Laboration i Radioteknik ņ Design av RFID-antenn

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
Laboration i Radioteknik Design av RFID-antenn
I denna labb ska du visa dina klasskompisar att du/ni kan få bästa resonans på en RFIDantenn
och därmed kan läsa den på längst avstånd. Första pris är en alldeles egen RFID-tagg...
Svar till uppgifterna lämnas på separat papper.
Om RFID
RFID står för Radio Frequency IDentification och är ett samlingsnamn för tekniker för
trådlös identifiering med hjälp av radiovågor där avläst objekt reflekterar tillbaka ett svar.
RFID-tekniken jämförs ofta med streckkoder. Vid streckkodsavläsning skickas som du vet
en ljussignal mot en etikett som med sitt speciellt linjerade tryck reflekterar tillbaka ett
interferensmönster som svarar mot ett nummer som i sin tur kan matchas mot t.ex. priset på
en vara.
RFID fungerar på ett liknande vis men med skillnaden att man jobbar med radiovågor
istället för ljusvågor. Istället för streckkoder använder man så kallade taggar som ofta liknar
den i nedan figur.
De absolut enklaste typerna av RFID-taggar är troligen de som används som stöldskydd i
affärer. De är s.k. enbits-taggar vilket innebära att de bara har två tillstånd; av eller på.
Antenn
Klisterlapp
95 mm
Chip med
”straps”
8mm
RFID-tagg från Alien Technology (UHF-tagg för 850-950 MHz), RFID-taggen består av ett RFIDchip
på ca 0.4 x 0.4 x 0.2 mm och en antenn som har storlek av strax under en halv våglängd.
En passiv tagg (de vanligaste) har ingen egen energikälla i form av t.ex. ett vanligt batteri
utan tar energi för att driva taggens elektronik genom att absorbera energi från den radiovåg
en RFID-läsare sänder till taggen.
Antennen är taggens klart största del och dess storlek styrs av vilket frekvensband taggen
arbetar på. Om man generaliserar så kan man säga att en lägre frekvens ger ett längre avstånd
men kräver även en större antenn.

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
Själva kommunikationen sker genom att den radiosignal RFID-läsaren skickar ut mot RFIDtaggen
reflekteras tillbaka. RFID-taggen har alltså ingen egen radiosändare. Det fungerar i
princip så att en strömbrytare öppnas respektive sluts över taggens antenn i takt med en digital
sifferföljd. Taggens antenn ses därför some ett radarobjekt som under en given tid förändrar
sin radararea i förhållande till en serie av binära tal. En öppen strömbrytare ger då ett litet
radareko och en kortsluten antenn ger ett större radareko. På så vis kan man låta stort eko
motsvara logisk ”1” och litet eko motsvara ”0” för att överföra ett binärt ID-nummer.
RFID-Tagg
Switch-signal
Logisk Nolla
”0”
Logisk Etta
”0”
Logisk Nolla
”0”
RFID-Läsare
Begränsat läsavstånd
När en RFID läsare sänder ut en radiosignal mot en RFID tagg så induceras en spänning
på taggens antenningång. Om denna spänning är tillräckligt hög så startar taggens
mikroprocessor.
Problemet är att luft inte är ett alltför bra medium att överföra elektrisk energi genom. I
luft avtar energitätheten för radiovågor omvänt till kvadraten på avståndet från sändaren. Det
innebär att för att fördubbla läsavståndet måste man fyrdubbla (två i kvadrat) uteffekten från
läsaren. Högsta tillåtna uteffekt från RFID-läsaren är starkt begränsat (2 Watt i EU och 4 Watt
i USA) vilket gör att taggen bara kan läsas i storleksordningen några meter från läsaren. På
längre avstånd blir spänningen som induceras i taggen för låg för att klara att driva
elektroniken inne i taggen.
Uppgift 1: a) På vilket avstånd kan man läsa en streckkod? (Försök ta reda på det, och
annars kan du alltid gissa, vilket är t.cx. det längsta avstånd du själv sett någon läsa en
streckkod på?)
b) Vad ser du för begränsningar och problem med streckoder? Nämn minst två saker.

