بحث حول تقنية تصميم هوائي UHF RFID

0 مقدمة

إن تطبيق تقنية تحديد ترددات الراديو RFID (تحديد ترددات الراديو، RFID) له تاريخ طويل. ويمكن إرجاعه إلى نظام تحديد هوية الطائرات الذي استخدمته طائرات القوات الجوية البريطانية خلال الحرب العالمية الثانية. في الآونة الأخيرة، تم استخدام تقنية تحديد الترددات الراديوية RFID على نطاق واسع في إدارة العناصر وتحديد مواقع المركبات وتحديد مواقع الأفراد تحت الأرض. هذه التقنية عبارة عن تقنية تحديد هوية تلقائية بدون اتصال، والتي تستخدم إشارات الترددات الراديوية لتحقيق نقل معلومات عدم الاتصال من خلال الاقتران المكاني (المجال المغناطيسي المتناوب أو المجال الكهرومغناطيسي) وتحقق غرض التعرف التلقائي من خلال المعلومات المرسلة.

1 نظرة عامة على تقنية الترددات الراديوية RFID

1.1 التركيب الأساسي لنظام التعرف اللاسلكي RFID

يتكون نظام التعريف اللاسلكي RFID بشكل أساسي من العلامات الإلكترونية RFID وقارئات RFID والهوائيات وأنظمة إدارة الكمبيوتر المضيف. يتم نقل المعلومات بين العلامة الإلكترونية RFID وقارئ RFID لاسلكيًا، لذلك توجد وحدات إرسال واستقبال لاسلكية وهوائيات (ملفات تحريضية) بينهما. يظهر مخطط التأثير في الشكل 1.

بحث حول تقنية تصميم هوائي UHF RFID

(1) العلامة الإلكترونية RFID (العلامة): العلامة الإلكترونية RFID هي حامل البيانات لنظام تحديد الترددات الراديوية. تتكون كل علامة إلكترونية RFID من عناصر اقتران وشرائح، وتحتوي على رمز إلكتروني فريد من نوعه EPC (رمز المنتج الإلكتروني)، والذي يتم إرفاقه بالكائن لتحديد الكائن المستهدف. بالمقارنة مع الرموز الشريطية التقليدية، لا يمكن أن تعكس رموز EPC نوعًا معينًا من المنتجات فحسب، بل يمكن أن تكون أيضًا خاصة بمنتج معين.

(2) قارئ RFID (القارئ): القارئ عبارة عن جهاز قادر على قراءة أو كتابة معلومات العلامة الإلكترونية. وظيفتها الأساسية هي نقل البيانات مع العلامة. يمكن تصميمه كقارئ محمول أو قارئ ثابت.

(3) الهوائي (Antenna): ينقل إشارات الترددات الراديوية بين العلامة والقارئ.

1.2 مبدأ عمل نظام RFID

بعد دخول علامة RFID الإلكترونية إلى المجال المغناطيسي المنبعث من قارئ RFID، فإنها تستقبل إشارة تردد الراديو التي يرسلها القارئ، وترسل معلومات المنتج (العلامة السلبية، العلامة السلبية أو العلامة السلبية) المخزنة في الشريحة بحكم الطاقة التي يتم الحصول عليها عن طريق التيار المستحث، أو ترسل العلامة بشكل فعال إشارة بتردد معين (علامة نشطة، علامة نشطة أو علامة نشطة)، ويقوم جهاز فك التشفير بقراءة المعلومات وفك تشفيرها، ثم يرسلها إلى نظام المعلومات المركزي للحصول على البيانات ذات الصلة يعالج. يظهر الرسم التخطيطي لعملية تحديد الترددات الراديوية في الشكل 2.

2 مؤشر أداء هوائي علامة RFID

ليس من الصعب أن نرى من عملية تحديد نظام RFID أن الهوائي يلعب دورًا مهمًا كجسر لقارئ RFID لنقل إشارات التردد الراديوي بين علامة RFID الإلكترونية وقارئ RFID في عملية استشعار RFID الإلكتروني بطاقة شعار. هوائي قارئ RFID، يعد أداء هوائي العلامة الإلكترونية RFID ذا أهمية كبيرة لتحسين أداء نظام التعريف بأكمله. نظرًا لأن علامة RFID الإلكترونية متصلة بالجسم المحدد، فإن هوائي العلامة الإلكترونية RFID سيتأثر بالشكل والخصائص الفيزيائية للكائن المحدد. تشمل العوامل المؤثرة مادة الجسم المحدد، وبيئة العمل للعنصر المحدد، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، في جهاز التردد الراديوي RFID، عندما يزيد تردد التشغيل إلى منطقة الميكروويف، تظهر مشكلة المطابقة بين الهوائي وجهاز RFID الإلكتروني تصبح شريحة العلامة أكثر خطورة. وقد وضعت هذه العوامل متطلبات أعلى لتصميم هوائيات العلامات الإلكترونية RFID، ولكنها جلبت أيضًا تحديات كبيرة.

