Jussi Nummela
HF-TAAJUISEN ANTENNIN INTEGROINTI MOBIILIIN RFID-LUKIJAAN
Diplomityö
Aihe hyväksytty tietotekniikan osaston osastoneuvoston kokouksessa
11.9.2006
Tarkastaja: Professori Pekka Loula
Alkusanat
Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston elektroniikan laitoksen Rauman tutkimusyksikölle kesän ja syksyn 2006 aikana. Työ on tehty osana Kiinteistöhuollon ja talotekniikan ratkaisut (Kitara)–projektia, joka kuuluu Tekesin CUBE-talotekniikan teknologiaohjelmaan.
Tutkimuksen toimeksiantajana on toiminut projektiin osallistuva Codebird Oy, jolle esitän kiitokseni mahdollisuudesta työn toteuttamiseen. Haluan myös kiittää työn tarkastajaa, professori Pekka Loulaa, ohjaajaa, tutkija Leena Ukkosta, sekä Rauman yksikön johtajaa, Lauri Sydänheimoa, ohjauksesta ja asiantuntevista sekä rakentavista neuvoista tutkimuksen tekemisen aikana, samoin kuin koko TTY Rauman yksikön henkilökuntaa, ja varsinkin Jukka Katajaa, hyvästä yhteistyöstä ja korvaamattomasta avusta. Erityiset kiitokseni osoitan lisäksi vanhemmilleni diplomi-insinöörin tutkinnon suorittamisen mahdollistamisesta sekä kannustuksesta opiskelujeni aikana.
Raumalla 26.10.2006
Jussi Nummela
Junamiehenkatu 10 A 3 26100 Rauma
GSM: +358-40-9011603 E-mail: jussi.nummela@tut.fi
Sisällysluettelo
Alkusanat--- ii
Sisällysluettelo---iii
Tiivistelmä---v
Abstract --- vi
Symboli- ja lyhenneluettelo --- vii
1 Johdanto ---1
2 RFID-järjestelmä ---3
2.1 RFID:n vertailua muihin ID-järjestelmiin --- 3
2.1.1 Viivakoodi ---4
2.1.2 Konenäkö ---4
2.1.3 Biotunnisteet ---5
2.1.4 Älykortit ---5
2.1.5 RFID:n ja viivakoodin eroja ja yhtäläisyyksiä ---6
2.2 RFID-järjestelmän rakenne --- 7
2.2.1 Tagi ---8
2.2.2 Lukija---8
2.2.3 Sovellusjärjestelmä---9
2.3 RFID-järjestelmien luokittelutavat --- 9
2.3.1 Taajuus --- 11
2.3.2 Kytkeytymistapa--- 13
2.3.3 Aktiivinen tai passiivinen --- 15
3 Sähkömagnetiikka ja HF-taajuinen RFID --- 17
3.1 Maxwellin yhtälöt --- 18
3.2 Sähkömagneettisen kentän ja aallon muodostuminen--- 20
3.2.1 Lähikenttä--- 20
3.2.2 Kaukokenttä --- 21
3.3 Tehonsiirto tagille magneettikentän avulla--- 21
3.3.1 Magneettikentän voimakkuus --- 22
3.3.2 Magneettivuo ja magneettivuon tiheys --- 25
3.3.3 Induktanssi --- 25
3.3.4 Keskinäisinduktanssi --- 26
3.3.5 Tagin tehonsyöttö --- 28
4 Erilaisia antennityyppejä--- 29
4.1 Ideaalinen dipoli --- 30
4.2 Pieni silmukka-antenni --- 32
5 Mittausten ja toteutuksen suunnittelu --- 33
5.1 Moduulin valinta --- 33
5.2 Antenni --- 35
5.2.1 Koko --- 35
5.2.2 Sovitus --- 35
5.2.3 Mallinnus --- 36
5.3 Suojuksen materiaali --- 39
5.4 Mittausjärjestelyt--- 40
5.4.1 Mittaus 1–Sovitus--- 41
5.4.2 Mittaus 2–Signaalitaso --- 42
5.4.3 Mittaus 3–Toimintaetäisyys--- 42
5.4.4 Mittaukset 4-5–Kotelomateriaalit --- 43
6 Toteutus ja mittaus --- 44
6.1 Antennien valmistus --- 44
6.2 Mittaustulokset --- 48
6.2.1 Eri antennimallit --- 48
6.2.2 Eri kotelomateriaalit --- 51
7 Analysointi --- 53
7.1 Eri Antennimallit--- 53
7.1.1 Mittaus 1–Sovitus--- 53
7.1.2 Mittaus 2–Signaalitaso --- 54
7.1.3 Mittaus 3 - Toimintaetäisyys --- 56
7.2 Kotelomateriaalit --- 56
7.2.1 Mittaus 4–Signaalitaso eri kotelomateriaaleilla–Antenni 4 --- 57
7.2.2 Mittaus 5–Toimintaetäisyys eri kotelomateriaaleilla --- 58
8 Yhteenveto --- 59
Lähdeluettelo --- 60
Tiivistelmä
TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Tietotekniikan osasto
Tietotekniikka (Pori)
NUMMELA, JUSSI: HF-Taajuisen Antennin Integrointi Mobiiliin RFID-Lukijaan Diplomityö, 72 sivua
Tarkastaja: Professori Pekka Loula
Rahoittajat: TEKES, Codebird Oy, Comprog Oy, Logimek Oy, Nordic ID, Oras Oy, UPM- Kymmene Oyj
Marraskuu 2006
Avainsanat: RFID, antenni, HF-taajuus
Radiotaajuinen tunnistustekniikka, eli RFID, yleistyy kovaa vauhtia ja sen käyttökohteet laajenevat jatkuvasti. RFID:n edut aikaisempiin tunnistustekniikoihin, kuten viivakoodiin, verrattaessa ovat merkittäviä, sillä se ei esimerkiksi tarvitse suoraa näköyhteyttä lukijan ja tunnisteen, eli tagin, välillä. Tagien kehitystyön seurauksena myös lukijalaitteen
kehittymiselle on muodostunut odotuksia, ja erityisesti mobiililukijoiden tarve on sovelluskohteiden lisääntyessä kasvanut.
Tämän diplomityön tavoitteena on ollut määrittää vaatimukset mobiilin RFID-lukijan antennille, joka toimii 13,56 MHz:n taajuudella, eli niin sanotulla HF-alueella. Tämän taajuusalueen järjestelmät ovat kaikkein yleisimpiä ja lisäksi niiden lisääntymisvauhti on kaikkein kovin. Työn tavoitteena on myös ollut selvittää antennin mahdollisen koteloinnin vaikutus antennin, ja sitä kautta koko lukijan, toimintaan.
Suurimmat haasteet antennin suunnittelussa ovat sen fyysinen koko sekä impedanssin sovitus siten, että sovituskomponenttien määrä pysyisi vähäisenä. Fyysinen koko ei saa ylittää mobiilin lukijan kokoa, jotta käyttömukavuus ei oleellisesti kärsisi ja
sovituskomponenttien pienen määrän myötä antennin valmistus yksinkertaistuisi ja olisi mahdollisimman edullista.
Työ suoritettiin mallintamalla ensin ohjelmallisesti antennin ominaisuudet, ja sen jälkeen valmistamalla antennin prototyyppi. Antennin ominaisuuksia mitattiin eri tavoilla, ja verrattiin muihin kaupallisiin tai itse valmistettuihin vertailuantenneihin. Prototyyppi- antennin suoritusarvot olivat parempia kuin yhdelläkään vertailuantennilla, vaikka vertailuantennit olivat jopa fyysisesti suurempia, mikä yleensä merkitsee antenneilla parempia säteilyominaisuuksia. Näin ollen saadut tulokset olivat hyviä, ja työn puitteissa onnistuttiin suunnittelemaan ja valmistamaan malli antennille, joka soveltuu haluttuun kohteeseen erittäin hyvin, ja jonka perusteella voidaan jatkokehittää kaupallisissa sovelluksissa käytettävä antenni.
Abstract
TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Department of Information Technology
Information Technology (Pori)
NUMMELA, JUSSI: The Integration of the HF-Antenna in the Mobile RFID Reader Master of Science thesis, 72 pages
Examiner: Professor Pekka Loula
Financing: TEKES, Codebird Oy, Comprog Oy, Logimek Oy, Nordic ID, Oras Oy, UPM- Kymmene Oyj
November 2006
Keywords: RFID, antenna, HF-frequency
Radio frequency identification (RFID) is becoming more and more common and its
application range is widening continuously. The benefits of RFID are obvious compared to former identification systems, like the barcode. For example, RFID does not need a direct line of sight between the reader and the tag. The development of RFID tags has put pressure on the development of the readers, too, and especially the need of mobile readers has increased through the significant widening of the application range.
The goal of this thesis is to define the requirements of the antenna for the mobile reader using HF band frequency, or to be more specific, 13,56 MHz. This frequency band is the most common and fastest growing band used in RFID applications. Another goal has been to find out the possible effects of different casing materials to the operation of the antenna.
The casing is used to cover and protect the antenna.
During the study the main challenges of antenna design were both the physical size and the correct impedance matching by using a minimal number of matching components. The physical size of the antenna must not be larger than the size of the mobile reader to enable its comfortable use. A small number of matching components would make the antenna simpler and cheaper to manufacture.
The study was carried out by first modelling the attributes of the antenna with the modelling software and then manufacturing the prototype-antenna. The properties of the antenna were measured with different methods and then compared with other commercial and self-made comparison antennas. The measurement results proved the prototype to be better than any other measured antenna, even though the comparison antennas were
physically larger, which normally in antenna technology leads to better radiation properties.
In this study it was possible, based on these results, to design and manufacture a model for the antenna which is very suitable for the intended application. This model is also suitable for further development when making antennas used in commercial applications.
