Печатное согласующее устройство для дмв антенны. Широкополосные антенны для портативных радиостанций: обзор современных решений

Какие типы широкополосных антенн используются в современных портативных радиостанциях. Как достигается работа в широком диапазоне частот. Каковы особенности конструкции и параметры антенн ведущих производителей.

Особенности современных широкополосных антенн для портативных радиостанций

Развитие технологий радиосвязи привело к необходимости создания антенн, способных эффективно работать в очень широком диапазоне частот. Это особенно актуально для портативных радиостанций, где габариты антенны ограничены. Рассмотрим ключевые особенности современных широкополосных антенн:

• Диапазон рабочих частот обычно составляет 30-512 МГц
• Используются специальные схемотехнические решения для обеспечения широкополосного согласования
• Применяются активные элементы (резисторы) в цепях согласования
• Коэффициент усиления относительно невысок, особенно на низких частотах
• Конструкция обычно включает гибкий элемент («гусиная шея») для удобства эксплуатации

Ведущие производители широкополосных антенн

На рынке широкополосных антенн для портативных радиостанций выделяется несколько ключевых производителей:

• Hascall-Denke (США)
• HARRIS (США)
• TRIVAL ANTENE (Словения)
• COMROD (Норвегия)
• Shakespeare (США)
• RACAL ANTENNAS LTD (Великобритания)
• COJOT (Финляндия)

Каждая компания имеет свои уникальные разработки и подходы к проектированию антенн. Рассмотрим особенности продукции некоторых из них.

Антенны Hascall-Denke: лидер по характеристикам

Компания Hascall-Denke выделяется на рынке благодаря высоким характеристикам своих антенн. Их флагманская модель MPMP25x20 имеет следующие параметры:

• Диапазон частот: 25-512 МГц
• КСВН: не более 3.5:1
• Коэффициент усиления: от -8 до -3 дБи
• Длина: 1.8 м
• Масса: 560 г

Особенностью конструкции является использование RL-звеньев, распределенных по длине антенного полотна. Это позволяет улучшить диаграмму направленности на частотах свыше 200 МГц.

Антенны HARRIS: компактность и функциональность

Компания HARRIS, являющаяся одним из основных поставщиков средств связи для НАТО, предлагает антенну RF-3162-AT001 со следующими характеристиками:

• Диапазон частот: 30-512 МГц
• КСВН: не более 3.5:1
• Коэффициент усиления: от -15 до +2 дБи
• Длина: 1.7 м
• Масса: 1.1 кг

Несмотря на относительно большие габариты, антенна имеет ряд конструктивных особенностей, облегчающих ее использование, например, возможность крепления на одежде оператора.

Инновационные решения TRIVAL ANTENE

Словенская компания TRIVAL ANTENE использует собственные схемотехнические решения. Их антенна AD-25/CW-3512 имеет следующие параметры:

• Диапазон частот: 30-512 МГц
• КСВН: не более 3.5:1
• Коэффициент усиления: от -17 до -1 дБи
• Длина: 1.18 м
• Масса: 320 г

Особенностью конструкции является цельное антенное полотно из стальной пружинной ленты и сосредоточенное в основании согласующее устройство.

Компактные решения COMROD

Норвежская компания COMROD предлагает антенну VHF30512HH/L с впечатляющим соотношением размеров и характеристик:

• Диапазон частот: 30-512 МГц
• КСВН: не более 3.5:1
• Коэффициент усиления: от -14 до 0 дБи
• Длина: 0.8 м
• Масса: 200 г

Интересной особенностью является наличие отдельного универсального гибкого держателя «гусиная шейка» со встроенной GPS-антенной.

Общие черты конструкции широкополосных антенн

Несмотря на различия в конструкции, большинство современных широкополосных антенн для портативных радиостанций имеют ряд общих черт:

• Широкополосное согласующее устройство в основании
• Гибкий держатель «гусиная шейка»
• Антенное полотно из набора профилированных лент
• Термоусаживаемая полиолефиновая оболочка
• Максимальный КСВН около 3.5:1
• Использование активных элементов в цепях согласования

Преимущества и недостатки современных широкополосных антенн

Современные широкополосные антенны для портативных радиостанций имеют как преимущества, так и недостатки:

Преимущества:

• Работа в широком диапазоне частот
• Компактные размеры
• Устойчивость характеристик к влиянию окружающих предметов
• Удобство эксплуатации благодаря гибким элементам конструкции

Недостатки:

• Относительно низкий коэффициент усиления, особенно на низких частотах
• Наличие активных потерь в цепях согласования
• Сложность конструкции
• Высокая стоимость

Перспективы развития широкополосных антенн

Развитие технологий широкополосных антенн для портативных радиостанций продолжается. Основные направления совершенствования включают:

• Улучшение согласования без использования активных элементов
• Повышение коэффициента усиления, особенно на низких частотах
• Дальнейшее уменьшение габаритов и массы
• Интеграция дополнительных функций (например, GPS-антенны)
• Использование новых материалов для улучшения характеристик

Можно ожидать, что в ближайшие годы появятся новые модели антенн с улучшенными характеристиками, которые позволят повысить эффективность работы портативных радиостанций в широком диапазоне частот.

Антенна ДМВ, простые самодельные устройства своими руками

В настоящее время почти всё телевизионное вещание перешло на трансляцию в дециметровом диапазоне. Это обусловлено тем, что волны этого диапазона малочувствительны к влиянию внешних помех и оборудование, применяемое для обеспечения трансляции в этом диапазоне, обладает невысокой стоимостью. В качестве диапазона для использования цифрового телевидения Т2 был выбран именно он.

Дециметровые волны (ДМВ) располагаются в диапазоне радиоволн, имеющих длину волны от одного метра до 10 см, и лежат в частотах от 300 МГц до 3 ГГц. Для приёма ДМВ применяются широкополосные антенны направленного действия они могут осуществлять приём телетрансляций на удалении 60—70 км от телецентра.

Содержание статьи

• 1 Особенности приёма ДМВ
• 2 Симметрирование антенн
• 3 Проволочная антенна
• 4 Алюминиевый диск
• 5 Волновой канал
• 6 Расчёт
• 7 Зигзагообразное устройство
• 8 Усилитель
• 9 Рамочная антенна
• 10 Логопериодическая
• 11 Польская
• 12 Баночная

Особенности приёма ДМВ

Необходимо понимать, что чёткого различия между профессиональными и домашними антеннами не существует. Профессиональные антенны для телевизионного режима имеют узкую диаграмму направленности, а значит и больший коэффициент усиления. Благодаря этому они имеют более усложнённую, с множеством элементов конструкцию, чем домашние.

Перечислим основные части, из которых состоит антенна:

• фидер;
• рефлектор;
• вибратор;
• директор.

В первую очередь на качество приёма оказывает влияние рельеф местности. Различные барьеры, возникающие на пути прохождения сигнала, ослабляют его уровень или не дают его распространению. В зоне отсутствия прямой видимости антенны нередко настраивают на отражённый сигнал и из-за этого приходится применять различного вида активные усилители и согласователи.

В близости от передатчика антенна может ставиться внутри помещения или снаружи. В отдалении, конечно, нужно ставить снаружи: на стену, балкон, крышу, мачту. Обычно в удалении от ретранслятора антенна размещается на высоте 8—15 м на мачте.

Симметрирование антенн

Симметрирующие устройства устраняют попадание токов радиочастоты на внешнюю площадь наружного проводника (оплётки) коаксиального провода. Подключать без такого устройства нельзя, так как это приводит к искривлению диаграммы направленности антенны и уменьшению помехоустойчивости приёма. Когда входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления провода, то такое устройство применяется и как согласующее.

Согласующее устройство для антенны своими руками выполнить несложно. Обычно применяют четвертьволновой мостик или волновое U-колено. Мостик представляет собой двухпроводную короткозамкнутую линию с величиной длины Lcp/4, подключённую к зажимам вибратора. Мостик состоит из двух трубок, изолятора и короткозамкнутого шунта. Через одну из трубок (например, левую) пропускается кабель. Внешний проводник (оплётка) подключается к левой трубке вибратора и левой трубке мостика, центральный контакт — к правой трубке вибратора.

Волновое колено выполняется из кабеля и состоит из двух отрезков с волновым сопротивлением 75 Ом, соответственно длиной Lc/4 и Lc/3, где Lc средняя длина волны в кабеле. Выдерживать определённое расстояние между кабелями не нужно. Рабочая полоса частот составляет 12— 15 процентов.

