Учебно-методическое пособие по дисциплине Системы радиочастотной идентификации
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра радиотехнических систем
Русанов В.Э.
Учебно-методическое пособие
по дисциплине
СИСТЕМЫ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
для студентов-заочников 5 курса (направление 11.03.02)
Москва 2016
План УМД на 2016/17 уч.г.
2
Учебно-методическое пособие
по дисциплине
СИСТЕМЫ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
Составитель В.Э.Русанов, к.т.н., доцент
Учебно-методическое пособие для практических занятий и выполнения контрольных работ по курсу «Системы радиочастотной идентификации» содержит описание необходимых теоретических положений курса и вариантов задач, исходные данные для выполнения практических занятий. Предназначено для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей.
Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол № 5 от 26.04.2016 г.
Рецензент В.С.Сперанский, к.т.н., профессор
1. Принципы функционирования систем радиочастотной идентификации (СРЧИ)
3
Физические принципы электромагнитной связи в СРЧИ определяются законами, открытыми Фарадеем и Максвеллом.
Рассмотрим обычный магнит, то есть материал, вокруг которого есть магнитное поле, изображенное силовыми линиями. Вдоль этих линий будут ориентироваться мелкие железные предметы (иголки или опилки).
S N
Ф
dФ/dt
U
E
Ф
Фарадей расположил возле магнита петлю (катушку) из медного провода и обнаружил, что при движении магнита в катушке возникает электрический ток. Таким образом было установлено, что любое изменение магнитного поля (точнее, магнитного потока Ф, отображаемого интенсивностью силовых линий) генерирует электрическое поле E. Оно тоже имеет силовые линии, перпендикулярные магнитным и направленные по правилу буравчика. Электрическое поле в свою очередь вызывает движение электронов в проводнике, то есть электрический ток. Это закон электромагнитной индукции Фарадея
.
Здесь обозначен криволинейный интеграл по электрическому полю вдоль петли проводника. Если это катушка из N витков, то интеграл тот же, но умноженный на N.
Можно провести опыт и с обратным эффектом, подавая напряжение на петлю или многовитковую катушку с проводом. При этом вдоль оси катушки возникнет магнитное поле с потоком Ф. Если ток – переменный, то поле будет
4
меняться. Если рядом поместить две петли провода (катушки) и на одну из них подать переменное напряжение, то на второй индуцируется напряжение, подобное сигналу на первой (точнее, производной сигнала на первой).
В этом случае говорят, что между катушками – индуктивная связь. На принципе индукции работает трансформатор.
Трансформатор так же, как и считыватель-метка, в системе РЧИ осуществляет передачу энергии без электрического контакта в трансформаторе, позволяет осуществить гальваническую развязку входа и выхода (например, для электробезопасности). Трансформатор позволяет также изменять выходное напряжение изменением числа витков катушек. Ввиду малости расстояния между обмотками потери энергии в трансформаторе при такой индуктивной передаче крайне незначительны.
При удалении излучающего и принимающего объектов силовые линии (электрические и магнитные), удаляясь от источника, уже не замыкаются на него, как в ближней зоне индукции, а становятся круговыми (сферическими) с центром сферы в месте расположения источника. Движение силовых линий напоминает волны, называемые электромагнитными. Они распространяются со скоростью света.
Здесь уже действует механизм распространения радиоволн. Волны может излучать не только замкнутая петля, но и вибратор, состоящий из двух отдельных проводников.
Если источник напряжения выдаёт гармонический сигнал, то волны будут периодическими с равномерным чередованием максимумов и минимумов напряженности.
5
Расстояние между максимумами волн называется длиной волны. Она определяется как частное от деления скорости света на частоту переменного напряжения сигнала передатчика. Например, если частота равна 1 МГц, то длина волны
.
Для простоты вычислений полезно запомнить, что длину волны в метрах можно определить, разделив 300 на частоту в мегагерцах.
По длине волны можно установить границу перехода от «ближнего» поля к «дальнему». Она равна 
. При 
связь передающей и приёмной антенн индуктивная, и поля антенн взаимно влияют друг на друга.
При |
электромагнитная волна формируется окончательно и, |
отделившись от источника, не оказывает обратное воздействие на передающую антенну. То есть индуктивная или трансформаторная связь между приёмной и передающей антенной становится невозможной. Но механизм отражения волн в дальней зоне возможен, и отраженная волна может возвратиться назад и быть принята, как это имеет место быть в радиолокаторе. Длины волн и границы дальности показаны ниже.
6
Частота |
Длина волны |
|
|
|
|
|
|
<135 кГц |
>2222 м |
>353 м |
|
|
|
|
|
6,78 МГц |
44,7 м |
7,1 |
м |
13,56 МГц |
22,1 м |
3,5 |
м |
|
|
|
|
27,125 МГц |
11,0 м |
1,7 |
м |
|
|
|
|
433 МГц |
69 см |
11 см |
|
|
|
|
|
868 МГц |
34 см |
5,4 см |
|
915 МГц |
33 см |
5,3 см |
|
|
|
|
|
2450 МГц |
12 см |
1,9 см |
|
5800 МГц |
5,2 см |
0,82 |
см |
|
|
|
|
Из таблицы видно, что для НЧ и ВЧ диапазонов характерен механизм индуктивного взаимодействия антенн системы РЧИ. Для УВЧ-СВЧ диапазонов в системах используется механизм радиолокационного отражения радиоволн.
2. Индуктивная связь в СРЧИ
Механизм электромагнитной индукции описывается следующими расчётными соотношениями
Считыватель излучает колебание.
