Leírás ANTENNAMÉRÉSEK R12C - ANTENNAMÉRÉSEK ANTENNÁK HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA R1 - A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA BUDAPEST, 2013
Tartalomjegyzék 1. A DOKUMENTUM POZICIONÁLÁSA... 3 1.1. A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA... 3 1.2. HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA... 3 1.3. R12C ANTENNAMÉRÉSEK... 3 1.3.1. CÉLJA... 3 1.3.2. EREDMÉNYEI... 4 2. TAG KARAKTERISZTIKÁJÁNAK MÉRÉSE... 5 2.1. FELTÉTELEZETT TAG KARAKTERISZTIKA... 5 2.2. LEGIDEÁLISABB ORIENTÁCIÓ IGAZOLÁSA... 5 3. ANTENNAMÉRÉSEK... 6 3.1. REFLEXIÓK HATÁSA KÉTUTAS TERJEDÉS... 6 3.2. POLÁRKOORDINÁTÁS MÉRÉS... 7 3.3. MÉRÉSI ALGORITMUS... 8 3.4. VÁRT EREDMÉNYEK AZ ANTENNA KARAKTERISZTIKA MÉRÉSEKKEL KAPCSOLATBAN10 4. LOKALIZÁCIÓ EGY LEHETSÉGES ESETE SZŰK IRÁNYKARAKTERISZTIKÁJÚ ANTENNÁVAL... 11 4.1. MÉRÉS MENETE... 12 4.2. SZÖGMÉRÉS PARABOLAANTENNÁVAL... 12 5. ELVÉGZETT MÉRÉSEK... 14 5.1. ANTENNA TÍPUSOK ALKALMAZÁSONKÉNT... 15 IRODALOMJEGYZÉK... 16-2-
1. A dokumentum pozicionálása 1.1. A térbeli rádiófrekvenciás azonosítás lehetőségeinek kutatása Az olvasók/antennák dinamikus, kontextus függő vezérlésére szükség van, ami nagyreszt a környezettől függ. Ezért szükséges az RFID rendszerben működő, több objektumra is alkalmas okos lokalizációs es azonosító algoritmusok kidolgozása, amire a jelenlegi rendszerek nem képesek. Szükség van az RFID rendszerben működő okos lokalizációs es azonosító algoritmusok kidolgozására, amire a jelenlegi rendszerek nem képesek. A projekt során kutatjuk az RFID rendszer összetevőit annak érdekében, hogy az egyes alkalmazási területek speciális kihívásainak való megfelelés biztosított-e a jelenleg használt elemekkel, milyen korlátai vannak a rendszereknek, azokat milyen módon lehet a feladat megoldására optimalizálni. E speciális kihívások például: az objektumok anyaga sok esetben fém az objektumok nagy méret- és alakszórása az objektumok tartalmának kiszámíthatatlansága a rendszer működésének jellemzően extrém, különféle területre kell kiterjednie nagyszámú objektumot kell kezelni A projekt fenti speciális kihívásoknak való megfelelés szempontjából az RFID rendszert hardver és szoftver oldalról az alábbi részterületeken vizsgálja rádiójelek terjedése, transzponderek, antennák, protokollok (air interface), olvasók, hálózatok, helymeghatározás, adatbázis tervezés. Az egyes alkalmazási területek, azok extrémitásai és az RFID technológia jellemzői alapján a kutatás célja olyan követelményrendszer megfogalmazására, amelyek a jövőbeni konkrét gyakorlati alkalmazhatóságot nagymértékben elősegítik. Meg kell vizsgálnunk, milyen típusú, karakterisztikájú és elhelyezésű antennával, olvasóval lehet a térbeli rádiófrekvenciás azonosítás pontosságát növelni. 1.2. Hardverelemek vizsgálata Az RFID rendszerek jelenleg használt hardver komponenseit elengedhetetlen mélyreható vizsgálat tárgyává tenni az általuk szolgáltatott funkcionalitás szempontjából. A vizsgálatot tehát az adott alkalmazástípus elvárásainak és környezeti jellemzőinek figyelembevételével kell végezni. Ennek során deríthető ki, hogy a megvalósítandó rendszer által elvárt teljes funkcionalitás halmaz lefedhető-e az elemek ''effektív funkcionalitásával''. Amennyiben ez nem teljesül, olyan speciális rendszerelemeket kell tervezni, amelyek alkalmasak a mutatkozó hiányosságok kiküszöbölésére 1.3. R12C Antennamérések 1.3.1. Célja Antenna karakterisztika mérések elvégzése, az eredmények dokumentálása. -3-