И также может использоваться проволочный трансформатор. Он трансформирует входной импеданс антенны в импеданс равный 73 Ом. Две пары катушек трансформатора намотаны поочерёдно на двух каркасах диаметром 5— 7 мм. Намотка непрерывная, в два провода. Промежуток между каркасами 15—20 мм. Монтаж выполняется на металлической плате, к концам которой припаиваются оплётка фидера и концы обмоток.

Проволочная антенна

Самую простую конструкцию можно выполнить из куска медной проволоки. Такая антенна представляет собой петлевую рамку, которая состоит из двух разделённых зазором проводников. В случае использования мачты, крепление осуществляется с помощью изоляционной пластины, например, гетинакс, покрытый лаком или текстолит. Место подключения кабеля при использовании на улице следует закрыть от прямого попадания атмосферных осадков.

Основная операция будет заключаться в расчёте длины петли. Для этого необходимо знать частоту передачи эфирного сигнала. Длина волны, соответствующая несущей частоте изображения f, вычисляется по формуле L = 300/f. Например, для частоты 600 МГц это значение будет L = 300/600= 0,5 м. То есть длина петли составит 50 см.

Алюминиевый диск

Для изготовления нам понадобится:

• алюминиевый диск толщиной 1 мм;
• печатная плата из стеклотекстолита толщиной 1 мм;
• согласующий трансформатор;
• кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.

В алюминиевом диске диаметром 356 мм, с отверстием посередине с диаметром 170 мм, делается пропил 10 мм. Вместо выпиленного куска устанавливается печатная плата, к которой припаивается согласующий трансформатор. Вместо него можно установить усилительное устройство, взятое из комплекта, идущего с польской антенной.

Волновой канал

Несложная по конструкции высокоэффективная антенна направленного действия, которая может быть использована практически во всём диапазоне телевизионного вещания. Антенна представляет собой активный полуволновой вибратор (обычно петлевой), рефлектор из нескольких директоров, укреплённых на основании стрелы, зафиксированные скобами или сваркой. Вибратор со стрелой закрепляется на мачте. Соединение кабеля и симметрирующе-согласующего U образного колена к активному вибратору производится с помощью специальной коробки.

Полуволновое колено выполняется из отрезков коаксиального кабеля длиной равной средней длины волны поделённой на два. U-колено является сразу как симметрирующим устройством, так и трансформатором сопротивлений: оно изменяет входное сопротивление петлевого вибратора 292 Ом до 73 Ом, что даёт возможность обеспечить согласование вибратора с фидером. Оплётки кабеля колена нужно спаять между собой, а также с оплёткой фидера. Длина отрезка используемого провода примерно будет около 185 мм.

Расчёт

ДМВ антенны вибраторы изготавливаются из трубок диаметром от 14 до 25 мм, несущую стрелу 18—35 мм. Мачта может быть изготовлена из трубок диаметром 40—50 мм, со стенкой 3—4 мм или деревянного бруса 60×60 мм.

Рекомендуется применять при расстояниях 40—50 км от телевышки трёхэлементного вида антенну, 50—70 пяти или семиэлементную, 70—80 одиннадцатиэлементную.

Расстояние между элементами устройства можно рассчитать в специально созданных для этого программах: Antwu 15, 4K6D и т. п. Эти утилиты русифицированные, разобраться будет нетрудно.

Зигзагообразное устройство

Несложная в изготовлении антенна широкого диапазона. Работает в двукратной полосе частот. Конструкция представляет собой две вертикальные рейки, закреплённые на диэлектрической стойке. На верхнем и нижнем конце стойки крепят стальные планки. Планки такого же вида, но через изоляционные шайбы, закрепляют на концах реек. На стойке между рейками располагают непроводящую пластину, на которой установлены две пластины из проводника.

Кабель диаметром 3—4 мм соединяют со стальными планками. Его также подпаивают к нижней планке. Провод прокладывают параллельно стороне внутреннего кабеля нижней рамки и припаивают к планкам (оплётку — слева, центральный проводник справа).

Для упрощения конструкции можно использовать только один ромб, зигзаг. Размер такого ромба составит 340×340 мм. Расстояние между двумя металлическими планками в центре ромба берут около 10 мм. В качестве материала применяют алюминиевые, медные или латунные трубки, или полоски шириной 6—10 мм.

Усилитель

Для улучшения приёма телевизионного эфира часто применяют антенну с активным усилителем сигнала. Обычно такой усилитель не нуждается в настройке и выполняется на малошумящих транзисторах с усилением около 20 дБ.

Для того чтоб изготовить усилитель ТВ сигнала своими руками, понадобится печатная плата и следующий перечень радиоэлементов:

1. Резисторы: R1, R5—220 Ом; R2, R6—8,2 кОм; R3—3,3 кОм; R4, R8—22 Ом; R7— 1,5 кОм.
2. Конденсаторы: C1—0,01 мкФ; C2, C4, C6—220 пФ; C3, C5—100 нФ.
3. Транзисторы: VT1, VT2 S790T.

Схема антенного усилителя для телевизора своими руками будет выглядеть так:

https://masterkit.ru/images/magazines/3_Sh4 04 .gif

Усилитель выполнен на транзисторах S790T по схеме с общим эмиттером и имеет две корректирующие цепочки R1, C3 и R5, C5. Устройство собирается на двух усилительных каскадах. Центральная жила входного кабеля подпаивается на вход конденсатора C2, а оплётка экрана на общую землю. Усиленный сигнал снимается с выхода конденсатора C6.

Усилитель для антенны распаивают на отдельной независимой плате, радиоэлементы на ней устанавливаются навесным способом. Крепят плату посередине антенны, такое расположение позволяет эффективно принимать сигнал.

Рамочная антенна

Самодельное устройство будет состоять из следующих элементов:

• алюминиевые полосы размером 320 мм;
• мачта;
• рефлектор;
• усилительное устройство;
• кабель.

Вначале собирается рамка из четырёх полос. Крепление между собой осуществляется с помощью винтов. В середину рамки устанавливается крестовина. От центра каждая часть крестовины укорачивается на 5 мм. Ближайшие друг к другу части обрезанных пластин соединяются проводником, образовывая два внутренних, разделённых квадрата. К этим пластинам припаивается кабель, к одной центральная жила, к другой оплётка. Далее антенна устанавливается на мачте, и крепится усилитель.

Логопериодическая

Такая антенна выделяется хорошим согласованием с коаксиальным кабелем и узкой диаграммой направленности, что позволяет принимать телевизионный сигнал на значительном удалении.

Антенна состоит из двухпроводной симметрично распределённой линии, образованной из одинаковых трубок, лежащих параллельно друг другу. На эти трубки устанавливаются полувибраторы в количестве семи штук, при этом направление их чередуется на противоположное относительно предыдущего.

Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом прокладывается в одну из линий, концы труб в месте входа фидера соединяются пластинкой из проводника. Экран кабеля распаивается при его выходе из линии, а центральная жила припаивается к лепестку, установленном на заглушке другой трубы. Расстояние между вибраторами выбирают от начала 80, 94,77, 63, 52, 43, 35 мм, а их размер соответственно 160, 131, 107, 88, 72, 60, 49 мм.

Польская

Если выполнить самостоятельно усилитель нет возможности или желания, можно приобрести готовый. Особой популярностью пользуются те, что стоят в так называемых польских антеннах, например, фирмы Sowar. Польская антенна работает в широкополосном диапазоне, т. е. может принимать дециметровый и метровый сигнал. Однако, в том виде в котором она есть, она не очень приспособлена для приёма цифрового телевидения DVB-T, поэтому для её использования рекомендуется выполнить доработки.

Всё дело в том, что входное сопротивление усилителя выше сопротивления антенны. Для начала убираем длинные метровые активные вибраторы или укорачиваем их до размеров дециметровых, затем удаляем полотно рефлектора от активных вибраторов. Таким образом, изменяется сопротивление антенны. Из усилителя желательно выпаять и узел согласования, кольцо из феррита. Это поможет расширить диапазон, увеличит сопротивление, изменит частотную характеристику.

Баночная

Эта оригинальная антенна, которую просто сделать самостоятельно, не уступит по параметрам логопериодической антенне. Собирается из двух консервных банок. Банки берутся размерами 75×95 мм. С помощью двух полосок стеклотекстолита банки соединяются путём пайки. Одна полоска сплошная, а на второй делается разрыв в который подпаивается кабель. Принцип работы её основан на свойстве симметричного широкополосного вибратора, за счёт чего она обладает большим коэффициентом усиления.