Symboli- ja lyhenneluettelo
Symbolit
A Havainnoitavan alueen pinta-ala B, B Magneettivuon tiheys [A/m]
β Vapaan tilan aaltoluku (beeta)
d Kelan pituus
D Antennin suurin mitta säteilysuuntaa vastaan kohtisuorassa
D Sähkövuon tiheys [C/m]
δs Signaalin tunkeumasyvyys (delta)
d Ideaalisen dipoli- tai pienen silmukka-antennin pituus
Divergenssi [1/m]
∂ Osittaisderivaattaa kuvaava venäläinen symbolidoo
t
j, 2f
E Sähkökentän voimakkuus [V/m]
Enf Sähkökentän voimakkuus lähikentässä η0 Vapaan tilan impedanssi (eeta)
ε Väliaineen dielektrisyysvakio (epsilon) ε0 Tyhjiön permittiivisyys
f Taajuus
fres Resonanssitaajuus
Atsimuutin yksikkövektori pallokoordinaatistossa (fii) Φ Magneettivuo (fii) [Wb]
Φa Kulma karteesisen koordinaatiston xz-tasossa H, H Magneettikentän voimakkuus [A/m]
Hnf Magneettikentän voimakkuus lähikentässä
I Virta [A]
J Sähkövirran tiheys [A/m2]
KäyräintegraaliL Induktanssi [H]
λ Lambda, aallonpituus vapaassa tilassa (lambda) M Keskinäisinduktanssi [H]
μ Väliaineen permeabiliteetti (myy)
μ0 Tyhjiön permeabiliteetti = 4π x 10-7H/m
N Kelan kierrosten määrä
Ω Ohmin tunnus (omega)
π Pii, 3,141592653589793
Ψ Kokonais- eli käämivuo (psii)
r Lähi- ja kaukokentän rajaetäisyys lähetysantennista rF Lähi- ja Fresnelin kentän rajaetäisyys lähetysantennista
r
Säteen yksikkövektori pallokoordinaatistossa
R Kelan säde
R1, R2 Kelan magneettikentän suuruutta säteen suhteen kuvaavan funktion derivaatan nollakohdat
Ra Mittauspisteen etäisyys antennin keskeltä ρ Sähköinen varaustiheys (rhoo) [C/m3]
Roottori [1/m]
S11 S-parametri, joka kuvaa portista 1 lähtevän signaalin takaisin samaan porttiin 1 heijastuvaa osuutta
σ Johtavuus (sigma)
∑ Summaoperaattori (sigma)
θa Kulma karteesisen koordinaatiston xy-tasossa (theta)
Elevaation yksikkövektori pallokoordinaatistossa
x Mittauspisteen etäisyys kelan keskeltä x-akselin suuntaan
Z Impedanssi
ZIm Impedanssin imaginääriosa ZRe Impedanssin reaaliosa
Lyhenteet
CEPT Euroopan Postituksen ja Televiestinnän Valvontajärjestö (Conférence Européenne des administrations des Postes et des Télécommunications) EAN Elintarvikekaupassa käytettävä viivakoodisovellus (European Article
Number)
EEPROM Tyhjennettävä muistityyppi (Electronically Erasable Read-Only Memory) FDX/HDX RFID-järjestelmän toiminta-algoritmi, jossa tagi ja lukija kommunikoivat
samanaikaisesti (Full DupleX / Half DupleX)
FR4 Paloluokitus, jota käytetään piirilevymateriaalina käytettävän lasikuitulujitetun epoksilaminaatin nimenä (Flame Resistant 4)
FRAM Muistityyppi, joka on kallis, kuluttaa vähän virtaa ja kirjoittaa nopeasti (Ferromagnetic Random Access Memory)
GSM Matkapuhelintekniikka (Global System for Mobile communications) HF Lyhytaalto (High Frequency)
IC Sulautettu piiri (Integrated Circuit)
IEEE Kansainvälinen tiedeyhteisö ja standardointijärjestö (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
IFA Antennityyppi (the Inverted F-Antenna)
IFF RFID-järjestelmän esiaste (Identify: Friend or Foe) IRE Toinen IEEE:n esi-isistä (Institute of Radio Engineers)
ISM-kaista Teollisille, tieteellisille ja lääketieteellisille sovelluksille tarkoitettu taajuusalue (Industrial-Scientific-Medical)
ISO Kansainvälinen standardointiorganisaatio (International Organization for Standardization)
LF Pitkäaalto (Low Frequency)
LORAN Ilmailussa ja meriliikenteessä käytetty matalataajuinen navigointisovellus (Long Range Navigation)
NFC Lyhyen kantaman langaton kommunikointiteknologia (Near Field Communications)
NRL USA:n laivaston tutkimuslaboratorio (U.S.Naval Research Laboratory) OCR Optinen hahmontunnistus (Optical Character Recognition)
RAM Muistityyppi, jonka sisältö pyyhkiytyy kun virta katkeaa (Random Access Memory)
RF Radiotaajuus (Radio Frequency)
RFID Radiotaajuinen tunnistus (Radio Frequency IDentification) ROM Muistityyppi, jonka sisältö on pysyvää (Read-Only Memory)
SAW Pinta-akustiset aallot, mikroaaltoalueella toimivien RFID-järjestelmien eräs kytkeytymisperiaate (Surface Acoustic Waves)
SEQ RFID-järjestelmän toiminta-algoritmi, jossa lukijan lähetys kytkeytyy tagin lähetyksen ajaksi pois päältä (SEQuential)
SIM GSM-järjestelmän osa (Subscriber Identity Module)
SRAM Muistityyppi, jolla kirjoitusnopeus hyvä, mutta vaatii jatkuvaa virtaa säilyttääkseen datan (Static Random Access Memory)
SRD Lyhyen kantaman radiolaite, jonka CEPT on määritellyt (Short Range Device)
TTL Bipolaaritransistoreihin perustuva logiikkaperhe (Transistor-Transistor Logic)
UART Sarjaliikennepiiri, joka muuntaa rinnakkaismuotoista dataa sarjamuotoiseksi ja päinvastoin (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)
UHF Ultralyhytaalto eli ULA (Ultra Low Frequency)
WLAN Langaton lähiverkkotekniikka (Wireless Local Area Network)
1 Johdanto
Radiotaajuinen tunnistus, eli RFID (Radio Frequency IDentification), on automaattinen langaton tunnistusteknologia, joka toimii sähkömagneettisiin aaltoihin perustuvan tiedonsiirron avulla. Se on yleistynyt viime vuosina huomattavasti, koska sen edut aikaisempiin tunnistusmenetelmiin, kuten esimerkiksi viivakoodiin, ovat merkittäviä.
Etuihin kuuluvat muun muassa parempi tallennuskapasiteetti,
uudelleenohjelmointimahdollisuus sekä monipuolisemmat lukuolosuhteet, lähinnä siksi, että suoraa näköyhteyttä tunnisteantennin, eli tagin, ja lukijan välillä ei tarvita. RFID:n käyttökohteet laajenevat teknisen kehitystyön seurauksena jatkuvasti. Matalampi virrankulutus, edullisemmat valmistuskustannukset, kehittyneemmät antennit sekä helppokäyttöisemmät käyttöliittymät tuovat koko ajan enemmän ja enemmän hyödyllisiä käyttökohteita RFID-tekniikalle. [1, 2]
RFID-tunnisteiden, eli tagien, kehitystyön seurauksena myös lukijalaitteen kehittymiselle on muodostunut odotuksia. Erityisesti mobiililukijoiden tarve on kasvanut eri
käyttökohteiden lisääntymisen myötä. Tämä aiheuttaa kehityspainetta lukijan koon supistamiselle sekä virrankulutuksen vähentämiselle. Lisäksi lukijoiden hankala käytettävyys sekä vaadittavat konfiguroinnit ovat rajoittaneet tekniikan käyttöönottoa jokapäiväisessä elämässä.
Merkittävä parannus mobiilin lukijalaitteen käytettävyyteen on sen integrointi laiteeseen, joka nykyisin on jo lähes jokaisella ihmisellä jatkuvasti mukanaan, eli kännykkään. Koska kuitenkaan lukijaa ei tarvita mukana jatkuvasti, ja käyttäjäkuntakin on vielä tässä vaiheessa melko rajallinen, on järkevä tapa suorittaa tämä integrointi valmistamalla puhelimeen tarpeen vaatiessa liitettävä lisälaite. Tällöin ohjelmisto on valmiina puhelimessa, käyttöliittymä käyttäjille tuttu ja laitteen kuljettaminen helppoa, koska mukana on kuljetettava vain yhtä laitetta.
RFID-lukijan liittämisessä puhelimeen on kuitenkin eräitä haasteita, joista yksi
merkittävimmistä on antennin toteutus. Toisaalta antennin olisi oltava säteilyteholtaan tarpeeksi suuri, mutta toisaalta kuitenkin antennin fyysinen koko olisi oltava
mahdollisimman pieni. Koko on tässä sovelluksessa tärkeää siksi, että käyttömukavuus huononee oleellisesti, mikäli antenni on selkeästi suurempi kuin itse puhelin. Säteilytehon taas on oltava riittävä luotettavaan toimintaan ilman, että tehoa joudutaan käyttämään puhelimen akusta kohtuuttoman paljon.
Tässä työssä määritetään vaatimukset matkapuhelimeen liitettävän lukijan antennille.
Tarkoituksena on selvittää millaisella antennilla saavutetaan riittävä lukijan
toimintaetäisyys, kuitenkin siten, että antennin koko säilyy käyttömukavuuden kannalta tarpeeksi pienenä. Samoin tarkoitus on löytää antennin toiminnan kannalta sopiva
materiaali lukijan koteloinnille siten, että valmistuskustannukset pysyvät mahdollisimman alhaisina ja kotelointi ei häiritse lukijan toimintaa liikaa.
Tässä diplomityössä on 8 lukua. Luku 2 esittelee RFID-järjestelmää yleisesti, verraten sitä muihin tunnistustekniikoihin, kuten viivakoodiin. Lisäksi luvussa on esitetty yleisesti käytössä olevat luokittelutavat RFID-järjestelmille. Luku 3 käsittelee HF-taajuisen (High Frequency) RFID:n teoriaa ja kytkeytymistavan, lähtien sähkömagnetiikan perusteista.
