Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время жизнь человека, так или иначе, связана с интернетом. С его помощью можно получить доступ к разнообразной информации. Однако "всемирная паутина" служит лишь средством доставки информации, которая существует в виртуальной форме. Проблема преобразования информации из физической формы в виртуальную на современном этапе развития отрасли сетей и телекоммуникаций все еще является актуальной. Решением данной проблемы может служить технология радиочастотной идентификации. В англоязычной литературе принят термин Radio Frequency Identification (RFID). Виртуальная информация хранится в метке, прилепленной к объекту, и преобразование в физическую форму происходит за счет бесконтактного считывания данных с этой метки.

Существуют пассивные системы RFID, способные функционировать без встроенных источников питания. У таких систем есть важное преимущество - это низкая стоимость самой метки, что увеличивает значимость их создания.

Для лучшего понимания актуальности создания недорогой метки и дальнейшего внедрения RFID технологии рассмотрим цепь доставки товаров. Ни для кого не секрет, что наличие быстрого и удобного способа получения информации позволяет не только повысить эффективность доставки товаров потребителю, но и сократить расходы производителям, дистрибьюторам, продавцам. Современные технические решения используют для маркировки штрих-коды, считывать которые нужно либо вручную - что не слишком эффективно с точки зрения быстродействия, либо с помощью средств автоматики, которые в свою очередь сложны в использовании.

Технология RFID к настоящему времени еще не приобрела массовое применение и широкую известность. Однако уже сейчас техническая реализация аппаратуры RFID находится на достаточно хорошем уровне и постоянно совершенствуется.

Нынешняя стоимость метки составляет минимально 0,5 доллара за метку и более 100 долларов за считыватель, что при больших объемах использования представляет серьезные траты для заказчика [7].

Немаловажным фактором для дальнейшего расширения сфер применения технологии RFID служит уменьшение габаритных размеров метки. Метки, как минимум, должны быть меньше маркируемого объекта. Метка для RFID обычно состоит из микрочипа и антенны. Современные технологии уже позволяют создавать миниатюрные чипы, размер которых составляет менее 0,5 кв. мм. Для дальнейшего уменьшения габаритных размеров метки актуальным является создание малогабаритных антенн. Многие технические параметры метки, в особенности дальность ее считывания, зависят от формы и габаритов антенн. В свою очередь габаритные размеры антенны непосредственно находятся в зависимости от рабочих частот. По этим причинам метки с малогабаритными антеннами обладает не столь хорошими техническими характеристиками, какие присущи меткам с антеннами, наиболее подходящими для данного рабочего диапазона частот. Например, на частоте 915 МГц размер антенны для радиочастотной идентификации равен 16 см.

Самое простое решение проблемы минимизации габаритных размеров антенны для метки является повышение рабочей частоты. Однако такой подход приводит к другим ограничениям, связанным с: административными нормами, распространением и затуханием радиоволн. Требования к размерам в большинстве случаев зависят от области применения и конфигурации системы. Например, если требуются небольшие расстояния для считывания, то в таком случае размеры антенн могут быть максимально уменьшены.

Таким образом, исследование малогабаритного излучателя на микрополосковой круговой меандр-линии для радиочастотной идентификации является актуальной задачей, которая и определила главную цель данной работы.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

1. Выполнить моделирование двух видов антенн с разным периодом меандр-структуры;

2. Выполнить дополнительное моделирование антенн с разной шириной микрополоска;

3. Построить плоские диаграммы направленности (ДН) для двух видов антенн;

4. Построить трехмерные диаграммы направленности для двух видов антенн;

5. Построить ДН для антенн с разной шириной микрополоска;

6. Проанализировать полученные диаграммы направленности антенн.



1. Технология RFID

антенна сигнал метка излучатель

Системы RFID помогают считывать информацию, которая находится вне пределов видимости. При этом, как показано на Рис.1, идентификационный код хранится в метке, состоящей из микрочипа, прикрепленного к антенне.

Рис.1. Структура RFID-метки

1.1 Функциональные составляющие системы RFID

Как правило, система RFID состоит из четырех компонентов (Рис.2):

1. Система сбора информации (хост);

2. Считыватель;

3. Канал распространения, с помощью которого осуществляется связь считывателя с меткой;

4. Метки.

Канал распространения

Рис.2. Компоненты системы RFID



Рассмотрим функции и процесс взаимодействия считывателя и метки. Считыватель обеспечивает передачу информационных и синхронизирующих сигналов, а также излучение мощности. Информационные сигналы служат для идентификации меток и выполнения алгоритмов, необходимых для снижения вероятности ошибочного распознавания метки. Синхронизация обеспечивает функциональность цифровой части электронной схемы метки. Синхросигналы могут генерироваться двумя способами (в зависимости от несущей частоты): с помощью модуляции или сразу из высокочастотного сигнала.

Метка должна обеспечивать прием энергии, полученной от считывателя, и обработку информационных и синхронизирующих сигналов считывателя. Далее метка обрабатывает принятую информацию и передает ее считывателю в виде уникального идентификационного кода. Передача информации в пассивных системах RFID выполняется при помощи модуляции сигнала считывателя. После этого считыватель принимает информацию и передает ее обратно в хост.

1.2 Классификация меток RFID

Любая система RFID включает в себя считыватель и метки. Считыватель может изменять свое положение в пространстве, в то время как метка закрепляется на объекте. Так как объекты, на которые устанавливается метка, могут быть различной ценности и габаритов, на характеристики самих меток накладываются ограничения по размерам и стоимости. Данные характеристики лежат в основе классификации меток RFID.

На Рис.3 наглядно показана классификация меток RFID. Метки подразделяются на бесчиповые и чиповые. В бесчиповых метках нет интегральной микросхемы (чипа), а чиповые содержат такой микрочип. Также по типу источника питания чиповые метки делятся на: пассивные, полуактивные и активные. В конструкции пассивных меток нет элемента питания и активного передатчика. Активные метки содержат и элемент питания, и активный передатчик, а полуактивные - только элемент питания.