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
Frekvenser, våglängder och antennens storlek
Den för Europa mest aktulla frekvensen för RFID är 867 MHz. Varje frekvens, f, har en
våglängd, (grekiskans lambda), som är proportionell till radiovågornas utbredningshastighet,
som i sin tur är lika som ljusets hastighet, c=300 000 000 meter/sekund = 3·10 8 m/s.
Sambandet lyder:
Uppgift 2: a) Vilken våglängd har frekvensen 867 MHz?
b) Hur lång är därmed en halv våglångd för 867 MHz?
c = f · (1)
En antenn har ofta en storlek av ca en halv våglängd i minst en dimension. Antennen har då
resonans och elektriska strömmen bildar en stående våg på antennen. Denna stående våg kan
direkt jämföras med den mekaniska stående våg som en gitarrsträng bildar vid sin grundton.
En antenn som med tillhörande kopplingar har resonans har en rent resistiv så kallad
ingångsimpedans. En sådan antenn kan därför ses som en vanlig resistor, även kallat
motstånd.
En antenn som inte har resonans har förutom en resistiv del även en antingen kapacitiv
eller induktiv del. En sådan antenn kan ses som ett motstånd satt i serie eller parallelt med en
spole eller kondensator. En effektiv antenn med tillhörande enheter har resonans!!
Vågutbredning
Mottagen effekt i en antenn kan beräknas med Friis Transmissionformel:
2
Pt
GtG
r
P (2)
t
2 4R Elektromagnetisk
Stående Våg
Halvvågs-
Antenn
Där Pr är mottagen effekt, Pt utsänd effekt, Gt och Gr antennens riktverkan, dvs. antennens
förmåga att koncentrera energi i en riktning, aktuell våglängd och R avståndet mellan
sändande och mottagande antenn.
För en vanlig dipol är riktverkan ca 1.6. Bestämmelser om maximal utsänd effekt grundas
oftast på utsänd effekt gånger antennens riktverkan. För RFID innebär det att Pt·Gt max får
vara lika med 2 W.

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
Uppgift 3: Vilket är teoretiskt det maximala avstånd där man kan läsa av en 867 MHz RFIDtagg
med vanlig dipolantenn om taggen behöver 1mW för att operera och dess antenn har
riktiverkan som en vanlig dipol?
Antennens ingångsimpedans
En antenn kan ses som vilken annan elektronikkomponent som helst, och kan t.ex. kallas
för transformator då dess uppgift är att transformera en i signalledning elektriskt bunden
energi till fri energi i luft och vice versa. I ett kopplingsschema för en sändare ses därför
antennen som en last med en realdel (resistans, på samma vis som en resistor/motsånd) och en
imaginärdel (på samma vis som en induktans/spole eller kapacitans/kondensator). Medan en
resistor omvandlar inkommande signal till värme så omvandlar en antenn inkommande signal
till radiovågor, men från kretsens eller signalledningens synvinkel är det samma sak, energin
”försvinner från ledningen till någonting annat”. På samma vis fasförskjuter och reflekterar
en induktans in signal, men omvandlar den inte till värme eller radiovågor.
En last med kombinerad realdel och imaginärdel benämns impedans medan en last med
enbart realdel brukar benämnas ressitans förrutom i just fallet med antenner där termen
impedans alltid används. Man talar om antennens ingångsimpedans. När denna är reell skrivs
den som t.ex. 75 och när den är komplex (har både realdel och imaginärdel) skrivs den t.ex.
som 75 + j100 . Till skillnad mot matematikens i benämner man inom elektroniken ofta
impedansens imaginärdel med bokstaven j för att inte förväxla den med ström.
Impedanser är oftast standardiserat till ett visst värde och inom högfrekvenselektronik är
50 det absolut vanligaste medan 75 är det klart vanligaste för TV-antenner.
Antenner till passiva RFID-chip är dock ett undantag där impedansen oftast ligger i
storleksordnignen 30 + j130 . Detta beror på att antennen alltid måste vara matchad till sin
krets eller signalledning.
Impedansmatchning, reflekterad effekt och maximalt läsavstånd för RFID
Inom högfrekvenselektronik hör man ofta att det är viktigt med impedansmatchning. I en
perfekt impedansmatchad koppling överförs ALL energi från en enhet till en annan och vid en
icke-perfekt matchad koppling överför en del av energin eller ingen alls. Den energi som inte
överförs reflekteras tillbaka. Impedansmatchning erhålls då två ihopkopplade enheter har
impedanser som är varandras komplexkonjugat, vilket innebär att deras impedanser ska ha
samma belopp på real- och imaginärdel men motsatt tecken på imaginärdelen.
Den normala TV-antennen har t.ex. impedansen 75 , som är rent resistiv och därmed
inte har någon imaginärdel. Den ska därför matchas till impedansen 75 . Matematiskt
korrekt skulle man istället kunnat säga att antennen har impedans 75 + j0 och därför ska
matchas till 75 - j0 . En signalledning för TV-antenner brukar därför vara märkt med 75
(ledningens karakteristiska impedans) och likaså brukar kopplingspunkterna, antennen och
TV’ns antenningång, vara märkt med 75 .
Om signalledningen som matar en antenn med impedansen ZA=75 istället har
karakteristisk impedans på ZC=50 kommer en del av energin att reflekteras tillbaka till
sändaren istället för att gå ut i etern. Den reflekterade signalens relativa amplitud, , beräknas
enligt
Z
- Z
A C
(3)
Z A ZC