Luvussa 4 esitellään lyhyesti erilaisia RF-tekniikassa (Radio Frequency) yleisesti
käytettäviä antennityyppejä sekä niiden perusteoriaa. Luvussa 5 kuvataan työn suunnittelu, toteutustavat ja mittausjärjestelyt sekä esitetään teoreettiset mallinnuskuvat suunnitellusta antennista. Luku 6 esittää työn toteutuksen, sisältäen myös mittaustulokset. Luvussa 7 analysoidaan tuloksia ja vedetään johtopäätökset. Lopuksi luku 8 sisältää yhteenvedon tehdystä työstä.
2 RFID-järjestelmä
Ensimmäistä kertaa RFID-tyyppistä teknologiaa käytettiin jo yli 60 vuotta sitten, kun Toisessa Maailmansodassa Iso-Britannian armeija halusi, ymmärrettävästi, tietää oliko Britanniaa kohti lentävä lentokone kotimatkalla ollut oma kone, vai mahdollisesti vain noin 40 kilometrin päässä olleen Ranskan rajan takaa tulossa ollut vihollisleirin hävittäjä. Omiin ja heidän liittolaistensa koneisiin asennettiin eräänlaisia tutkatranspondereita, joiden palauttama tutkasignaali erosi normaalista signaalista sopivasti. Näiden signaalien
perusteella tunnistus pystyttiin tekemään, ei tosin tietenkään yksilötasolla, mutta riittävällä tarkkuudella, jotta lentokoneen alkuperä saatiin selville. Tästä niin sanotusta IFF-
järjestelmästä (Identify: Friend or Foe) on kehittynyt edelleen tänäkin päivänä
ilmailuliikenteessä käytössä oleva lentokoneiden tunnistusjärjestelmä. Eräiden, lähinnä amerikkalaisten, lähteiden mukaan IFF-järjestelmän kehittämisen takana on ollut USA:n laivaston tutkimuslaboratorio, The U.S. Naval Research Laboratory (NRL), mutta käyttötarkoitus on kuitenkin kaikesta huolimatta ollut sama. Luultavasti ratkaistava ongelma on tiedostettu molemmilla puolilla Atlanttia, ja kehitystyötä on samoin tehty molemmilla tahoilla. Ensimmäisenä RFID:stä tehtynä tieteellisenä julkaisuna pidetään Harry Stockmanin kirjoittamaa”Communication by MeansofReflected Power”:ia,joka julkaistiin”ProceedingsoftheIRE”:n lokakuun numerossa vuonna 1948. [5, 8, 11]
50-luvun lopulla Texas Instrumentis:lla työskennellyt Jack Kilby onnistui kehittämään IC- piirin (Integrated Circuit), joka edesauttoi merkittävästi elektroniikkasovellusten, myös radiotaajuisen tunnistuksen, kehitystä. 1960- ja 70-lukujen vaihteessa ydinteknologian lisääntyessä ilmeni myös tarvetta lisääntyneeseen ihmisten ja tarvikkeiden luotettavaan tunnistamiseen ja kulunvalvontaan. Tämä ajoi edelleen RFID-järjestelmien kehitystä eteenpäin. 1970-luvun lopulla hyväksi havaittu teknologia alkoi vähitellen siirtyä
asevoimilta ja viranomaissektorilta myös kuluttajapuolelle, muun muassa karjanhoitoon ja elintarviketeollisuuteen liittyvien sovellusten myötä. Seuraavaksi tekniikka levisi
rautateille, jossa oli ensin erittäin epäonnistuneesti yritetty tunnistaa kalustoa viivakoodien avulla. RFID toi rautateiden erikoistyyppiseen toimintaympäristöön useita merkittäviä helpotuksia. Rautateiltä tekniikka levisi edelleen uusille aloille, kuten tieliikenteen valvontaan ja logistiikan eri osa-alueisiin, jotka ovat vielä nykyäänkin eräitä RFID:n tärkeimmistä ja yleisimmistä käyttökohteista. [5, 8, 11, 27]
2.1 RFID:n vertailua muihin ID-järjestelmiin
Monet muutkin erilaiset automaattiset tunnistusjärjestelmät ovat kasvattaneet viime vuosina suosiotaan erittäin paljon esimerkiksi logistiikan, tuotannon ja materiaalihallinnon eri sovelluksissa. Näitä järjestelmiä ovat, RFID:n lisäksi, muun muassa viivakoodi,
magneettiraita, konenäkö ja älykortti sekä erilaiset biotunnisteet, kuten sormenjälki-, ääni-, iiris- (silmä) ja kasvotunnistus. [1, 8, 11]
2.1.1 Viivakoodi
Viivakoodion RFID:n ”haastajista”yleisin.Seon käytössälaajastiesimerkiksi päivittäistavaramyymälöiden kassa- ja varastojärjestelmissä. Viivakoodi muodostuu binäärikoodista, joka on kuvattu vierekkäin olevina viivojen ja välien yhdistelmänä.
Yhdistelmillä on standardoidut merkitykset ja koodaukset, joiden mukaan viivakoodia tulkitaan. Viivakoodia luetaan optisella laser-skannerilla, jonka lähettämä säde heijastuu erilaisesti takaisin viivoista ja väleistä. Eräs yleisimmistä ja kuluttajille näkyvimmistä viivakoodin käyttösovelluksista on EAN-koodi (European Article Number) (kuva 2-1), joka on kehitetty 70-luvulla erityisesti elintarvikekaupan tarpeisiin. EAN-koodi muodostuu 13 merkistä, joihin sisältyvät maakoodi, valmistajan tunnus, valmistajan tuotenumero sekä tarkistusbitit. [1, 8]
Kuva 2-1:EAN-koodi, joka muodostuu 13 merkistä [10]
2.1.2 Konenäkö
Konenäköä, eli optista hahmontunnistusta (OCR = Optical Character Recognition), alettiin kehitellä jo 60-luvulla, jolloin käytettiin erikoiskirjaimia, jotka pystyttiin lukemaan sekä perinteisellä tavalla että automaattisesti koneen avulla. OCR:n tärkein ominaisuus on suuri informaatiotiheys, eli tekstin pieni koko, sekä mahdollisuus tarvittaessa tulkita samaa tekstiämyös”manuaalisesti”paljaalla silmällä. OCR-järjestelmät ovat melko kalliita ja monimutkaisia, jonka vuoksi ne eivät juuri ole yleistyneet muualle kuin joihinkin teollisiin sovelluksiin sekä pankkialalle, jossa niitä eräissä maissa käytetään esimerkiksi shekkien varmentamiseen. [1]
2.1.3 Biotunnisteet
Biotunnisteilla tarkoitetaan ihmisvartalon kohteita, joiden perusteella ihmiset voidaan yksilöllisesti ja luotettavasti tunnistaa. Käytännössä nykytekniikalla näihin lukeutuvat sormenjälki, kädenjälki, ääni sekä silmä eli tarkemmin iiris. Joissakin yhteyksissä on tulevaisuuden tunnistekeinona mainittu ns. ihmiskehon luontainen säteily, mutta tieteellistä tulosta ei aiheesta ole saatu.
Sormenjälkitunnistusta on käytetty tunnistekeinona kriminologiassa jo 1900-luvun alusta saakka. Periaate perustuu sormien päässä oleviin yksilöllisiin kuvioihin ja niiden jättämiin jälkiin. Sormen- ja kädenjälkitunnistus on nykyisin yleistynyt kulunvalvontasovelluksissa, joissa sormi tai kämmen asetetaan erityiseen lukijaan, joka lukee ihon kuviot ja vertaa niitä tietokantaansa. Modernit lukijat pystyvät tekemään tunnistuksen jopa alle puolessa
sekunnissa sekä lisäksi päättelemään, että lukijaan asetettu raaja on kiinni elävässä ihmisessä. Tämä estää tehokkaasti väärinkäytösten mahdollisuutta. [1, 12]
Viime vuosina myös äänitunnistus on kehittynyt tasolle, jossa sitä voidaan käyttää luotettavana tunnistustekniikkana. Äänitunnistusjärjestelmissä käyttäjä puhuu tietokoneeseen liitettyyn mikrofoniin ja tietokone muuntaa puheen digitaaliseksi signaaliksi. Tätä signaalia verrataan jälleen tietokantaan, jonka perusteella tunnistus suoritetaan. Äänitunnistuksen käyttökohteet ovat samantyyppisiä kuin
sormenjälkitunnistuksessakin, eli esimerkiksi kulunvalvonta. [1]
2.1.4 Älykortit
Älykortilla tarkoitetaan yleensä muovista luottokortin kokoista korttia, jolla on
tallennuskapasiteettia sekä mahdollisesti myös mikroprosessorin avulla toteutettavia muita toimintoja. Ensimmäiset älykortit olivat niin sanottuja pre-paid -puhelukortteja, jotka tulivat markkinoille 80-luvun puolivälissä. Älykortteja luetaan erityisellä lukijalla, joka mekaanisen kosketuksen avulla lukee korttia sekä syöttää sille esimerkiksi virtaa. Nykyään älykortit jaetaan niin toiminnallisuuden perusteella kahteen eri luokkaan: muistikortteihin ja mikroprosessorikortteihin. [1, 11]
Muistikortit sisältävät muistin, joka on yleensä EEPROM-muistia (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Lisäksi niissä on sekvenssi-logiikka järjestelmä, jolla muistia käytetään, sekä mahdollisesti vielä erilaisia suojausalgoritmeja. Muistikortit ovat erittäin kustannustehokkaita ja siksi ne sopivatkin suurten volyymien sovelluksiin. [1]
Mikroprosessorikortit sisältävät nimensä mukaisesti mikroprosessorin sekä lisäksi erityyppisiä muisteja. ROM-muisti (Read Only Memory) sisältää kortin
”käyttöjärjestelmän”jokaohjelmoidaan valmistusvaiheessapysyvästikorttiin.EEPROM sisältää sovelluksia, joita kortin mikroprosessorilla käytetään ja niitä voidaan lisätä ja poistaa kortilta. RAM (Random Access Memory) on mikroprosessorin käyttömuistia, joka pyyhkiytyy tyhjäksi aina kun kortista katkeaa käyttöjännite. Mikroprosessorikorttien käyttösovellusalue on erittäin laaja. Yleisimpiä kohteita ovat erilaiset
turvallisuussovellukset sekä GSM-verkon (Global System for Mobile Communications) SIM-kortit (Subscriber Identity Module) (kuva 2-2). [1, 11]
Kuva 2-2:Mikroprosessoriälykortteja sekä suurempaan korttiin soveltuva lukija
2.1.5 RFID:n ja viivakoodin eroja ja yhtäläisyyksiä
RFID:llä ja viivakoodilla on eroistaan huolimatta myös merkittäviä yhtäläisyyksiä. Koko järjestelmää tarkasteltaessa huomataan, että eroavaisuudet rajoittuvat oikeastaan vain ilmarajapintaan eli lukijan ja tunnisteen ominaisuuksiin (taulukko 2-1). Itse
informaatiovirta sitä vastoin on samanlainen molemmissa järjestelmissä, eli
kokonaisjärjestelmän kannalta ei ole juurikaan merkitystä, kumpi tunnistustekniikka on järjestelmän tunnistuspäässä käytössä (kuva 2-3). Molemmissa tapauksissa lukijoista eteenpäin välittyy tunnisteesta luettu tunnus, jota järjestelmä käsittelee samalla tavalla.
