Eri antennien mittaustulokset antoivat selkeitä eroja eri mallien välillä. Varsinainen mobiiliin päätelaitteeseen soveltuva itse suunniteltu malli, eli antenni numero 4, toimi erittäin hyvin. Antennin 4 mittaustulokset olivat jopa parempia kuin Philipsin
valmistamalla, ja kooltaan selkeästi suuremmalla, antennilla numero 5. Vertailuantenneista ainoa, joka fyysisen kokonsa puolesta täyttäisi määritellyt vaatimukset mobiilin lukijan antenniksi, eli Nokian NFC-kuoressa oleva antenni numero 6, jäi mitatuilta tuloksiltaan myös selvästi antennista 4. Samoin huonommiksi jäivät moduulivalmistajan ohjeiden mukaan valmistetut, myös kooltaan sopimattoman suuret, antennit 1-3.
7.1.1 Mittaus 1–Sovitus
Antennien impedanssin sovitusta mitattaessa havaittiin, että kullakin antennilla resonanssitaajuutta kuvaava piikki on varsin kapea, kuten kuvassa 6-7 nähdään. Tämä johtaa siihen, että jos impedanssi on sovitettu jollekin muulle taajuudelle, kuin 13,56 MHz:lle, on sovitus heti selkeästi huonompi siirryttäessä halutulle 13,56 MHz:n taajuudelle. Tämä tulee esille erityisesti antennissa 1.
Antennin 4 impedanssin sovitusta mitattaessa havaittiin mielenkiintoinen ilmiö.
Impedanssiin vaikutti selvästi, mikäli antennia pidettiin kädessä ikään kuin simuloiden tilannetta, jossa antenni on mobiilissa lukijassa kiinni ja lukijaa pidetään kädessä, kuten matkapuhelinta. Koska työn tarkoituksena on selvittää antennin toimivuutta todellisessa sovelluksessa, mitattiin myös antennin sovitus tällä tavalla. Muihin mittauksiin, eli signaalitasoon ja toimintaetäisyyteen, ei käden läsnäolo havaittavasti kuitenkaan enää vaikuttanut.
Antennin 4 impedanssi oli lähellä haluttua 50 ohmia, kuten kuvasta 6-8 nähdään. Näin ollen mallinnusta, jonka mukaan sovituskomponentiksi tarvitaan vain yksi 21,4 pF:n
kondensaattori, voidaan pitää onnistuneena. Vielä paremmaksi sovitusta olisi todennäköisesti saanut käyttämällä mallissa käytetyn 22 pF:n kondensaattorin sijaan tarkalleen 21,4 pF:n kondensaattoria, sekä jyrsimällä piirilevy jyrsimellä, tai oikeastaan teräsarjalla, joka pystyy tarkempaan työhön kuin tämän antennin valmistamisessa käytetyt
terät. Vaikeuksia jyrsimisessä aiheutti antennin kierrosten välien kapeus, joka oli mallinnettu 0,2 mm:n levyiseksi. Tämä oli käytetyn teräsarjan ehdoton minimikapeus jyrsittävälle uralle, ja toimittaessa näin kapasiteetin rajoilla, epätarkkuuksia saattaa esiintyä.
Tarkempi tulos olisi todennäköisesti saatu esimerkiksi teräsarjalla joka pystyy 0,1 mm:n uriin,jolloin 0,2 mm:n jyrsiminen olisiolluthuomattavasti”turvallisempaa”.Philipsin valmistaman antennin 5 sovituksen todettiin kuitenkin olevan varsin lähellä itse valmistetun antennin 4 sovitusta, joten antennin 4 sovituksen voitiin tällä perusteella olettaa olevan tarpeeksi hyvä tämän tyyppisen sovelluksen antenniin.
7.1.2 Mittaus 2–Signaalitaso
Signaalitason mittaukset kertoivat antenneiden toiminnasta paljon. Mitattujen antennien välille saatiin suuria eroja ja tulosten perusteella on helppo verrata itse suunnitellun antennin toimivuutta kaupallisiin ratkaisuihin.
