UHF RFID SİSTEMLERİ İÇİN DOĞRUDAN VE KUPLAJ BAĞLANTILI SİMETRİK MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ* * Mehmet Ali BELEN, Mehmet Fatih ÇAĞLAR, Adnan KAYA Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta * TÜBİTAK 2209-Üniversite Öğrencileri Yurt İçi Araştırma Projeleri Destekleme Programı Tarafından Desteklenmiştir.

Çalışmanın Amacı ETSI’ nin (Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü) UHF (Ultra Yüksek Frekans) RFID sistemler için standartlaştırdığı frekans aralığı göz önüne alınarak 865MHz’te çalışan çift yamalı anten tasarımı ve gerçeklenmesi Tasarımdaki önemli parametreleri belirlemek 865MHz’de alıcı verici anten olarak çalışabilen düşük geridönüş kayıplı, yüksek kazançlı anten tasarımı

Giriş UHF bandında çalışan RFID etiketi alıcı anten tasarımları ve gerçeklendirilmeleri yapılmıştır. Tasarımın simülasyon aşamasında kullanılan substrat malzeme özellikleri, anten boyutları, antenin geometrik şekli ve ışıma örüntüsü dikkate alınmıştır.   Tasarımda kullanılan substrat malzeme, elde edilmesi kolay olmasına karşın dielektrik olarak bu frekansta çalışan mikroşerit antenler için çok tercih edilmeyen FR4 tipi substrat olup bu malzemenin karakteristik özellikleri εr=4,6 tanδ=0,0035 olacak şekilde alınmıştır.

Genel RFID Sistem Mimarisi

Mikroşerit Antenler Yüksek performans gerektiren hava araçları, uzay araçları, uydu ve füze uygulamaları gibi büyüklüğün, maliyetin, performansın, uygulama kolaylığının sınırlandığı durumlarda düşük profilli antenlere ihtiyaç duyulur.Bu şartları sağlayan anten çeşidi ise mikroşerit antenlerdir.

Mikroşerit Antenler En basit haliyle bir mikroşerit anten; ince bir dielektrik substrat ile birbirinden ayrılmış iki paralel iletken yapıdan oluşur.Bu iki iletken yüzeyden alttaki iletken toprak düzlemi gibi davranır. Anten performansı için en çok aranan substratlar; daha iyi verim, daha büyük bant genişliği, boşluğa ışıma yapabilmesi için gevşek sınırlı alanlar sağladığından düşük dielektrik sabitli kalın olanlardır.

Mikroşerit Antenlerin Avantajları Düşük profile sahiptir. Düz olmayan yüzeylere uyum sağlayabilir. Basit dizayn ve maliyete sahiptir. Mekaniksel dayanıklılığa sahiptir. MMIC dizaynlara uyumludur. Rezonans frekansı, polarizasyon, ışıma, empedans gibi parametrelerde uygun sonuçlar verir.

Mikroşerit Antenlerin Dezavantajları Düşük güçlerle çalışır. Dar bant genişliğine sahiptir. Çalışma bandı dışında geniş elektromanyetik cevaplara de sahiptir. Geniş dizilerde bant genişliği ile tarama hacmi ( scan volume ) arasında tercih yapmak zorundadır. VHF ve UHF ' de büyük fiziksel boyutlara ulaşır.

Anten Parametreleri Geri Dönüş Kaybı Kazanç Işıma Paterni Işıma Yoğunluğu Yönlendiricilik Anten Verimliliği Bant Genişliği Polarizasyon

Anten Geri Dönüş Kaybı Ölçümü Antenlerde performansı etkileyen yada performansının ne derece iyi olduğunu gösteren parametrelerden biri geri dönüş kaybıdır.