Рис.3. Классификация меток

Более детально рассмотрим чиповые метки. Их преимущество перед бесчиповыми метками состоит в следующем:

1. Большая память для хранения уникальных идентификационных номеров, что позволяет охватить большее число объектов;

2. Возможность одновременной идентификации нескольких объектов, даже при близком расположении меток друг с другом.

Чиповые метки бывают пассивными, полуактивными и активными. Естественно, что активными метки обладают лучшими характеристиками и высокой дальностью до десятков километров. Однако наличие в таких метках источника питания и передатчика приводит к увеличению габаритов и стоимости метки. Тоже можно сказать и о полуактивных метках, чьи параметры не сильно ухудшаются по сравнению с активными метками, но также приводят к увеличению их цены. Пассивные же метки, хоть и обладают не очень высокой дальностью (до десяти метров), сильно выигрывают у других типов чиповых меток в стоимости и обладают минимальными размерами.

Из вышесказанного можно заключить, что пассивные чиповые метки лучше других подходят для радиочастотной идентификации не только из-за своих размеров, но и наименьшей стоимости. В данном исследовании будет рассматриваться антенна именно для такой метки.

1.3 Общие сведения об антеннах для RFID

В системах RFID взаимодействие меток и считывателя происходит за счет распространения электромагнитных волн и полей в пространстве. Такое взаимодействие приводит к некоторым административным и физическим ограничениям.

Рассмотрим соотношения между электромагнитными волнами и полями, чтобы понять процесс их формирования в антенне метки. Существует область поля, называемая дальней зоной, в которой напряженность электромагнитного поля убывает пропорционально . Это условие выполняется на расстоянии равном или большем от антенны, где - длина излучаемой волны. В данной работе исследуется антенна на частотах 866 и 915 МГц. Как известно, в таких системах RFID, которые работают на высоких частотах, основное взаимодействие электромагнитных волн происходит в дальней зоне.

1.3.1 Основные параметры антенн

Для дальнейшего анализа систем RFID в дальней зоне электромагнитного поля определим некоторые важные характеристики антенн меток. Первый необходимый параметр - импеданс. В общем случае он характеризует передачу мощности и излучение антенны, а также соотношения между полями и волнами. В частности, импеданс антенны равен отношению между напряжением и током [7]:

. (1)

Выделяют входной импеданс. Он равен импедансу (сопротивлению) на входных клеммах антенны, если рассматривать ее как четырехполюсник. Входной импеданс - комплексная величина, реальная часть которого состоит из сопротивления излучения и сопротивления омических потерь , а реактивная часть показывает энергию, которая находится в электромагнитном поле антенны [7]:

. (2)

Соотношение размера антенны и длины излучаемой волны сильно влияет на характер входного импеданса. При большом размере антенны по сравнению с длиной волны реактивная часть импеданса малая, в то время как резистивная часть большая. Если же размер антенны много меньше, чем половина длины волны, то происходит обратное: реактивная часть импеданса большая, а резистивная часть - малая. Самым лучшим соотношение между размерами антенны и длиной волны является примерное равенство длины или периметра антенны и длины излучаемой волны. При соблюдении этого равенства реактивная часть минимальна, а реактивная стремится к своему максимальному значению. Следовательно, антенна начинает работать как резонатор, тем самым излучая эффективнее. В системах RFID, работающих в дальней зоне, чаще всего используют именно такие антенны, которые называются резонансными.

Следующий параметр характеризует интенсивность излучения антеннами электромагнитных волн. Сама интенсивность зависит от нескольких данных:

1. Тип антенны;

2. Выходная мощность антенны;

3. Расстояние от антенны до точки измерения интенсивности.

Поэтому удобнее использовать немного другой параметр, который зависит только от конструкции антенны. Это угловое распределение интенсивности излучения электромагнитных волн. Для его описания, как правило, используют диаграмму направленности антенны.

Стоит отметить, что электромагнитное поле представляет собой суперпозицию электрического и магнитного полей, то есть поля «накладываются» друг на друга. ДН антенны определяется нормированной электрической составляющей электромагнитного поля. На плоскости диаграмма направленности описывается выражением (3):

. (3)

Антенны обладают способностью излучать концентрированный пучок энергии в определенном направлении. Это позволяет увеличить дальность передачи антенны, а также повысить плотность потока мощности. Чтобы охарактеризовать свойство антенны концентрировать и излучать энергию лучше в одном направлении, чем в другом, применяют термин направленность. Для визуализации направленных свойств антенны удобно использовать диаграммы направленности.

Однако, кроме направленности антенны, важно знать и насколько эффективно входная мощность преобразуется в выходную мощность излучения. Для численного определения этого преобразования используется термин усиление антенны.

Часто определение термина усиление следующее - это отношение мощности излучения в определенном направлении к входной мощности. Также существует термин коэффициент усиления, который тоже служит для численного определения направленных свойств антенны. Чтобы вычислить коэффициент усиления необходимо входную мощность идеальной антенны разделить на входную мощность направленной антенны (формула (4)), причем напряженность в точке наблюдения у обеих антенн должна совпадать:

, (4)

где и - входные мощности направленной и идеальной антенн, а и - напряженности полей, создаваемые направленной и идеальной антенной.

Итак, можно заключить, что усиление определятся отношением между максимальной интенсивностью излучения рассчитываемой антенны и максимальной интенсивностью излучения идеальной антенны. Идеальной считается изотропная антенна, у которой нет выраженных направленных свойств, то есть она излучает энергию с одинаковой интенсивностью во все стороны.