Kuva 2-3:Kokonaisjärjestelmän kannalta RFID:n ja viivakoodin erot ovat ilmarajapinnassa
Näiden kahden eri järjestelmätyypin karkeimmat erot siis syntyvät lukijan ja tunnisteiden eroista. Viivakoodin heikkoutena on rajallinen kapasiteetti, eli vain yhtä viivakoodia voidaan lukea samanaikaisesti ja yhteen viivakoodiin ei kovinkaan paljoa informaatiota
mahdu. Toinen perustavaa laatua oleva viivakoodin heikkous on lukijan ja tunnisteen pakollinen ”näköyhteys”,elimikälitunnisteon ruttaantunut,likaantunut,peittynyttai pakattu johonkin, lukeminen ei onnistu lainkaan. RFID:ssä näitä ongelmia ei yleensä ole, tosin esimerkiksi metallin tai erittäin paksun muun väliaineen läpi RFID:nkin toiminta vaikeutuu, mutta ei kuitenkaan samassa määrin kuin viivakoodilla. Viivakoodiakin on kuitenkin myös viime vuosina pyritty kehittämään, koska silläkin on edelleen erittäin hyviä käyttökohteita sekä ominaisuuksia, kuten halpuus. Kehitys onkin keskittynyt lähinnä skanneri- tai lukijapuoleen ja sitä kautta toimintatehokkuuteen. [8]
RFID (pass.) Viivakoodi
Tyypillinen datamäärä, max 64 kB
Datatiheys erittäin suuri
Koneellinen luettavuus hyvä
Inhimillinen luettavuus mahdoton
Lian / kosteuden vaikutus olematon
Peitossa olo ei yleensä vaikuta toimintaan
Asennon ja lukusuunnan vaikutus toimintaan pieni
Hankintakustannukset (lukija) keskitasoa
Käyttökustannukset olemattomat
Luvaton kopiointi mahdotonta
Lukunopeus erittäin suuri (jopa ~100/s)
Lukuetäisyys 0-5 m
Tyypillinen datamäärä, max. 100 B
Datatiheys pieni
Koneellinen luettavuus hyvä
Inhimillinen luettavuus rajallinen
Lian / kosteuden vaikutus erittäin suuri
Peitossa olo estää toiminnan kokonaan
Asennon ja lukusuunnan vaikutus toimintaan merkittävä
Hankintakustannukset (lukija) matalat
Käyttökustannukset matalat
Luvaton kopiointimahdollisuus vähäinen
Lukunopeus pieni (~2/s)
Lukuetäisyys 0-50 cm
Taulukko 2-1:RFID:n ja viivakoodin tunnisteen ja lukijan ominaisuuksia [1, 8, 35]
2.2 RFID-järjestelmän rakenne
RFID-järjestelmä (kuva 2-3) koostuu kolmesta pääkomponentista, jotka ovat:
tunniste eli tagi eli transponderi
lukija, johon kuuluu antenni
sovellusjärjestelmä
Kuva 2-3:RFID-järjestelmän perusrakenne
2.2.1 Tagi
RFID-tagi on tunniste-elementti, joka kiinnitetään tunnistettavaan kohteeseen tai sen pakkaukseen. Tagi koostuu mikrosirusta sekä säteilyelementistä, eli antennista. Lisäksi tagiin voi kuulua, mikäli kyseessä on aktiivinen tagi, virtalähde. Passiivinen tagi on yksinkertaisempi, edullisempi ja se saa käyttövoimansa lukijalaiteen säteily- tai sähkömagneettisesta kentästä. Tageja voidaan luokitella tehonsaannin lisäksi myös toimintataajuuden, luku- tai kirjoitusoption, muistin koon tai tiedonsiirtomekanismin perusteella. [3, 9]
Tagi sisältää tunnistedatan, jonka se välittää lukijalle altistuessaan lukijan säteilykentälle.
Tunnistedata voidaan, tagin tyypistä riippuen, joko kirjoittaa tagiin useita kertoja uudelleen, tai ohjelmoida siihen vain kerran, jolloin kyseessä on niin sanottu read-only -tagi.
Fyysisesti tageja on useita erityyppisiä. Käytettävä taajuus ja haluttu lukuetäisyys, sekä niiden myötä antennin koko, määräävät pääsääntöisesti tagin fyysisen koon, mutta myös pakkaustavat vaihtelevat sovelluskohteen ja valmistustavan mukaan. Suojaiseen paikkaan kiinnitettävä ja sisäkäyttöön sopiva tagi voi olla esimerkiksi painotekniikalla valmistettu taipuisa ja liimattava tagi (kuva 2-4). Kovemmissa ja vaativimmissa olosuhteissa käytetään koteloitua ja ruuveilla kiinnitettävää tagia. Lisäksi esimerkiksi henkilötunnistuksessa käytetään usein muoviseen ID-korttiin integroitua tagia. [3, 4, 6]
Kuva 2-4:Erimallisia tageja, jotka soveltuvat suojaiseen paikkaan kiinnitettäviksi
2.2.2 Lukija
RFID-lukijan pääasiallinen tehtävä on lukea informaatiota tagilta ja kirjoittaa sitä sinne.
Toinen merkittävä tehtävä on antaa passiiviselle tai puoliaktiiviselle tagille tarvittavaa toimintatehoa, eli aktivoida tagi. Lisäksi lukija kommunikoi sovellusjärjestelmän kanssa, eli välittää tageilta saamansa informaation eteenpäin, sekä vastaavasti kirjoitusvaiheessa sovelluksilta saamansa tiedon tageille. [3, 4]
Lukija voidaan jakaa kolmeen osaan, jotka ovat antenni, radiotaajuusosa ja ohjausosa.
Antenni lähettää ja vastaanottaa signaalia ilmarajapinnasta. Antennin ominaisuudet vaikuttavat huomattavasti lukuetäisyyteen ja sitä myötä lukijan käyttöolosuhteisiin.
Radiotaajuusosa, eli RF-osa, sisältää lähettimen ja vastaanottimen. Sen tehtävät ovat korkeataajuisen lähetystehon kehittäminen tagin aktivoimiseksi, lähetyssignaalin modulointi informaation välittämiseksi tagille sekä tagilta tulevan datan vastaanotto ja demodulointi. Ohjausosan tehtävä on suorittaa informaation koodaus sekä koodauksen
purku, yhteyden ohjaus ja käskyjen suorittaminen sekä kommunikointi sovellusjärjestelmän ohjelmien kanssa. Lisäksi monimutkaisemmissa järjestelmissä ohjausosan tehtäviin
saattavat kuulua myös tiedon oikeaksi todentaminen sekä salakirjoitus eli kryptaus. Lukija kommunikoi sovellusten kanssa yleensä kaapeloinnin kautta. Yleisimmät liitäntätyypit ovat RS-232, RS-422/485 tai Ethernet, joista Ethernet-perusteinen lähiverkkoliitäntä on
käyttömukavuutensa ansiosta lisäämässä selvästi suosiotaan. Varsinkin kannettavat lukijat, eli niin sanotut käsilukijat, saattavat käyttää kommunikointiin myös jotain langatonta tekniikkaa, kuten Bluetooth tai WLAN (Wireless Local Area Network). Kuvassa 2-5 on esitelty muutamia erityyppisiä RFID-lukijoita. [3, 4, 7]
Kuva 2-5:Erilaisia RFID-lukijoita, joista yhdessä kiinni erillinen antenni
2.2.3 Sovellusjärjestelmä
RFID-järjestelmän sovellusjärjestelmä-osa sisältää mahdolliset palvelimet, tietokannat, informaatiota käsittelevät ja järjestelmän hallinnasta vastaavat sovellukset sekä tiedon tarkasteluun käytettävät päätelaitteet. Informaatio voi siirtyä lukijalta sovellusjärjestelmään eri tavoilla, kuten aiemmin todettiin, ja sovellusjärjestelmä muokkaa informaatiodatasta käyttäjille sopivaa. Datan tarkasteluun voidaan käyttää esimerkiksi matkapuhelinta, Internet-selainta, kaavioita, taulukoita, raportteja tai muita dokumentteja. Mahdollisuuksia on lähes rajattomasti. [8, 11]
2.3 RFID-järjestelmien luokittelutavat
RFID-järjestelmiä voidaan luokitella usealla eri perusteella. Yleisimpiä luokittelutapoja ovat:
toimintataajuus
kytkeytymistapa
aktiivisuus tai passiivisuus, eli tagien tehonlähde
muistin koko
sirullinen tai siruton tagi
muistin tyyppi
tagiin kirjoitusmahdollisuus
lukuetäisyys
toiminta-algoritmi, eli full/half duplex (FDX/HDX) tai sequential (SEQ) [1, 4]
Näistä kolme ensimmäistä ovat yleisimpiä, ja niistä kerrotaan tarkemmin alaluvuissa 2.3.1–
