RFID-системы с электромагнитной и индуктивной связью

Электромагнитная связь в системах RFID базируется на применении высокочас­тотных электромагнитных полей и волн в СВЧ и микроволновом частотных диапа­зонах. Электромагнитное поле представляет собой совокупность взаимосвязанных электрического и магнитного полей. В сущности, электрическое и магнитное поля являются двумя характеристиками электромагнитного поля. Электромагнитное поле как форма материи не может оставаться в покое, а находится в состоянии движения. Электромагнитное поле возникает в пространстве при наличии ме­няющихся во времени электрических токов и зарядов. Последние возбуждают­ся в проводящих элементах антенны. В свободном пространстве электромаг­нитное поле распространяется в виде электромагнитной волны. Излучение электромагнитного поля происходит с конечной скоростью распространения (скорость света с « 300000 км/с).

Основные законы переменного электромагнитного поля были сформулированы Фарадеем и Максвеллом. Любое изменение магнитного потока Ф генерирует элек­трическое поле напряженностью E. Это свойство магнитного поля описывается законом Фарадея.

Первичное магнитное поле, генерируемое проводящим контуром, начинается на антенне. По мере того как распространяется магнитное поле, все больше и больше растет электрическое поле с помощью индукции. Поле, которое первоначально бы­ло чисто магнитным, соответственно непрерывно преобразуется в электромаг­нитное поле. Более того, электромагнитное поле начинает отделяться от антенны и отправляется в окружающее пространство в форме электромагнитной волны на расстоянии

, (2)

Область r << r_fот антенны до точки, где формируется электромагнитное поле, называется ближним полем антенны. Область r >> r_fпосле точки, в которой элек­тромагнитная волна полностью сформирована и отделилась от антенны, называ­ется дальним полем антенны.

Электромагнитная волна распространяется в пространстве сферически из точки излучения, при этом электромагнитная волна транспортирует энер­гию в окружающее пространство. Когда расстояние от источника излучения возрастает, эта энергия распределяется на возрастающую площадь поверхнос­ти сферы. В этой связи принято рассматривать удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу площади, называемую также интенсивностью излучения S.

Передача энергии между двумя линейно поляризованными антеннами оптималь­на, если обе антенны имеют одинаковое направление поляризации. С другой сторо­ны, передача энергии находится на самом низком уровне, когда направления по­ляризации передающей и принимающей антенн расположены относительно друг друга точно под углом 90° или 270° (то есть горизонтальная и вертикальная антен­ны). В этой ситуации при расчете передачи энергии нужно брать дополнительное затухание 20 дБ из-за потерь поляризации, поскольку принимающая антенна воспринимает лишь 1/100 максимально возможной мощности от излучаемого электромагнитного поля.

В системах RFID обычно нет фиксированной взаимной ориентации между антенной мобильного транспондера и антенной считывателя. Это может привести к случайным изменениям дальности считывания, которые могут быть боль­шими и непредсказуемыми. Данную проблему можно решить путем использо­вания в антенне считывателя круговой поляризации. Для получения круговой поляризации два диполя монтируются в форме креста (рис. 7). На один из этих двух диполей подается питание через линию задержки со сдвигом на 90° (λ/4). Направление поляризации электромагнитного поля, генерируемого таким образом, изменяется на 360° по мере того, как волновой фронт переме­щается вперед на одну длину волны. Направление вращения поля может быть задано соответствующим подключением линии задержки. Различают левую и правую круговую поляризацию. Для пары антенн с линейной и круговой по­ляризацией следует учитывать потери поляризации; при этом они не зависят от направления поляризации антенны транспондера.

Рисунок 7 – Варианты поляризации электромагнитных волн:

а) горизонтальная, б) вертикальная, в) круговая

В системах RFID с электромагнитной связью, работающих в СВЧ и микроволно­вом диапазонах частот, применяются следующие основные типы антенн:

· антенна-вибратор;

· антенна типа «волновой канал»;

· микрополосковая антенна;

· щелевая антенна.

Параметры антенн не зависят от того, используются ли антенны для передачи или для приема (принцип взаимности). Если известны свойства антенны при ис­пользовании ее для передачи, то эти свойства позволяют полностью оценить ее как приемную, и наоборот.

К основным параметрам антенн относятся:

· диаграмма направленности;

· входное сопротивление;

· коэффициент направленного действия;

· коэффициент усиления;

· действующая длина (высота);

· ширина полосы пропускания.