Зная усиление антенны, можно вычислить еще один параметр - выходную мощность. Эта мощность определяется выражением: , где - коэффициент усиления, а - входная мощность антенны.

1.3.2 Передача и прием сигнала

Сигнал от считывателя к метке антенны передается при помощи электромагнитных волн. Некоторая часть мощности сигнала, которую метка принимает от считывателя, поглощается, а остальная часть - отражается. Следовательно, обеспечивается работа сразу двух функций:

1. Поглощенная мощность служит для идентификации уникального кода и удовлетворения энергетических потребностей пассивной метки;

2. Отраженная мощность необходима для передачи информации от метки к считывателю.

Пассивные метки работают следующим образом: сначала происходит накопление энергии, а затем ее использование для осуществления процесса идентификации. Для накопления достаточной энергии нужно обеспечить необходимый уровень выходной мощности антенны. Если же этого не происходит, то следует уменьшить расстояние от считывателя до метки.

Как говорилось ранее, пассивные метки используют энергию поля в дальней зоне. Их связь со считывателем происходит посредством вариации импеданса нагрузки. При этом процессе осуществляется управление настройкой антенны и импеданса нагрузки. Определенная подборка значения импеданса нагрузки приводит к следующему: процесс рассеяния и отражения мощности в антенне метки происходит приблизительно так же, как и процесс излучения антенной собственного сигнала.

Отраженную от метки мощность по каналу связи получает и обрабатывает считыватель. Такой процесс получения сигнала носит название модуляция отраженного сигнала. Само явление отражения определяется как рассеяние электромагнитной волны, которая распространяется в среде на любых неоднородностях.

В системах RFID передача информации от метки к считывателю при помощи контролируемого изменения обратного отражения мощности. Считыватель должен излучать электромагнитные волны радиодиапазона. В свою очередь метки должны принимать волны этого же диапазона. В системах RFID считыватель является передатчиком, а метка - приемником сигнала. В случае, если передатчик и приемник совмещены, то происходит обратное отражение, которое носит название моностатическое отражение. Параметром, характеризующим моностатическое отражение, служит эффективная поверхность рассеяния (ЭПР). Термин ЭПР помогает определить количество мощности, которая отразилась в определенном направлении [12]:

, (5)

где и - отраженная часть мощности, и падающая часть мощности соответственно.

Для того чтобы проанализировать сигналы, модулированные метками, нужно рассматривать все характеристики, связанные с отражением от антенн меток. По причине того, что существует две разновидности антенн - для приема и передачи сигналов, то соответственно можно выделить два типа отражения:

1. Структурное отражение определяется конфигурацией, габаритами и материалами антенной;

2. Антенное отражение определяется диаграммой направленности антенны и количеством излучаемой и принимаемой энергий.

Следовательно, пространственное распределение отраженной энергии определяется рядом параметров и характеристик: типом, габаритами и конфигурацией антенны, а также диапазоном излучения, длиной волны и направленностью излучения.

1.4 Диапазоны частот для RFID

В настоящие время системы RFID в основном применяются для идентификации готовых товаров глобальной цепи доставки от производителя к покупателю. По причине того, что много разнообразных товаров импортируется и экспортируется из одних стран в другие, существует необходимость обеспечения функционирования меток в различных странах. Для этого к меткам и считывателям предъявляются определенные требования:

1. Метки должны обладать совместимостью со считывателями любой из стран производителя и покупателя;

2. И метки, и считыватели должны удовлетворять общим требованиям электромагнитной совместимости.

Такие требования называются регламентами и составляются специальными организациями: международным союзом ITU (International Telecommunication Union), европейская организация CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) и прочими национальными администрациями.

Совместимость систем RFID различных стран можно обеспечить двумя путями. Первый способ - создавать метки, которые работают во всех мировых частотных диапазонах для RFID, второй - нужно выделить определенные диапазоны частот для всех стран.

Первый способ предполагает создание меток, обладающих очень широкой полосой частот (например, от 125 кГц до 13,56 МГц). Такое решение технически сложно осуществляемое, а также требует значительных стоимостных затрат. Во избежание этих сложностей ширину полосы частот принято ограничивать. Например, некоторые антенны работают в узком диапазоне 902 - 928 МГц или в близкорасположенных диапазонах 866 МГц в Европе и 915 МГц в США [12].

Второй способ как раз позволяет выделить определенные узкие полосы частот во всех странах, что поможет создать недорогие метки и обеспечить их полное функционирование в мире, а также совместимость систем RFID разных производителей.

Существует термин SRD (Short Range Devices), который описывает передающие радиоэлектронные устройства (РЭУ). Данный класс устройств способен создавать минимальные помехи другим РЭУ и служит для создания односторонней или двусторонней связи между объектами.

Для лучшего взаимодействия всех РЭУ необходимо разумно использовать весь спектр частот радиоизлучения. То есть выделить ряд диапазонов для функционирования каждого класса радиоэлектронных устройств. Системы RFID принадлежат классу устройств SRD и соответственно для них существуют разные диапазоны.

Диапазоны ISM (Industrial, Science and Medicine) предназначены для работы в РЭУ, которые применяются в промышленности, науке и медицине. Каким бы незначительным не было помеховое влияние SRD устройств на радио и телекоммуникации, международный союз ITU выделяет узкие диапазоны частот. Главные диапазоны ISM [11]:

· 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.

Во многих странах без лицензий можно использовать дополнительно низкочастотный диапазон LF (Low Frequency) 9 кГц - 135 кГц и HF (High Frequency) 13,56 МГц, а также UHF (Ultra High Frequency) диапазоны [10].

На современном этапе развития системы RFID используют четыре частоты из UHF и микроволнового диапазонов: 433 МГц, 860 - 960 МГц, 2,45 ГГц и 5,78 ГГц.