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
vilket i detta exempel ger en reflekterad signal med amplitud 0.25 gånger amplituden på
ingående signal till antennen.
Eftersom effekt, P, är proportionellt mot spänning, U, i kvadrat över en resistans, R, enligt
2
U
P (4)
R
så är relativ reflekterad effekt, PReflekterad, proportionellt mot relativ reflekterad spänning i
kvadrat:
P
2
2 Z A - Z C
Reflekterad
(5)
Z A Z C
Notera att effekten är reell varför beloppet av reflektionskoefficienten tas i kvadrat. I fallet
med TV-antennen spelar beloppstecknen ingen roll eftersom alla ingående termer är reella,
men om någon term innehåller en imaginärdel måste beloppstecknen vara med. För den 75
TV-antenn som är ihopkopplad med en 50 -ledning innebär det att 0.25 2 =6.25 % av i
antennen mottagen effekt reflekteras tillbaka till etern och resterande 100 - 6.25 = 93.75 %
går vidare till signalledningen. Om TV’n har en ingångsimpedans på 75 händer samma sak
igen, dvs. signalen tappar ytterligare 6.25 % vilket ger en total förlust på 12 1 % (försök förstå
varför det inte blir 12.5 %...). En förlust på 12.1 % betyder att 100 -12.1 = 87.9 % av effekten
ändå går fram till TV’n trots en 50 ledning istället för den korrekta 75 ledningen.
Uppgift 4: Hur stor del av i en antenn mottagen effekt går fram till ett RFID-chip om chippet
har impedans Zc= 20 - j130 och antennen har impedans ZA= 50 + j80 ?
Tillgänglig effekt avtar också med ökat avstånd, R, till RFID-läsaren, proportionellt till
1 / R2 . Maximalt läsavstånd är därför proportionellt mot (1- | | 2 )
Uppgift 5: Hur stort blir det relativa läsavståndet i Uppgift 4?
Din Antenn
Du ska alltså tillverka din egen RFID-antenn, koppla ihop den med ett RFID-chip och
prova vilket läsavstånd du får från en RFID-läsare.
RFID-chippen har en ingångsimpedans med en stor kapacitiv del, varför din antenns
ingångsimpedans måste ha motsvarande induktiva del. Detta kan bland annat fås genom att ta
en vanlig dipol och lägga en extra loop över antenn-ingången (loop = induktans = spole på ett
varv), som t.ex. nedan antenn.

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
Din antenn gör du av genom att klippa och skära i koppartejp som du sedan klistrar eller
tejpar på ett vanligt A4-papper. Tänk på att de flesta koppartejper endast är ledande på ena
sidan så att om du t.ex. gör en brygga med en extra bit måste du lägga den upp och ner för att
bilda kontakt. Det är helt fritt att välja form på antennen men det rekommenderas att du gör en
antenn som är i storleks ordningen ½ i någon riktning och sätter chippet någorlunda
symmetriskt.
När du skurit till lämplig antenn tejpar du enkelt fast ett RFID-chip över antenningången.
Du kan sedan prova din tagg direkt framför RFID-läsaren. Efteråt så får du hjälp av en
labbassistent att mäta upp ingångsimpedansen med hjälp av ett speciellt mätinstrument. Med
hjälp av mätdatat får du tips om hur du kan göra små förändringar i din antenn för att göra den
bättre och på så vis uppnå ett längre läsavstånd.
Uppgift 6: Mät upp ingångsimpdansen på RFID-chippet.
Uppgift 7:
Gör en enkel men måttsatt skiss över din antenn på separat papper.
Gör en tabell där du fyller i läsavstånd och ingångsimpedans för varje försök
I en kolumn fyller du i beräknat relativt läsavstånd utifrån uppmätt impedans på chip
och antenn.
För varje nytt försök ska i tabellen också få plats:
o Anteckningar och/eller måttsatt ritning vad som förändrats hos antennen. T.ex.
ökat eller minskat ett eller flera mått, lagt till eller tagit bort någon del.
o En kort motivering om VARFÖR just denna modifikation gjorts. Om inte
tabellcellen räcker till fortsätter du på baksidan!
Försök hela tiden, med assistenternas hjälp, att förstå varför ändringarna ger de
resultat de ger
Samråd med labassitenterna när ni tycker antennen ”duger” och kan gå vidare till nästa
uppgift.
Uppgift 8: Ge en kort kommentar för hur läsavstånd beräknade fråm impedanser förhåller sig
till uppmätta med RFID-läsare.
Omgivningens påverkan
En antenn påverkas starkt av näraliggande material. En antenn i en mobiltelefon måste till
exempel klara att fungera i en hand samt nära ett huvud. Prova därför att lägga din RFID-tagg
på några olika objekt.
Uppgift 9:
a) Gör en tabell och notera det maximala läsavståndet när din tagg läggs mot:
1. En bok
2. En metallyta
3. En fylld vattenflaska
4. Din egen handflata
5-? Annat objekt du provat på:
b) Vilka slutsatser kan du dra av resultaten i 9 a)?

Mid-Sweden University
Johan Sidén
Electronics Design Division
Sundsvall, Sweden
2007-01-18
Uppgift 10 (Frivillig utmaning): Om något av objekten i Uppgift 4 gav en icke-fungerande
tagg eller en tagg med extremt kort läsavstånd, hur skulle man då kunna lösa detta? Hur
långt ifrån objektet måste du hålla taggen för att den ska fungera och vilket läsavstånd får du
då? Kan man lägga en distans mellan ”besvärligt objekt” och taggen? Ge dina svar efter
bästa förmåga och diskutera dem gärna med övriga labbgrupper och labbassistenterna.
Lycka Till!