Conceptos básicos de la antena del lector RFID: optimización de la selección e implementación de etiquetas

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CONCEPTOS BÁSICOS DE LA ANTENA LECTORA RFID: OPTIMIZACIÓN DE LA SELECCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE ETIQUETAS

Autor: RJ Burkholder, profesor de investigación de electromagnético y RF en la Universidad Estatal de Ohio

En los últimos blogs expliqué por qué la antena es la parte más importante del diseño de un sistema RFID UHF (ver figura a continuación). Esto se debe a que el software de la computadora, el lector y la etiqueta RFID están bastante optimizados ahora y, de todos modos, a menudo están fuera del control del diseñador del sistema. Pero supongamos que tenemos algo que decir en el despliegue de las etiquetas RFID en el escenario de interés. Por ejemplo, la configuración de la antena del lector puede estar más restringida debido a limitaciones de espacio, por lo que la implementación adecuada de la etiqueta se vuelve más crítica.

Para revisar, exploramos las características básicas de una antena: ganancia, potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) y polarización . Suponiendo que las antenas lectoras estén desplegadas para una buena iluminación del volumen que contiene las etiquetas, la polarización es la consideración más importante en el despliegue de una etiqueta. Como aprendimos anteriormente, la polarización define la dirección predominante del campo eléctrico radiado o recibido por una antena. Para una antena convencional como la antena de parche, la polarización es siempre transversal a la dirección de la radiación fuera de la región del campo cercano de la antena. Por lo tanto, la polarización de la antena receptora (etiqueta RFID) debe estar al menos parcialmente alineada con la polarización de la antena transmisora, como se ilustra a continuación.

Alineación de las antenas receptoras (etiquetas RFID) respecto a la polarización de la antena lectora (flecha roja) y dirección de radiación (flecha azul).

En este ejemplo, la antena de parche está polarizada linealmente en dirección vertical (flecha roja). Las etiquetas RFID son antenas dipolo que también están polarizadas linealmente. De izquierda a derecha, las dos primeras etiquetas tendrán una buena señal recibida, pero la última etiqueta de la derecha probablemente no estará excitada. De manera similar, si la antena está polarizada horizontalmente, ninguna de estas etiquetas se excitaría, porque las dos primeras están orientadas verticalmente y la tercera está alineada en dirección radial. La polarización circular (CP) es una combinación de polarizaciones verticales y horizontales con una diferencia de fase de 90° entre las dos. Las antenas CP pueden leer etiquetas que están al menos parcialmente orientadas en cualquier plano transversal a la dirección de la radiación (flecha azul). Por esta razón, las antenas de parche CP son las más comunes en aplicaciones RFID UHF. Sin embargo, existe un costo porque las antenas CP tienen una reducción de ganancia de 3 dB para leer etiquetas polarizadas linealmente.

De manera similar, las antenas de etiquetas CP se pueden usar con antenas lectoras polarizadas linealmente. Irónicamente, las antenas de etiqueta CP pueden no ser la mejor opción para las antenas lectoras de CP porque CP siempre tiene una definición para zurdos o diestros. Si la etiqueta CP no coincide u orienta correctamente con respecto a la antena del lector CP, es posible que no se detecte. A menudo, la única forma de comprobarlo es mediante prueba y error.

La dirección radial alejada de la antena es la peor orientación posible de una etiqueta porque es ortogonal a ambas direcciones transversales. Las etiquetas RFID deben montarse transversalmente a la dirección radial desde la antena del lector tanto como sea posible, y nunca a lo largo de la dirección radial.

Usar más de una antena ciertamente ayuda a solucionar la situación, como se muestra a continuación. Como se analizó en blogs anteriores, esto introduce diversidad de antenas y diversidad de polarización . Por este motivo, los lectores RFID suelen tener más de un puerto de antena. Pasan por las antenas para maximizar el número total de lecturas en un área de cobertura determinada. Si la polarización de una antena no está alineada con todas las etiquetas, es probable que una de las otras antenas está alineado.

Dos antenas proporcionan diversidad de polarización para leer una etiqueta RFID que una sola antena no puede leer debido a la orientación de la etiqueta.

Muchos de los problemas anteriores asociados con las antenas de parche convencionales se solucionan con la antena Wave® especialmente diseñada como se describió anteriormente y se muestra a continuación. Los múltiples haces superpuestos de la antena Wave® proporcionan naturalmente diversidad espacial y de polarización. Por este motivo, es la elección obvia para los sistemas RFID a nivel de artículo. La antena Wave® prácticamente elimina los errores de lectura causados ​​por etiquetas desalineadas.

La antena Wave® ha distribuido la radiación desde múltiples puntos a lo largo de su longitud. Las etiquetas en prácticamente cualquier orientación son legibles.