الهوائي هو جهاز يستقبل أو يشع قوة إشارة التردد الراديوي الأمامية في شكل موجات كهرومغناطيسية. إنه جهاز عند الواجهة بين الدائرة والفضاء، ويستخدم لتحقيق تحويل الطاقة بين الموجة الموجهة وموجة الفضاء الحر. تتركز أنظمة الترددات الراديوية اللاسلكية RFID الحالية بشكل أساسي في نطاقات التردد المنخفض والتردد العالي والتردد العالي جدًا ونطاقات تردد الموجات الدقيقة. تختلف مبادئ وتصميمات هوائيات نظام RFID في نطاقات تردد التشغيل المختلفة بشكل أساسي:

(1) خصائص الاتجاه

إشعاع الهوائي اتجاهي. يسمى منحنى العلاقة بين سعة المجال الإشعاعي واتجاهه بمخطط الاتجاه، وهو في الواقع منحنى العلاقة بين شدة المجال عند نقطة في أي اتجاه من مجال المجال البعيد في نفس الاتجاه. يشير مخطط الاتجاه عمومًا إلى مخطط الاتجاه المعياري، أي منحنى العلاقة في نفس اتجاه نسبة شدة المجال عند نقطة في أي اتجاه من مجال المجال البعيد إلى الحد الأقصى للمجال على نفس المسافة.

(2)

معامل الاتجاهية

معامل الاتجاهية هو معلمة تستخدم للإشارة إلى الدرجة التي يشع بها الهوائي الموجات الكهرومغناطيسية في اتجاه معين. يشير معامل الاتجاهية لأي هوائي اتجاهي إلى نسبة إجمالي قدرة الإشعاع للهوائي غير الاتجاهي إلى إجمالي قدرة الإشعاع للهوائي الاتجاهي بشرط تساوي شدة المجال الكهربائي عند نقطة الاستقبال. ووفقاً لهذا التعريف، بما أن شدة إشعاع الهوائي الاتجاهي تختلف في جميع الاتجاهات، فإن معامل الاتجاهية للهوائي يتغير أيضاً باختلاف موضع نقطة المراقبة. في الاتجاه الذي يكون فيه المجال الكهربائي للإشعاع أكبر، يكون معامل الاتجاهية هو الأكبر أيضًا. بشكل عام، معامل الاتجاهية للهوائي الاتجاهي هو معامل الاتجاهية لاتجاه الإشعاع الأقصى، أي على مسافة معينة من الهوائي، تكون كثافة تدفق القدرة الإشعاعية Smax للهوائي في أقصى اتجاه الإشعاع هي نفسها لهوائي مثالي غير اتجاهي له نفس قدرة الإشعاع. يُشار إلى نسبة كثافة تدفق قدرة الإشعاع على نفس المسافة بالرمز D.

(3) كفاءة الهوائي

كفاءة الهوائي هي مؤشر يستخدم لقياس فعالية الهوائي في تحويل الطاقة. جميع كفاءات الهوائي أقل من 1، مما يعني أن جزءًا من الطاقة المدخلة للهوائي يتحول إلى طاقة مشعة، وجزء منها يفقد الطاقة. يتم تعريف كفاءة الهوائي على أنها نسبة قدرة إشعاع الهوائي إلى طاقة الإدخال، ويشار إليها بـ ηA.

(4) كسب الهوائي

ويعكس معامل الهوائي فقط الدرجة الأكثر تركيزًا من طاقة إشعاع الهوائي، ولا يعكس كسب الهوائي قدرة إشعاع الهوائي فحسب، بل يأخذ في الاعتبار أيضًا عامل خسارة الهوائي. في حالة نفس قدرة الدخل، فإن نسبة كثافة القدرة المشعة S(θ, φ) للهوائي الاتجاهي في اتجاه معين (θ, φ) في الفضاء إلى كثافة القدرة المشعة لذلك لهوائي المصدر النقطي غير المفقود في ويسمى هذا الاتجاه كسب الهوائي، ويشار إليه بـ G(θ, φ).

معامل الكسب هو معلمة تقيس بشكل شامل تحويل الطاقة وخصائص الاتجاه للخط الكبير. وهو حاصل ضرب معامل الاتجاهية وكفاءة الهوائي ويشار إليه بالرمز G، أي:

G=D·ηA

بالنسبة لأنظمة تحديد الترددات الراديوية UHF والميكروويف RFID، يكون كسب الهوائي محدودًا نظرًا لصغر مساحة هوائي العلامة الإلكترونية RFID. يعتمد مقدار الكسب على نوع مخطط إشعاع الهوائي.

(5) خصائص المعاوقة

يمكن التعبير عن مقاومة دخل الهوائي كنسبة الجهد إلى التيار عند نقطة تغذية الهوائي، عادةً كدالة للتردد. ينبغي تصميم مقاومة هوائي RFID لتكون 50 أوم أو 70 أوم من أجل تحقيق مطابقة المعاوقة مع وحدة التغذية التقليدية. هوائي RFID يعادل الحمل الطرفي للقارئ وإخراج العلامة الإلكترونية، ويتم تعريف معاوقة الإدخال Zin على أنها نسبة جهد دخل الهوائي إلى تيار الإدخال Io.

القدرة المشعة P∑ لهوائي RFID تعادل الخسارة في مقاومة مكافئة. وتسمى هذه المعاوقة المكافئة مقاومة الإشعاع Z∑،

3 - الخلاصة

مع التوضيح المستمر لمتطلبات تطبيق تقنية الترددات الراديوية اللاسلكية RFID والتوسع المستمر في مجال التطبيق، أصبح تصميم وأبحاث الهوائي كمكون رئيسي لنظام RFID ملحًا وعاجلًا للغاية. تعد تقنية الهوائي إحدى التقنيات الرئيسية لنظام RFID، ولها أهمية نظرية وقيمة عملية لنضج تقنية RFID وتطبيقها على نطاق واسع.