Дальность действия систем радиочастотной идентификации зависит от диапазона несущих частот. Если рассматривать системы с пассивными чиповыми метками, то дальность пропорциональна длине волны сигнала [7]. При анализе технических характеристик систем RFID различных производителей были установлены следующие данные: в диапазоне 433 МГц дальность действия равна 10…12 м, в диапазоне 900 МГц - 5…6, в диапазоне 2,45 ГГц - 1,5…2 м. Относительно дальности лучшим вариантом являются метки, работающие на частоте 433 МГц. Но антенны для таких меток нужно изготавливать больших размеров, что сказывается на цене и разнообразии мест использования. Также могут часто возникать проблемы с электромагнитной совместимостью, за счет узкой ширины диапазона.

По вышеизложенным причинам в настоящее время во всех странах чаще всего используют системы RFID UHF диапазона 860 - 960 МГц. Для дальнейшего исследования выбраны две частоты в этом диапазоне: 866 МГц и 915 МГц.



2. Микрополосковые антенны

2.1 Аппаратная реализация меток для RFID

Техническая реализация функциональности меток может ограничиваться электромагнитной и аппаратной совместимостями. При проектировании меток нужно исходить из предпочитаемых характеристик и конечной стоимости готового продукта. Технология RFID в настоящее время способна заменить другие свои аналоги именно по причине сочетания высокого уровня качества идентификации и низкой цены производства.

Любые товары, в том числе и пассивные метки для RFID, имеют конечный срок службы. Также непрерывно происходит производство новой партии товаров, утилизация старых или испорченных и последующая покупка новой продукции. Технология RFID предполагает, что метки будут использоваться в огромных масштабах, так как при ее использовании нужно прикрепить метку на каждый товар. Следовательно, руководители, планирующие внедрить в свое производство технологию радиочастотной идентификации, заинтересованы в минимальной цене таких расходных товаров, как метки. Так как любое повышение цены одной, ведет к огромному росту стоимости всех меток.

Влияние характеристик меток на процесс проектирования очевидно. Однако характеристики метки определяются параметрами считывателя и каждым компонентом системы RFID в целом. Следовательно, повлиять на стоимость может только сама метка. В зависимости от сложности проектирования и изготовления, а также от объема производства, цена может варьироваться. Именно по этой причине необходимо точно знать, какие аппаратные компоненты метки определяют ее функциональные возможности. Определив это, будет легче обеспечить минимальную цену при сохранении всех достоинств и возможностей более дорогих аналогов.

Пассивная метка, как правило, состоит из трех компонентов: антенны, электронной схемы (чипа) и соединяющей их линии передачи. Все они обеспечивают функциональность метки и выполняют определенные функции. Антенна преобразует энергию электромагнитного поля в электрическую энергию при получении сигнала, и осуществляет обратное преобразование при передаче сигнала. Линия передачи нужна для получения электрической энергии от антенны и направления ее в электронную схему. В электронной схеме осуществляются последовательно процессы преобразования, запасания и использования полученной энергии, далее идет отправка уникального кода (в виде сигнала) в антенну через канал передачи.

Как было сказано ранее, системы RFID в дальней зоне взаимодействуют за счет электромагнитного поля и волн. Наилучшими характеристиками обладают антенны, у которых хотя бы один из линейных размеров (длина или ширина) равен половине длины волны. Антенна ведет себя как резонатор, и, следовательно, входной импеданс состоит только из реальной части. Также это способствует ускорению обмена энергией между антенной и электронной схемой, увеличению эффективности приема и излучения энергии и облегчению согласования антенны с нагрузкой.

Существует несколько типов резонансных антенн. В системах RFID наибольшую распространенность получили фольгированные полуволновые диполи и микрополосковые (патчевые) антенны различных конфигураций. Рассмотрим подробнее структуру и характеристики микрополосковых антенн (МПА).

2.2 Основные сведения

Микрополосковые излучатели изготавливаются как планарные антенны, которые печатаются на диэлектрическую пластину. На Рис.4 отражена структура таких антенн. Обычно они состоят из трех слоев: посередине - диэлектрический слой (подложка), сверху - проводящая пластина (патч), в основании - проводящая металлическая пластина.

Рис.4. Структура микрополосковой антенны [4]: 1 - проводящее металлическое основание, 2 - проводящая пластина, 3 - диэлектрический слой

Из преимуществ использования МПА выделяют:

· Высокую повторяемость характеристик;

· Низкую стоимость;

· Малые габаритные размеры.

Также способность излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, приводит к удобным конструктивным решениям и обеспечивает работу в двух- или многочастотных режимах.

К недостаткам таких антенн относится примерное равенство их габаритных размеров и рабочей длины волны, что определятся резонансным режимом работы. На высоких частотах, например, на 915 МГц, размеры микрополосковой антенны могут достигать 35 см. Диэлектрик в МПА нужен для уменьшения габаритные размеры самого излучателя. Такие микрополосковые антенны с хорошей диэлектрической подложкой позволяют создавать миниатюрные излучатели.

Ширина частотной полосы в МПА приблизительно равна одному - двум процентам. Диэлектрик может повлиять на ширину полосу, причем, как расширить, так и сузить. Например, если увеличить толщину диэлектрической подложки, то ширина полосы пропускания антенны увеличится. Если же взять диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью, то полоса пропускания, наоборот, сузится.

Также необходимо помнить, что параметры диэлектрика влияют и на другие характеристики микрополосковых антенн. Для соответствия МПА высоким техническим требованиям и обеспечения функциональности диэлектрик должен обладать следующими свойствами: высокой температурной стабильностью, минимальными энергетическими потерями, однородностью структуры и неизменяемостью габаритных размеров. Такими качествами обладают диэлектрические материалы, которые в основном и используются при изготовлении МПА: фторопласт, поликор и т.д.

