HF-taajuisen antennin integrointi mobiiliin RFID-lukijaan

Abstract

Radio frequency identification (RFID) is becoming more and more common and its application range is widening continuously. The benefits of RFID are obvious compared to former identification systems, like the barcode. For example, RFID does not need a direct line of sight between the reader and the tag. The development of RFID tags has put pressure on the development of the readers, too, and especially the need of mobile readers has increased through the significant widening of the application range.

The goal of this thesis is to define the requirements of the antenna for the mobile reader using HF band frequency, or to be more specific, 13,56 MHz. This frequency band is the most common and fastest growing band used in RFID applications. Another goal has been to find out the possible effects of different casing materials to the operation of the antenna. The casing is used to cover and protect the antenna.

During the study the main challenges of antenna design were both the physical size and the correct impedance matching by using a minimal number of matching components. The physical size of the antenna must not be larger than the size of the mobile reader to enable its comfortable use. A small number of matching components would make the antenna simpler and cheaper to manufacture.

The study was carried out by first modelling the attributes of the antenna with the modelling software and then manufacturing the prototype-antenna. The properties of the antenna were measured with different methods and then compared with other commercial and self-made comparison antennas. The measurement results proved the prototype to be better than any other measured antenna, even though the comparison antennas were physically larger, which normally in antenna technology leads to better radiation properties. In this study it was possible, based on these results, to design and manufacture a model for the antenna which is very suitable for the intended application. This model is also suitable for further development when making antennas used in commercial applications.

Radiotaajuinen tunnistustekniikka, eli RFID, yleistyy kovaa vauhtia ja sen käyttökohteet laajenevat jatkuvasti. RFID:n edut aikaisempiin tunnistustekniikoihin, kuten viivakoodiin, verrattaessa ovat merkittäviä, sillä se ei esimerkiksi tarvitse suoraa näköyhteyttä lukijan ja tunnisteen, eli tagin, välillä. Tagien kehitystyön seurauksena myös lukijalaitteen kehittymiselle on muodostunut odotuksia, ja erityisesti mobiililukijoiden tarve on sovelluskohteiden lisääntyessä kasvanut.

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut määrittää vaatimukset mobiilin RFID-lukijan antennille, joka toimii 13,56 MHz:n taajuudella, eli niin sanotulla HF-alueella. Tämän taajuusalueen järjestelmät ovat kaikkein yleisimpiä ja lisäksi niiden lisääntymisvauhti on kaikkein kovin. Työn tavoitteena on myös ollut selvittää antennin mahdollisen koteloinnin vaikutus antennin, ja sitä kautta koko lukijan, toimintaan.

Suurimmat haasteet antennin suunnittelussa ovat sen fyysinen koko sekä impedanssin sovitus siten, että sovituskomponenttien määrä pysyisi vähäisenä. Fyysinen koko ei saa ylittää mobiilin lukijan kokoa, jotta käyttömukavuus ei oleellisesti kärsisi ja sovituskomponenttien pienen määrän myötä antennin valmistus yksinkertaistuisi ja olisi mahdollisimman edullista.

Työ suoritettiin mallintamalla ensin ohjelmallisesti antennin ominaisuudet, ja sen jälkeen valmistamalla antennin prototyyppi. Antennin ominaisuuksia mitattiin eri tavoilla, ja verrattiin muihin kaupallisiin tai itse valmistettuihin vertailuantenneihin. Prototyyppiantennin suoritusarvot olivat parempia kuin yhdelläkään vertailuantennilla, vaikka vertailuantennit olivat jopa fyysisesti suurempia, mikä yleensä merkitsee antenneilla parempia säteilyominaisuuksia. Näin ollen saadut tulokset olivat hyviä, ja työn puitteissa onnistuttiin suunnittelemaan ja valmistamaan malli antennille, joka soveltuu haluttuun kohteeseen erittäin hyvin, ja jonka perusteella voidaan jatkokehittää kaupallisissa sovelluksissa käytettävä antenni. /Kir09