Pro správnou funkci a zobrazení kalkulačky místo tohoto textu, použijte prohlížeč Internet Explorer nebo Mozilla Firefox a povolte spuštění java aplikace.

Kalkulátor teoretického dosahu UHF RFID tagu z isotropického vysílače


Dosah čtení UHF tagu se pohybuje od několika milimetrů až do řádu desítek metrů a je limitován několika následujícími proměnnými:

  • Vysílací výkon čtečky (readeru) – jakým maximálním výkonem můžeme vysílat.
  • Citlivost tagu – minimální výkon, nutný pro samotnou aktivaci IC tagu.
  • Vzdálenosti mezi čtečkou a tagem (útlum trasy).
  • Použité nosné frekvenci.
  • Citlivosti čtečky (readeru)  - minimální výkon, kdy je ještě čtečka schopna přečíst tag.

Rozdělení pracovních frekvencí RFID:

Existují čtyři hlavní pracovní frekvence uvedené v tabulce 1.

Tab.1: Pracovní frekvence RFID

Název Frekvence (MHz) Čtecí vzdálenost do (m)
Nízká frekvence (LF) 0,125 0,3
Vysoká frekvence (HF) 13,56 1
Ultra vysoká frekvence (UHF) 850 - 950 10
Mikrovlnná frekvence (MW) 5800 - 9600 několik desítek

 

 

Pro náš účel budeme dále uvažovat jen s pracovním pásmem UHF.


Vysílací výkon čtečky:
Množství energie vyzařované vysílací anténou je limitováno třemi omezeními: cenou, spotřebou energie, vládními nařízeními. První dvě omezení jsou různé podle konkrétních požadavků na danou úlohu, a proto se jimi nebudeme dále zabývat. Oproti tomu, omezení vládními nařízeními jsou pevně dané. Pro UHF pásmo se používá vyjádření ERP (Effective Radiated Power, efektivně vyzářený výkon). Tento maximální povolený výkon (ERPmax) se dělí z hlediska regionů, jak je uvedeno v následující tabulce 2.

Tab.2: Standardizace v RFID – Region 1

Region 1
Evropa (CEPT) Jižní Afrika
869,4 – 869,65 MHz / 0,5 W 869,4 – 869,65 MHz / 0,5 W
865,6 – 867,6 MHz / 2 W 915,2 – 915,4 MHz / 8 W

 

 

Tab.3: Standardizace v RFID – Region 2

Region 2
USA, Kanada a Mexiko Střední a jižní Amerika
902 – 928 MHz / 4 W 902 – 928 MHz / 4 W

 

Tab.4: Standardizace v RFID – Region 3

Region 3
Austrálie Nový Zéland
918 – 926 MHz / 1 W 864 – 868 MHz / 4 W
Japonsko Jižní Korea
950 – 956 MHz / 4 W 910 – 914 MHz / 4 W
Zbytek Asie – stejný jako Evropa

 

Citlivost tagu:

Jedná se o minimální přijatý výkon tagem, který je ještě schopný aktivovat IC (Integrated Circuit, integrovaný obvod) tagu. Moderní IC tagu potřebují ke své funkci přibližně 10-15μW pro čtení a mnohem více energie pro zápis dat do paměti tagu. Nicméně napájecí obvod tagu má účinnost 30%, proto je nutné, aby přijatý výkon dodaný z antény byl kolem 30-50μW. Citlivost tagu pro spodní mezní hodnotu 30μW je -15dBm, a -10dBm pro horní mezní hodnotu 100μW.

 

Vzdálenosti mezi čtečkou a tagem (útlum trasy):

Nejjednodušší způsob, jak odhadnout sílu přijatého signálu anténou tagu, je představit si, že čtečka vysílá signál do všech směrů se stejnou výkonovou hustotou (za předpokladu použití izotropické antény). Ve skutečnosti takovou anténu nelze sestrojit a i kdyby ano, stejně by nebyla použita, vzhledem k tomu, že jsou hledané tagy vždy umístěny v předem vymezených směrech a proto by bylo vyzařování mimo tyto oblasti jen plýtvání vyzařovanou energií. Tato anténa je ideální a slouží pouze k výpočtům.

Na obrázku 1. je zobrazen rovnoměrně rozložený výkon izotropické antény na pomyslné kouli ve vzdálenosti r od vysílače. Část tohoto výkonu bude zachycena přijímací anténou. Velikost přijatého výkonu PRX závisí na výkonové hustotě dopadající na tag a efektivní apertuře Aef přijímací antény.

Obr. 1: Vyzařování Izotropické antény (převzato z [1] a upraveno)

Výkonová hustota v jakékoli vzdálenosti od vysílače je jednoduše vysílaný výkon vydělený povrchem koule (4πr2), která má poloměr rovný právě té vzdálenosti. Výkonová hustota pro izotropický zářič se tedy vypočte podle vzorce:

                        

kde PD … výkonová hustota, R … vzdálenost od antény, PT … vysílaný výkon


Jak již bylo uvedeno, RFID čtečky využívají směrových antén na místo všesměrových, a proto se musí při výpočtu výkonové hustoty zohlednit jejich zisk G, který je dán poměrem výkonu, který je vyzařován v požadovaném směru k výkonu vyzařovaném izotropickou anténou, nebo:

 

 

Mnoho RFID UHF tagů používá varianty jednoduchého tištěného dipólu jako anténu. Zisk typického půl-vlnného dipólu na frekvenci 900 MHz je okolo 2,15 dBi (G = 1,64). Nicméně nemůžeme zaručit, aby byl hlavní svazek antény tagu natočen přímo na anténu čtečky, proto bychom měli uvažovat s minimálním ziskem antény tagu.