Anten Kazanç Ölçümü Antenlerde performansı etkileyen yada performansının ne derece iyi olduğunu gösteren parametrelerden bir diğeri de kazançtır. (Got) = İletilen antenin kazancı (dB) (Gor) = Alıcı anten kazancı (dB) Pr = Alınan güç (W) Pt = İletilen güç (W)

Anten Kazanç Ölçüm Düzeneği

Alt Taban Malzeme Özellikleri Tabaka Malzemesi Dielektrik Sabiti Kayıp Tanjant tanδ Kalınlığı Bakır FR4 4.6 0.0035 1.6 mm 1μm

Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Mikroşerit Antenlerin Tasarım Ebatları

Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Mikroşerit Antenlerin Gerçeklemesi

Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları: Geri Dönüş Kaybı (Anten-1) Kuplaj Beslemeli Anten-1 Geri Dönüş Kaybı (Spektrum Analizör) 823MHz S11:-43.55dB Kuplaj Beslemeli Anten-1 Geri Dönüş Kaybı (Simülasyon)

Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları: Geri Dönüş Kaybı (Anten-2) Kuplaj Beslemeli Anten-2 Geri Dönüş Kaybı (Spektrum Analizör) 795MHz S11:-60.38dB Kuplaj Beslemeli Anten-2 Geri Dönüş Kaybı (Simülasyon)

Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları: Giriş Empedansı Kuplaj Beslemeli Anten-2 için Giriş Empedansı Kuplaj Beslemeli Anten-1 için Giriş Empedansı

Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları: Işıma Paterni Kuplaj Beslemeli Anten-2’nin Işıma Paterni Kuplaj Beslemeli Anten-1’in Işıma Paterni

Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları Tablosu Sonuç Anten-1 Simülasyon Ölçüm Anten-2 Simülasyon Ölçüm Frekans (MHz) 865 823 864,9 795 Geri Dönüş Kaybı (dB) -41,95 -43,5 -53 -60,4 Bant Genişliği (MHz) 10 50 5 Kazanç (dB) 6,29 4,1 6,86 4,13

Sonuçlar ve Tartışma UHF RFID sistemleri için Doğrudan ve Kuplaj bağlantılı simetrik 2 adet mikroşerit anten tasarımı gerçeklenmiştir. Empedans uyumluluğu açısından da istenilen seviyeye ulaşılmıştır. Simülasyon sonuçlarında, antenler 865MHz frekansında yüksek performansa ulaşmakta ve hedeflenen standart frekans bandında çalışmaktadır. Antenin ışıma örüntüsüne bakıldığında, açısal okuma yönünün tek yönlü olduğu görülmekte ve farklı yönlerdeki etiketlerin okuyucuyu etkileme olasılığını azaltmaktadır.

Sonuçlar ve Tartışma Ölçümlerde, simülasyon sonuçlarından daha iyi geri dönüşüm kaybına sahip olduğu ve kazancın da simülasyon sonuçlarına yakın bir değerde çıktığı gözlenmiştir. Sadece hedeflenen rezonans frekansında istenmeyen ve göz ardı edilebilecek yaklaşık 40-70MHz’lik sapma ortaya çıkmıştır.

Kaynaklar [1] Eunni, M. B.: ‘A Novel Planar Microstrip Antenna Design for UHF RFID’ Master’s Thesis 2004 [2] Yasin AVSEVER, Aziz SÜLEYMANOV RFID Sistem Tasarımı [2] Dobkin, D. M., The RF in RFID : Passive UHF RFID in Practice, Newnes, 2008 [3] Sanghera, P., RFID+ Study Guide and Practice Exam, Syngress Publishing, Inc, 2007 [4] Lee, Y., Antenna Circuit Design for RFID Applications, Microchip Technology, Inc, 2003 [5] Engels, D. W., Sarma, S. E.: ‘Standardization Requirements within the RFID Class Structure Framework’, Auto-ID Labs, MIT, 2005 [6] Williams, J. R., Lin, X.: ‘RFID Network Simulator’, MIT [7] MOHAMAD KAMAL A. RAHIM, Design and Development of Fractal Antenna for Ultra High Frequency Band Application [9] Sabri Serkan, Basat Design and Characterization of Rfid Modules in Multilayer [10] Philip Felber, Fractal Antennas [11] IEEE Antennas and Propogation Magazine Vol. 45, No:3 June 2003 [12] Microwave and Technology Letters Vol. 50 No: 10 October 2008 [13]http://www.teknobakis.com/anten-empedans-uydurma-antenna-impedance-matching [14] http://www3.dogus.edu.tr/lsevgi/LSevgi/E&O/LS_Agu05.pdfEMC ve Tanımlar [15] http://www.emo.org.tr/ekler/6d33021e640f5d6_ek.pdffractal [16] http://www.scienceprog.com/fractal-antenna-constructions/ [17] www.ieee.org [18] www.awrcorp.com

TEŞEKKÜRLER