Рассмотренные виды антенн без проблем можно подключать к всевозможным приставкам для приёма цифрового телевидения и даже фм диапазона.

Широкополосные антенны для портативных радиостанций

Современные средства радиосвязи, в том числе портативные, работают в столь широкой полосе радиочастот, что принятое деление на диапазоны (ДКМВ, КВ, УКВ, ДМВ и т. д.) становится все более условным. В связи с этим появилась острая потребность в широкополосных и сверхширокополосных антеннах, которые при разумных габаритах могли бы обеспечивать достаточное усиление в рабочей полосе частот.

Среди зарубежных производителей средств радиосвязи наибольших успехов в разработке широкополосных антенн добились TRIVAL ANTENE (Словения), HARRIS (США), Hascall-Denke (США), Shakespeare (США), RACAL ANTENNAS LTD (Великобритания), COJOT (Финляндия), COMROD (Норвегия). При этом необходимо отметить, что производителей, как и моделей таких антенн, становится все больше, и технические характеристики продолжают совершенствоваться.

По электрическим параметрам, в частности по полосам рабочих частот антенн, сформировались некоторые «нормы», связанные с характеристиками самих средств связи. Так, основная часть современных профессиональных портативных радиостанций работает в полосе частот 30–512 МГц. Вместе с тем характеристики антенн, работающих во всем указанном диапазоне, еще не достигли того уровня, когда одна антенна имеет соотношение размеров и коэффициента усиления, свойственное узкополосным антеннам. Поэтому производители выпускают обычно линейку антенн с различными габаритами и, соответственно, с различным коэффициентом усиления. В подтверждение сказанного можно привести еще и тот факт, что в модельных рядах всех вышеперечисленных фирм присутствуют антенны с более узкими полосами частот, также уже устоявшимися. Это, как правило, 30–108 и 100–512 МГц. Естественно, что более узкополосные модели имеют лучшие электрические параметры по сравнению с широкополосными.

 

Hascall-Denke

Наиболее подробную информацию о параметрах антенн размещает на своем сайте фирма Hascall-Denke.

Компания выпускает антенны всех применений (для портативных, носимых, возимых и базовых радиостанций) на частоты 25–2500 МГц.

Фирма выпускает две основные модели антенн, работающие в диапазоне 30–512 МГц. Одна из них — MPMP30X17 — укороченная, длиной всего 370 мм, поэтому по электрическим параметрам не вызывает интереса. Это «стандартный» для такого размера коэффициент усиления от –30 до –2 дБи в диапазоне частот.

Вторая модель — MPMP25x20 — «полноразмерная». Ее КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) на частотах 25–512 МГц не превышает 3,5:1 (рис. 1).

Рис. 1. КСВН на частотах 25–512 МГц

Коэффициент усиления в этом диапазоне меняется от –8 до –3 дБи.

Длина MPMP25x20 — 1,8 м. Антенна является одной из самых больших (среди моделей всех производителей) в указанном диапазоне частот, но при этом имеет весьма маленькую массу для своего размера — всего 560 г.

Внешний вид антенны (рис. 2) недвусмысленно «выдает» ее схемотехническое решение: в основании находится широкополосное согласующее устройство, которое работает совместно с RL-звеньями, распределенными по длине антенного полотна. Такое «разделенное» полотно улучшает диаграмму направленности на частотах свыше 200 МГц.

Рис. 2. Внешний вид антенны MPMP25x20

Патент на данную конструкцию получила американская фирма Shakespeare в 2002 г. Впрочем, владелец патента пока использует свое изобретение только в антеннах, предназначенных для установки на транспортные средства.

Hascall-Denke в справочных данных на антенну MPMP25x20 приводит диаграммы направленности на трех частотах, в нижней, средней и верхней части диапазона (рис. 3). Вид диаграмм впечатляет отсутствием заметных «провалов» в области верхних частот, чего было бы трудно добиться при использовании цельного полотна, без RL-вставок.

Рис. 3. Диаграммы направленности на трех частотах, в нижней, средней и верхней части диапазона

 

HARRIS

Следующий производитель — фирма HARRIS, которая выпускает антенны практически на все диапазоны частот и является одним из основных поставщиков средств связи для НАТО.

В отличие от Hascall-Denke, эта компания, пожалуй, самая скрытная в части параметров своих изделий.

Антенна RF-3162-AT001 (рис. 4) также из ряда крупногабаритных (при этом, естественно, и эффективных), она предназначена для работы в составе портативной радиостанции AN/PRC-152.

Рис. 4. Внешний вид антенны RF-3162-AT001

Технические характеристики:

• диапазон частот 30–512 МГц;
• КСВН не более 3,5:1;
• коэффициент усиления меняется от –15 дБи в нижней части диапазона до +2 дБи в верхней части;
• длина антенны 1,7 м, вес 1,1 кг.

Такие массо-габаритные показатели довольно велики для применения в портативной радиостанции. Впрочем, антенна крепится на одежде оператора отдельно от радиостанции и подключается к последней специальным соединительным кабелем.

При помощи другого, более длинного кабеля, входящего в комплект, антенна может забрасываться на дерево. Также в комплекте имеются специальные приспособления для крепления к одежде (рис.

5).

Рис. 5. Варианты крепления антенны

Судя по внешнему виду, RF-3162-AT001 также построена с использованием RL-звеньев, распределенных по длине антенного полотна.

В качестве иллюстрации сказанного выше о несовершенстве параметров сверхширокополосных антенн можно привести тот факт, что в комплекте радиостанции AN/PRC-152 одновременно с RF-3162-AT001 имеются следующие антенны:

• 12011-2730-01 — диапазон 30–512 МГц, облегченная, длиной 1,14 м;
• 12011-2700-01 — диапазон 30–108 МГц, длина 1 м;
• 12031-2700-01 — диапазон 225–450 МГц, длина, скорее всего, 0,3–0,5 м (не указана производителем).

Обозначение указанных моделей антенн взято из перечня аксессуаров для AN/PRC-152, их подробные технические характеристики компания не приводит.

 

TRIVAL ANTENE

Интересны антенны фирмы TRIVAL ANTENE (Словения). Они имеют свою собственную схемотехнику и цельное (с точки зрения электрической схемы) полотно, выполненное из стальной пружинной ленты. Согласующее устройство антенн этого производителя целиком сосредоточено в основании (возле разъема), но так же, как описанные выше конструкции, имеет в своем составе резистор. Последнее обстоятельство является основной причиной относительно малого коэффициента усиления, особенно в нижней части рабочего диапазона частот. Именно эта часть диапазона наиболее трудно поддается широкополосному согласованию, что и заставляет прибегать к использованию активной нагрузки. Это справедливо для антенн всех зарубежных производителей.

TRIVAL ANTENE выпускает целую линейку антенн диапазона 30–512 МГц. Наиболее эффективная (она же и самая большая) — AD-25/CW-3512 (рис. 6).

Рис. 6. Внешний вид антенны AD-25/CW-3512

Параметры изделия довольно «типовые» (рис. 7):

• диапазон частот 30–512 МГц;
• КСВН не более 3,5:1;
• коэффициент усиления меняется от –17 до –1 дБи.

Рис. 7. Параметры антенны AD-25/CW-3512

Длина антенны — 1,18 м при массе 320 г, что вообще-то неплохо. Антенна имеет в начале полотна гибкую часть, которая может оставаться в том положении, в каком ее изогнули. Этот специальный пружинный элемент встречается почти на всех аналогичных антеннах зарубежных производителей под жаргонным названием «гусиная шейка».

Если рассматривать более короткие антенны этой фирмы, работающие в диапазоне 30–512 МГц, то можно сразу взять самую компакт­ную — AD-44/BW-AS-30-512. Длина антенны всего 380 мм при массе 100 г. Ее технические характеристики показаны на графиках, приведенных производителем.

Из зависимости коэффициента усиления от частоты (рис. 8) видно, что антенна будет работать более-менее эффективно только на частотах выше 130 МГц, где ее коэффициент усиления меняется от –20 до –1 дБи.

Рис. 8. Зависимость коэффициента усиления от частоты AD-44/BW-AS-30-512

У TRIVAL ANTENE есть еще антенны диапазона 30–512 МГц длиной 504 и 825 мм, которые по эффективности занимают промежуточные положения между самой короткой и самой длинной.