Транспондер получает и накапливает энергию Накопил – начинает модулировать отражённый сигнал своими данными.
Эти данные поступают в считыватель, демодулируются и поступают для обработки в компьютер.
Физика системы РЧИ с индуктивной связью. Это частоты 125 кГц и 13,56 МГц (выше уже связь не индуктивная).
7
Антенны считывателя и транспондера представляют собой катушки с проводом. Каждый виток этой катушки (петля) излучает магнитное поле с напряжённостью
HR (x) |
I |
R |
N |
r2 |
|
|
|
|
|
R R |
|
|
|||
|
|
|
|
3 |
, |
||
|
2(r2 |
x2 )2 |
|
|
|||
|
|
R |
|
|
|
|
|
где IR - ток в катушке,
NR - число витков катушки,
rR - радиус витка катушки,
x - расстояние вдоль оси катушки от её центра.
Выбрав число ампер-витков катушки, задав требуемую напряжённость магнитного поля в приёмной антенне, можно определить дальность индуктивной связи x .
Заметим, что дальность связи и радиус витка выбираются так, чтобы
rR x
2 .
При таком соотношении напряжённость поля максимальна.
Цепи приёмника и передатчика должны быть резонансными. Колебательный контур считывателя – последовательный, так как цепи считывателя низкоомные, так же, как и резонансное сопротивление последовательного колебательного контура. Цепи транспондера характеризуются малыми токами и поэтому высокоомные, как и резонансное сопротивление параллельного колебательного контура.
8
Колебательные контуры в системе РЧИ
В считывателе - последовательный В транспондере - параллельный
Резонансная частота
1
LC .
В случае резонанса уровень сигнала возрастает в число раз, равное добротности.
Для последовательного контура |
Для параллельного контура |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Q |
1 |
|
L |
Q R |
C |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
R пос |
C . |
пар |
L |
||||||
|
|
|
||||||||
В последовательном контуре |
Rпос - сопротивление катушки |
|||||||||
индуктивности; в параллельном - это эквивалентное сопротивление, которое проявляет себя только на резонансной частоте.
Индуктивность катушки длиной l и диаметром витка d с сердечником магнитной проницаемостью r
L 0 r N 2d 2 .
4l
9
Для ферромагнитных материалов относительная проницаемость |
||
|
r |
может достигать 2000. |
0 |
|
|
|
|
|
0 |
4 10 |
7 |
Гн/м - магнитная проницаемость вакуума. |
|
|
Чтобы транспондер модулировал сигнал считывателя, можно шунтировать часть индуктивности контура.
Отражённый сигнал будет меняться по амплитуде. Он будет демодулирован в считывателе в виде информации, записанной в метке.
3. Задачи по теме «Индуктивная связь в СРЧИ»
Задача 3.1. Определить напряжённость электромагнитного поля HR(x) многовитковой антенны с диаметром витка d=50 мм, числом витков NR=10, при токе IR=5 мА на расстоянии х=55 мм по оси катушки от её центра.
Задача 3.2. Определить дальность связи, обеспечиваемой 20-витковой антенной, создающей при токе 8 мА и диаметре витка 40 мм магнитное поле напряжённостью H=20 мА/м.
Задача 3.3. Определить количество витков антенны, создающей при токе 50 мА и диаметре витка 40 мм магнитное поле напряжённостью H=200 мА/м. Дальность связи 50 мм.
Задача 3.4. Определить количество витков антенны, обеспечивающей дальность связи 60 мм, создающей при токе 80 мА и диаметре витка 35 мм магнитное поле напряжённостью H=200 мА/м.
10
Задача 3.5. Определить ток 15-витковой антенны, обеспечивающей дальность связи 55 мм и создающей при диаметре витка 40 мм магнитное поле напряжённостью H=200 мА/м.
Задача 3.6. Определить оптимальный диаметр витка антенны для обеспечения дальности связи 40 мм.
Задача 3.7. Определить напряжённость электромагнитного поля многовитковой антенны с диаметром витка 30 мм, числом витков NR=6, при токе 20 мА на расстоянии х=55 мм по оси катушки от её центра.
Задача 3.8. Определить дальность связи, обеспечиваемой 12-витковой антенной, создающей при токе 10 мА и диаметре витка 30 мм магнитное поле напряжённостью H=15 мА/м.
Задача 3.9. Определить количество ампер-витков антенны, создающей при диаметре витка 50 мм магнитное поле напряжённостью H=80 мА/м. Дальность связи 65 мм.
Задача 3.10. Определить количество витков антенны, обеспечивающей дальность связи 200 мм, создающей при токе 150 мА и диаметре витка 50 мм магнитное поле напряжённостью H=150 мА/м.
Задача 3.11. Определить ток пятивитковой антенны, обеспечивающей дальность связи 65 мм и создающей при диаметре витка 40 мм магнитное поле напряжённостью H=200 мА/м.
Задача 3.12. Определить оптимальный диаметр витка антенны для обеспечения дальности связи 35 мм.
Задача 3.13. Определить напряжённость электромагнитного поля многовитковой антенны с диаметром витка 40 мм, числом витков 8, при токе 10 мА на расстоянии х=0,1 м по оси катушки от её центра.
Задача 3.14. Определить дальность связи, обеспечиваемую 14-витковой антенной, создающей при токе 16 мА и диаметре витка 40 мм магнитное поле напряжённостью H=20 мА/м.
Задача 3.15. Определить количество ампер-витков антенны, создающей при диаметре витка 40 мм магнитное поле напряжённостью H=75 мА/м. Дальность связи 50 мм.