Kaikkien mitattujen antennien signaalitaso oli 5 cm:n mittausetäisyydellä yli 0 dBm. Tätä etäisyyttä voidaan pitää varsin tyypillisenä käyttöetäisyytenä HF-taajuuden RFID-laitteille.
Tälläkin etäisyydellä parhaimman, eli antennin 4, ja huonoimman, eli antennin 2, ero oli kuitenkin varsin suuri, yli 21 desibeliä. Itse suunnitellun ja valmistetun antennin 4
signaalitaso oli tällä etäisyydellä kaikkein paras, tosin se oli lähes sama Philipsin antennilla 5. Nokian NFC-antennin 6 signaalitasoksi mitattiin noin 1,5 dBm.
Mittausetäisyyden kaksinkertaistuessa 10 cm:iin, putosi signaalitaso antenneilla varsin tasaisesti, noin 11–12 desibeliä. Antennilla 3 pudotus oli tosin suurempi, yli 18 dB. Nyt signaalitaso oli pudonnut jo alle 0 dBm:n kaikilla muilla paitsi antenneilla 4 ja 5, eli omalla ja Philipsin antennilla, joiden taso oli edelleen lähes 10 dBm:n luokkaa. Tällä
mittausetäisyydellä”kärkikaksikon”ero muihin olisuurimmillaan,lähes15 desibeliä,jota voidaan pitää melko suurena.
Edelleen kaksinkertaistettaessa mittausetäisyys nyt 20 cm:iin, saatiin kaikkien antennien signaalitasoksi alle 0 dBm. Matalin signaalitaso mitattiin antennilla 6, noin -29 dBm, ja paras antennilla 4, -5 dBm. Tällä etäisyydellä eri antennien tasot ovat jakautuneet varsin tasaisesti parhaan ja huonoimman väliin ja myös erot antennien välillä ovat kasvaneet selvemmin havaittaviksi. Antenni 4 on selvemmin paras kasvattaen eroa kakkoseen, Philipsiin. Samoin peräpäässä alkoi eroja syntyä aiemmin tasaisten antennien 2 ja 6 välille.
Kun etäisyys vielä kaksinkertaistettiin 40 cm:iin, heikkeni signaali taas kaikilla antenneilla varsin tasaisesti. Järjestys muuttui sen verran että antenni 2 ohitti antennin 3, joka on sikäli mielenkiintoista että antennien layout on sama, mutta valmistustekniikka eri: 2 on tehty kupariteipistä kalvolle ja 3 jyrsitty piirilevylle.
Kuvassa 7-1 on esitetty graafisesti eri antennien signaalitasot etäisyyden funktioina.
Kuvasta havaitaan, että suurin osa antenneista käyttäytyy yleisesti ottaen varsin samanlaisesti. Sama ero, joka oli kahden antennin välillä lyhyellä etäisyydellä, oli havaittavissa myös pidemmällä etäisyydellä. Ainoastaan antennin 3 käytös poikkeaa muiden käyristä jonkin verran. Lyhyellä etäisyydellä antenni 3:n signaali on kolmanneksi paras, mutta pitkällä se putoaa vasta sijalle viisi. Lyhyelle etäisyydellä myös antennit 4 ja 5
ovat käytännössä tasoissa, mutta antenni 4:n signaalitaso ei putoa etäisyyden kasvaessa aivan yhtä jyrkästi, vaan näidenkin antennien välille tulee selvä ero mittausetäisyyden kasvaessa kymmeniin sentteihin. Samanlainen ilmiö havaitaan myös lyhyen etäisyyden
”huonoimmassa”parissa,eliantenneissa2 ja6,joiden ero kasvaavarsin suureksietäisyyttä kasvatettaessa, vaikka ne lyhyellä etäisyydellä olivat lähes tasoissa.
Antennien signaalitasot eri etäisyyksillä
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Etäisyys [cm]
Signaalitaso[dBm]
Antenni 1 Antenni 2 Antenni 3 Antenni 4 Antenni 5 Antenni 6
Kuva 7-1:Antennien signaalitasot etäisyyden funktiona graafisesti esitettynä
Itse suunnitellun ja valmistetun antennin 4 suorituskykyä voidaan pitää erittäin hyvänä, sillä sen signaalitaso oli kaikilla mittausetäisyyksillä parempi kuin jopa Philipsin valmistaman fyysisesti selvästi suuremman antennin 5.