 

COMROD

Из европейских производителей можно выделить норвежскую фирму COMROD. Компания производит очень широкий спектр антенн для портативных, носимых, возимых и базовых радиостанций. Каждый частотный диапазон в конкретном применении представлен несколькими моделями. Как правило, модели отличаются не только параметрами, но и наличием дополнительной функции, например, связная антенна может иметь встроенную добавочную антенну для навигации.

Антенна VHF30512HH/L (рис. 9) при длине 800 мм имеет коэффициент усиления от –14 до 0 дБи в диапазоне частот 30–512 МГц. Вес антенны — всего 200 г.

Рис. 9. Внешний вид антенны VHF30512HH/L

Необходимо также отметить интересное решение этой фирмы по конструкции гибкого держателя «гусиная шейка» (рис. 10), который выполнен отдельным универсальным изделием для подключения через него различных антенн. Держатель, помимо своей основной функции, имеет еще и установленную на нем активную антенну GPS. Антенна подключается к радиостанции коротким кабелем с разъемом SMA на конце.

Рис. 10. Вид антенны с держателем «гусиная шейка»

 

Общие свойства и отличия

Несмотря на значительные отличия в устройстве и параметрах антенн разных производителей, в большинстве из них есть несколько общих деталей, формирующих механическую основу конструкции. Как правило, в основании антенны находится широкополосное согласующее устройство, объединенное с разъемом при помощи жесткого корпуса (втулки). Выше установлен гибкий держатель «гусиная шейка», к которому уже крепится основное полотно антенны.

Полотно тоже устроено примерно одинаково. Оно представляет собой набор отдельных профилированных по длине лент, снаружи полотна расположены наиболее длинные отрезки ленты, внутри — убывающие по длине к продольной оси полотна. Ленты развернуты вогнутой частью друг к другу, для формирования большей силы упругости при изгибе.

Наружная оболочка полотна — термоусаживаемая полиолефиновая трубка.

Характеристики рассмотренных антенн одного класса («полноразмерные») приведены в таблице.

Таблица. Характеристики «полноразмерных» антенн

Модель антенны	КСВН, ед. в диапазоне частот (не более)	Коэффициент усиления, дБи в диапазоне частот	Длина, м	Масса, г
MPMP25x20, Hascall-Denke	3,5:1	от –8 до –3	1,8	560
RF-3162-AT001, HARRIS	3,5:1	от –15 до +2	1,7	1100
AD-25/CW-3512, TRIVAL ANTENE	3,5:1	от –17 до –1	1,18	320
VHF30512HH/L, COMROD	3,5:1	от –14 до 0	0,8	200

В электрических параметрах перечисленных и большинства других антенн при всех различиях тоже есть одно общее значение. Максимальная величина КСВН составляет 3,5:1. Здесь нет ничего удивительного. Уже упоминалось, что во всех согласующих устройствах сверхширокополосных антенн применяются активные нагрузки, т. е. резисторы. Резистор выбирается таким, чтобы КСВН не превышал указанного значения на трудно поддающихся согласованию участках диапазона. Как правило, это самая низкочастотная область. Величина КСВН 3,5:1 считается близкой к предельной для нормального согласования антенны с передатчиком. При этом значении передатчик развивает около 70% от мощности, которую он способен отдать в идеально согласованную антенну.

Все современные сверхширокополосные антенны портативных радиосредств имеют низкий коэффициент усиления. Указываемое производителями значение этого важнейшего параметра в самой низкочастотной области лежит в диапазоне от –20 до –10 дБи в направлении горизонта, а на большей части рабочего диапазона колеблется от –5 до +3 дБи. Как правило, низкие значения коэффициента усиления связаны с применением в цепях согласования резистивной нагрузки, а на нижних частотах диапазона являются еще и следствием слишком малых размеров антенн по сравнению с длиной волны. Размеры антенн, в свою очередь, ограничиваются требованиями заказчиков средств радиосвязи. Но чем «полноразмернее» антенна, тем больше ее эффективность.

Однако не всегда такие ухудшения параметров антенн влекут за собой уменьшение дальности связи в целом.

Дело в том, что антенна с резистором в согласующем устройстве менее чувствительна к наличию в непосредственной близости от нее различных предметов. График КСВН во всей полосе изменяется незначительно даже при расположении такой антенны горизонтально на грунте. Этот эффект полезен для современных радиосредств, которые реализуют высокоскоростную цифровую передачу информации, предъявляющую повышенные требования к качеству нагрузки передатчиков, т. е. к стабильности импеданса антенн. А в антеннах портативных и носимых радиосредств эту задачу проще всего решить применением резистивной нагрузки в цепях согласования.

В итоге потребители вынуждены мириться с уменьшением эффективности антенн в угоду требованиям современной цифровой радиосвязи.

 

Выводы

Насколько можно судить по открытым источникам (сайты разработчиков и производителей), лучшей на сегодня в диапазоне частот 30–512 МГц (основной диапазон для портативных широкополосных радиостанций) является антенна MPMP25x20 фирмы Hascall-Denke. Она имеет намного более высокий коэффициент усиления в области низких частот, чем у других производителей. Несмотря на некоторую сдачу позиций на высоких частотах, в целом усиление антенны более равномерное по диапазону, что тоже немаловажно.

По соотношению длина–эффективность лучшей антенной можно признать VHF30512HH/L норвежской фирмы COMROD.

Разработка и производство антенно-фидерных устройств, особенно сверхширокополосных, — новое направление деятельности для ОАО «Ангстрем». Специалисты этой фирмы досконально изучили опыт мировых производителей средств радиосвязи, что помогло избежать некоторых ошибок, совершенных зарубежными разработчиками. В результате компания имеет собственные разработки антенн для портативных радиостанций, которые по техническим характеристикам не только не уступают зарубежным, но и превосходят их в части основных параметров. Так, например, у портативной антенны максимальное значение КСВН в диапазоне частот 27–520 МГц составляет 3:1, в отличие от 3,5:1 у зарубежных аналогов, при этом нашим разработчикам удалось избежать применения активных нагрузок (резисторов) в схеме согласования. А это означает отсутствие потерь на нагревание и, как следствие, более высокий коэффициент усиления антенны по сравнению со всеми зарубежными аналогами. Несмотря на новизну направления, «Ангстрем» уже обладает уникальными возможностями в разработке и производстве антенн для портативных радиостанций в диапазоне частот 27–2700 МГц, превосходящих по основным техническим характеристикам продукцию ведущих мировых производителей средств связи.

Литература

1. Алексеев Д. М., Балдин А. М., Бонч-Бруевич А. М., Боровик-Романов А. С., Вайнштейн Б. К., Вонсовский С. В., Гапонов-Грехов А. В., Герштейн С. С., Гуревич И. И., Гусев А. А., Ельяшевич М. А., Жаботинский М. Е., Зубарев Д. Н., Кадомцев Б. Б., Шапиро И. С., Ширков Д. В.; под общ. ред. А. М. Прохорова. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 1988—1998.
2. hascall-denke.com
3. rf.harris.com
4. trivalantene.si
5. comrod.com
6. racalantennas.com
7. shakespeare-military.com
8. United States Patent No US6,429,821 B1, Aug. 6, 2002
9. rami.com
10. cojot.com

Миниатюрная меандрированная дипольная антенна UHF RFID для гибкого применения

На этой странице

АннотацияВведениеЗаключениеБлагодарностиСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

Предлагается миниатюрная меандрированная дипольная антенна для UHF RFID-метки. Различные резонансные частоты и импеданс могут быть достигнуты путем регулировки количества меандров, что может помочь уменьшить размер антенны. Благодаря накладкам излучения входной импеданс антенны можно гибко настраивать в больших масштабах. Предлагаемая антенна печатается на полиэтиленовой (ПЭТ) подложке общим объемом 48 мм × 13,7 мм × 0,5 мм. Результаты моделирования и симуляции показывают, что коэффициент отражения антенны составляет менее −15 дБ при 860–960 МГц. Экспериментальные исследования показывают, что минимальная пороговая мощность антенны составляет от 23 до 26 дБм, а измеряемая дальность считывания составляет 3–4 м.

