Conceptos básicos de la antena del lector RFID: la solución de antena Wave®

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CONCEPTOS BÁSICOS DE LA ANTENA LECTORA RFID: LA SOLUCIÓN DE ANTENA WAVE®

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. Las mejoras en el rendimiento deben provenir de la selección adecuada de la antena y su implementación.

Antes de pasar al despliegue de antenas en el diseño de sistemas RFID, 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 exceda la PIRE a menos que la potencia del lector RFID se reduzca en consecuencia. A continuación, conocimos 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 polarizada circularmente, 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.

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 más importante de diversidad de antenas , que significa usar más de una antena para cubrir una región determinada con el fin de superar las limitaciones de una sola antena. La desalineación de la 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 trayectorias múltiples debido a los reflejos del suelo, el techo, las paredes y los objetos grandes que dan lugar a interferencias entre los campos directos y reflejados. El desvanecimiento ocurre en regiones donde esta interferencia es destructiva, es decir, los campos están desfasados ​​y tienden a cancelarse.

El desvanecimiento se supera de la misma manera que la desalineación de la polarización, utilizando más de una antena. El patrón de interferencia y los nulos de una antena son muy sensibles a su ubicación y orientación. Una segunda antena colocada a poca distancia de la primera 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.

La diversidad de antenas es la razón por la 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 cuatro 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. Sin embargo, tenga en cuenta que las antenas de parche no son ideales para cubrir un área específica debido a su iluminación de haz único. Por eso requiere al menos 4 antenas.

¿Es posible diseñar una antena optimizada para el tipo de cobertura de zona que se muestra arriba? La respuesta es la antena Wave® . La antena Wave® es ideal para cobertura de zona con un número mínimo de antenas. Utiliza radiación distribuida en lugar de radiación de haz, como se muestra a continuación.

La antena Wave® ha distribuido la radiación desde múltiples puntos a lo largo de su longitud. El patrón de ganancia muestra múltiples haces de una antena.

La antena tiene múltiples elementos radiantes a lo largo de su longitud que generan múltiples haces superpuestos en el volumen que rodea la antena. (De hecho, se han medido 5 haces desde la versión de 7 pies del Wave®). En comparación con la antena de parche, que es como un foco, la antena Wave® es como una bombilla fluorescente. No tiene el largo alcance ni la direccionalidad de una antena de parche, pero proporciona una cobertura mucho más uniforme del área alrededor de la antena. Además, los haces superpuestos del Wave® proporcionan las 3 polarizaciones, mientras que una antena de parche sólo puede proporcionar 2 como máximo. Esto hace que Wave® sea ideal para la cobertura de zonas a nivel de artículo de regiones densamente pobladas de productos etiquetados con RFID en almacenes, tiendas minoristas y portales.

Una sola antena Wave® podría cubrir una zona completa, pero esta antena obedece las mismas leyes físicas que cualquier otra antena y tendrá nulos y desalineación de polarización en ciertos puntos dentro de su alcance. Por lo tanto, siempre se utiliza una segunda antena Wave® junto con la primera antena para proporcionar la protección de diversidad requerida, como se muestra a continuación.

Las antenas Wave® cubren la zona utilizando solo dos antenas, proporcionando polarización natural y diversidad espacial.

Como muestra la figura, sólo se utilizan dos antenas para cubrir toda la zona, mientras que se necesitarían al menos cinco antenas de parche convencionales para proporcionar el mismo número de haces superpuestos. Cabe señalar que no es necesario desplegar las dos antenas Wave® en lados opuestos del área de cobertura, sino que también se pueden colocar una al lado de la otra con un pequeño desplazamiento vertical. (Observe que las dos antenas de arriba están ligeramente desplazadas en la dirección vertical).

En este y en blogs anteriores, hemos aprendido cómo implementar correctamente antenas para una cobertura diversa de una zona de lectura RFID utilizando la mínima cantidad de recursos. Los blogs futuros se centrarán en cómo estos principios se extienden a aplicaciones prácticas de RFID a nivel de artículo en la cadena logística.

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