Антенны стандарта Gen2: виды, устройство, применение

Gen2 это разработанный и всеми признанный международный стандарт связи и частоты между RFID меткой и считывателями. Связь осуществляется при помощи специального устройства антенны стандарта Gen2, иногда ее называют патч-антенной. Ее электромагнитное излучение имеет волновую природу. Это свойство было использовано, чтобы создавать антенны различного типа, показывающее отличные технические и эксплуатационные характеристики в конкретных условиях использования. В зависимости от свойств создаваемого поля различают несколько видов патч-антенн. Они имеют различную конструкцию, характеристики поля, образуемого излучением и дальность срабатывания.

Одноэлементная RFID патч-антенна

Самый распространённый прибор связи считывателя с RFID-меткой. Поскольку при ее создании используется только одна антенна с одним излучателем, эти средства называют одноэлементными патч-антеннами. Размер изделий, определенный стандартом: 300*300*40 мм.

Устройство и принцип работы

Ее устройство включает два диска, расположенных друг над другом, коаксиальный кабель, подключенный к верхнему металлическому диску и диэлектрик между пластинами. В случае его отсутствия оставляют воздушный зазор между пластинами. Нижняя пластина заземляет конструкцию. Верхний диск выполняет функцию излучателя.

RFID антенны, в которых в качестве диэлектрика используется материал с отличными изоляционными характеристиками, обладают хорошей мощностью и способны создавать устойчивую связь на основе мощного поля. Такие приборы могут иметь и значительно меньшие размеры, что часто применяется при создании мобильных считывателей и компактных RFID-терминалов.

Для антенн с воздушной прослойкой между экранирующей заземляющей частью и излучателем необходимо усиление. Величина необходимой мощности определяется по соотношению распространения волны перпендикулярно и вдоль плоскости излучателя. Нормальной признается работа антенны при соотношении распространения излучаемого ею поля по направлению излучения и под углом к нему в соотношении 2 к одному. В противном случае требуется усилитель. Как правило, необходимая величина усиления составляет 8 дБ.

Конструкция одноэлементной патч-антенны позволяет создавать излучение, перпендикулярно направленное по отношению к поверхности верхней излучающей пластины. А ее форма и способ подключения коаксиального кабеля дают возможность использовать свойства поля с различными характеристиками или, иначе с различной поляризацией излучения. Комбинации подключения кабеля с помощью разъема или напрямую и различные формы пластины позволяют генерировать три вида излучения с различной поляризацией:

Круговой левой (LH Left Hand).
Круговой правой (RH Right Hand).
Линейной (как правило, вертикальной - LV).

RFID антенны с линейной поляризацией

Это самый простой вариант. На графике амплитуды излучения максимумы наблюдаются при расположении антенны по длине RFID метки. При направлении антенны вдоль длины метки создается максимально устойчивая связь между считывателем и меткой, обеспечивающая 100% срабатывание на максимально возможной дальности.

Если провести эксперимент и расположить метку строго напротив антенны, вращая ее по окружности вдоль своей оси, то из-за линейной направленности поля и ориентации излучения под углом 90 к поверхности излучателя максимальная и минимальная дальность срабатывания будут наблюдаться через каждые 90 вращения. Это показывает, что линейные принципы и устройства есть смысл применять при постоянном стабильном расположении RFID-меток.

RFID антенны с круговой поляризацией

Распространение поля антенн с левой и правой поляризацией вне зависимости от направленности имеет меньшую дальность, но осуществляется волнообразно. Небольшая разница заметна только на графике распространения поля, когда вершина волны будет отклоняться вправо или влево в зависимости от поляризации антенны. На практике это означает, что для антенны этого вида не так важна ориентация RFID-метки или самой патч-антенны в пространстве, как дальность нахождения излучателя от RFID-метки. Такие изделия целесообразней использовать, если метки большую часть времени расположены хаотично.

При эксплуатации одного RFID-считывателя даже при подключении к нему нескольких излучателей, их поляризацией не имеет большого значения, так как у всех моделей считывателей одновременно работает только один вход подключения. При наличии нескольких считывателей на одном объекте возможно использование излучателей антенн с различной поляризацией. Например, при организации пропускного режима на объекте с помощью считываемых пропусков.

В этом случае патч-антенны различной поляризации размещают в правой и левой зоне ворот друг напротив друга. Чтобы уменьшить количество возникающих при этом помех можно использовать следующий механизм: излучатель с левой поляризацией подключить к первому считывателю, а правый, соответственно, ко второму.

Патч-антенны с несколькими элементами

Это антенны с несколькими излучателями в конструкции, работающие по тому же принципу, что и одноэлементные модели. За счет использования нескольких излучателей и фазировки излучения достигается общая одномоментная направленность поля. Как следствие, возникает мощный канал связи считывателя с меткой даже на большом расстоянии. Так, например, конструкции на воздушной прокладке с двумя излучателями обеспечивают усиление в 11 дБ. Антенны с 4 элементами и полностью совпадающей на графике амплитудой излучения каждого излучателя имеют 17 дБ. Но за счет дополнительных элементов общий стандарт устанавливает больший размер для таких устройств 500*500*40 мм. Стоимость патч-антенн с несколькими элементами выше, чем у одноэлементных моделей, но и дальность срабатывания может отличаться также значительно. Это позволяет использовать их в логистических системах в целях управленческого учета.

Ближнепольные антенны

Ближнепольные антенны решают проблему эксплуатации меток в сложных условиях высокой загрязненности, близкого расположения меток к устройству в зоне ближнего поля, нахождения в труднодоступных местах, при маркировке поглощающих жидкостей и др. При этом они имеют более компактные размеры 10 мм и 30 мм и большую мощность. Это позволяет создавать специальные метки-Gen2 размером менее 1 см.

Стандартные патч-антенны срабатывают на расстоянии длины волны распространения излучения. Для стандарта Gen2 это около 30 см. Расстояние менее 30 см между антенной и RFID-меткой называется ближним полем. Классическая RFID-метка предназначена для эксплуатации в дальнем поле и в этом экранируется полем стандартных патч-антенн. Как следствие возникают проблемы при ее регистрации.

Применение петлевой антенны ближнего радиуса действия позволяет считывать метки стандарта Gen2 с расстояния всего 1 см и менее. При этом RFID-метка может находиться в трудных для считывания условиях: загрязненности, рядом с поглощающими жидкостями, металлом.

Конструктивно модели с возможностью регистрации меток в диапазоне, меньшем длины антенны, аналогичны LF и HF излучателям, но имеют сложную частотную реализацию на графике, представленную петлей. Поэтому очень часто такие устройства и излучатели называют петлевыми. Эффективная дистанция регистрации для петлевой антенны зависит от размеров самой петли, создаваемой излучателем.