Havainnoitaessa antennien tuloksia, on huomioitava niiden käyttötarkoitus. Vaikka esim.
antenni 4:n signaali oli vielä 35 cm:n päässä samalla tasolla kuin antennilla 6 10 cm:n etäisyydellä, niin asia ei ole aivan näin yksinkertainen. On myös otettava huomioon haluttu toimintaetäisyys, eli onko sovellukselle tarkoituksenmukaista toimia useiden kymmenien senttien etäisyydeltä, vai onko parempi että tunnistus tapahtuu vasta lukijan lähes
koskettaessa tunnistetta. Joissakin tapauksissa pitkästä lukuetäisyydestä saattaa olla myös haittaa, varsinkin tietoturvan kannalta kriittisissä sovelluksissa, kuten esimerkiksi ovien sähkölukkojen avaamisessa. Ovien ei ole tarkoitus aueta kun avain-tagi kulkee käytävällä oven ohi, vaan vasta tuotaessa se juuri halutun oven kohdalla olevan lukijan eteen tai kiinni siihen. Toisaalta taas useimmissa sovelluksissa on käyttömukavuuden kannalta parempi, jos
lukuetäisyys on hieman pidempi kuin aivan kosketus. Eri asia tietysti on, olisiko lyhyt lukuetäisyys järkevämpää tai hyödyllisempää toteuttaa hyvällä antennilla ja pienentämällä lähetystehoa, jolloin myös mobiileissa laitteissa aina kriittinen virrankulutus pienenisi.
7.1.3 Mittaus 3 - Toimintaetäisyys
Toimintaetäisyys määritettiin käyttämällä yhtä tagimallia. Tämän kuitenkin katsottiin riittävän siitä syystä, että työn kannalta oleellisempaa on tutkia antennien välisiä eroja eikä absoluuttisia suoritusarvoja, eikä varsinkaan eroja eri tagien välillä.
Toimintaetäisyyden mittaustulokset seurasivat signaalitason tuloksia, mikä oli
odotettavaakin. Edelleenkin itse suunniteltu antenni 4 oli paras, eli toimintaetäisyys oli suurin. Philipsin valmistamalla suurikokoisemmalla antennilla luku onnistui hieman lyhyemmältä etäisyydeltä, kun taas muut mallit olivat kohtuullisen lähellä toisiaan, antennin 4 lukuetäisyyden puolenvälin tienoilla.
Kaiken kaikkiaan lukuetäisyyksien erot olivat melko pieniä, ja etäisyydet varsin lyhyitä, mikä on tämän taajuusalueen sovelluksille tyypillistä. Oleellista sovelluksessa ei kuitenkaan ole se, onnistuuko tunnistus viiden vai kymmenen sentin etäisyydeltä, vaan se että
vaikeissakin olosuhteissa tai erikoistilanteissa toimintavarmuus olisi korkea ja tunnistus onnistuisi. Tällöin viidenkin sentin parempi lukuetäisyys optimiolosuhteissa saattaa olla hyvinkin tärkeä.
Tuloksia verrattaessa havaitaan, että tässä työssä suunniteltu ja toteutettu antenni 4 on toimintaetäisyydeltään ja näin ollen toimintavarmuudeltaan paremmalla tasolla kuin vertailuantenneina käytetyt kaupallisessa käytössä olevat vastaavat antennit. Kaupallisten antennien tapauksessa on myös aina kuitenkin huomioitava se seikka, että antenni on voitu tarkoittaa käytettäväksi useissa erityyppisissä kohteissa ja näin ollen siinä on mahdollisesti jouduttu päätymään joihinkin suorituskykyä rajoittaviin kompromisseihin. Tästä huolimatta ne antavat kuitenkin erinomaiset vertailukohdat, joihin vedoten voidaan tässä tapauksessa todeta, että näiden mittaustulosten perusteella antenni 4 on suoritusarvoiltaan hyvä, ja HF-taajuisiin sovelluksiin erittäin sopiva.