Проводящая пластина МПА имеет линейные размеры равные приблизительно 0,1 - 0,2 рабочей длины волны. По форме они могут быть трех видов: круглыми, прямоугольными или эллиптическими. Такое разнообразие способствует созданию антенн с различным набором определенных характеристик, например, входного импеданса, направленности и поляризации излучения. Металлическое основание по своим габаритам немного больше, чем пластина.

Запитывание энергией проводящей пластины можно обеспечивать тремя стандартными способами: апертурным, за счет коротких линий передачи и непосредственно электромагнитной связью. Каждый способ подведения энергии имеет свои достоинства и недостатки. Однако все способы влияют на характеристики антенны такие же, как и разные формы проводящей пластины.



2.3 Обзор методов расчета МПА

Для дальнейшего совершенствования характеристик микрополосковых антенн использовались наиболее качественные диэлектрики, что способствовало уменьшению габаритов излучателей. Однако с другой стороны наличие диэлектрика в структуре антенны усложняет нахождение необходимых параметров МПА, так как необходимо будет рассчитывать влияние поверхностных волн.

Следовательно, для определения характеристик излучателей потребуются точные расчетные методы. В основном такие методы базируются на строгих теоремах и законах, которые позволяют с необходимой для дальнейшего проектирования и производства точностью узнать параметры антенн. Существует много методов для расчета характеристик излучения МПА. Далее рассмотрим некоторые из них.

Первый появившийся метод исследования распределения излучения микрополосковых антенн был основан на следующем упрощение. Любую прямоугольную МПА с шириной a и длиной b можно представить как два линейных магнитных вибратора, расстояние между которыми b. Для учета внутренней связи в пространстве между излучающими вибраторами вносят отрезок длинной линии. Главные параметры линии, а именно - постоянная распространения и характеристическое сопротивление, зависят от ширины a микрополосковой антенны. Также в длинной линии предполагают распространение только волны низшего типа, так называемую квази-Т волну. Необходимо учитывать многослойную структуру МПА, в частности, наличие диэлектрика. Для этого в длинной линии рассматривают специальный параметр - диэлектрическую проницаемость подложки.

Если особая точность расчетов не требуется, то излучения каждого из двух вибраторов рассматриваются, как независящие друг от друга. Если же точность необходима, то следует учитывать внешнюю взаимосвязь вибраторов, то есть оказываемое взаимное влияние их обоих. Входное сопротивление МПА находят исходя из изменения конфигурации вибраторов относительно точек питания.

Такой расчетный метод помогает рассчитать диаграмму направленности микрополосковой антенны в виде суперпозиции двух линейных магнитных вибраторов, а также определить ее резонансную длину волны. Усовершенствованный метод рассматривает в качестве МПА прямоугольный резонатор с магнитными стенками [8].

Второй метод основывается на представлении МПА в виде волновода с магнитными стенками и эквивалентными параметрами. Такая математическая модель носит название модель Олинера [5]. Ширина эквивалентного волновода определяется так, чтобы его характеристическое сопротивление и постоянная распространения были равны аналогичным параметрам рассчитываемой микрополосковой антенны. Из этого же условия выбирается диэлектрик, заполняющий волновод; его диэлектрическая проницаемость должна удовлетворять равенству параметров, названных выше.

Данный метод в основном используется для нахождения эквивалентных параметров длинных линий, содержащих однородности. Однако по причине того, что микрополосковые структуры физически являются отрезками длинных линий, то такой метод можно применять и для расчета МПА. Математической моделью микрополосковой антенны является отрезок волновода. Определение характеристик излучения происходит путем расчета излучения на торцах волновода. Поведение электромагнитного поля в дальней зоне выражают через векторный потенциал, найденный из распределения тока на торцах волновода [5].

Оба вышеописанных метода обладают общим существенным недостатком: несоответствие параметров и характеристик полученных путем теоретических расчетов с экспериментальными данными. Поэтому начали создаваться методы, объединяющие в себе теоретический расчет и экспериментальные параметры. Таким образом, данные, полученные в результате эксперимента, служат базой для дальнейшего теоретического расчетного метода.

Примером такого подхода может служить следующий метод. Сначала рассматривают пространство между проводящим экраном и диэлектрической подложкой. Его разделяют на области, имеющие постоянные параметры в каждой точке, и определяют векторный потенциал каждой области, учитывая наличие граничных условий. После этого по определенным потенциалам находят распределение возбуждаемого электромагнитного поля. Диаграмма направленности МПА представляет собой ДН двухэлементной решетки: первый элемент - микрополосковый отрезок линии, с определенным распределением тока, второй - зеркальное отражение этого отрезка на проводящую пластину [8].

Такой метод наиболее предпочтителен для расчета МПА, однако все же не лишен недостатка. Вследствие того, что наличие диэлектрика учитывается косвенно, поверхностные волны остаются без должного внимания. Это может привести к неправильному построению диаграммы направленности. В идеальной модели к микрополосковой антенне подводится определенная мощность, нужная для возбуждения излучения. Но на практике часть этой мощности идет на формирование поверхностных волн, тем самым уменьшая мощность излучения МПА. Особенно учет этих паразитных волн важен при проектировании антенн с длинами волн от нескольких сантиметров до долей миллиметров.

Существуют методы для расчета распределения излучения микрополосковых антенн, которые учитывают влияние паразитных поверхностных волн. В таких методах определить излучающую способность антенны помогает нахождение распределение тока по МПА. Для этого требуется решить уравнения Поклингтона и использовать определенную функцию Грина. Эта функция находится при решении задачи формирования электромагнитного поля диполем Герца на подложке из диэлектрика [7].

