Az 1. ábra egy RFID rendszer egyszerűsített felépítését mutatja. Az író/olvasó és az RFID címke között hurokantennával létesül kapcsolat, a rendszer elemei végeredményben tehát elektromágnesesen csatoltak. Az író/olvasó által kibocsátott rádiófrekvenciás jeleket a címke veszi, ez utóbbi tápellátása pedig a leolvasáskor keletkező elektromágneses tér felhasználásával valósul meg. Az RFID rendszerekben az adatkommunikáció az író/olvasó és a címkék között általában ASK1-modulációval, 13,56 MHz frekvencián történik.
1. ábra. Egy RFID-rendszer egyszerűsített felépítése
Egy RFID címke áramkörileg alapvetően egy párhuzamos L-C-R áramkör, amelyben az induktív elem a hurokantenna, a kapacitív a chipkondenzátor, a rezisztív pedig maga az integrált áramkör. A címke rezonanciafrekvenciája, az f0 az összefüggésből adódik. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az író/olvasó egységgel a leghatékonyabb kommunikáció 13,56 MHz közeli rezonanciafrekvencia esetén érhető el, így ennek biztosítása, valamint az induktív és kapacitív elemek pontos mérése a gyártási kihozatal szempontjából fontos szerepű. A 2. ábra egy legyártott RFID címke áramköri diagramját mutatja.
2. ábra. Az RFID-címke ekvivalens áramköri modellje
A tervezésnél további szempont a rezonanciaélesség (a kommunikációs sávszélesség), amelyet az integrált áramkör rezisztív ellenállása, vagy a hurokantenna parazita ellenállása határoz meg. A kiugróan nagy rezonanciaélesség megnehezítheti a kommunikációt, amennyiben a modulálójel sávszélessége nagy, a túl alacsony rezonanciaélesség pedig leronthatja a kommunikációs távolságot. A legyártott címke rezonanciakarakterisztikáinak pontos mérése e szempontokból nézve is lényeges.
Alkatrészszintű mérések
Az RFID címkék és az író/olvasó RF részének L, C és R alapelemeinek karakterisztikái az Agilent Technologies 4294A típusnevű impedanciaanalizátorral, valamint az impedanciaanalízis-opcióval kiegészített E5061B-3L5 LF-RF hálózatanalizátorral is kiváló hatékonysággal mérhetők. Ha nincs szükség a precíziós impedanciaanalizátorral elérhető, széles impedanciamérési értéktartományra, a hálózatanalizátor-készülék is jó választás lehet. Az RFID címkék nem rendelkeznek koaxiális csatlakozással, ehelyett elektródákkal elektromosan hozzáférhetőek, ezért olyan mérőbefogót kell használnunk, amely alkalmas erre a feladatra. Ha az RFID címke az áramköri kártyán kialakított hurokantennával rendelkezik, mérőszondás áramköri csatlakozás alkalmazása javasolt.
A 3. ábra a chipkondenzátoron és a hurokantennán végzett mérések eredményét mutatja, amelyek tanúsága szerint a kondenzátor és a hurokantenna rezonanciafrekvenciája 100, ill. 30 MHz. Az alkatrészek csak a mért rezonanciafrekvenciájukon, illetve azok alatt használhatók. A 13,56 MHz frekvencián végzett mérés eredménye 204 pF kapacitás, illetve 4,3 µH induktivitás, amelyek meghatározzák a rendszer rezonanciafrekvenciáit. Az alkatrészek külön-külön végzett tesztelése után a precíziós impedancia-mérőfejjel meghatározható a minden alkatrésszel rendelkező, készre szerelt RFID címke rezonanciakarakterisztikája is.
3. ábra. A chipkondenzátor (balra) és hurokantenna (jobbra) karakterisztikamérési eredményei az Agilent 4294A precíziós impedanciaanalizátoronA rezonanciafrekvencia érintkezésmentes mérése
Tokozott RFID címke bemérése mérőfejjel értelemszerűen nem lehetséges, az érintkezésmentes megközelítés azonban célravezető. Ebben az esetben a mérés az RFID címke elé tartott, a mérőműszer bemenetére csatlakozó hurokantennával történik, és így a tokozott RFID címke megbontása nélkül lehetséges a rezonanciafrekvencia pontos mérése (lásd 4. ábra). Az érintkezésmentes méréseket jellemzően hálózatanalizátorral végzik, a rezonanciacsúcsot az S11 reflexiós együttható negatív csúcsából, vagy az impedancia valós részének (R) pozitív csúcsából származtatják. Bizonyos esetekben a rezonanciacsúcs kiszámítása az S21 átviteli mérés alapján történik érintkezésmentes konfigurációban.