Tab.5: Přehled zisku jednotlivých typů antén

Anténa Zisk (G)
Izotropická 1
Krátký dipól 3
Půl-vlnný dipól 1,64

 

Výkonová hustota ve vzdáleném bodě R od čtečky, která má anténu se ziskem GT, se rovná výkonové hustotě izotropické antény vynásobené ziskem antény čtečky.

Kde ERP je efektivně vyzářený výkon, který je pevně dán pro jednotlivé regiony uvedené dříve.

Efektivní apertura jednoduše představuje kolik výkonu lze zachytit z přijímané rovinné vlny danou anténou. Hlavní vztah mezi efektivní aperturou a ziskem jakékoli antény je dán:

                 

kde λ … vlnová délka elektromagnetické vlny

 

                           

kde c … rychlost světla,  f… kmitočet elektromagnetické vlny

Pro půl-vlnný dipól je maximální efektivní apertura úměrná obdélníku o stranách ½ λ a ¼ λ a je nezávislá na velikosti dipólu. Pro mikropáskovou anténu se efektivní apertura rovná přibližně její skutečné ploše.

Pomocí vztahů (2) a (3) vyjádříme velikost přijatého výkonu PRX tagem ve vzdálenosti R od čtečky. Tento vztah je znám jako Frissova rovnice:

    (5) 

kde GRX … zisk přijímací antény (tagu)

Z předchozího vztahu odvodíme výpočet minimální vzdálenosti pro dopředný kanál, který je:

   

kde GTX … zisk vysílací antény, PTX… výkon vysílače, PTag,min… minimální přijatý výkon tagu potřebný k jeho zapnutí (citlivost tagu)

 

Pro výpočet zpětného kanálu se potřebujeme zamyslet nad dvěma otázkami. A to kolik výkonu vyšle tag a kolik výkonu potřebuje čtečka přijmout k demodulaci a dekódování dat z tagu? Pasivní tag negeneruje vlastní signál, ale pouze upravuje množství dopadajícího záření a následně vyzařuje zpět k čtečce (backscatter). V principu je možné, aby byl vysílaný výkon na zpětné cestě stejný jako maximální výkon absorbovaný tagem, ale v praxi je to velmi těžké splnit. Jelikož nejsou všechny návrhy tagů stejné, je rozumné uvažovat odražený výkon za třetinový (-5dB) oproti výkonu absorbovanému. Minimální přijatý výkon potřebný k úspěšnému přečtení tagu je také komplexní a závisí na vlastnostech konkrétní čtečky. Citlivost dnešních readerů se pohybuje okolo -75 dBm (0,03nW) až do -90 dBm (1pW). Další věc, kterou je nutné si uvědomit, že výkon přijatý čtečkou ze zpětné cesty bude klesat se čtvrtou mocninou vzdálenosti. Ze znalosti Frissovi rovnice (5) a předešlých předpokladů lze napsat vztah pro přijatý výkon na čtečce ve zpětném kanálu:

kde Tb… ztráty zpětným rozptylem (-5dB)
Z předchozího vztahu odvodíme výpočet minimální vzdálenosti pro zpětný kanál:

    

Nicméně pro zjištění teoretického dosahu čtení tagu stačí znát pouze minimální vzdálenost dopředného kanálu, jelikož uvažujeme, že pokud tag přijme tolik energie dostatečné k jeho zapnutí, tak má i dostatek energie pro zpětné vyzáření.

 

Seznam použité literatury

  1. DOBKIN, Daniel Mark. The RF in RFID: passive UHF RFID in practise [online]. Burlington: Newnes, 2008, ix, 493 s. [cit. 2014-10-24]. ISBN 978-0-7506-8209-1.
  2. UKKONEN, L., M. SCHAFFRATH, D.W. ENGELS, L. SYDANHEIMO a M. KIVIKOSKI. Operability of Folded Microstrip Patch-Type Tag Antenna in the UHF RFID Bands Within 865-928 MHz. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2006, vol. 5, issue 1, s. 414-417. DOI: 10.1109/LAWP.2006.883085. Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=1704257
  3. LEHPAMER, Harvey. RFID design principles: passive UHF RFID in practise [online]. Boston: Artech House, 2008, xii, 293 s. [cit. 2014-10-24]. ISBN 978-1-59693-194-7.
  4. NIKITIN, P.V. a K.V.S. RAO. Reply to "Comments on 'Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application'" [online]. Boston: Artech House, 2008, xii, 293 s. [cit. 2014-10-24]. ISBN 10.1109/tap.2006.875934.
  5. MARROCCO, Gaetano a K.V.S. RAO. The art of UHF RFID antenna design: impedance-matching and size-reduction techniques [online]. Boston: Artech House, 2008, xii, 293 s. [cit. 2014-10-24]. ISBN 10.1109/map.2008.4494504.