2.3.3. Muut esitellään lyhyesti seuraavassa.
Muistin koolla tarkoitetaan tagissa, eli tunnisteessa, olevan muistin määrää. Se vaihtelee normaalisti muutamista tavuista muutamiin kymmeniin kilotavuihin. Poikkeuksena ovat niin sanotut yksibitti-tunnisteet (1-bit tag), jotka sisältävät nimensä mukaisesti vain yhden bitin. Tällainen tagi pystyy välittämään lukijalle vain sen tiedon, onko tagi lukijan kentässä (1) vai eikö ole (0). Tämäkin kuitenkin riittää esimerkiksi yksinkertaisiin
valvontasovelluksiin. Lisäksi tällaiseen tagiin ei tarvita lainkaan mitään sirua tai piiriä, joten se on hyvin edullinen valmistaa, ja siksi sitä käytetäänkin muun muassa kauppojen kassoilla tai ulko-ovilla olevissa hälyttimissä ilmoittamaan mahdollisista maksamattomista tuotteista. Maksettaessa tagi poistetaan tai deaktivoidaan, jolloin hälytystä ei enää tapahdu.
1-bit-tagin lisäksi on olemassa muitakin siruttomia tunnisteita, joiden muistiominaisuudet ovat sirullisia heikommat, mutta toisaalta hinta on edullisempi ja niillä on paremmat toimintaedellytykset esimerkiksi metallin tai nesteen läheisyydessä sekä äärimmäisissä lämpötilaolosuhteissa. Lisäksi tagit pystytään sijoittamaan huomaamattomasti erilaisiin pakkauksiin tai jopa pelkkään paperiin. Siruttomien tagien suosio ja kehitys ovat tällä hetkellä kovassa nousussa, koska niiden ominaisuudet laajentavat entisestään RFID:n käyttökohteita esimerkiksi pakkaus- ja lääketeollisuuden tai turvallisuusalan parissa [1, 11]
Tunnisteissa käytettävät muistityypit vaihtelevat käyttötarkoituksen mukaan. Järjestelmissä, joissa ei ole tagien uudelleenohjelmointimahdollisuutta, eli kirjoitusoptiota, lyhyt
tunnistenumero tai sarjanumero kirjoitetaan tagin muistiin valmistusvaiheessa. Näissä käytettävä muisti on tyyppiä ROM. Uudelleenkirjoitettavia tunnisteita käytettäessä lukijalla on kolme erilaista tapaa halutun informaation kirjoittamiseksi tagiin. Yleisin tapa on
käyttää EEPROM-muistia. Tämän muistityypin haittana on kuitenkin suuri virrankulutus kirjoitusvaiheessa sekä rajallinen kirjoitusoperaatioiden määrä (100 000-1 000 000 kpl).
FRAM-muisti (Ferromagnetic Random Access Memory) sen sijaan kuluttaa
kirjoitusvaiheessa virtaa noin sata kertaa vähemmän kuin EEPROM ja kirjoitusaikakin on tuhat kertaa lyhyempi. FRMA on kuitenkin hankalampi, eli kalliimpi, valmistaa, joten sen yleistyminen on vielä ollut hidasta. Kolmas tapa on käyttää SRAM-muistia (Static Random Access Memory), jolla kirjoitusvaiheet on erittäin nopeita. SRAM vaatii kuitenkin jatkuvaa virransyöttöä säilyttääkseen datan, joten sitä käytettäessä on tagiin liitettävä myös paristo.
[1, 11]
Lukuetäisyyden perusteella järjestelmät voidaan jakaa kolmeen eri luokkaan.
Lukuetäisyyttä kutsutaan myös fysikaalisesti havainnollisemmalla nimellä
kytkeytymisetäisyys. Lyhyen etäisyyden järjestelmillä tunnistus onnistuu välillä 0-1 cm.
Keskipitkät järjestelmät toimivat välillä 0-1 m ja pitkän lukuetäisyyden järjestelmiksi kutsutaan niitä, joilla tunnistus onnistuu yli 1 metrin etäisyydeltä. [1, 4]
†englanninkielinen termiload modulation,käytetään tässä työssä suomennostakuormaimpedanssin modulaatio
Vielä yksi jaotteluperuste on niin sanottu toiminta-algoritmi, eli millaisella rytmillä lukija ja tunniste lähettävät signaaliaan toisilleen. Vaihtoehtoina FDX/HDX tai SEQ. FDX/HDX- järjestelmissä tagi lähettää signaaliaan silloin kun lukijankin RF-lähetys on päällä. Koska lähetykset ovat samanaikaisia ja tagin signaali voi olla huomattavasti lukija vastaavaa heikompi, pitää tällaisessa järjestelyssä keksiä keino tagin signaalin erottamiseksi. Tähän käytetään niin sanottua kuormaimpedanssin modulaatiota†, sen muodostamia sivunauhoja sekä apukantoaaltoja. SEQ-järjestelmässä taas lukijan lähetys kytketään aika ajoin lyhyesti pois päältä. Nämä katkot tunniste huomaa ja suorittaa niiden aikana oman lähetyksensä.
Tällaisen järjestelyn haittapuolena on passiivisen tehonsyötön katkeaminen tagille
katkosten ajaksi, joten virransaanti on varmistettava kondensaattorein tai paristojen avulla.
[1, 13]
2.3.1 Taajuus
Ehkä kaikkein yleisin tapa luokitella RFID-järjestelmät, on niiden toimintataajuus. Eli tarkemmin sanottuna se taajuus, jolla lukija lähettää signaaliaan. Tunniste vastaa käytännössä aina samalla taajuudella. Yleisesti ottaen taajuus määrittää tagin ja lukijan välisen yhteyden mahdollisen datanopeuden: mitä korkeampi taajuus, sitä suurempi nopeus.
Kuitenkaan nopeus ei ole ainoa huomioitava seikka valittaessa optimaalista taajuutta sovellukselle, vaan muun muassa ympäristötekijät ovat myös tärkeässä asemassa.
Esimerkiksi tunnistettavan esineen materiaalit, kuten metalli, neste tai paperi, tai
mahdollinen muiden radioaaltoja tuottavien laitteiden, kuten esimerkiksi mikroaaltouunin, kaukosäätimen ja radiopuhelimen, läheisyys voivat aiheuttaa häiriöitä tietyille taajuuksille.
Yleisesti ottaen korkeampi taajuus merkitsee pienemmän kokoista antennia, pienempää tagia ja suurempaa lukuetäisyyttä - sekä myös tiukempia viranomaismääräyksiä
radiosignaalien käytöstä ja korkeampia kustannuksia. [11]
Alkuvaiheessa RFID-laitteet käyttivät useita eri taajuuksia, mutta nykyään yleistyneet taajuudet ovat jakaantuneet neljälle eri taajuusalueelle. Näiden taajuusalueiden sisällä RFID-sovellukset käyttävät yleensä lisenssivapaita ISM-kaistoja (Industrial-Scientific- Medical), jotka ovat tarkoitettu teollisille, tieteellisille ja lääketieteellisille RF-sovelluksille.
Taajuuskaistojen jako on eri lähteissä ja eri yhteyksissä esitetty hieman eri tavoilla, tosin erot ovat nimellisiä. Tässä työssä käytetään kuitenkin lähteen 1 mallia.
RFID:n yleisesti käyttämät taajuuskaistat ovat:
LF (Low Frequency), 30-300 kHz
o RFID-käytössä tältä kaistalta125-134 kHz(ei ISM)
HF (High Frequency) tai RF (Radio Frequency), 3-30 MHz o RFID-käytössä13,56 MHz
UHF (Ultra High Frequency), 300 MHz-3 GHz
o RFID-käytössä866 MHz(EU, ei ISM),915 MHz(USA)
Mikroaallot, 3-30 GHz
o RFID-käytössä2,4 GHzja5,8 GHz
Lisäksi RFID-käytössä on muitakin taajuuksia, mutta erinäisistä syistä niiden käyttö on nykypäivänä vähäistä. [1, 4, 14]
LF-kaistaa ei siis ole määritetty ISM-käyttöön, mutta sitä käytetään tyypillisesti niin sanotuissa SRD-sovelluksissa (Short Range Device). SRD on Euroopan Postituksen ja Televiestinnän Valvontajärjestö CEPT:n (Conférence Européenne des administrations des Postes et des Télécommunications) määrittelemä lyhyen kantamana radiolaite, joka ei aiheuta merkittäviä häiriöitä ympärilleen. Vaikka tällä kaistalla käytetäänkin yleensä suurempia kentän voimakkuuksia kuin muilla kaistoilla, on RFID-sovellusten lukuetäisyys hyvin pieni, lähes kosketus, ja lukunopeus hidas. Toteutus on kuitenkin edullista ja siksi taajuutta käytetään esimerkiksi kulunvalvonnassa ja eläinten tunnistuksessa. Lisäksi tämä matala taajuus toimii korkeampia paremmin metallin ja nesteen läheisyydessä. Kaistan huonona puolena on kova ruuhkaisuus, koska se ei ole ISM-kaista, mutta toisaalta RFID:ssä ruuhkaisuus ei juuri häiritse, koska lukuetäisyys on niin pieni. Tällä pitkien aaltojen kaistalla toimivat, RFID:n lisäksi, pitkää kantomatkaa edullisin kustannuksin vaativat radiosovellukset, kuten ilmailun ja meriliikenteen käyttämät navigointisovellukset (esimerkiksi LORAN (Long Range Navigation) ja Decca), aikasignaalipalvelut ja
sotilasradiosovellukset. [1, 3, 4, 8]
HF-kaistalla toimiva 13,56 megahertsin RFID on erittäin suosittu passiivisten tagien lyhyen kantaman sovelluksissa, koska se on sopiva kompromissi koon ja lukuetäisyyden välillä sekä piirit ovat yleisiä ja edullisia. Lukuetäisyys kasvaa LF-taajuuksien lähes kosketuksesta muutamiin kymmeniin sentteihin, jopa metriin, ja lukunopeus paranee huomattavasti.
