tag Read Identification Sensitivity Tag Write Identification Sensitivity Frequency tolerance to Tag Sensitivity Calculate Read Range


Variáveis que Interferem em Sistemas de Teste

(Ondas Refletidas)Atenuação e/ou Reforço

Ambiente de Teste (Interno) Exemplo: Uma Sala

Ondas irradiadaspor diversos tiposde equipamentos

AntenaTransmissora

AntenaReceptora

Ondas refletidas em móveis

Ondas refletidas no teto

Ondas refletidas no piso

Ondas refletidas nas paredes

Onda Direta

Sistema de Teste em“Espaço Livre”

Produto com a TAG fixada na embalagem colocada no interior de um recipiente de isopor

TX

RX

Antena

Leitor RFIDCabos Coaxiais

Sistema de Teste em“Câmara Anecóica”

http://www.junseal.com.br/radiofre.html

Absorvedor de R.F.

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

Anechoic chamber for Antenna Measurements

Mini Câmara Anecóica emDesenvolvimento

Mini Câmara Anecóica 1ª Fase – Blindagem Eletrostática

Projeto do Protótipo...

Processo de Fabricação doProtótipo...

Instalação de 1 antena para ajuste dos suportes de fixação...

Instalação de 2 antenas para ajuste dos suportes de fixação...

Aspecto da Mini Câmara (Blindagem) em relação ao pesquisador

Local de colocação do Produto com embalagem

Produto com a TAG Colocada na embalagem

Antena de RFID TX/RX

TX

RX

TAG

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