UHF RFID SİSTEMLERİ İÇİN DOĞRUDAN VE KUPLAJ BAĞLANTILI SİMETRİK MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ

Transkript

1 UHF RFID SİSTEMLERİ İÇİN DOĞRUDAN VE KUPLAJ BAĞLANTILI SİMETRİK MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ Mehmet Ali BELEN 1 Mehmet Fatih ÇAĞLAR Adnan KAYA 3 Elektronik Haberleşme Mühendisliği Bölümü Süleyman Demirel Üniversitesi,Isparta 1 e-posta: mehmetalibelen@hotmail.com e-posta: mfcaglar@mmf.sdu.edu.tr 3e-posta: adnan@mmf.sdu.edu.tr Özet Radyo Frekansı ile Tanımlama (RFID) teknolojisi, radyo frekansı kullanarak nesneleri tekil ve otomatik olarak tanıma yöntemidir. RFID, temel olarak bir etiket ve okuyucudan meydana gelir. RFID uygulamaları bir süredir toplu taşıma araçları biletlerinden, bina giriş kartlarına; nüfus cüzdanları ve pasaportlardan tedarik zinciri yönetimine, kütüphanelerden akıllı alışveriş kartlarına kadar çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bunun dışında özellikle otomotiv sektöründe, havaalanlarında bagaj takibinde ve hastanelerde-hasta ve ilaçların izlenmesinde yarattığı kolaylıklar dolayısıylagittikçe artan oranda kullanıldığı görülmektedir[1]. Bu çalışmada, ETSI nin (Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü) UHF (Ultra Yüksek Frekans) RFID sistemler için standartlaştırdığı frekans aralığı göz önüne alınmış ve 865MHz te çalışan çift yamalı anten tasarımı uygulaması sunulmuştur. Bu amaçla, AWR Microwave Office programında kazanç, dönüş kaybı gibi performans parametreleri açısından tasarlanan mikroşerit simüle edilmiş ve FR4 substrat dielektrikli bakır yüzeyli malzeme ile gerçeklenen antenin ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuçta, tasarlanan mikroşerit antenin UHF RFID sistemlerde verimli bir şekilde kullanılabileceği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: RFID, UHF, mikroşerit anten, kuplaj beslemeli, çift yamalı 1. GİRİŞ Günümüzde, RF dalgalarını kullanarak objeleri otomatik tanımlayan RFID sistemleri çok hızlı ilerleyen bir teknolojidir[]. RFID etiket ve okuyucu tasarımına yönelik pek çok çalışma ve yaratılan kullanım alanları sistemin daha da yaygınlaşacağını göstermektedir[3]. Birçok tanımlama biçimi olduğu bilinmektedir. Ama en yaygın olanı bir canlıyı ya da nesneyi tanımlayan ve bir antene bağlanmış mikroçip (RFID Etiketleri) içine kayıt edilmiş kimlik bilgisinin antenlerle aktarılmasıdır. Burada, mikroçipin tanımlama bilgisini okuyan antenin elde ettiği sinyalleri bir okuyucuya iletilebilmesi ve okuyucunun da RFID etiketinden aldığı radyo dalgalarını sayısal anlamlı bilgiye dönüştürerek bilgisayar sistemine aktarması ile süreci tamamlayan yapının tamamı oluşur [4], [5]. RFID sistemleri pek çok alanda önemli roller için kullanılır hale gelmiştir. Özellikle büyük alışveriş marketleri zincirinde, servis endüstrisinde, lojistik dağıtımında ve imalat şirketlerinde ürün tanımı için vazgeçilmez olmuştur. Ayrıca hayvan takiplerinde de kullanımı hükümetler tarafından teşvik edilmektedir. RFID ile elde edilen faydalar teslimat zamanlarının azalması, teslimat zamanlarının önceden belirlenmesi, tekrarlanan işlerin azaltılması (ör. Ürün kontrolü), işgücü ile gerçekleşen işlemlerin otomasyonla gerçekleşmesi sonucunda hataların azalması ve işgücü maliyetlerinde azalma, üretimden satış noktasına kadar ürünle ilgili detaylı bilginin elde edilmesiyle tedarik zincirinde oluşabilecek problemlere karşı önlem alınabilmesi, tedarik zincirindeki değişime hemen cevap verebilme, sonuç olarak tedarik zinciri kontrolü ve yönetiminin etkinleşmesi, ürünlerin depo ve dağıtım alanlarında yerleşimin etkin biçimde gerçekleşmesinin sağlanması, firelerin azalması, ürünlerin çıkış/giriş kontrol sürelerinin azalması, ürün satışlarının anında belirlenmesi nedeniyle rafların etkin düzenlenmesi, hırsızlığın azaltılması, son kullanım tarihlerinin izlenebilmesi, ürünlerin yetkili olmayan kanallara gönderilmesinin engellenmesi, bütün bu sayılan faydaların sonucunda ürünleri izleme için geçen zamanın azalması, müşteri hizmetlerinin geliştirilmesi, müşterilerin satın alma davranışlarının izlenmesi sonucu hedef müşterilerin belirlenmesinde sağlanan kolaylıklar ve müşteriye ilgilenmek için daha fazla zaman ayrılması olarak açıklanabilir [6]. Bu çalışmada, UHF frekans bandında çalışan RFID etiketi alıcı anten tasarımları ve gerçeklendirilmeleri yapılmıştır. Çalışmayı yaparken ETSI nin Avrupa için standartlaştırdığı UHF RFID sistemlerinin çalışma aralığı olan MHz frekans bandı özellikle seçilmiştir. 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