Tämän taajuuskaistan on ennakoitu kasvattavan suosiotaan RFID-käytössä kaikkein eniten, jopa niin paljon, että 13,56 MHz:n tunnisteiden määrä ylittää pian kaksinkertaisesti muiden taajuuksien tunnisteiden määrät yhteensä (kuva 2-6). Yleisiä HF-kaistalla toimivia RFID- sovelluksia ovat kulunvalvonta- ja henkilöntunnistussovellukset sekä esimerkiksi
apteekkien hyllystöissä käytettävät lääkkeentunnistusjärjestelmät, sillä HF-taajuus soveltuu myös melko hyvin nesteitä sisältävien kohteiden tunnistukseen. Tälläkin taajuudella toimii myös muita sovelluksia, esimerkiksi useat erilaiset kauko-ohjaimet. [1, 8, 14]
UHF-kaistalla RFID-sovelluksia toteutetaan useilla eri taajuuksilla. Euroopassa käytettävä 866 MHz:n kaista ei ole ISM-käyttöön spesifioitu, mutta CEPT on määrittänyt sen
jäsenmaissaan SRD-käyttöön. Näin ollen se on sovelias myös RFID:lle ja onkin hyvin yleinen siinä käytössä. Vastaava taajuuskaista Euroopan ulkopuolella on 915 MHz:n alue, joka on Pohjois-Amerikassa, osassa Etelä-Amerikkaa ja Australiassa määrätty ISM- käyttöön. UHF-järjestelmien etuina verrattaessa matalampiin taajuuksiin ovat selvästi pidempi lukuetäisyys sekä huomattavasti suurempi lukunopeus. Näiden ominaisuuksien ansiosta laitteet sopivat sovelluksiin, joissa lukijan kentässä voi olla yhtäaikaisesti satoja tai jopa tuhansia luettavia kohteita, kuten teollisuuden tuotantoketjun seurantajärjestelmät.
UHF-signaali heijastuu ja vaimenee voimakkaasti nesteissä ja metalleissa, joten se ei ole sovelias niiden yhteydessä käytettäväksi. Muita UHF-kaistaa käyttäviä laitteita voivat olla muun muassa televisiot, radiot ja langattomat puhelimet. [1, 8, 11, 14, 28]
Mikroaaltotaajuuksien käsite vaihtelee hieman riippuen yhteydestä, jossa sitä käsitellään.
Teoriassa mikroaaltoalueeseen voidaan lukea kaikki taajuudet väliltä 300 MHz–300 GHz, mutta tietoliikenteen yhteydessä alue usein rajataan välille 3-30 GHz. RFID-käytössä taas 2,4 GHz:n kaista luetaan myös mikroaaltoalueelle, johtuen sen ominaisuuksista, jotka ovat
†suomennettu tässä työssä englanninkieliset termitclose coupling systems, remote coupling systemsjalong range systems
lähempänä mikroaaltokaistalle tyypillisiä ominaisuuksia kuin UHF-kaistan alapäässä olevien RFID-taajuuksien ominaisuuksia.
RFID-käytössä yleisimmät mikroaaltotaajuudet ovat 2,4 GHz ja 5,8 GHz. Näille taajuuksille on tyypillistä erittäin suuri lukunopeus ja kohtuullisen hyvä lukuetäisyys.
Etäisyys on käytännössä samaa luokkaa kuin UHF-taajuuksillakin, ja myös tämän
taajuuden laitteille ongelmia tuottavat nesteen tai metallin läheisyydessä olevat tagit, joiden lukeminen onnistuu selvästi paremmin esimerkiksi LF-taajuuksilla. Mikroaaltotaajuuksia käytetään paljon aktiivisissa ja puoliaktiivisissa RFID-sovelluksissa sekä muun muassa teollisuusautomaation parissa, jossa usein tarvitaan suurta lukunopeutta. Muita näillä kaistoilla toimivia sovelluksia ovat esimerkiksi WLAN-, Bluetooth-tiedonsiirtotekniikat sekä mikroaaltouunit, joiden läheisyys häiritsee selvästi lukijan toimintaa. [1, 11, 34]
0 500 1000 1500
2000 2001 2002 2003 2004 2005
Miljoonaatunnistetta
UHF (868/915 MHz) Microwave (2,45 GHz) LF (< 135 kHz) HF (13,56 MHz)
Kuva 2-6:Maailman RFID-tunnistemarkkinoiden arvioitu jakaantuminen eri taajuuksien välille [1]
2.3.2 Kytkeytymistapa
RFID-järjestelmät voidaan jaotella myös niin sanotun kytkeytymistavan mukaan.
Kytkeytyminen, eli yhteyden muodostuminen, voi tapahtua eri sähkökentän ominaisuuksien avulla. Nämä eri vaihtoehdot ovat:
sähköisen kentän avulla (kapasitiivinen kytkeytyminen)
magneettisen kentän avulla (induktiivinen kytkeytyminen)
sähkömagneettisten aaltojen avulla (takaisinsironta & pinta-akustiset aallot) Lisäksi tähän liittyen, järjestelmät voidaan jaotella myös fyysisen kytkeytymisetäisyyden perusteella, eli kuinka kaukana lukijasta kytkeytyminen tapahtuu:
lyhyen kytkeytymisetäisyyden järjestelmät (< 1 cm)
keskipitkän kytkeytymisetäisyyden järjestelmät (< 1 m)
pitkän kytkeytymisetäisyyden järjestelmät (> 1 m)†
Sähkömagneettinen kenttä voidaan jakaa kahteen pääosaan sen ominaisuuksien perusteella, lähi- ja kaukokenttään (kts. luku 3.2). Tämän lisäksi, lähikenttä voidaan vielä tarkennusta haluttaessa jakaa kahteen osaan, reaktiiviseen ja säteilevään lähikenttään. Lähinnä antennia olevan osan nimi on reaktiivinen lähikenttä, jossa kentän reaktiivinen osa on säteilevää osaa suurempi. Siirryttäessä kauemmas antennista, seuraava osa säteilevä lähikenttä, jossa antennin säteilevä osa on kasvanut reaktiivista suuremmaksi ja säteilyominaisuudet
muuttuvat etäisyyden mukaan. Kauimpana antennista oleva osa on nimeltään kaukokenttä, jossa säteilyominaisuudet eivät enää juuri muutu etäisyyden mukaan, kenttä ainoastaan pienenee kauemmas mentäessä. Näitä alueita ei kuitenkaan voida rajata tarkasti, koska kenttä muuttuu vähitellen, mutta lähi- ja kaukokentän rajana voidaan pitää etäisyyttä: r = 2D2/λ, jossa D on antennin suurin mitta säteilysuuntaavastaan kohtisuorassatasossa,jaλ on kyseessä olevan taajuuden aallonpituus. Asiaa havainnollistetaan kuvassa 2-7 lähetys- ja vastaanottoantennien avulla. [1, 3, 4]
Kuva 2-7:Sähkömagneettinen kenttä jakautuu lähi- ja kaukokenttään, ja lähikenttä edelleen reaktiiviseen ja säteilevään osaan [3]
Lähikentässä kytkeytyminen on induktiivista tai kapasitiivista. Induktiivisessa
kytkeytymisessä lähetyskenttä ei ole suunnattavissa ja antenneina ovat suuret silmukka- antennit eli kelat. Väliaineiden vaikutus ei tässä vaikuta merkitsevästi tiedonsiirtoon, koska säteilyn magneettikenttä läpäisee hyvin ei-metallisia aineita. Näin ollen menetelmä sopii hyvin myös vaikeisiin olosuhteisiin. Kapasitiivisessa kytkeytymisessä käytetään
tasokondensaattoreita, jotka ovat sijoitettu liitospinnalle eristetysti. Kytkeytyminen onnistuu vain, kun lukijan ja tagin antennit ovat asetettuina kohdakkain. Noin 90 % nykyisistä RFID-järjestelmistä perustuu induktiiviseen kytkeytymiseen. [1, 3, 4]
Kaukokentässä induktiivinen kytkeytyminen ei ole mahdollista, koska aallot leviävät ympäristöön. Pitkillä lukuetäisyyksillä käytetäänkin kytkeytymiseen UHF- ja
mikroaaltoalueen sähkömagneettisia aaltoja, ja kommunikointi perustuu tällöin yleisimmin moduloidun aallon takaisinsirontaan. Kaukokenttäantennit ovat yleensä
resonanssiantenneja, esimerkiksi dipoli-antenni tai IFA (the Inverted F-Antenna). [4]
Erittäin lyhyen toimintaetäisyyden (< 1 cm) RFID-järjestelmiä kutsutaan nimellälyhyen kytkeytymisetäisyyden järjestelmät.Näissä järjestelmissä kytkeytyminen voi tapahtua joko sähköisen tai magneettisen sähkökentän avulla, eli kytkeytyminen voi olla joko
kapasitiivinen tai induktiivinen. Lähikenttä-järjestelmien taajuus vaihtelee LF- tai HF- alueilla, eli käytännössä se on joko 135 kHz tai 13,56 MHz. Taajuudella ei tässä ole kovinkaan suurta merkitystä sovelluksen kannalta, koska lukuetäisyys on kuitenkin niin
Signaalin lähetys
Signaalin vastaanotto
2D2/λ Kaukokenttä
Kytkeytyminen sähkömagneettisen kentän välityksellä
D
Reaktiivinen lähikenttä
Säteilevä lähikenttä
Kytkeytyminen sähkö- tai magneettikentän välityksellä
†englanninkielinen termibackscatter
††englanninkielinen termiSurface Acoustic Waves, SAW
lyhyt, lähes kosketus. Erittäin lyhyen lukuetäisyyden käyttö mahdollistaa myös suuremman tehonsiirron, joten runsaastikin tehoa kuluttavien piirien käyttö on tunnisteessa mahdollista.
