UHF-alueen RFID-tunnisteen prototyypin antennin suunnittelu, simulointi ja mittaaminen

Abstract

Insinöörityössä perehdyttiin UHF-alueen RFID-tunnisteen antennin suunnitteluprosessiin sekä mittaamiseen. Työn tavoitteina oli toteuttaa antenni, jota voitaisiin käyttää paristoavusteisessa UHF-alueen RFID-tunnisteessa (Battery Assisted Passive Tag, BAP) sekä opetella mittausmenetelmä, jonka avulla voidaan mitata balansoidun antennin impedanssi suoraan antennin syöttöpisteestä. Työssä käsitellään antennisuunnittelussa tarvittavia perustietoja ja antennien perusominaisuuksia. Dipoliantennin perusrakenne käydään läpi ja selvitetään lyhyesti myös piirilevylle toteutun dipoliantennin toimintaa. Lisäksi esitellään UHF-alueen RFID-tunnisteen suunnitteluvuo sekä tarkastellaan UHF-alueen RFID-tunnisteen antennin kokoon ja muotoon liittyviä asioita. Impedanssien sovittamista tutkitaan sekä yleisellä tasolla että RFID- tunnisteen tapauksessa. Antennien suunnittelussa käytetyt menetelmät olivat lähdemateriaaleihin pohjautuva analyyttinen menetelmä sekä kenttäsimulaattorin (Ansoft HFSS) käyttöön perustuva menetelmä. Esitellään kaksi prototyyppiantennia: mutkitteleva dipoliantenni (Meander Dipole Antenna) sekä suora puoliaaltodipoliantenni. Analyyttisesti suunnitellusta antennista tehtiin myös simulaatiomalli vertailua varten. Suoraa puoliaaltodipoliantennia käytettiin tunnisteessa prototyyppivaiheessa. Antennien mittaamisessa käytetty menetelmä ja saadut mittaustulokset esitellään ja mittaustuloksia vertaillaan simuloinnista saatuihin tuloksiin. Mitattujen antennien resonanssitaajuus paluuhäviön avulla mitattuna oli lähes sama kuin simuloiduilla antenneilla. Mitattu sisäänmenoimpedanssi ei ollut yhteneväinen simulointitulosten kanssa. Myöhemmin, tämän insinöörityön jälkeen selvisi, että mittauksen kalibroinnissa tapahtuneen virheen vuoksi mitattujen s-parametrien vaiheet ilmenivät virheellisinä. Vaihe on mahdollista korjata mittauksiin myös jälkikäteen. Mitattu impedanssi on tärkeä tieto tunnisteen suunnittelussa, sillä sen avulla voidaan tarkistaa simulaation luotettavuus ja varmistua siitä, mikä antennin impedanssi on silloin, kun se on kiinnitetty tunnisteen muihin materiaaleihin.

This final year project focuses on the process of designing and measuring an RFID tag antenna for UHF range. The goals for this project were to make an antenna that could be used for a Battery Assisted Passive Tag (BAP tag) and to study a method for measuring the impedance of a balanced antenna directly from the antenna’s feeding point. The methods used for designing prototype antennas were an analytical approach based on source material and an approach based on the use of Ansoft HFSS electromagnetic field simulator. Two antennas are presented, the antenna types are Meander Dipole Antenna and a straight half-wave dipole antenna. The latter was used in the tag at the prototype phase. The measurement method and the results are presented. The results were compared to those from simulation. The resonant frequency, based on return loss measurement, for the measured antennas was nearly the same as it was in simulation. The measured input impedance was not congruent with simulation. Later, after this project was completed, it was found that there had been an error in the calibration process of the measurement. Due to this error, the phase information of the measured s-parameters was incorrect. It is possible, however, to correct the phase error for the measurements afterwards. The measured impedance is important information when designing an RFID tag since it can be used for verifying the simulation results and to measure the antenna impedance when the antenna is attached to additional tag materials.