1. Введение

Радиочастотная идентификация (RFID) — это технология бесконтактной автоматической идентификации и сбора данных, использующая радиоволны. Благодаря превосходным характеристикам, таким как отсутствие требований прямой видимости, большой рабочий диапазон и работа в суровых условиях, RFID широко используется в различных информационных системах. Сверхвысокочастотная (UHF) RFID имеет много преимуществ по сравнению с низкочастотной системой, например, большую дальность считывания, более высокую скорость передачи данных и программируемость. Технология UHF RFID стала популярной в повседневной жизни. Типичная метка RFID состоит из антенны и микросхемы интегральной схемы. Система UHF RFID включает электромагнитное взаимодействие между антенной метки и считывателем. Модуляция обратного рассеяния будет иметь хорошие характеристики, когда микросхема согласует свою внутреннюю нагрузку с антенной [1, 2]. Антенна метки играет ключевую роль в характеристиках системы, таких как дальность считывания, энергопотребление микрочипа и общий размер метки [3]. Поскольку большинство меток UHF RFID прикрепляются к объектам ограниченного размера, необходимо проектировать антенны с малой геометрией с хорошей эффективностью излучения. Чтобы уменьшить размер антенны, есть две стратегии: меандрирование и перевернутая F-структура.

Чтобы уменьшить размер планарной перевернутой F-антенны (PIFA), Чжан и Лонг встроили в средний слой щелевой переходной патч, что позволило гибко настраивать входное сопротивление антенны в больших масштабах [4]. Однако двухслойная антенна сложна для крупносерийного производства.

Как было предложено в [3], для работы с множеством материалов для повсеместного применения необходима антенна с достаточной полосой пропускания. Разработанная антенна может монтироваться на самые разнообразные диэлектрические материалы произвольной толщины. По мере увеличения диэлектрической проницаемости резонансная частота уменьшалась, а коэффициент отражения увеличивался из-за коэффициента масштабирования амплитуды. Микрополосковая антенна часто уменьшает размеры антенны за счет использования диэлектрической пластины с высокой диэлектрической проницаемостью или увеличивает частоту связи [5]. Однако из-за ограниченной полосы пропускания и большой конструкции микрополосковые антенны не подходят для некоторых приложений. Следовательно, желательно разработать небольшую недорогую низкопрофильную антенну для простого производственного процесса [6]. Согласно Marrocco [2], схема Т-образного соответствия оказывает значительное влияние на импеданс антенны. Мы используем сеть T-match, чтобы получить широкополосную производительность.

В этой статье основное внимание уделяется разработке электрически небольшой гибкой антенны с высокой эффективностью, простой конструкцией и низкой стоимостью. Изменяя структуру диполя, мы можем отрегулировать входное сопротивление антенны, чтобы она могла согласовать свое сопротивление с микрочипом.

2. Конфигурация антенны

В этом разделе мы представляем миниатюрную UHF RFID-антенну со структурой, аналогичной 9662, производства Alien Technology. Конструктивная схема антенны показана на рис. 1. Антенна состоит из контура питания, меандрового диполя и двух излучателей. Связь между петлей и диполем регулируется расстоянием между ними и размером петли [7].

Входной импеданс антенны на Рисунке 1, , определяется как где , , и — индивидуальный импеданс контура, извилистого диполя и излучателя соответственно. — взаимная индуктивность между контуром и меандрированным диполем.

Мы можем видеть метку как однопортовую сеть, показанную на рис. 2, которая представляет собой схему антенна-чип со сложными импедансами источника и нагрузки. Коэффициент отражения мощности между антенной и чипом показывает, какая часть максимальной мощности, доступной от генератора, не доводится до нагрузки: где — импеданс чипа, а — импеданс антенны. является сопряженным с .

Коэффициент передачи мощности определяется по формуле [8]

Расстояние активации метки можно рассчитать по формуле Фрииса для свободного пространства [8] где длина волны, мощность, передаваемая считывателем, коэффициент усиления передающей антенны, представляет собой коэффициент усиления приемной антенны метки и представляет собой минимальную пороговую мощность для активации чипа метки RFID.

Соответствие импеданса между антенной и чипом является основным фактором, влияющим на работу антенны. Для согласования входного импеданса со значением комплексного импеданса бозона Хиггса-3 используются меандрированный диполь и индуктивно связанная подача. Антенна напечатана на ПЭТ-подложке толщиной 0,5 мм, относительной диэлектрической проницаемостью 2,25 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,001. Антенна предназначена для сопряженного согласования с пассивной интегральной микросхемой Чужого Хиггса-3 на частоте около 920 МГц. Для изготовления антенны мы выбираем травленый алюминий.

2.1. Антенна с разным количеством меандров

Для проверки процедуры проектирования антенны с разным количеством меандров моделируются и симулируются с помощью полноволнового симулятора Ansoft HFSS. представляет количество меандров. На рис. 3 показаны входное сопротивление антенны и коэффициенты отражения при соответственно.

На рисунке 3(a) три антенны имеют одинаковый общий размер с разным количеством меандров. На рис. 3(b) показаны характеристики импеданса трех антенн. Мы можем обнаружить, что количество меандров может эффективно настраивать входное сопротивление антенны. На рис. 3(с) указан соответствующий коэффициент отражения . Видно, что полоса пропускания −3 дБ простирается на 860–960 МГц, что покрывает весь диапазон UHF RFID. По мере увеличения количества меандров расстояния между ними становятся меньше и вызывают большую связь смещения. Согласно выражению (1) импеданс меандрированного диполя уменьшается. То есть путем независимой регулировки можно легко реализовать сопряженный импеданс, соответствующий различным микросхемам.

2.2. Антенна с разными излучателями

На рис. 4 показаны входное сопротивление и коэффициенты отражения антенн с разными излучателями при . Первая антенна не имеет излучателя. Вторая антенна имеет излучатель шириной , а третья антенна имеет излучатель шириной . Поскольку излучатель большего размера имеет больший импеданс, мы можем легко контролировать импеданс антенны, изменяя ширину излучателя, что подтверждается рисунками 4(b) и 4(c). Заметив, что импеданс увеличивается с увеличением , мы можем получить сопряженный импеданс, соответствующий различным микросхемам, регулируя . Точно так же разные резонансные частоты и полоса пропускания по уровню -3 дБ также могут быть реализованы с разными значениями .

2.3. Антенна с разным размером контура

На рис. 5 показаны входное сопротивление и коэффициенты отражения антенн с разным размером контура при . Первая антенна имеет петлю с и . Вторая антенна имеет петлю с и , а размер петли в третьей антенне , с . На рис. 5(b) показано, что мнимая часть импеданса антенны в значительной степени определяется размером петли. Сравнивая характеристики трех антенн на рисунке 5(c), мы можем обнаружить уменьшение коэффициента отражения мощности при увеличении размера петли. Согласно выражению (1), петля большего размера имеет больший импеданс. При этом взаимная индуктивность между контуром и меандрированным диполем также будет увеличиваться. Следовательно, согласование сопряженных импедансов различных микросхем может быть легко реализовано путем регулировки размера контура.

3. Конструкция и характеристики антенны

В этой конструкции мы фиксируем количество меандров на уровне 3 и ширину излучателя на уровне 5,2 мм. Прототип антенны разработан для RFID-чипа Alien Higgs-3, входное сопротивление которого составляет 925 МГц. Фотография изготовленной метки показана на рисунке 6. Соответствующие параметры антенны следующие: , , , , , ,  мм, .2 мм,  мм и  мм. Общий размер нашей миниатюрной бирки составляет 48 мм × 13,7 мм × 0,5 мм, а размер 9662 — 69 мм.мм × 16 мм × 0,5 мм.

Для проверки характеристик согласования было выполнено измерение импеданса с использованием векторного анализатора цепей (ВАЦ) и метода расширения портов, предложенного в [9]. Конфигурация измерительной системы показана на рис. 7.

На рис. 8 показаны характеристики импеданса и коэффициента отражения предлагаемой антенны. На рисунке 8(a) сплошная линия представляет собой реактивное сопротивление, а пунктирная линия представляет собой сопротивление, а чип представляет сопряженное значение импеданса чипа метки.

Минимальная пороговая мощность, а также дальность считывания метки были измерены в безэховой камере с использованием считывающей антенны с круговой поляризацией и эффективной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) 4 Вт. Из рисунка 9 видно, что минимальный порог мощность составляет от 23 до 26 дБм во всем диапазоне УВЧ RFID. На рисунке 10 показано, что измеренный диапазон считывания предлагаемой метки составляет от 3 до 4 м. Другими словами, характеристики считывания метки стабильны во всем диапазоне UHF RFID.