Lähikentässä kytkeytyviä järjestelmiä käytetään tiukkaa tietoturvaa vaativissa sovelluksissa, kuten ovien lukitusjärjestelmissä. [1, 3]
RFID-järjestelmiä, joiden luku- ja kirjoitusetäisyys on alle yhden metrin luokkaa, kutsutaan keskipitkän kytkeytymisetäisyyden järjestelmiksi.Lähes kaikissa näissä järjestelmissä kytkeytyminen tapahtuu sähkökentän magneettikentän avulla, eli kytkeytymien on induktiivinen. Näin ollen tämän etäisyyden järjestelmiä kutsutaankin myös nimellä
induktiiviset radiojärjestelmät. Induktiivisten lisäksi tälle kytkeytymisetäisyydelle on myös olemassa joitakin sähkökentän sähköisen kentän avulla kytkeytymisen suorittavia, eli niin sanottuja kapasitiivisia, järjestelmiä, mutta niiden osuus on erittäin pieni. Myös näiden järjestelmien yleisimmät taajuudet ovat 135 kHz ja 13,56MHz. [1, 4]
Selkeästi yli yhden metrin toimintaetäisyyteen yltäviä RFID-järjestelmiä kutsutaan nimellä pitkän kytkeytymisetäisyyden järjestelmät,ja niiden kytkeytyminen tapahtuu säteilykentän kaukokentässä, sähkömagneettisen kentän avulla, käyttäen UHF- tai mikroaaltoalueen taajuuksia (868/915 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz). Suuri osa näistä järjestelmistä toimii niin sanotulla takaisinsironta-periaatteella†, joten niitä kutsutaan myös täten takaisinsironta- järjestelmiksi. Takaisinsironnan sijaan jotkin mikroaaltoaluetta käyttävistä laitteista voivat kuitenkin toimia pinta-akustisiin aaltoihin††perustuen. Kaukokentässä kytkeytyvät
järjestelmät toimivat tyypillisesti noin kolmen metrin lukuetäisyydeltä passiivisilla tageilla ja aktiivisilla päästään jopa 15 metriin ja yli. [1, 11]
Kytkeytymiseen liittyvät parametrit on koottu taulukkoon 2-2.
Järjestelmätyyppi Kytkeytymis- eli toimintaetäisyys
Kytkeytymis-
tyyppi Kentän alue Yleisimmät
taajuudet Close coupling
systems < 1 cm Induktiivinen,
kapasitiivinen Lähikenttä 135 kHz,
13.56 MHz Remote coupling
systems 1 cm–1 m Induktiivinen,
kapasitiivinen Lähikenttä 135 kHz,
13.56 MHz Long-range
systems > 1 m Takaisinsironta,
SAW Kaukokenttä 868/915 MHz,
2.4 GHz, 5.8 Ghz
Taulukko 2-2:RFID-järjestelmän kytkeytymiseen liittyvien parametrien väliset suhteet
2.3.3 Aktiivinen tai passiivinen
Kolmas usein käytetty ja olennainen RFID-järjestelmien luokitteluperuste on järjestelmän aktiivisuus tai passiivisuus. Tarkemmin sanottuna kyseessä on tagin, eli tunnisteen,
aktiivisuus tai passiivisuus, koska termillä kuvataan tagin energiansaantiperiaatetta. Lisäksi käytössä voi vielä näiden kahden lisäksi olla termi puoli- tai semiaktiivisuus.
Passiivisella tagilla ei ole omaa virtalähdettä. Ne saavat kaiken tarvitsemansa energian lukijan tuottamasta sähkömagneettisesta kentästä., eivätkä näin ollen voi toimia mikäli eivät ole lukijan välittömässä läheisyydessä. Saapuessaan lukijan kenttään, passiivinen tagi imee lukijan säteilykentästäenergiaa,jottatagin sisältämätkomponentit”heräävät”japystyvät
kommunikoimaan tagin tunnistedatan lukijalle. Passiiviset tagit ovat erittäin halpoja valmistaa, edullisia ja monikäyttöisiä, sekä lisäksi niiden toiminta-aika on rajaton. Näiden ominaisuuksiensa takia passiivisten järjestelmien suosio onkin suuressa kasvussa useilla eri sovellusaloilla. Yksi tärkeimpiä kasvualoja on logistiikka ja sen sovellukset, esimerkiksi päivittäistavarakaupan ja siihen liittyvien erilaisten kuljetusketjujen seuranta koko tuotteen elinkaaren ajan, eli valmistuslinjalta loppukäyttäjälle saakka. [8, 11]
Aktiivisilla tageilla (kuva 2-8) taas on oma virtalähteensä, yleensä paristo, joka tuottaa tagin komponenteille energiaa. Tämä mahdollistaa pidemmän toimintaetäisyyden, suuremman lukutarkkuuden sekä monipuolisemman informaation siirtämisen ja
prosessoinnin. Samalla kuitenkin tagin koko suurenee, hinta nousee ja käyttömukavuus huononee, koska paristollista tagia ei voida liittää niin huomaamattomasti kuin ohut ja joustava passiivinen tagi. Samoin käytettävyyttä hankaloittaa käyttöiän lyheneminen, joka johtuu pariston kulumisesta ja tyhjenemisestä. Aktiiviset tagit sopivat paremmin
sovelluksiin, joissa lukuolosuhteiden vuoksi tarvitaan vakaata lukijan ja tunnisteen välistä pitkän etäisyyden kommunikaatiota. Tällaisia ovat esim. teiden liikenteen seuranta ja tullimaksut sekä suurten tavarakonttien liikkeiden seuraaminen esimerkiksi satamissa tai varastoalueilla. Passiiviset tagit taas sopivat sovelluksiin, joissa on suuri määrä tuotteita, lukuetäisyydet lyhyitä, maksimissaan 2-5 metriä, ja lisäenergian saanti hankalaa. Näistä esimerkkeinä ovat vähittäiskaupan hälyttimet, eläinten tunnistus, sähkölukkojen avaaminen sekä jo edellä mainitut logistiikan kuljetusketjujen seurantajärjestelmät. [9, 11]
Puoli- eli semiaktiiviset (tai valmistajasta riippuen semipassiiviset, nimitys vaihtelee) tagit sisältävät myös aktiivisten tapaan pariston, jonka avulla tunnisteen elektroniikka toimii.
Kuitenkin semiaktiivisettagitimevätlukijan säteilykentästäenergiaa”herättääkseen”
piirinsä ja käyttävät sitä myös signaalin lähettämiseen takaisin lukijalle. Semiaktiivisten tagien paristo kestää yleensä useita vuosia, koska sitä käytetään vain kun tagi on lukijan kentässä ja aktivoitunut. Tämän tyyppisten tagien eräs hyvin yleinen käyttökohde on tietullit, joissa lukemista, eli patterin kulumista, tapahtuu vain muutaman sekunnin ajan silloin tällöin. [11]
Kuva 2-8:Escort Memory Systems:in valmistamia aktiivisia RFID-tageja, joissa vaihdettava paristo [15]
3 Sähkömagnetiikka ja HF-taajuinen RFID
Klassisen sähkömagneettisen teorian mukaan sähkömagneettisen säteilyn syntyminen voidaan ilmaista yleisesti yhdellä lauseella:
”Sähkömagneettisen säteilyn lähteenä on sähkövaraus, jonka liikenopeuden itseisarvo tai suunta tai molemmat ovat muutostilassa.”
Tästä voidaan johtaa, että varaus joka on paikallaan tai liikkuu suoraviivaista rataa
vakionopeudella, ei emittoi sähkömagneettista säteilyä. Säteilyn muodostumiseen tarvitaan sekä muuttuva sähkö- että muuttuva magneettikenttä. Nämä molemmat muodostuvat vain, kun sähkövaraus on kiihtyvässä tai hidastuvassa liikkeessä. Sähkömagneettinen aalto on etenevää tai seisovaa aaltoliikettä, jonka kaksi pääkomponenttia ovatsähkökentän voimakkuusEjamagneettivuon tiheysB. Sähkömagneettisille aalloille pätee aina, että vektoritEjaBovat kohtisuorassa toisiaan ja kohtisuorassa aallon etenemissuuntaan nähden, kuten kuvassa 3-1 nähdään. [1, 4]
RFID-tekniikka puolestaan perustuu näihin radiotaajuisiin sähkömagneettisin aaltoihin ja kenttiin, ja sen varsinainen tiedonsiirto tapahtuu magneettisen (induktiivinen), sähköisen (kapasitiivinen) tai sähkömagneettisen kytkeytymisen avulla. [1, 4]
Kuva 3-1:Sähkömagneettinen aalto ja sen pääkomponentit [18]
3.1 Maxwellin yhtälöt
Sähkömagneettisen aallon muodostavat muuttuvat sähkö- ja magneettikenttä ovat ajan ja paikan funktioita. Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell (1831-1879) esitti vuonna 1864 sähköisten ja magneettisten kenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta kuvaavat niin sanotutMaxwellin yhtälöt, joilla voidaan laskea sähkö- ja magneettikentät avaruuden jokaisessa pisteessä. Näissä yhtälöissä on yhdistetty Amperen virtalaki, Faradayn induktiolaki ja Gaussin sähkö- ja magneettivuolaki yhtenäiseksi kokonaisuudeksi sekä lisätty Amperen virtalakiin siirrosvirtatermi. Maxwellin kehitystyö oli siinä mielessä keskeistä nykymaailmankin kannalta, että näihin yhtälöihin perustuu suuri osa nykyaikaisesta sähkötekniikasta. Maxwellin yhtälöiden sekä niin sanottujen
väliaineyhtälöiden avulla voidaan ilmaista kaikki tunnetut sähkömagneettiset ilmiöt.
