Связь в ближней зоне поля

Как было показано ранее, электромагнитные поля в ближней зоне являются по своей сути реактивными и квазистатическими. Электрические поля не связаны с магнитными полями и, в зависимости от типа используемой антенны, одни могут преобладать над другими. В случае идеального диполя преобладают электрические поля, в то время как в случае малой рамки доминирует магнитное поле. Связь между меткой и считывателем может быть емкостной, при использовании электрического поля, или индуктивной - при использовании магнитного поля.

Среди систем RFID ближнего поля индуктивно связанные системы находят более широкое распространение, чем емкостные.

Индуктивная связь

В антеннах индуктивных систем предполагается взаимодействие посредством квазистатического магнитного поля. Эти системы по существу представляют собой трансформатор, в котором ток, протекающий по его первичной обмотке, индуцирует магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток и напряжение во вторичной обмотке (рис. 2.3). В случае RFID первичная обмотка размещена в считывателе, а вторичная - в метке. Небольшая рамочная антенна предпочтительнее дипольной антенны, так как в ближней зоне магнитное поле рамочной антенны значительно превышает магнитное поле дипольной антенны.

2.2.2 Емкостная связь

В системах с емкостной связью антенны считывателя и метки создают и взаимодействуют посредством квазистатического электрического поля. В таких системах напряженность поля определяется не токами, а распределением зарядов, что и определяет интенсивность взаимодействия. Так как интенсивность взаимодействия зависит не от тока, а от накопленного заряда, проводимость в этом случае играет менее важную роль, чем в индуктивных системах. Емкостные системы, однако, более подвержены влиянию окружающих факторов.

Для систем с емкостной связью из-за преобладания электрического поля наиболее подходящей антенной является проводник или плоский диполь.

2.3.2. Связь в дальней зоне поля

В беспроводных коммуникационных системах, работающих в дальней зоне поля, взаимодействие между элементами этих систем достигается за счет передачи, распространения и приема электромагнитных волн. После рассмотрения некоторых полезных свойств электромагнитных волн остановимся на параметрах, которые важны для описания излучающих свойств антенны. Затем рассмотрим передачу и прием электромагнитных волн, обращая основное внимание на мощность, которая выделяется в антенне и подключенной к ней нагрузке.

Параметры антенн

Мы рассматривали элементарный электрический диполь и рамочную антенну. Эти антенны характеризуются высоким реактивным сопротивлением (либо индуктивным, либо емкостным), неэффективными излучающими свойствами и сложностью согласования. Будучи удобными для работы в ближней зоне, они практически не годятся для работы в дальней зоне, где передача и особенно прием энергии должны быть эффективными. По этой причине в дальней зоне чаще всего используются резонансные антенны, характерные размеры которых соизмеримы с длиной волны излучаемого сигнала. Резонансные антенны обладают более эффективными излучающими свойствами и низкой реактивной составляющей импеданса. Наиболее часто в системах RFID используются полуволновые диполи и микрополосковые антенны.

Рисунок 2.2 Типы дипольных антенн

Электромагнитные волны, излучаемые антеннами, представляют собой суперпозицию взаимосвязанных электрического и магнитного полей.

Рисунок 2.3 Тип микрополосковой (пач) антенны

Интенсивность электромагнитных волн зависит от типа антенны и выходной мощности генератора и убывает с увеличением расстояния от источника. Угловое распределение волн определяется только антенной.

Для описания углового распределения интенсивности поля мы будем использовать диаграмму направленности антенны. Диаграмма направленности антенны определяется нормированной электрической составляющей поля. В одномерном представлении диаграмма излучения описывается следующим образом:

F(0) = E_e / E_e (max).

В случае, когда необходимо учитывать фазовые отношения, за ноль фазы обычно принимается точка максимума электрического поля.

Антенны способны концентрировать поля в узкие пучки излучения. При этом увеличивается плотность потока мощности и дальность передачи. Для описания того как антенна концентрирует энергию в одном направлении по сравнению с любыми другими направлениями используется термин направленность.

Направленные свойства излучения определяется только диаграммой направленности антенны. Часто полезно, однако, описывать не только направленные свойства антенны, но и эффективность преобразования ее входной мощности в излучаемую выходную мощность. Для этого используется термин усиление. Иногда усиление определяется как отношение интенсивности излучения в данном направлении к мощности, которая подводится к антенне. Точнее коэффициентом усиления называется отношение мощности, подводимой к эталонной антенне, к мощности, подводимой к направленной антенне при условии получения одинаковой напряженности поля в точке приема:

Когда усиление обозначают просто G, имеют в виду его максимальное значение.

Итак, усиление определяют сравнением максимальной интенсивности излучения антенны с максимальной интенсивностью излучения некоторой эталонной (стандартной) антенны. Обычно измеряют усиление антенны по отношению к изотропному излучателю, который рассеивает энергию равномерно во всех направлениях. В отдельных случаях мы будем оценивать усиление по отношению к полуволновому диполю. Обычно усиление антенн измеряется в децибелах (dB). Изотропный излучатель имеет усиление 0 dB, а полуволновой вибратор - 2,15 dB. Когда рассматривают усиление относительно изотропного излучателя, единицу измерения записывают как dBi. Когда рассматривают усиление относительно полуволнового диполя, единицу измерения записывают как dBd. Когда мы рассматриваем антенну с усилением 6 dB, то это можно понимать как 6 dBi или как 3,85 dBd .

Таким образом:

G[dB] = G[dBi] = Gd [dBd] + 2,15 dB.

В дальнейшем, когда мы будем использовать термин усиление, и если не сделано оговорок, будет иметься в виду усиление относительно изотропного излучателя.

Учитывая относительность определения усиления антенны, аналогичным образом описывают выходную мощность. Часто используют термин эффективная (или эквивалентная) изотропная излучаемая мощность (effective (or equivalent) isotropically radiated power - EIRP), определяемый как мощность, подводимую к антенне, умноженную на ее усиление относительно изотропной антенны:

EIRP = G_t P_t .

Также используется термин эффективная излучаемая мощность (effective radiated power - ERP), которая является мощностью на входе антенны, умноженной на ее усиление относительно полуволнового диполя:

ERP = Gtd Pt.

Мощности EIRP и ERP связаны соотношением:

EIRP = ERP x 1,64.

Используя эти параметры, мы рассмотрим передачу и прием электромагнитных волн.