Как и в предыдущем методе, микрополосковая антенна разбивается на области с постоянными параметрами. Такой способ решения носит название метод моментов. Далее векторные потенциалы областей интегрируются. Однако решение усложняется из-за наличия поверхностных волн. Число возбуждаемых поверхностных волн определяет число так называемых полюсов. Обеспечить расчет интегралов в полюсах очень трудно. И как следствие, описанный метод не позволяет построить диаграммы направленности излучения антенны. Однако если применить теорему о вычетах, можно получить данные о сопротивлении излучения паразитных поверхностных волн.

Еще один метод расчета микрополосковых антенн базируется на решении уравнения Гельмгольца с использованием интегралов Зоммерфельда. Математической моделью МПА служит горизонтальный электрический диполь на диэлектрической подложке. Сначала находят векторный потенциал с учетом граничных условий на линии раздела диэлектрика и окружающей среды (воздуха). Далее находят решение уравнения Гельмгольца, тем самым определяя компоненты электромагнитных полей в диэлектрике и воздухе. Для дальнейшего исследования рассматривают вектор напряженности магнитного поля, лежащий перпендикулярно плоскости раздела диэлектрик-воздух. Если обнулить эту компоненту поля, то из оставшихся выражений можно найти распределение тока на поверхности проводящей пластины. Также это помогает вычислить резонансную частоту микрополосковой антенны [8].

В завершении обзора расчетных методов для нахождения распределения излучения МПА обобщим вышесказанное. Самым точным методом можно назвать решение, основывающееся на модели диполя Герца с диэлектрической подложкой и использовании функций Грина. При таком подходе определяются два вида сопротивлений излучения: первое - возбуждаемого пространственными волнами, второе - поверхностными волнами.

Однако решение усложняется необходимостью расчета интегралов в полюсах и не позволяет рассчитать диаграммы направленности с учетом поверхностных волн. Также трудности представляет нахождение зависимости сопротивления излучения поверхностных волн.

Данный метод обладает такими недостатками при использовании функций Грина, основанных на разложении электромагнитного поля по волнам типа E и H. Компоненты электрического и магнитного полей лежат в плоскости перпендикулярной границе раздела двух сред.

При разложении функций Грина по волнам других типов, а именно LE и LM, можно рассчитать интегралы в полюсах, используя специальное программное обеспечение. Соответственно, становится возможным построение ДН как для пространственных волн, так и для поверхностных.

2.4 Антенна на основе круговой меандр линии

2.4.1 Преимущества использования меандр-линии

Использование в микрополосковых антеннах для радиочастотной идентификации спиральных и меандровых структур позволяет создать миниатюрные излучатели, геометрические размеры которых много меньше излучаемых или принимаемых длин волн [3; 10].

Рассмотрим близкий по своей структуре аналог - микрополосковую спиральную антенну. В основе такой антенны лежит круговой или прямоугольный резонатор с различным видом намотки: логарифмическим, арифметическим или эллиптическим. Такая структура имеет осевое излучение, поляризованное по кругу или эллипсу. Однако в дальней зоне поляризация становится линейной. Это приводит к ухудшению кроссполяризационных свойств. И соответственно, использовать их в антеннах для систем RFID нежелательно на частотах 866 и 915 МГц.

При рассмотрении параметров меандр-структур остановимся на дисперсионных характеристиках. Они были получены экспериментально в книге [3] и показали достаточно равномерное изменение коэффициента замедления на рабочих частотах антенны от 4 до 6. Такие результаты позволяют сделать вывод, что можно прямо пропорционально величине замедления уменьшать геометрические размеры таких структур при сохранении их прежней электрической длины. При этом максимальная длина волны антенны определяется ее максимальной электрической длиной, а минимальная - точностью изготовления структуры вблизи точки питания [3].

Поэтому в конструкции антенны для RFID использован отрезок периодической замедляющей структуры в виде меандр-линии с различной периодичностью структуры [2].

2.4.2 Топология

На Рис.5 представлены варианты топологии антенн на основе круговой меандр-линии с различной периодичностью структуры. Антенны выполнены на подложках с относительной диэлектрической проницаемостью 5,6 и имеют внешний диаметр 110 мм, внутренний 83 мм, при ширине микрополоскового проводника 4,5 мм [2].

а) б)

Рис.5. Топология излучателя: а) - на основе четырехступенчатой круговой меандр-линии, б) - на основе восьмиступенчатой круговой меандр-линии



3. Программное обеспечение для моделирования антенн

В настоящее время существует огромное количество пакетов программ для моделирования СВЧ устройств, в том числе антенн. Каждая из этих программ обладает своим набором функциональных возможностей. В зависимости от конкретной задачи может понадобиться определенное программное обеспечение (ПО).

Для выбора ПО, с помощью которого будет производиться моделирование в данной работе, необходимо рассмотреть и сравнить несколько пакетов программ: CST Microwave Studio, Microwave Office и MMANA-GAL.

3.1 CST Microwave Studio

Коммерческая программа моделирования объемных СВЧ устройств.

Используемые вычислительные методы:

Метод аппроксимации для идеальных граничных условий (англ. - PBA), разработанный специально для этой программы, и метод определенных интегралов (англ. - FI), работающий во временной области. Метод аппроксимации основывается на разбиении всех поверхностей на небольшие сегменты [5].

Основные функциональные возможности:

· Моделирование микрополосковых и диэлектрических фильтров;

· Моделирование различных типов антенн;

· Моделирование линий передач;

· Расчет S-параметров в широком диапазоне частот;

· Построение объемной структуры СВЧ устройства;

· Различные режимы возбуждения структуры;

· Расчет собственных мод и импедансов портов;

· Анимационное отображение полей;

· Расчет поля антенн в дальней зоне (двух- и трехмерное представление поля, усиление, расчет угловой ширины основного и боковых лепестков диаграммы направленности).

Плюсы:

· Обладает широким набором функций;

· Мощный трехмерный редактор СВЧ устройств;

· Удобный интерфейс;

· Позволяет быстро решать задачи моделирования сложных СВЧ устройств с криволинейными поверхностями.