Differentiaalimuodossa Maxwellin yhtälöt voidaan esittää seuraavasti:
E
=
t
B
(3-1)
H
=J +
t
D
(3-2)
D
= (3-3)
B
= 0 (3-4)
Ja väliaineyhtälöt:
D = E (3-5)
B=H (3-6)
Yhtälöissä
= divergenssi [1/m]
= roottori [1/m]
t
= j, 2f
E = sähkökentän voimakkuus [V/m]
H = magneettikentän voimakkuus [A/m]
D = sähkövuon tiheys [C/m]
J = sähkövirran tiheys [A/m2] B = magneettivuon tiheys [T]
= sähköinen varaustiheys (rhoo) [C/m3]
= väliaineen dielektrisyysvakio (epsilon)
= väliaineen permeabiliteetti (myy)
Yhtälö 3-1 on Faradayn induktiolaki, 3-2 Amperen virtalaki ja siihen Maxwellin lisäys, 3-3 Gaussin sähkövuolaki ja 3-4 Gaussin magneettivuolaki. [3, 4, 16, 21, 33]
Maxwellin yhtälöille on esitetty kirjallisuudessa useita erilaisia tulkintoja. Seuraavassa ovat esimerkiksi matemaattis-sanalliset tulkinnat ja suluissa kvalitatiivinen vastine:
i. Sähkövuon tiheyden pintaintegraali suljetun pinnan läpi on yhtä suuri kuin
kokonaisvaraus pinnan sisällä (sähköisten varauksien jakauma määrää sähkökentän) ii. Magneettivuon tiheyden pintaintegraali suljetun pinnan läpi on nolla
(magneettivuoviivat ovat suljettuja, eli magneettisia varauksia ei ole olemassa).
iii. Sähkökentän viivaintegraali suljettua silmukkaa pitkin on yhtä suuri kuin silmukan läpi kulkevan magneettivuon negatiivinen aikaderivaatta (muuttuva magneettivuo synnyttää sähkökentän)
iv. Magneettikentän viivaintegraali suljettua silmukkaa pitkin on yhtä suuri kuin silmukan läpi kulkevan kokonaisvirran ja sähkövuon aikaderivaatan summa (sekä liikkuva varaus (virta) että muuttuva sähkövuo synnyttävät magneettikentän) Koko sähkömagneettisen aallon syntymistä voidaan kuvailla ymmärrettävästi ja havainnollisesti Maxwellin yhtälöiden kvalitatiivisten tulkintojen avulla. Ajatellaan
virtasilmukkaa, jonka virta muuttuu. Muuttuva virta luo muuttuvan magneettikentän (yhtälö iv), joka puolestaan luo muuttuvan sähkökentän (yhtälö iii), ja edelleen muuttuva
sähkökenttä luo taas muuttuvan magneettikentän (yhtälö iv) ja niin edelleen. Kuva 3-2 havainnollistaa etenevän aallon syntymistä. [17]
Kuva 3-2:Virtasilmukan synnyttämä sähkömagneettinen aalto (selvyyden vuoksi vain muutama vuoviiva merkitty) [17]
H I
E
3.2 Sähkömagneettisen kentän ja aallon muodostuminen
Sähkömagneettisen kentän ja aallon syntyminen voidaan jakaa selkeästi kahteen osaan.
Ensimmäisessä osassa aalto muodostuu ja lähtee liikkeelle, toisessa se on jo olemassa ja liikkuu eteenpäin. Tähän ilmiöön liittyvät oleellisesti käsitteetlähikenttäjakaukokenttä, jotka kuvataan seuraavassa tarkemmin.
3.2.1 Lähikenttä
Antennin säteillessä se muodostaa magneettisen kentän. Magneettinen kenttä leviää ja vähitellen siihen muodostuu induktion avulla myös kasvava sähkökentän osuus. Määrätyssä vaiheessa kentät muodostavat sähkömagneettisen aallon, joka irtautuu antennista ja jatkaa etenemistään eteenpäin. Samalla uuden aallon muodostuminen antennista alkaa. Tämä alue, joka on aallon irtautumiskohtaa lähempänä antennia, on nimeltään lähikenttä. Ilmiötä on havainnollistettu kuvassa 3-3. Irtautumiskohdan etäisyys antennista on nyrkkisäännön mukaan suunnilleen:
2
r (3-7)
tai vaihtoehtoisesti
2D2
r (3-8)
, joissa
λ = aallonpituusvapaassatilassa(lambda)
D = antennin suurin mitta kohtisuoraan säteilyn suuntaa vastaan [1, 19]
Lähikenttä voidaan jakaa vielä kahteen osaan: reaktiivinen lähikenttä ja säteilevä lähikenttä.
reaktiivisessa lähikentässä kentän reaktiivinen osa on suurempi kuin säteilevä osa.
Säteilevässä osassa, eli niin sanotussa Fresnelin kentässä, säteilevä osa on voimakkaampi, ja myös antennin säteilyominaisuudet muuttuvat etäisyyden mukaan. Reaktiivisen
lähikentän ja Fresnelin kentän raja voidaan suuntaa antavasti laskea kaavalla:
3
* 62 ,
0 D
rF (3-9) [19]
Kuva 3-3:Sähkömagneettisen aallon muodostuminen ja ”irtoaminen”.Ennen irtoamiskohtaa kyseessä lähikenttä ja irtoamisen jälkeen kaukokenttä [20]
3.2.2 Kaukokenttä
Sähkömagneettisen aallon muodostumis- ja”irtoamiskohdan”jälkeistä osaa kutsutaan nimellä kaukokenttä. Tällä alueella jo matkalla poispäin olevaa aaltoa ei enää saada palaamaan antenniin induktiivisen tai kapasitiivisen kytkeytymisen avulla, kuten lähikentässä, vaan tiedonsiirron on useimmiten perustuttava takaisinsirontaan.
Kaukokentässä antennin säteilyominaisuudet eivät juuri enää muutu etäisyyden mukaan, kuten Fresnelin kentässä, vaan kenttä ainoastaan heikkenee etäisyyden kasvaessa. [1]
Koska tässä työssä käsitellään HF-taajuutta, ja HF-taajuisten RFID-järjestelmien
kytkeytyminen tapahtuu lähikentässä, keskitytään lähikentän toimintaan. Näin ollen itse sähkömagneettisen aallon toiminta ei työn piiriin kuulu, sillä kytkeytymisen tapahtuessa magneettikentän avulla, ei sähkömagneettinen aalto ole vielä ehtinyt muodostua.
3.3 Tehonsiirto tagille magneettikentän avulla
13,56 MHz:n taajuisen RFID-järjestelmän tapauksessa kytkeytyminen tapahtuu lähikentässä, ja useimmiten induktiivisesti eli magneettikentän avulla. Tässä luvussa käydään läpi tarkemmin magneettikentän teoriaa sekä induktiivisen kytkennän periaatteita.
3.3.1 Magneettikentän voimakkuus
Jokainen liikkeessä oleva varaus synnyttää magneettikentän (kuva 3-4), jonka voimakkuutta kuvataan suureellamagneettikentän voimakkuus, H. Magneettikentän voimakkuuden yksikkö on ampeeria metrillä eli A/m.
Erilaisten johtimien magneettikentän voimakkuuden laskemiseen sovelletaan lausetta:
”magneettikentän voimakkuuden käyräintegraalisuljettuakäyrääpitkin on yhtäkuin sen synnyttävien virtojen voimakkuuksien summa”,eli
I Hds (3-11)Erään erikoistapauksen, eli suoran johtimen, magneettikentän voimakkuus ympyrämäistä kenttäviivaa pitkin etäisyydellä r on vakio ja se voidaan laskea kaavalla:
r H I
2
(3-12)
Kuva 3-4:Magneettikenttä muodostuu jokaisen johtimen, jossa liikkuu sähkövarauksia, ympärille [1]
Magnetismin määrää, eli tavallaan ikään kuin magneettikentän viivojen kokonaismäärää, kuvaa toinen suure,magneettivuo,Φ(fii) (kts. luku 3.3.2). Sen yksikkö on Weber (1 Wb = 1 volttisekunti [Vs]). [1, 29, 33]
Lyhyen kela-antennin magneettikenttä
Niin sanottua lyhyttä lieriökelaa tai johdinsilmukkaa käytetään induktiivisesti kytkeytyvissä RFID-lukijoissa antennina luomaan magneettisesti vaihtelevaa kenttää (kuva 3-5).
Magneettikentän viivoja
+
– I
H
+
–
I
H H
Kuva 3-5:Lyhyt kela ja sen muodostama magneettikenttä. Kelaa käytetään induktiivisesti kytkeytyvien RFID-järjestelmien antennina [1]
Jos mittauspistettä lähdetään siirtämään kelan keskipisteestä x-akselin suuntaisesti poispäin, magneettikentän voimakkuus H pienenee etäisyyden x kasvaessa. Tarkemmassa
analyysissa huomataan, että kentän voimakkuus suhteessa kelan säteeseen R pysyy vakiona tietylle etäisyydelle saakka, ja putoaa sitten voimakkaasti, kuten kuvan 3-6 käyristä
nähdään. [1]
0,00000001 0,0000001 0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
0,001 0,01 0,1 1 10
Etäisyys x (m)
MagneettikentänvoimakkuusH(A/m)
R = 1cm R = 7,5cm R = 55cm
Kuva 3-6:Lyhyen kelan magneettikentän voimakkuuden heikkeneminen etäisyyden kasvaessa kuvan 3-5 x-akselin suuntaan. Kierrosten määrä ja kelassa kulkeva virta ovat
kaikissa tapauksissa samoja, ainoastaan säde muuttuu [1]
H x
d R