Además del despliegue de etiquetas relativas a las antenas del lector, es igualmente importante elegir la etiqueta adecuada para la aplicación y montarla en el elemento de manera que facilite la lectura. Por ejemplo, las etiquetas RFID impresas estándar nunca deben colocarse directamente sobre superficies metálicas o líquidos. Una etiqueta en una superficie metálica sufrirá un cortocircuito y una etiqueta en un líquido probablemente no se detectará debido a la atenuación de la señal de RF. Hay etiquetas especialmente diseñadas que se pueden colocar sobre metal u otras superficies altamente conductoras. Siempre emplean algún tipo de espaciador entre la antena y el metal como se muestra a continuación. Luego, la etiqueta funciona de manera similar a una antena de parche de microcinta o un dipolo plegado.

Las etiquetas RFID diseñadas para superficies metálicas siempre tienen un espaciador entre la antena y el metal. La etiqueta de la derecha es una etiqueta impresa estándar en un espaciador de espuma, en lugar de una etiqueta diseñada a medida.

De hecho, una etiqueta impresa estándar se puede utilizar eficazmente sobre una superficie metálica simplemente colocando un espaciador de espuma entre la etiqueta y el metal, como se muestra a la derecha en la figura anterior. El espaciador debe tener al menos 1/8” de espesor. Este tipo de etiqueta también se puede utilizar en botellas de plástico que contengan líquidos.

Las etiquetas RFID estándar funcionan bien cuando se adhieren a papel, cartón, tela, plástico fino o vidrio, suponiendo que no haya ningún metal cerca de la etiqueta. También se pueden detectar a través de estos materiales, permitiendo ocultar completamente la etiqueta. Los enfoques más comunes son colocar la etiqueta dentro de un embalaje de cartón o intercalada dentro de una etiqueta. También se pueden incrustar fácilmente dentro de una tarjeta de plástico delgada, como una tarjeta de crédito o una tarjeta de identificación. Recientemente ha habido una tendencia a colocar etiquetas RFID en la ropa, incluso bordando las antenas metálicas en la tela. Esto funciona bien a menos que la etiqueta esté en contacto directo con la piel; Para evitarlo, debe haber algún tipo de espaciador, como un forro interior u otra capa de ropa.

Las etiquetas RFID también pueden incrustarse en materiales dieléctricos gruesos, como plástico, caucho, madera, hormigón o asfalto. Sin embargo, estos materiales tienden a desafinar la antena etiquetada, lo que provoca un rendimiento reducido. Por tanto, es aconsejable utilizar etiquetas especialmente diseñadas para estos materiales. Aun así, es posible que las ondas de RF no penetren también en el material (dependiendo de la rigidez dieléctrica y la conductividad), por lo que es de esperar cierta degradación del rendimiento.

Por último, se debe prestar atención al entorno que rodea la etiqueta. El metal bloqueará la señal de RF y otros materiales pueden atenuar mucho la señal. Cuanto más material haya entre la etiqueta y la antena del lector, mayor será la atenuación. Además, las etiquetas que están muy cerca de otras etiquetas pueden degradar su rendimiento. Por ejemplo, una serie de prendas de vestir delgadas que están apiladas con todas las etiquetas en el mismo lugar y con la misma alineación harán que sea muy difícil leer todas las etiquetas. En este caso, sería útil colocar las etiquetas al azar en los artículos.

En resumen, la siguiente es una lista de lo que se debe y no se debe hacer al implementar etiquetas RFID.

Dos:

1. Monte etiquetas sobre o dentro de materiales delgados no conductores como papel, cartón, tela, plástico o vidrio.
2. Oriente las etiquetas de modo que queden al menos parcialmente transversales a la dirección radial de las antenas del lector de parches. El uso de la antena Wave® en lugar de antenas de parche evita este problema.
3. 
4. Utilice antenas lectoras CP con etiquetas polarizadas linealmente o etiquetas CP con antenas lectoras polarizadas linealmente. La antena Wave® puede leer cualquiera de los dos.
5. Utilice etiquetas especiales para superficies metálicas, líquidos y para incrustar en materiales gruesos.
   - Se pueden usar etiquetas convencionales en superficies metálicas con un espaciador de espuma de 1/8”.

No hacer:

1. Evite montar etiquetas a lo largo de la dirección radial de las antenas de los lectores de parches.
2. No monte etiquetas impresas estándar directamente sobre superficies metálicas, líquidos o botellas que contengan líquidos.
3. Evite metales y materiales gruesos cerca de la etiqueta que puedan bloquear o atenuar la señal de RF del lector.
4. No coloque etiquetas en contacto directo con otras etiquetas o muy cerca de ellas. Los blogs futuros se centrarán en cómo estos principios se extienden a aplicaciones prácticas específicas de RFID a nivel de artículo en la cadena logística.

Para obtener información sobre el producto New Wave o para solicitar antenas RFID New Wave, visite https://www.arcantenna.com/collections/newave-rfid