3.2 Microwave Office

Коммерческая программа моделирования объемных СВЧ устройств включает в себя два модуля: пакет Voltaire позволяет моделировать линейные и нелинейные схемы, а пакет EMSight - СВЧ устройства.

Используемые вычислительные методы:

В пакете Voltaire используются следующие методы: одночастотный и многочастотный метод гармонического баланса, ряды Вольтерра, анализ смесителей, а также методы линейного и шумового анализов. В пакете EMSight использует метод моментов Галеркина и метод быстрого свипирования по частоте (англ. - FFS) [5].

Функциональные возможности:

· Моделирование линейных и нелинейных цепей;

· Моделирование микрополосковых объемных конструкций;

· Построение частотной характеристики в широкой полосе частот;

· Возможность анализа соединения нескольких СВЧ структур;

· Анимационное представление поля в дальней зоне;

· Построение ДН в дальней зоне.

Плюсы:

· Обладает широким набором функций;

· Поддерживает файлы систем Spice и MMICAD;

· Обеспечивает точную частотную характеристику для простых устройств.

3.3 MMANA-GAL

Бесплатная программа для расчета и моделирования антенн. При этом вычислительной основой служит MININEC Ver.3, которая используется во многом коммерческом ПО.

Используемые вычислительные методы:

Метод многомерных матриц (моментов). Этот метод заключается в разбиении каждого проводника антенны на отрезки равной длины (сегменты) и вычислении тока (собственного и наведенного от всех остальных сегментов) в каждом из этих отрезков [1].

Основные функциональные возможности:

· Моделирование любых типов антенн;

· Расчет параметров антенн на любой частоте;

· Построение плоских ДН;

· Построение объемных ДН;

· Возможность сравнивать результаты моделирования нескольких антенн;

· Построение частотных графиков КСВ и Zвх.

Плюсы:

· Обладает достаточным набором функций для данной работы;

· Присутствует русский язык;

· Понятный интерфейс;

· Возможность бесплатного использования;

· Не имеет ограничений по взаимному расположению проводов.

Из вышеприведенного обзора трех разных пакетов ПО можно заключить, что MMANA-GAL лучше всего подходит для целей данной работы. Программа обладает удобным интуитивным интерфейсом, бесплатна и проста в освоении, а также позволяет выполнить моделирование антенны и построить необходимые диаграммы направленности.



4. Моделирование в MMANA-GAL

4.1 Постановка задачи

Целью данной работы было исследование малогабаритного микрополоскового излучателя на основе круговой меандр - линии для радиочастотной идентификации. Для исследования требуется разработать компьютерную модель антенны и получить ее ДН. В частности, были смоделированы два вида топологии такой антенны: первая - на основе четырехступенчатой круговой меандр-линии, а вторая - на основе восьмиступенчатой круговой меандр-линии. Проведено сравнение диаграмм направленности этих излучателей. Дополнительно были промоделированы антенны с разной шириной микрополоска, построены и проанализированы диаграммы направленности.

4.2 Моделирование

Для создания компьютерных моделей антенн, указанных в постановке задачи, и построения их диаграмм направленности использовалась программа MMANA-GAL v.1.2.0.20.

4.2.1 Описание моделей

Малогабаритный микрополосковый излучатель на основе четырехступенчатой круговой меадр-линии:

Параметры устройства:

Период меандр структуры: 4

Внутренний диаметр антенны: 83 [мм]

Внешний диаметр антенны: 110 [мм]

Материал антенны: медь

Ширина микрополоска: 4,5 [мм]

Относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 5,6

Рабочие частоты:

Минимальная частота: 866 [МГц]

Максимальная частота: 915 [МГц]

Малогабаритный микрополосковый излучатель на основе восьмиступенчатой круговой меадр-линии:

Параметры устройства:

Период меандр структуры: 8

Внутренний диаметр антенны: 83 [мм]

Внешний диаметр антенны: 110 [мм]

Материал антенны: медь

Ширина микрополоска: 4,5 [мм]

Относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 5,6

Рабочие частоты:

Минимальная частота: 866 [МГц]

Максимальная частота: 915 [МГц]

4.2.2 Результаты моделирования

Малогабаритный микрополосковый излучатель на основе четырехступенчатой круговой меадр-линии:

Общий вид компьютерной модели малогабаритного микрополоскового излучателя на основе четырехступенчатой круговой меадр-линии показан на Рис.6. Диаграммы направленности, полученные в результате моделирования, представлены на Рис.7 и Рис.8 для рабочей частоты 866 МГц и на Рис.9 и Рис.10 для рабочей частоты 915 МГц. Можно заметить, что на меньшей рабочей частоте достигается наиболее равномерная диаграмма направленности. Это происходит из-за того, что с увеличением частоты, происходит увеличение и потерь на излучение.



Рис.6. Общий вид модели в трехмерном пространстве

а) б)

Рис.7. Диаграммы направленности на рабочей частоте 866 МГц: а) - в горизонтальной плоскости, б) - в вертикальной плоскости



Рис.8. Трехмерная диаграмма направленности на рабочей частоте 866 МГц

а) б)

Рис.9. Диаграммы направленности на рабочей частоте 915 МГц: а) - в горизонтальной плоскости, б) - в вертикальной плоскости



Рис.10. Трехмерная диаграмма направленности на рабочей частоте 915 МГц

Малогабаритный микрополосковый излучатель на основе четырехступенчатой круговой меадр-линии:

Общий вид компьютерной модели малогабаритного микрополоскового излучателя на основе восьмиступенчатой круговой меадр-линии показан на Рис.11. Диаграммы направленности, полученные в результате моделирования, представлены на Рис.12 и Рис.13 для рабочей частоты 866 МГц и на Рис.14 и Рис.15 для рабочей частоты 915 МГц. Также, как и у антенны с меньшим числом периодов меандр-структуры, у данной антенны наблюдается наиболее равномерная диаграмма направленности на рабочей частоте 866 МГц.



