Laboration i Radioteknik ņ Design av RFID-antenn

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