4. Заключение

Миниатюрная и гибкая антенна RFID-метки с общим объемом 48 мм × 13,7 мм × 0,5 мм предлагается для диапазона UHF RFID. Можно использовать различные участки излучения и количество меандров, чтобы получить различные характеристики входного импеданса и малых размеров. Моделирование антенны проводилось с помощью HFSS, а исследование измерений проводилось в безэховой камере. Как результаты моделирования, так и результаты измерений показывают, что характеристики согласования импеданса являются приемлемыми, что означает, что предлагаемая антенна является хорошим кандидатом для миниатюрных, гибких и маломощных меток.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Благодарности

Эта работа поддерживается Тяньцзиньским фондом естественных наук (№ 13JCQNJC01300) и Тяньцзиньским научно-техническим проектом (№ 15ZLZLZF00300).

Ссылки

1. S. X. Ta, I. Park, and R. W. Ziolkowski, «Скрещенные дипольные антенны: обзор», IEEE Antennas and Propagation Magazine , vol. 57, нет. 2015. Т. 5. С. 107–122.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. Г. Маррокко, «Искусство проектирования антенн UHF RFID: методы согласования импеданса и уменьшения размеров», IEEE Antennas and Propagation Magazine , vol. 50, нет. 1, стр. 66–79, 2008 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. С. Шао, Р. Дж. Буркхолдер и Дж. Л. Волакис, «Подход к проектированию надежных антенн с метками UHF RFID, установленных на множестве диэлектрических поверхностей [блокнот проектировщика антенн]», IEEE Antennas and Propagation Magazine , vol. 56, нет. 5, стр. 158–166, 2014 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

4. Дж. Чжан и Ю. Лонг, «Миниатюрная двухслойная RFID-метка с нагрузкой через патч-антенну для приложений с металлическими объектами», IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , vol. 12, стр. 1184–1187, 2013.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

5. N. Sharma, A.K. Gautam и B.K. Kanaujia, «Микрополосковая антенна с квадратной щелью с круговой поляризацией для приложений RFID», International Journal of Microwave & Wireless Technologies , 2015.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. B. Wang, «Конструкция компактной антенны для приложений UHF RFID», Progress in Electro Magnetics Research Letters , vol. 53, стр. 83–88, 2015.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

7. В. Чой, Х. В. Сон, К. Шин, Дж.-Х. Bae и G. Choi, «Антенна RFID-метки с извилистым диполем и индуктивно связанным питанием», в Международный симпозиум IEEE Antennas and Propagation Society (APS ’06) , стр. 619–622, Альбукерке, Нью-Мексико, США, июль 2006 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

8. Дж. Чжан и Ю. Лонг, «Двухслойная широкополосная компактная антенна UHF RFID-метки для приложений, совместимых с платформой», IEEE Transactions on Antennas and Propagation , vol. 61, нет. 9, стр. 4447–4455, 2013.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

9. X. Qing, C.K. Goh и Z.N. Chen, «Определение импеданса антенн RFID-меток и применение в совместной разработке меток», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol. 57, нет. 5, стр. 1268–1274, 2009.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

Copyright

Copyright © 2016 Xiuwei Xuan et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Метки УВЧ RFID со струйной печатью на возобновляемых материалах

Достижения в области Интернета вещей
Vol. 2 № 4 (2012 г.), идентификатор статьи: 23699, 4 страницы0003

Juha Virtanen, Johanna Virkki, Leena Ukkonen, Lauri Sydänheimo

Кафедра электроники, Исследовательский отдел Rauma,

Технологический университет Тампере, Тампере, Финляндия

Email: juha. [email protected]

d

, август 2012 г.; пересмотрено 15 сентября 2012 г.; принято 27 сентября 2012 г.

Ключевые слова: Струйная печать; Возобновляемые материалы; RFID; UHF

РЕФЕРАТ

Радиочастотная идентификация (RFID) обеспечивает большой потенциал для различных приложений Интернета вещей (IOT). В будущем выбор материалов для этих устройств IOT окажет огромное влияние на окружающую среду, поэтому использование возобновляемых материалов становится растущей тенденцией. В этой статье пассивные сверхвысокочастотные (UHF) RFID-метки были напечатаны с помощью струйной печати непосредственно на деревянных, бумажных и картонных подложках, а их производительность оценивалась путем измерения двух ключевых характеристик: пороговой мощности и теоретического диапазона считывания. Согласно нашим измерениям, метки на дереве показали дальность считывания 7-8 метров, метки на картоне показали дальность считывания 4-7 метров, а метки, напечатанные на бумаге, показали дальность считывания 2-7 метров через глобальную UHF RFID. группа. Согласно этим результатам, производительность этих напечатанных на струйной печати UHF RFID-меток достаточна для многих устройств IoT и потенциальных приложений, например. в строительстве и упаковочной промышленности.

1. Введение

Интернет вещей (IOT) — это концептуальное видение соединения повседневных вещей и всех видов устройств для создания вездесущего компьютерного мира. Он имеет большой потенциал, например. в домашней автоматизации, интеллектуальном транспорте и здравоохранении [1,2]. Для подключения объектов к крупным сетям решающее значение имеет простая, экономичная и надежная технология. Радиочастотная идентификация (RFID) — важная беспроводная технология, имеющая широкий спектр применений и обеспечивающая неограниченный потенциал для Интернета вещей. В будущем выбор материалов для этих устройств IOT окажет огромное влияние на окружающую среду. Вот почему использование возобновляемых, экологически чистых материалов, таких как дерево и бумага, является растущей тенденцией. Кроме того, многие отрасли заинтересованы в новых интеллектуальных продуктах, и большой потенциал заключается, в частности, в строительной и упаковочной промышленности, где типичными материалами являются дерево и картон. Это делает интеграцию электроники и возобновляемых материалов интересной областью исследований.

В этой статье пассивные сверхвысокочастотные (UHF) RFID-метки были напечатаны с помощью струйной печати непосредственно на деревянных, бумажных и картонных подложках, а их характеристики оценивались путем измерения двух ключевых характеристик: пороговой мощности и теоретического диапазона считывания.

2. Пассивная система UHF RFID

Пассивные системы UHF RFID, показанные на рис. 1, работают в полосе частот от 860 до 960 МГц [3]. Типичная система состоит из трех основных компонентов: считывателей, считывающих антенн и меток, которые прикрепляются к отслеживаемым и идентифицируемым объектам. Блок считывания содержит приемопередатчик, который используется для беспроводной связи с метками, а также порт USB или порт Ethernet для связи с конечным приложением, например. база данных. Метка состоит из двух компонентов: антенны и интегральной схемы (ИС). ИС состоит из выпрямителя, модулятора и блоков энергонезависимой памяти. В памяти хранится электронный код продукта (EPC), представляющий собой электронный отпечаток пальца, уникальный 96-битный идентификационный код [4-6].

Работа пассивных систем UHF RFID основана на взаимодействии электромагнитных волн. Блок считывателя генерирует высокочастотный сигнал, который антенной считывателя преобразуется в беспроводную электромагнитную волну. Этот сигнал отправляется на антенну метки, которая принимает его и передает на ИС метки. Поскольку пассивные метки не содержат выделенных источников питания, т.е. батареи, сигнал от считывающего устройства используется для питания ИС. После того, как ИС выпрямит достаточную мощность, чтобы активировать себя, ИС включает свой модулятор, который переключается между двумя нагрузками на своем входе, согласованной нагрузкой и несогласованной нагрузкой, чтобы генерировать ответ обратного рассеяния, содержащий EPC метки.

3. Рекомендации по подложке для RFID-меток на деревянной и бумажной основе

Материал подложки влияет на характеристики метки благодаря своим электрическим свойствам, таким как тангенс угла потерь и относительная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость описывает количество энергии, запасенной средой при

Рисунок 1. Пассивная система UHF RFID.

