Small antennas for radio frequency identification applications

Abstract

Tässä diplomityössä kehitettiin RFID-käyttöön sopiva antenniratkaisu. RFID-käytössä antennilta vaaditaan monia haastavia ominaisuuksia, kuten pientä kokoa, edullista hintaa sekä korkeaa hyötysuhdetta. Lisäksi antennin impedanssi on sovitettava suoraan RFID-mikropiirin impedanssiin. Impedanssitaso poikkeaa näin tyypillisestä 50 OMEGA:n tapauksesta, ja sovituksen on kestettävä eri ympäristöissä systeemin toiminnan ylläpitämiseksi. Koska RFID-sovelluksissa antenni kiinnitetään suoraan erilaisiin esineisiin, täytyy impedanssin olla epäherkkä erilaisten kiinnitysalustojen vaikutuksille. Tästä muodostui työn haasteellisin osio.

Aluksi RFID:n toimintaympäristöä, systeemiä ja antenneja analysoitiin. Seuraavaksi teoriaa eri kiinnitysalustojen vaikutuksista käytiin läpi. PIFA-rakenne valittiin kehiteltävien ratkaisujen perustaksi. Näin ollen teoriaa, säteilyominaisuuksia, impedanssia, hyötysuhdetta sekä kaistanleveyttä tutkittiin tarkasti. Antennisuunnitteluosiossa viisi erilaista PIFA-varianttia esiteltiin. Antennin korkeuden, häviöiden tason, oikosulun leveyden sekä dielektrin vaikutuksia simuloitiin. Jokaisella variantilla oli hyvät ja huonot puolensa. Kuitenkin, käyttämällä hyvin matalaa rakennetta, melko leveää oikosulkua ja teflon substraattia, antennimalli, jolla on riittävät hyötysuhde-, koko- ja epäherkkyysominaisuudet löydettiin.

Kiinnitysalustan vaikutuksia tutkitiin tarkasti jokaisen variantin tapauksessa. Huomattiin, että kaistanleveyden ja takasäteilyn lisäksi PIFA:n säteilylähde näyttäisi olevan tärkeässä asemassa. Näyttää siltä, että magneettisen dipolin säteily johtaa epäherkempään impedanssikäyttäytymiseen kuin sähköisen dipolin säteily. Magneettisen dipolin säteily saadaan dominoivaksi antennin ollessa matalaprofiilinen ja oikosulun ollessa leveä.

Varianteista kolme rakennettiin ja niiden impedanssit mitattiin. Mittaukset korreloivat hyvin simuloitujen tulosten kanssa. Paras varianteista mitattiin myös käytännönläheisemmässä tilanteessa, jossa mikropiiri oli kiinnitettynä antenniin. Vaadittuun neljän metrin lukuetäisyyteen päästiin eri ympäristöissä.