1.3.2. Eredményei Mérési jegyzőkönyvek Mérési dokumentáció Fényképek a mérőrendszerről -4-
2. Tag karakterisztikájának mérése 2.1. Feltételezett tag karakterisztika Mivel a tag tulajdonképpen egy dipól antenna, ezért karakterisztikája egy tóruszra, leginkább fánk formára hasonlít. Ennek a formának a tag a szimmetria tengelyében helyezkedik el. Ebből adódóan a legoptimálisabb eredményt láthatólag akkor kapjuk, ha a tag függőlegesen helyezkedik el, így az olvasó számára a karakterisztika minden szögből azonosnak látszik. Ezt azzal igazolhatjuk, ha a taget kimérjük a főiránya mentén (alfa tengely), tehát gyakorlatilag elvágjuk a fánk formát, majd a kapott legjobb értéket, ami feltételezhetően a 0 pozícióban van, összehasonlítjuk a béta tengely mentén forgatott értékekkel. Ez esetben nem szabad nagy eltérésnek mutatkoznia. Amennyiben ez teljesül, igazoltuk, hogy ez a legideálisabb orientáció. 2.2. Legideálisabb orientáció igazolása Korábban ismertetett metódus alapján egy szűrt táblázatba rendezzük az értékeket. Alien Squiggle Omni ID Flex Omni ID Max Alfa tengely mentén kapott legjobb érték [dbm] -56,27-62,12-51,27 Béta tengely mentén kapott értékek átlaga [dbm] -60,25-63,77-56,8 Eltérés [dbm] -4,48-1,65-5,53 1. táblázat: Összesített orientáció mérési eredmények A táblázatból látszik, hogy ugyan főirányból valamennyivel jobb értékek adódnak null pozícióban, viszont béta tengely mentén egyenletesebb az eloszlás. A legjobb eredményt tehát a kifejezetten ipari célra alkalmas, úgynevezett metal tagek biztosítják, melyek nagy antenna felülettel rendelkeznek. Ennél még jobb eredményt a szemi-passzív tagek képesek nyújtani, ezek vizsgálata azonban nem képezte jelen mérés részét. Számunkra a legjobb eredményeket az Omni-ID Max tag nyújtotta, mely szinte minden alkalmazásban a legjobban teljesített. Képesek voltunk akár 10 méter feletti távolságból leolvasni, 1W teljesítménnyel. -5-
3. Antennamérések 3.1. Reflexiók hatása kétutas terjedés Ideális esetben a rádióhullámok minden irányban terjednek, azok csak egyenes úton jutnak el az olvasótól a tag antennájáig. A valóságban legalább egy irányból történik reflexió, ugyanis talaj mindenütt jelen van, ezért befolyásolja a terjedést. Ez olyan szempontból kedvezőtlen, hogy az antennából a tag felé terjedő hullámok, illetve a talajról reflektálódó hullámok különböző fázisokban találkoznak, így hol erősítik, hol kioltják egymást. Létrejönnek a térben úgynevezett holt zónák. Ezek a pontok periodikus módon ismétlődnek, így lesznek helyek, ahol nem olvasható a tag. Emiatt az esetünkben végzett antenna karakterisztika mérésnél indokolt a tag-olvasó távolságot fix értéken tartani. Az ideális mérési távolságok meghatározhatóak egy képlet(1) segítségével, melyben szerepel az antenna magassága, a tag magassága, a frekvencia, és a tag-antenna távolsága. Az ilyen mérési módszernél csak az olvasó teljesítményt tudjuk változtatni, ebből lehet következtetni a karakterisztikára. 1. ábra: Kétutas terjedés -6-