приложено внешнее электрическое поле. Тангенс угла потерь — это величина, которая используется для описания потерь в диэлектрическом материале. Тангенс угла потерь является мерой преобразования реактивной мощности в реальную мощность, рассеиваемую в виде тепла. Пористые подложки также оказывают косвенное влияние на метку через морфологию красочного слоя, которая зависит от метода печати, подложки и состава чернил. На пористых подложках краска может частично впитаться в подложку, и, таким образом, средняя толщина печатной пленки зависит от материала подложки. Площадь поперечного сечения проводящей пленки является важным параметром, влияющим на электрические характеристики пленок, напечатанных проводящими красками. И профиль поверхности, и толщина пленки влияют на площадь поперечного сечения, и, таким образом, подложка влияет на электрические характеристики красочной пленки. Эффекты нагрузки от материалов, окружающих антенну, необходимо учитывать, если желательна высокая дальность считывания от антенны-метки в данной среде или на данном материале подложки. Любые материалы, диэлектрики или металлы, находящиеся вблизи антенны метки, будут нагружать антенну, вызывая изменения входного импеданса, а также электрической длины антенны. Если такие эффекты не учитывать на этапе проектирования антенны, рабочая частота смещается, а дальность считывания ухудшается. Диэлектрические свойства, особенно тангенс угла потерь, тесно связаны с молекулярной структурой материалов. Чем меньше дипольный момент (или полярность), тем меньше значение тангенса угла потерь материала [7-10].

Некоторые значения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь для бумаги, приведенные в публикациях [11-13], представлены в таблице 1. В нашем случае наиболее релевантными измеренными значениями для бумажной подложки являются значения, указанные в статье [11], где диэлектрическая проницаемость характеристики бумаги исследовались в диапазоне УВЧ. С помощью кольцевого микрополоскового резонатора исследованы относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь коммерческой бумаги. Следует также отметить, что сообщаемые значения не являются постоянными и будут меняться в зависимости от частоты, температуры и влажности [12,14-19].].

Относительная диэлектрическая проницаемость плиты из березовой фанеры толщиной 1,8 см была измерена с помощью набора диэлектрических датчиков Agilent 85070E в диапазоне частот от 0,5 до 3 ГГц (рис. 2). Измеренная температура плиты составила 23°C, а содержание влаги было определено равным 12% по весу с использованием влагомера материала. Полученная относительная диэлектрическая проницаемость 2,5 в глобальном диапазоне UHF RFID (от 860 МГц до 960 МГц) и тангенс угла потерь хорошо согласуются с результатами для древесины типа березы/бука, найденными в различных публикациях по теме. Однако диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь древесины также сильно зависят от содержания воды и температуры.

4. Особенности дизайна для струйной печати на деревянных и бумажных поверхностях

Деревянные и бумажные поверхности являются сложными для струйной печати из-за их пористости и высокой шероховатости поверхности. Капли чернил легко впитываются древесиной и бумагой, не позволяя наноразмерным частицам металлизации, содержащимся в чернилах, образовывать проводящий слой. Бумага и особенно древесина также являются относительно новыми материалами в электронной промышленности, и электрические свойства различных сортов бумаги и дерева еще не определены в полной мере, особенно на разных частотах. Вот почему печать РЧ-приложений на дереве, картоне и бумаге требует дополнительной работы для достижения надлежащей производительности.

Уникальной характеристикой деревянных поверхностей является их текстура. При ближайшем рассмотрении зерна видно, что на поверхности есть канавки, которые различаются в зависимости от зерна. В направлении зерна такие изменения шероховатости поверхности относительно невелики, тогда как в направлении зерна изменения шероховатости поверхности значительны. Следовательно, чтобы максимизировать производительность и производительность процесса изготовления, антенны метки должны быть напечатаны в направлении и против волокон, чтобы должным образом заполнить волокна проводящим материалом. На самом деле пометьте антенны

Рис. 2. Диэлектрические свойства фанеры на основе березы, 23°С и 12% мас.

Таблица 1. Электрические свойства бумажных материалов.

, напечатанный только в одном направлении, не работал даже с несколькими слоями чернил.

Наши предварительные тесты показали, что антенны-метки, которые были напечатаны на дереве вдоль волокон, показали наилучшие характеристики, т. е. диполь находился на одной линии с волокнами. Поэтому антенны-метки, напечатанные на дереве, должны быть сконструированы таким образом, чтобы большая часть площади поверхности антенны располагалась на одной оси в направлении волокон. Правило проектирования с одной осью было одним из основных аспектов проектирования антенны метки, представленной в этой статье. Распространение чернил на поверхности дерева, картона и бумаги также вызывает серьезную озабоченность. Кроме того, на деревянной поверхности растекание краски максимально в направлении волокон. Следовательно, конструкция антенны метки должна быть оптимизирована таким образом, чтобы не было узких зазоров в направлении волокон, поскольку растекание чернил может вызвать короткое замыкание в этих областях. Количество растекания краски зависит от размера зерна, а также от разрешения печати, которое должно быть как можно ниже.

5. Процесс изготовления бирки

5.1. Конструкция антенны метки

Конструкция антенны метки, предназначенная для печати на возобновляемых материалах, была разработана для обеспечения широкой рабочей полосы пропускания, именуемой широкополосной антенной метки, при соблюдении правила одной оси. Расположение тегов показано на рисунке 3, а основные размеры перечислены в таблице 2. Широкая рабочая полоса пропускания была достигнута за счет использования схемы согласования импеданса с индуктивным контуром, которая обеспечивает комплексно-сопряженное согласование [20]. Антенна изначально разработана специально для деревянной подложки.

5.2. Ключевые параметры процесса струйной печати

Образцы для всех трех подложек были напечатаны струйной печатью с использованием принтера материалов Dimatix DMP-2800 [21], оснащенного соплами печатающей головки на 10 пл. В качестве проводящих чернил использовались чернила с наночастицами серебра Harima NPS-JL [22]. Основные параметры перечислены в Таблице 3.

NPS-JL особенно подходит для процесса изготовления возобновляемых материалов, поскольку требует низких температур спекания, минимум 120°C. Спекание необходимо для того, чтобы наночастицы сцепились друг с другом, образуя проводящий слой. Удельное сопротивление NPS-JL зависит от температуры спекания и составляет от 4 до 6 мкОм·см, что примерно в три раза выше, чем удельное сопротивление объемного серебра.

5.3. Печать и отверждение ярлыков

Материалами подложки, использованными в этом исследовании, были березовый шпон, обычный упаковочный картон и художественная бумага с шелковой поверхностью (рис. 4).

При печати на подложке из деревянного шпона антенны метки сначала печатались в направлении волокон с использованием пяти слоев краски. На втором этапе антенны метки были повернуты на 90 градусов против часовой стрелки и на пять

Рис. 3. Конструкция широкополосной антенны метки.

Рис. 4. Напечатанные струйной печатью метки с микросхемами на бумаге (A); (Б) дерево; и (С) картон.

Таблица 2. Основные размеры антенны метки.

дополнительных слоя краски были добавлены против волокон. Это гарантирует, что текстура древесины будет полностью заполнена чернилами. Выяснилось, что без второго этапа образцы, напечатанные на чистой древесине, не работали даже с десятью слоями

Таблица 3. Основные параметры процесса струйной печати.

краска печатается по направлению волокон. После второго этапа образцы спекали при 150°С в течение 60 минут. После спекания вышеуказанный процесс повторяли второй раз. Это было сделано для обеспечения достаточной толщины проводников для антенн. В случае печати бирок на картонной подложке все слои печатались в одном направлении. На картоне было напечатано два вида бирок; метки с двадцатью слоями краски и последующим спеканием и метки с десятью слоями краски и последующим спеканием, повторенным два раза. Метки спекались при 150°C в течение 60 минут. Бирки, напечатанные на бумаге, были изготовлены путем нанесения 15 слоев краски в одном направлении с последующим спеканием при 150°C в течение 60 минут. Параметры изготовления всех напечатанных бирок приведены в таблице 4.

После печати и отверждения к образцам прикрепляли ИС Higgs-3 RFID (метки, напечатанные на дереве) и ИС NXP RFID (метки, напечатанные на бумаге и картоне) с помощью проводящей серебряной эпоксидной смолы. Следует отметить, что изначально антенна проектировалась для ИМС Хиггса-3. Обе эти ИС имеют чувствительность ~18 дБм, но входное сопротивление разное, что может привести к различиям в результатах. На рис. 4 показано изображение полностью изготовленных этикеток, напечатанных струйной печатью на бумаге, дереве и картоне.

6. Оценка тегов

6.1. Измерения

В этом разделе представлены результаты измерений, которые были выполнены для определения характеристик напечатанных этикеток на различных носителях. Все измерения, сделанные для этого исследования, были выполнены с помощью Tagformance, измерительного устройства RFID. Он использовался для измерения ключевых свойств пассивных UHF RFID-меток: пороговой мощности и теоретического диапазона считывания.