4. ábra. RFID-áramkör rezonanciafrekvenciájának érintkezésmentes mérése Agilent hálózatanalizátorralAkár +20 dBm forrásteljesítmény
Az RFID címkék rezonanciakarakterisztikái gyakran változnak a hurokantenna felől érkező RF teljesítmény függvényében, ezért fontos, hogy a méréshez használt hálózatanalizátor a +20 dBm szintet közelítő, nagy kimeneti teljesítmény leadására legyen képes. Ez sok műszer képességét meghaladja, az Agilent E5072A hálózatanalizátor esetében azonban elérhető, ugyanis a műszer a 300 kHz … 1 GHz frekvenciatartományban képes +20 dBm forrásteljesítmény biztosítására. Ez lehetővé teszi az S11 paraméter, valamint az impedanciaparaméterek nagy teljesítményű mérését külső erősítő beiktatása nélkül is. Sőt, az impedanciakonverzió segítségével nemcsak az S11, hanem az R-X impedanciaparaméter is mérhető, ekkor azonban javasolt 6 dB-es csillapítók beiktatása a referencia- és tesztvevők műszeren kivezetett, közvetlen hozzáférést biztosító portjaira (RCVR R1 IN és RCVR A IN). Ez biztosítja a vevők lineáris tartománybeli működését.
Az RFID író/olvasó mérése
Az 5. ábra egy RFID író/olvasó egyszerűsített áramköri diagramját mutatja. Az áramkörben lévő teljesítményerősítő impedanciájának a hatékony teljesítményátvitel érdekében célszerűen meg kell egyeznie a hurokantenna impedanciájával. Ha a teljesítményerősítő kimeneti impedanciája (Zpa) megegyezik R—jX értékével, a hurokantenna impedanciáját (Zin) célszerű R+jX értékre hangolni. A legjellemzőbb érték a Zpa=Zin=50 Ω.
5. ábra. Az RFID író/olvasó egyszerűsített áramköri diagramja, az impedanciaillesztés megvalósítása Smith-diagramos mérés alapján
A mérés célja az, hogy a C1s és C2p hangolásával megtaláljuk azokat a kapacitásértékeket, amelyekkel megvalósul az impedanciaillesztés. A kondenzátorokat célszerű sorosan vagy párhuzamosan a hurokantennához csatlakoztatni, az általános gyakorlat pedig az, hogy az analizátor Smith-diagramos mérési módját használjuk a megfelelő kapacitásértékek megtalálására.
Arra az esetre, ha a kívánt mérés a rendelkezésre álló műszerrel nem elérhető, az Agilent megoldást biztosít kis költségű, szoftveres szimulációra. A PC-re telepíthető Genesys Core szoftverbe a mérési eredmények importálhatók és kielemezhetők, így olyan esetben is végezhető például Smith-diagramos mérés, ha a méréshez használt műszer alapvetően nem is támogatja. (Megjegyzés: az Agilent E5061B és E5072A hálózatanalizátorok a Smith diagramos megjelenítést alapértelmezésben támogatják.) Életszerű példa a szoftver hatékony alkalmazására, amikor műszerrel mérjük a hurokantenna karakterisztikáit illesztő áramkör nélkül. Az alapmérési eredmények a Genesys szoftverbe importálhatók, amelyben a mérési adatok alapján szimulálható a hurokantenna viselkedése bizonyos paraméterekkel rendelkező illesztő áramkörrel történő párosítás esetén. Így az egyes áramköri változatok fizikai megépítése nélkül specifikálható, hogy az egyes konfigurációkban milyen karakterisztikákra lehet számítani.
Összefoglalás
Az elektronikai miniatürizálás lehetővé tette, hogy az RFID technológia gyakorlatilag az élet bármely területére betörjön. Az RFID-s fejlesztésre és gyártásra jellemző a rádiófrekvenciás rendszerekkel együtt járó méréstechnikai komplexitás, mint azonban látható, az Agilent Technologies műszeres és szoftveres méréstechnikai megoldásaival az RFID címkék és író/olvasó áramkörök széles körű analízise lehetséges. Az alábbi táblázat és a 6. ábra összefoglalja a cég vonatkozó műszeres méréstechnikai megoldásait.
6. ábra. Az Agilent Technologies műszeres mérőműszer-megoldásai RFID eszközök mérésére1. Amplitude Shift Keying: amplitúdóbillentyűzés.
További információ: www.agilent.com/find/impedance, www.agilent.com/find/design