2 FR4 tipi substrat olup bu malzemenin karakteristik özellikleri ε r =4,6 tanδ=0,0035 olacak şekilde alınmıştır.. ANTEN TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ Mikroşerit anten önceleri sadece uzaysal uygulamalarda kullanılırken şimdilerde ticari ve idari uygulamalarda oldukça yaygınlaşmıştır. Ayrıca, kolay analiz ve fabrikasyonu, ışıma karakteristikleri, özellikle çapraz polarizasyon ışıması nedeniyle tercih edilmektedirler. Buna ek olarak düşük profili, düzgün olan ya da olamayan yüzeylere montajı, ucuz ve kolay fabrikasyonu ile MMIC (Tek Tabanlı Mikrodalga Entegre Devre) tasarımına da uygundur. Bu antenler topraklanmış yüzeyde farklı şekillerde metalik yama iletkenlerden oluşmaktadır. 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. Dizi elemanları (yamalar dizisi) arasındaki kritik kuplaj önemli olup, uygunlaştırılmış devre için tasarımın resonans frekansını etkiler. Bu çalışma için, Madhuri Bharadwaj Eunni nin 004 yılında yayınladığı yüksek lisans tezinde tasarlamış olduğu 915MHz UHF Çift Yamalı Doğrudan Beslemeli Anten tasarımı geometrisi ve benzer çalışmalar temel alınmıştır [7], [8]. Bu tezde tasarlanmış antenin yapısı Şekil 1a da ve empedans-frekans değişimi de Şekil 1b de gösterilmiştir. Bu çalışma kapsamında ise referans alınan antenin şekli ve boyutları üzerinde değişiklikler yapılarak UHF RFID Avrupa standardı olan ETSI MHz frekans bandı için tasarımları ve gerçeklendirilmeleri yapılmıştır. Antenin tasarımında giriş ve çıkış yansıma katsayıları, giriş empedansı ve ışıma örüntüsü ayrı performans parametreleri olarak incelenmiştir. Bu amaçla, anten simülasyonları MoM Metodu tabanlı AWR Microwave Office paket programında gerçekleştirilmiştir. Uzunlukları 101,mm, 101,4mm ve genişlikleri 43,mm olan kuplaj beslemeli çift yamalı mikro şerit antenlerin yapısı Şekil a da ve Şekil b de, gerçeklemesi de Şekil 3a ve Şekil 3b de gösterilmiştir. Şekil a: Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Mikro Şerit Anten-1 in Tasarım Yüzey Ebatları Şekil b: Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Mikro Şerit Anten- in Tasarım Yüzey Ebatları Şekil 1a: Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Anten [7]. Şekil 3a: Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Mikro Şerit Anten-1 in Gerçeklemesi Şekil 1b: Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Antenin Empedansı-Frekans Değişimi [7].

3 Şekil 3b: Kuplaj Beslemeli Çift Yamalı Mikro Şerit Anten- nin Gerçeklemesi Bu antenlerin geri dönüş kayıpları sırasıyla, 1. ve. portları için Şekil 4a ve Şekil 4b de gösterildiği gibidir. Burada tasarlanan antenler için 1. portta 865MHz için sırasıyla -41,95dB ve -53dB geri dönüş kaybı simülasyon sonucu olarak elde edilmiştir. Böylece 0dB lik referans geri dönüş kaybı seviyesi ile karşılaştırıldığında yeteri kadar verimli sayılabilir. Yani referans seviyeye göre yaklaşık %1 gibi güç yansıması söz konusudur. Antenin giriş empedansı ise aynı frekansta Şekil 5a da 49,5-j0,6057Ω ve Şekil 5b deki gibi 50,1-j0,15Ω olarak elde edilmiştir. Bu da empedans uyumluluğu açısından yeterince iyidir. P P G G 4 r R T R T (1) Yukarıdaki Friis denklemi kullanılarak, alıcı ve verici antenler aynı cins ise G R =G T kabul edilerek alıcı antenin kazancı hesaplanabilir. G R PR. PT 4 r 1/ () Burada (λ/4πr) boş hacim kayıp faktörüdür ve sabit olarak değerlendirilebilir. Şekil a daki antenin kazancı 6,9dB ve 3dB demet bant genişliği ise yaklaşık 6 olarak hesaplanmıştır. Benzer yöntemle, Şekil b deki antenin kazancı ise 6,86dB ve 3dB demet bant genişliği ise yaklaşık 60 olarak bulunmuştur. Antenin ışıma örüntüsü incelendiğinde ise, Şekil 6a ve Şekil 6b deki gibi θ=+90 yönünde maksimum ışıma yaptığı görülmüştür. Şekil 4a: Kuplaj Beslemeli Anten-1 için Geri Dönüş Kaybı (Simülasyon) Şekil 4b: Kuplaj Beslemeli Anten- için Geri Dönüş Kaybı (Simülasyon) Şekil 5a: Kuplaj Beslemeli Anten-1 için Giriş Empedansı