Рис.11. Общий вид модели в трехмерном пространстве

а) б)

Рис.12. Диаграммы направленности на рабочей частоте 866 МГц: а) - в горизонтальной плоскости, б) - в вертикальной плоскости



Рис.13. Трехмерная диаграмма направленности на рабочей частоте 866 МГц

а) б)

Рис.14. Диаграммы направленности на рабочей частоте 915 МГц: а) - в горизонтальной плоскости, б) - в вертикальной плоскости



Рис.15. Трехмерная диаграмма направленности на рабочей частоте 915 МГц

На Рис.16 и Рис.17 более наглядно показано сравнение диаграмм направленности микрополосковых излучателей с разным периодом меандр-структуры на рабочих частотах 866 МГц и 915 МГц соответственно. Хорошо видно, что с увеличением числа периодов меандр-структуры диаграммы направленности антенны для обеих частот становятся более гладкими. Это связано с увеличением коэффициента замедления такой структуры.

Рис.16. Диаграммы направленности на рабочей частоте 866 МГц для микрополосковых антенн на основе меанд-линий: четырехступенчатой - выделена черным цветом и восьмиступенчатой - выделена красным цветом



Рис.17. Диаграммы направленности на рабочей частоте 915 МГц для микрополосковых антенн на основе меанд-линий: четырехступенчатой - выделена черным цветом и восьмиступенчатой - выделена красным цветом

4.2.3 Дополнительное моделирование

На Рис.18 приведены диаграммы направленности микрополосковых антенн на основе 8-ступенчатой меандр-линии на рабочей частоте 866 МГц с разной шириной микрополоска: а), г) - 1,6 мм, б), д) - 4,5 мм, в), е) - 9 мм. На Рис.18 а) - в) ДН приведены в вертикальной плоскости, а на Рис.18 г) - е) - в горизонтальной. Красными линиями обозначены ДН с вертикальной поляризацией, а синими - с горизонтальной.

Нетрудно заметить, что при изменении ширины ДН в вертикальной проскости изменяется слабо. В горизонтальной плоскости при самой большой ширине микрополоскового проводника 9 мм ДН сильно изрезана при любой поляризации. Если же сравнивать ДН на Рис.18 а) и Рис.18 б), то они практически идентичны. Но изготовление микрополоска меньшей ширины представляет трудности и приводит к повышению стоимости производства антенны. При увеличении рабочей частоты до 915 МГц ДН антенн с разной шириной микрополоска характер изменения изрезанности такой же, как и на низкой частоте.

Моделирование антенн с меньшим числом периодов меандр-структуры показало похожую тенденцию увеличения изрезанности при увеличении ширины микрополоска.

а) б) в)

г) д) е)

Рис.18. Диаграммы направленности антенн, при ширине микрополоска: а), г) - 1,6 мм, б), д) - 4,5 мм, в), е) - 9 мм

Можно сделать вывод о том, что выбор толщины микрополоска 4.5 мм, является наилучшим с точки зрения равномерности диаграмм направленности и простоты изготовления.

Выводы

В результате выполненного моделирования получены диаграммы направленности малогабаритных микрополосковых излучателей с различной периодичностью меандр-структуры на рабочих частотах 866 и 915 МГц. Проанализировав диаграммы направленности антенн, сделаны следующие выводы:

1. Антенна на основе четырехступенчатой круговой меандр - линии обладает круговой поляризацией и осевым излучением, перпендикулярным плоскости подложки;

2. Антенна на основе восьмиступенчатой круговой меандр - линии также обладает осевым излучением, перпендикулярным плоскости подложки, и круговой поляризацией;

3. На рабочей частоте 866 МГц наблюдается наиболее равномерная диаграмма направленности у обеих антенн;

4. С увеличением частоты до 915 МГц на диаграммах направленности обеих антенн появляется изрезанность;

5. Вне зависимости от рабочей частоты с увеличением числа периодов меандр-структуры степень изрезанности диаграмм направленности уменьшается.

Дополнительное моделирование антенн с разной шириной микрополоска и проведенный анализ полученных диаграмм направленности подтверждает, что выбранную ширину микрополоска 4,5 мм лучше всего использовать для создания антенны на основе меандр-линии с любой периодичностью структуры.



Заключение

В данной работе проведено исследование малогабаритного излучателя на микрополосковой круговой меандр-линии для радиочастотной идентификации на частотах 866 и 915 МГц. С помощью программы MMANA-GAL были получены диаграммы направленности для двух видов антенн с разным периодом меандр-структуры. Проведен анализ ДН, который показал, что антенны на основе меандр-линии обладают круговой поляризацией и осевым излучением, перпендикулярным плоскости подложки.

Сделан вывод о зависимости равномерности полученных ДН от рабочей частоты и от периода меандр-структуры. Таким образом, получен результат, что с ростом частоты на диаграммах направленности появляется изрезанность, а при увеличении периода меандр-линии ДН становятся более гладкими. Первое объясняется увеличением потерь на излучение, второе - ростом коэффициента замедления.

Также после анализа ДН двух видов антенн при разной ширине микрополоска, можно заключить, что с увеличением ширины на диаграммах направленности увеличивается изрезанность. Наилучшая ширина микрополоска для двух видов антенн равна 4.5 мм.

Данное исследование позволяет заключить, что излучатель на микрополосковой круговой меандр-линии может быть использован для RFID на рабочих частотах 866 и 915 МГц.



Перечень сокращений, условных обозначений, символов и терминов

HF High Frequency

LF Low Frequency

RFID Radio Frequency Identification

SRD Short Range Devices

UHF Ultra High Frequency

ДН Диаграмма направленности

МПА Микрополосковая антенна