(1) 2. ábra: Eredő térerősséget meghatározó egyenlet 3. ábra: Kioltási pontok a térben 3.2. Polárkoordinátás mérés Ennél a mérési módnál a tag fix távolságban található az olvasó antennától. A tag orientációja a mérés során nem változik. Az antenna a függőleges tengelye mentén fordul el. Az elfordulás mértéke bizonyos fokonként történik. Mérés során az olvasó teljesítménye változik. Ezeket a mért értékeket ábrázolva kapjuk meg az antenna karakterisztikáját. -7-
4. ábra: Precíziós szögmérő 3.3. Mérési algoritmus A mérés kezdetén az antenna a tag irányába néz, ez a 0 pozíció. Az olvasó minimum teljesítményről indul, végrehajt bizonyos számú olvasást, majd megjeleníti a sikeres események számát. Lépcsőzetesen emeljük a teljesítményt, míg el nem éri a maximális értéket. Az a teljesítményszint, amelynél már látható lesz a tag az olvasó számára, kijelöli a karakterisztika adott szöghelyzet tartozó pontját. Miután végigsöpört az olvasó a teljes kimeneti teljesítmény tartományon, az antennát a következő szöghelyzetbe állítjuk és itt újra elvégezzük a méréseket. Ha elértük a 90 -ot, a mérési ciklus befejeződik. -8-
5. ábra: Precíziós szögmérő 6. ábra: Mérési összeállítás -9-
3.4. Várt eredmények az antenna karakterisztika mérésekkel kapcsolatban 7. ábra: Általános antennakarakterisztika Különböző alkalmazásokhoz eltérő antennatípusok használata előnyösebb. Azonosításhoz, mikor a tag viszonylag közel található, nincsenek magasszintű elvárások az antennával kapcsolatban, nyereség szempontjából sem kell nagy értékre törekedni, ellenben lokalizációnál feltétlen szükséges a karakterisztika pontos ismerete. Gyakran alkalmazott antennatípus az úgynevezett patch antenna, mi is ilyen típussal dolgozunk. Ezek irányított antennák, egy főnyalábjuk van, mely közelítőleg 60 -os nyílásszögű. -10-
4. Lokalizáció egy lehetséges esete szűk iránykarakterisztikájú antennával 8. ábra: Parabolaantenna hatása a terjedő hullámokra Kellően szűk iránykarakterisztikájú, azaz nagy nyereségű antennával, mint amilyen a parabolaantenna, egy triangulációs eljáráson alapuló lokalizációt lehet megvalósítani. Az eljárás lényege, hogy az antenna, illetve az azt hordozó jármű, mozgásban van a mérés során, esetlegesen az antennát forgatjuk. Miután ismert az antenna nyílásszöge, az elektromágneses sugár érintőjére fel tudunk venni két egyenest az őt elmetsző síkban. A pontos mérés feltétele az eszköz (esetünkben jármű) ellenőrzött haladása ismert pályán és sebességgel, a tag statikus és az olvasások között zérus idő telik el. A tag dinamizmusa és az olvasások közt eltelt nemzérus idő a lokalizáció pontosságát csökkentik. -11-