4 Şekil 5b: Kuplaj Beslemeli Anten- için Giriş Empedansı Şekil 7a: Kuplaj Beslemeli Anten-1 Geri Dönüş Kaybı (Spektrum Analizör) Şekil 6a: Kuplaj Beslemeli Anten-1 in Işıma Paterni Şekil 6b: Kuplaj Beslemeli Anten- nin Işıma Paterni Şekil 7b: Kuplaj Beslemeli Anten- Geri Dönüş Kaybı (Spektrum Analizör) Gerçeklenen antenlerin performans değerleri ölçümleri için Rohde&Schwarz marka FSH6 Spektrum Analizörü kullanılmıştır. Simülasyon sonucunda 865MHz rezonans frekansı elde edilmesine rağmen, spektrum analizörle ölçülen kuplaj beslemeli antenin (Anten-1) Şekil 7a daki gibi rezonans frekansı yaklaşık 83MHz olduğu gözlenmiştir. Ayrıca geri dönüş kaybı -43,55dB ve bant genişliği ise 50MHz ölçülmüştür. Tasarlanan diğer kuplaj beslemeli antenin (Anten-) Şekil 7b deki gibi rezonans frekansı yaklaşık 795MHz olduğu gör. Ayrıca geri dönüş kaybı -60,38dB ve olarak bant genişliği ise 5MHz ölçülmüştür. Geri dönüş kaybı, bu ölçümler için özel tasarlanmış bir yönsel bağlaştırıcı kullanılarak elde edilmiştir. Aynı şekilde, kazancı da bu ölçümler için tasarlanmış benzer geometrili kuplaj beslemeli mikroşerit antenler kullanılarak ölçülmüştür. Tüm simülasyon ve ölçüm performans değerleri Tablo 1 de verilmektedir.

5 Tablo 1: Antenlerin Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları Sonuç Tasarım-1 Tasarım- Sim. Ölçüm Sim. Ölçüm Frekans (MHz) ,9 795 Geri Dönüş Kaybı (db) Bant Genişliği (MHz) -41,95-43, , Kazanç (db) 6,9 4,1 6,86 4,13 3. SONUÇ Kullanılan substrat malzemenin bu tip uygulamalar için çok iyi olmamasına rağmen, elde edilen simülasyon performans değerleri referans alınan çalışmanın sonuçlardan daha iyi bulunmuştur. Ayrıca empedans uyumluluğu açısından da istenilen seviyeye çok yakındır. 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. Gerçeklenen antenlerin ölçüm sonuçları incelendiğinde, simülasyon sonuçlarından daha iyi geri dönüşüm kaybına sahip olduğu ve kazancın da simülasyon sonuçlarına yakın bir değer çıktığı gözlenmiştir. Sadece hedeflenen rezonans frekansında istenmeyen ve göz ardı edilemez yaklaşık 40-70MHz lik sapma ortaya çıkmıştır. Sapmanın sebebi, anten gerçeklenmesinde kullanılan substrat malzemenin karakteristik özelliklerinin olması gereken değerden farklı olması ve ölçümde kullanılan yönsel bağlaştırıcının istenilen hassasiyette tasarlanamamasıdır. [4]. Dobkin, D. M., The RF in RFID : Passive UHF RFID in Practice, Newnes, 008 [5]. Rao K.V.S., Nikitin P.V., Lam, S.F. Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application, IEEE Transactıons On Antennas And Propagatıon, Vol. 53, No. 1, December, 005 [6]. Schuster, E.W., Allen, S.J., David, B.L., Global RFID: The Value of the EPCglobal Network for Supply Chain Management, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 007 [7]. Eunni, M. B., A Novel Planar Microstrip Antenna Design for UHF RFID, A.M.A College of Engineering, Kancheepuram Madras University, Master s Thesis, 004 [8]. Avseren,Y., Süleymanov, A., Çağlar, M.F., Kaya, A., UHF RRID Sistemleri için Doğrudan ve Simetrik Mikroşerit Anten Tasarımı, IV. URSI-Türkiye Bilimsel Kongresi ve Ulusal Genel Kurul Toplantısı, 008 Teşekkür Bu çalışma, TÜBİTAK tarafından 09-Üniversite Öğrencileri Yurt İçi/Yurt Dışı Araştırma Projeleri Destekleme Programı Projesi kapsamında desteklenmiştir. 4. KAYNAKÇA [1]. OECD Policy Guidance on Radio Frequency Identification, pdf []. Rao K.V.S., Nikitin P.V., Lam S.F., Antenna Design for UHF RFID Tags:A Review and a Practical Application, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 53, No. 1, 005. [3]. Alien Technology RFID tags,