Пороговая мощность описывает минимальную мощность передачи на порту передачи, при которой тег активируется. Теоретическая дальность считывания описывает максимальное расстояние между меткой и антенной считывателя в свободном пространстве, то есть в среде без отражений или внешних помех; отсюда и термин «теоретическая дальность чтения». Измерительная система способна рассчитать теоретический диапазон считывания метки, используя ее измеренную пороговую мощность вместе с измеренными прямыми потерями. Прямые потери, т. е. потери от порта передачи до метки, рассчитываются с использованием эталонной метки. Кроме того, система предполагает, что диапазон считывания ограничен допустимыми уровнями передаваемой мощности. Измерительная система рассчитывает теоретическую дальность считывания на основе измеренных потерь в тракте и пороговой мощности, т. е. уровня мощности передачи на выходе генератора, необходимого для активации тестируемой метки. Этот расчет производится в соответствии со следующим уравнением

(1)

, где EIRP — это максимально допустимая эквивалентная излучаемая мощность согласно правилам (3,28 Вт в Европе), P _TS — пороговая мощность тестируемой метки, а L _fwd — измеренные потери в тракте в прямой ссылке в настройках измерения.

6.2. Результаты и обсуждение

Пороговая мощность и теоретические диапазоны считывания образцов измерялись в диапазоне частот от 800 до 1000 МГц в компактной безэховой камере. Блок измерения использовался в сопряжении с линейной патч-антенной 6 дБи. Расстояние измерения составило 45 см. Согласно нашим измерениям, метки как на деревянных, так и на картонных подложках показали хорошие результаты во всем глобальном диапазоне UHF RFID. Метки, напечатанные на бумаге, показали достаточную производительность, но производительность значительно изменилась в диапазоне UHF RFID. Пороговая мощность и теоретические диапазоны считывания меток, напечатанных на дереве, бумаге и картоне, можно увидеть на рисунке 5.

Оптимальная частота для этикеток, напечатанных на дереве, находится в диапазоне 880–940 МГц, тогда как оптимальная частота для этикеток, напечатанных на картоне, находится в диапазоне 900–960 МГц (20 слоев) и 920–970 МГц (10 + 10 слоев). . Оптимальная частота для меток, напечатанных на бумаге, составляет около 980 МГц.

Метки, напечатанные на чистой древесине, показали дальность считывания 7–8 метров во всем глобальном диапазоне UHF RFID. Этих диапазонов считывания достаточно для многих будущих приложений IOT, а также для нужд упаковочной и строительной промышленности. Метки, напечатанные на картоне с использованием непосредственно 20 слоев чернил и только одного спекания, показали дальность считывания 5–6 метров, а метки, напечатанные на картоне путем печати 10 + 10 слоев, показали дальность считывания 4–7 метров в диапазоне UHF RFID. Таким образом, также считываются диапазоны тегов, напечатанные на

Таблица 4. Параметры изготовления всех бирок.

Рис. 5. Характеристики этикеток, напечатанных на бумаге, картоне и дереве. Картон

предлагает большой потенциал для многих будущих применений. Диапазон считывания меток, напечатанных на бумаге, варьировался от 2 до 7 метров в диапазоне UFH RFID. Необходимы дополнительные исследования, чтобы найти правильные параметры для производства. Однако и эти результаты обнадеживают, особенно если учесть, что изначально антенна проектировалась для ИС Хиггса-3 и деревянной подложки.

7. Заключение

Использование возобновляемых экологически чистых материалов, таких как древесина и бумага, в качестве подложки для электроники является интересной областью исследований, особенно с учетом выбора материалов для многих будущих устройств. В этой статье пассивные метки UHF RFID были напечатаны струйной печатью на дереве, бумаге и картоне. Согласно нашим измерениям, метки на дереве показали дальность считывания 7-8 метров, метки на картоне показали дальность считывания 4-7 метров, а метки, напечатанные на бумаге, показали дальность считывания 2-7 метров через глобальную UHF RFID. группа. Согласно этим результатам, производительность этих напечатанных на струйной печати UHF RFID-меток достаточна для многих реальных устройств и потенциальных приложений, например. в строительстве и упаковочной промышленности. Следующим шагом является оптимизация количества используемых чернил.

8. Благодарности

Настоящая исследовательская работа финансировалась Финским агентством по финансированию технологий и инноваций (TEKES), Академией Финляндии, Фондом столетия финской технологической промышленности и Финским лесным фондом.

ССЫЛКИ

1. Комиссия Европейских сообществ, «Интернет вещей — план действий для Европы», 2009 г. http://ec.europa.eu/information_society/policy/rfid/documents/commiot2009.pdf
2. R Ван Краненбург, «Интернет вещей в Европе», отчет о конференции, 2010 г. http://ec.europa.eu/information_society/policy/rfid/documents/iotconferencereport2010.pdf
3. GS1, «Регуляторный статус использования RFID в диапазоне УВЧ», 2012 г. http://www.gs1.org/docs/epcglobal/UHF_Regulations.pdf
4. М. Добкин, «РЧ в RFID», Wiley, Нью-Йорк, 2010.
5. К. Финкенцеллер, «Руководство по RFID: основы и приложения в бесконтактных смарт-картах, радиочастотной идентификации и ближней радиосвязи», Wiley, Нью-Йорк, 2010. doi:10.1002/9780470665121
6. GS1, «EPC Протокол UHF RFID класса 1 поколения 2 для связи от 860 МГц до 960 МГц», 2012 г. http://www.gs1.org/gsmp/kc/epcglobal/uhfc1g2/uhfc1g2_1_2_0-standard-20080511.pdf
7. S. Merilampi, T. Björninen, A. Vuorimäki, L. Ukkonen, P. Руусканен и Л. Сиданхеймо, «Влияние толщины слоя проводящей краски на функционирование печатных UHF RFID-антенн», RFID — уникальная радионовация для 21-го века, Vol. 98, № 9, 2010, стр. 1610-1619.
8. Т. Бьорнинен, С. Мерилампи, Л. Укконен, П. Руусканен и Л. Сиданхеймо, «Сравнение производительности серебряных чернил и медных проводников для микроволновых приложений», IET Microwaves, Antennas & Propagation, Vol. 4, № 9, 2010, стр. 1224-1231. doi:10.1049/iet-map.2009.0241
9. С. Мерилампи, Т. Бьорнинен, Л. Укконен, П. Руусканен и Л. Сиданхеймо, «Характеристика UHF RFID-меток, изготовленных непосредственно на выпуклых поверхностях методом тампопечати», The International Journal передовых производственных технологий, Vol. 53, № 5, 2011, стр. 577-591. doi: 10.1007/s00170-010-2869-y
10. Г. Шейкер, С. Сафави-Наейни и М. М. Тенцерис, «Струйная печать сверхширокополосных (СШП) антенн на бумажных подложках», IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 10, 2011, стр. 111-114. Дои: 10.1109/LAWP.2011.2106754
11. Ян Л., Рида А., Вьяс Р. и Тенцерис М.М. Метки RFID и радиочастотные структуры на бумажной подложке с использованием технологии струйной печати // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 55, № 12, 2007, стр. 2894-2901. doi:10.1109/TMTT.2007.909886
12. М. А. Лотон и Д. Ф. Уорн, ред., «Справочник инженера-электрика», Elsevier, Нью-Йорк, 2003.
13. Дж. Фрейден, «Справочник по современным датчикам — физика, конструкция и Приложения», Springer-Verlag, Берлин, 2004.
14. Д. К. Ченг, «Основы инженерной электромагнетики», Addison-Wesley, New York, 1993.
15. M. Prudenziati, Ed., «Thick Film Sensors», Elsevier, New York, 1994.
16. K. H. J. Buschow, R. W. Cahn , M. C. Flemings, B. Ilschner, E. J. Kramer and S. Mahajan, Eds., «Энциклопедия материалов — наука и технология», Vol. 1-11, Elsevier, Нью-Йорк, 2001 г.
17. C. F. Coombs, «Справочник Кумбса по печатным схемам», McGraw-Hill Publishing, Нью-Йорк, 2001 г.
18. Лаборатория лесных товаров Министерство сельского хозяйства США, «Справочник по древесине — древесина как конструкционный материал», 2001 г.
19. Е. А. Кампо, «Выбор полимерных материалов — как выбрать расчетные свойства из разных стандартов», издательство William Andrew Publishing/Plastics Design Library, Norwich, 2008.