9. ábra: Lokalizáció mozgó antenna módszerrel 4.1. Mérés menete A jármű egyenesen halad, közben az eszköz folyamatosan olvas. A tag első sikeres olvasásának létrejöttekor tudjuk, hogy a metsző egyenesen helyezkedik el. A jármű tovább halad, majd bizonyos idő múlva kikerül az olvasási zónából. Az eltelt időből, és sebességből tudjuk számolni a megtett távolságot, a távolság és nyílásszög ismeretében kiszámítható a tag pozícióját. 4.2. Szögmérés parabolaantennával Hasonló módon járunk el, mint a helymeghatározás esetében, viszont most az antenna csak a tengelye mentén fordul el. Így kiadódik egy keskeny sáv, melyben a tag elhelyezkedik. A szögelfordulásból tudunk következtetni a tag antennához képesti szögére. -12-
10. ábra: Szögmérés forgó antenna módszerrel Parabolaantenna tulajdonképpen úgy működik, mint egy homorú tükör. Egy pontból érkező sugarakat irányítja tovább, egymásra merőlegesen, kis nyílásszöggel. Éppen ezért fontos az egymásra nézés, ha két paraboláról van szó. 11. ábra: Parabola nyílásszöge -13-
5. Elvégzett mérések A mérés során Intelleflex gyártmányú FMR-5000 olvasót használtunk. Kétféle tag-gel is elvégeztük a mérést, hogy igazoljuk annak helyességét. A tag és az antennák is 1,85m magasan helyezkedtek el. Ezekhez a magasságokhoz számoltuk a megfelelő távolságot, mely így 1,9m-re adódik. A mérés során 5 -os felbontást alkalmaztunk, ez elegendőnek bizonyult a célul kitűzött karakterisztika ábrázolásához. A mérési eredményeket táblázatban rögzítettük, majd diagramon ábrázoltuk. Összevetve a két diagramot, hasonlítanak egymásra, így igazoltuk a mérés helyességét. Gyári adatként az antennára 63 -os nyílásszöget adtak meg a -3dB-es pontok között, ez az ábrákról is leolvasható. Polárkoordinátás rendszerben ábrázoltuk az eredményeket. Körben a fokok olvashatók, leolvasható az ezekhez tartozó dbm érték. Olvasó típusa: FMR- 5000 Tag: Omni-ID Max Időpont: 2013.11.05. Leírás: Polárkoordinátás mérés, antenna tag távolság 1,9m 325330335340345350355360 10 315 320 305 310 300 295 290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240 235 230 225 8 6 4 2 0 220 215 210 205 200 195 190 185 0 5 1015 2025 30 354045 50 5560 65 7075 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 155 150 165 160 180 175 170 12. ábra: Omni-ID Max -14-
Olvasó típusa: FMR-5000 Tag: CaenRFID Időpont: 2013.11.05. Leírás: Polárkoordinátás mérés, 12 340 345350 355360 10 8 305 310 315 320325330335 300 6 295 290 4 285 2 280 275 0 270 265 260 255 250 245 240 235 230 225 220 215 210 205 200 195190 185 0 5 1015 2025 30 354045 50 5560 65 7075 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160 155 175170 165 180 1. ábra: CaenRFID 5.1. Antenna típusok alkalmazásonként Az elvégzett mérések ismeretében azonosításhoz egy általános patch antenna megfelelő, ezek 60 -os nyílásszöggel rendelkeznek. A többutas terjedés miatt keletkező esetleges kioltási pontok eliminálására több patch antenna alkalmazható. Lokalizációhoz speciálisabb antennákra lehet szükség, melyeknek jóval keskenyebb nyílásszöge van. Ilyen lehet például a parabolaantenna, dipól antenna reflektorral, és direktorokkal, azaz Yagi-antenna. Hátrányuk a patch antennához képest, hogy viszonylag nagy kiterjedésűek, és sérülékenyek. -15-
Irodalomjegyzék 1 http://qosip.tmit.bme.hu/foswiki/pub/vitma301/webhome/gyak03.pdf 2 http://www.astronwireless.com/topic-archives-antenna-radiation-patterns.asp -16-