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Ganancia y PIRE

Optimización de la selección e implementación de etiquetas

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA ANTENA LECTORA RFID: SUPERAR LA DESVANECIMIENTO CON DIVERSIDAD DE ANTENA

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

En los últimos blogs sostuve que la antena es la parte más importante 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. Las mejoras en el rendimiento deben provenir de la selección adecuada de la antena y su implementación.

Un sistema de inventario RFID UHF típico

Antes de adentrarse en el fino arte del despliegue de antenas, primero era necesario comprender los principios básicos de cómo funcionan las antenas y cómo el campo electromagnético irradiado por una antena llena y penetra un espacio determinado. Los principales problemas son la polarización, el desvanecimiento, la ganancia, la PIRE (potencia radiada isotrópica efectiva) y la diversidad. Una buena comprensión de estos temas ayudará al diseñador a seleccionar el tipo y la cantidad de antenas, y dónde colocarlas para un rendimiento óptimo.

Para repasar, primero exploramos la característica más básica de una antena, es decir, su ganancia . Este número se define como la amplificación direccional de la antena en comparación con una antena que irradia por igual en todas las direcciones ( isotrópica ). La ganancia está estrechamente relacionada con la potencia radiada isotrópica efectiva (PIRE). La PIRE se define como la cantidad de potencia que emitiría una antena isotrópica teórica para producir la densidad de potencia máxima observada en la dirección de la ganancia máxima de la antena. La FCC limita la PIRE a 36 dBm (decibelios relativos a un milivatio) de potencia de RF. Como vimos, debido a este límite, no siempre ayuda el uso de una antena de alta ganancia porque es probable que se supere la PIRE a menos que se reduzca en consecuencia la potencia del lector RFID.

En el último blog aprendimos sobre la importante característica de la polarización de la antena. La polarización define la dirección predominante del campo eléctrico radiado o recibido por una antena. Se ilustró que al utilizar una antena lectora de tipo parche único en un escenario estático es probable que se pierda un porcentaje significativo de etiquetas simplemente porque la polarización está desalineada. Incluso una antena con polarización circular, que puede detectar una etiqueta en cualquier orientación transversal a la dirección de la radiación, pasará por alto las etiquetas que estén orientadas a lo largo de la dirección de la radiación, como se muestra a continuación.

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.

Esto introdujo el concepto de diversidad de antenas , que significa utilizar más de una antena para cubrir una región determinada con el fin de superar las limitaciones de una sola antena. Esto nos lleva al tema actual de mitigar el desvanecimiento con diversidad de antenas. Un desajuste de polarización no es la única limitación del uso de una única antena lectora. Cualquier antena tiene nulos donde el campo radiado es muy bajo. Normalmente, una antena está diseñada de modo que los nulos estén hacia la parte posterior y los lados, y el haz principal esté libre de nulos cuando la antena irradia en el espacio vacío. Sin embargo, en un entorno RFID realista, siempre hay rutas múltiples , como se ilustra en la figura siguiente.

Superar el desvanecimiento en un entorno estático con diversidad de antenas. Múltiples antenas RFID proporcionan diversidad espacial para leer una etiqueta que una sola antena no puede leer debido al desvanecimiento causado por la interferencia de trayectorias múltiples.

Cuando hay trayectorias múltiples, debido a reflexiones del piso, techo, paredes y objetos grandes, el campo eléctrico asociado con cada trayectoria puede formar un patrón de interferencia. En los puntos donde los campos se suman en fase, se produce una interferencia constructiva y el patrón tiene un pico fuerte. Por el contrario, cuando los campos están desfasados, se produce interferencia destructiva y el patrón tiene un valor nulo. Si alguna vez estuvo en un semáforo y notó que la recepción de radio se había cortado, probablemente se encuentre en un semáforo nulo. La recepción vuelve cuando su automóvil sale del área nula, a veces con solo moverse unos pocos pies. Los sistemas de comunicaciones inalámbricas siempre tienen que lidiar con este problema. Una solución es utilizar una frecuencia diferente porque el patrón de interferencia depende en gran medida de la frecuencia. Cambiar la frecuencia mueve los nulos. Esta es una de las razones por las que UHF RFID en Norteamérica cubre una banda de frecuencia relativamente grande de 26 MHz, de 902 a 928 MHz. Los lectores pueden saltar de frecuencia dentro de esta banda para evitar interferir con otros lectores cercanos, pero también para ayudar a mitigar los efectos del desvanecimiento y mejorar la velocidad de lectura.

Otro ejemplo que probablemente haya visto es el de un enrutador inalámbrico. Suelen tener al menos dos antenas. Algunos de los enrutadores de mayor capacidad tienen tres o cuatro antenas. El objetivo principal de estas antenas es proporcionar diversidad en polarización y espacio. El patrón de interferencia y los nulos de una antena son muy sensibles a su ubicación y orientación. Otra antena colocada a sólo unos centímetros de distancia tendrá un patrón completamente diferente. Esto permite que dos o más antenas tengan una cobertura mucho mejor de un entorno rico en trayectos múltiples que una sola antena.

Los mismos principios de diversidad de antenas se aplican a los lectores RFID. Es por eso que la mayoría de los lectores UHF tienen más de un puerto de antena. Un malentendido generalizado en RFID es que más antenas permiten cubrir más área. Esto es cierto hasta cierto punto, pero si sólo tienes una antena que cubre un área determinada, la velocidad de lectura se verá afectada. Para obtener la mejor cobertura, al menos dos antenas deben cubrir cualquier punto determinado de la región de interés. Esto se ilustra a continuación.

Zona de cobertura RFID rica en diversidad que utiliza antenas de parche en lados opuestos. Los haces superpuestos desde diferentes direcciones proporcionan diversidad espacial así como diversidad de polarización.

El ejemplo anterior muestra una forma eficaz de cubrir un área bastante grande utilizando cuatro antenas de parche (hasta 20 pies). Las antenas se pueden conectar al mismo lector RFID de 4 puertos. Esta disposición también proporciona diversidad de polarización al inclinar los haces. Los lectores de 4 puertos se pueden ampliar fácilmente a 16 antenas mediante un conmutador multiplexor. Hay muchas posibilidades para la colocación de antenas, pero este concepto básico de explotar la diversidad mejorará en gran medida el rendimiento de lectura de etiquetas.

En este blog, hemos ampliado el concepto de diversidad de antenas para incluir la diversidad espacial. El próximo blog mostrará cómo la antena Wave® es ideal para cobertura de zona con una cantidad mínima de antenas. Cada antena proporciona de forma única múltiples haces superpuestos en la zona que rodea la antena.

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