‫אנטנות לזיהוי על ידי תגי רדיו‬ ‫‪RFID‬‬ ‫ד"ר עלי לוין‬ ‫‪1‬‬ ‫תוכן הענינים‬ ‫‪.1‬‬ ‫‪.2‬‬ ‫‪.3‬‬ ‫‪.4‬‬ ‫‪.5‬‬ ‫‪.6‬‬ ‫‪.7‬‬ ‫‪.8‬‬ ‫‪2‬‬ ‫מבוא‬ ‫תפקיד האנטנה‬ ‫תדרים והספקים‬ ‫טווח וכושר הפרדה מרחבי‬ ‫דוגמת תכנון ‪LF‬‬ ‫דוגמת תכנון ‪HF‬‬ ‫דוגמת תכנון ‪UHF‬‬ ‫סיכום ונושאים פתוחים‬ ‫‪ .1‬מבוא‬ ‫טכנולוגיה צומחת‬ ‫המבוססת על גלי רדיו‬ ‫לזיהוי‪ ,‬מעקב ושימוש במידע‬ ‫האגור בתג לצורך שליטה‬ ‫ובקרה על פריטים ותהליכים‬ ‫‪3‬‬ RFID ‫מערכת‬ Radio Frequency IDentification Data system Reader Antenna Transponder RFID Tag 4 ‫שימושים‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‪5‬‬ ‫רצפת ייצור )תהליכים(‬ ‫שרשרת אספקה‬ ‫ניהול משטחים ואריזות‬ ‫מעקב ציוד רגיש )נשק(‬ ‫מעקב ציוד יקר במיוחד‬ ‫ניטור חומרים מסוכנים‬ ‫תעשיית הרכב )ייצור‪ ,‬אגרה‪ ,‬אבטחה(‬ ‫מעקב מזוודות‬ ‫שימושים‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‪6‬‬ ‫בקרת כניסה פיזית‬ ‫כניסה לחדרי מלון‬ ‫סימון בעלי חיים‬ ‫סימון תרופות‬ ‫סימון ציוד רפואי )חדרי ניתוח(‬ ‫ניטור פחי אשפה‬ ‫תחרויות ספורט‬ ‫חדרי כושר‬ ‫שימושים‬ ‫‪7‬‬ ‫שימושים‬ ‫‪8‬‬ ‫שימושים‬ ‫‪9‬‬ ‫שימושים‬ ‫‪10‬‬ ‫שימושים‬ ‫‪11‬‬ ‫שימושים‬ ‫‪12‬‬ ‫שימושים‬ ‫‪13‬‬ ‫יתרונות‬ ‫קריאה וכתיבה ‪ -‬אפשרות קריאה וכתיבה על גבי התג )עדכון(‬ ‫מרחק שידור וקליטה – מרחק פיזי עד מטרים בין הקורא והתג‬ ‫קו ראייה – אין צורך בקו ראייה בגלל השימוש בגלי רדיו‬ ‫בו זמניות – אפשרות לקריאה וכתיבה בו זמנית במספר תגים גדול‬ ‫אבטחת מידע – שליטה מלאה בהגדרות התגים והקוראים‬ ‫זיוף ורמאות – קושי בזיוף תגים‪ ,‬נובע מזיהוי חד ערכי ומקודד‬ ‫עבודה לא מקוונת – אפשרות לעבודה ללא קישור מערכתי‬ ‫‪ 14‬שבב‬ ‫אנטנה‬ ‫מגבלות‬ ‫הצמדת תג על מכלי נוזלים ומשטחי ומתכת‬ ‫הפרעות תקשורת מהתקנים בסביבה‬ ‫קריאות כפולות של תג על ידי קוראים סמוכים‬ ‫קושי רב בהפרדה מרחבית בין תגים )מיקום התג(‬ ‫רגישות למצב הזוויתי של התג )קיטוב(‬ ‫ריבוי תקנים ותקינה )בעיה עולמית(‬ ‫מחסור בתדרים )בעיה ישראלית(‬ ‫‪15‬‬ ‫סוגי תגים‬ ‫תגי ‪ RFID‬נבדלים זה מזה בפרמטרים הבאים‪:‬‬ ‫ִ‬ ‫ִ‬ ‫ִ‬ ‫ִ‬ ‫ִ‬ ‫‪16‬‬ ‫תדר שידור וקליטה‬ ‫הספק שידור‬ ‫מקור מתח )אקטיבי‪ ,‬פסיבי וחצי אקטיבי(‬ ‫סוג וגודל המעבד והזיכרון‬ ‫יכולת קריאה \ כתיבה‬ ‫תג פסיבי‬ ‫מופעל באמצעות הספק‬ ‫השידור של הקורא ולכן‬ ‫טווחי פעולה עד ‪ 1‬מטר‬ ‫כולל שבב זעיר ואנטנה‬ ‫בדרך כלל חד פעמי ולכן‬ ‫אמור להיות זול במיוחד‬ ‫‪17‬‬ ‫‪Capacitor‬‬ ‫)‪(Laser Trimmed‬‬ ‫‪Through Contacts‬‬ ‫)‪Coil (Antenna‬‬ ‫‪Chip‬‬ ‫תג אקטיבי‬ ‫מופעל על ידי מקור מתח עצמי‬ ‫טווחי פעולה עד ‪ 100‬מטר‬ ‫רגישות נמוכה להפרעות סביבה‬ ‫מחיר גבוה יחסית‬ ‫אורך חיי הסוללה עד ‪ 5‬שנים‬ ‫נדרשת תחזוקה לסוללה‬ ‫‪18‬‬ ‫‪ .2‬תפקיד האנטנה‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫האנטנות מהוות ממשק בין הקורא והתגים‬ ‫חלוקה בין אנטנות סטטיות ביחידת הקורא‬ ‫לבין אנטנות ניידות וקטנות בתגים עצמם‬ ‫האנטנות קובעות במידה רבה את טווח הפעולה‬ ‫האנטנות משפיעות על קיטובים שונים של התג‬ ‫קובעות את יכולת ההפרדה המרחבית ומדידת הכיוון‬ ‫דרישה קבועה למזעור האנטנות בתגים‬ ‫לאנטנות יש השפעה מהותית על מחיר המערכת‬ ‫‪19‬‬ ‫‪ .3‬תדרים והספקים‬ ‫תחום ‪LF‬‬ ‫‪120 – 134 kHz‬‬ ‫חדירות טובה במתכות ונוזלים‬ ‫תחום ‪HF‬‬ ‫‪13.56 MHz‬‬ ‫מקובל מאד לתגים פסיביים זולים‬ ‫תחום ‪UHF‬‬ ‫‪433 ,865-868 ,902-928, 950-956 MHz‬‬ ‫מתאים לטווחים גדולים ולאנטנות כיווניות‬ ‫מיקרוגלים‬ ‫‪2.4 ,3.5 ,5.2 GHz‬‬ ‫מתאים לאנטנות כיווניות ולריבוי אלומות‬ ‫‪20‬‬ The Radio Spectrum RADIO FREQUENCY SPECTRUM 100 kHz LF 1 MHz MF VHF HF 1 GHz 100 MHz 10 MHz 10 GHz UHF 2.45 GHz5.8 GHz 120 ~ 134 kHz 13.56 MHz 868 ~ 915 MHz (Europe/ US) Low Frequency (ISO11784/5 ISO14223) High Frequency (ISO15693/ ISO 14443) UHF (Emerging standards) 21 ‫‪ .3‬תדרים והספקים‬ ‫ברוב המדינות תדרי ‪ RFID‬אינם דורשים רישוי מיוחד‪.‬‬ ‫הספקי שידור מותרים הם בתחום ‪ 2‬עד ‪ 4‬וואט ‪EIRP‬‬ ‫נושא ‪ UHF‬בעייתי במידה מסוימת עקב תפוצה רחבה‬ ‫של רשתות סלולריות‪ .‬באירופה מותר ‪865-868 MHz‬‬ ‫בארה"ב מותר ‪ .902-928 MHz‬בישראל יש בעיה‪.‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪ .4‬מגבלת הטווח‬ ‫טווח השידור ‪ /‬קליטה בין הקורא לבין התג הוא‬ ‫נושא מערכתי מרכזי‬ ‫במקרים רבים הטווח קשור גם להיעדר קו ראייה‬ ‫ולהסתרות‬ ‫בתגים פסיביים קיימת מגבלה עיקרית של מתח‬ ‫מינימאלי הדרוש להפעלת השבב‬ ‫‪23‬‬ ‫‪ .4‬מגבלת הטווח‬ ‫בתגים פסיביים הטווח יחסי להספק השידור ולגודל‬ ‫האנטנות‪ .‬בהספקי שידור של ‪ 2 watt‬ואנטנות שער‬ ‫בגודל טיפוסי של ‪ 1 meter‬מגיעים לטווח של ‪1 meter‬‬ ‫בתגים אקטיביים הטווח תלוי ברגישות הקליטה של‬ ‫הקורא ובגודל האנטנות‪ .‬בהספקי שידור זעירים‪,‬‬ ‫אנטנות שידור כלל כיווניות ואנטנות קליטה קטנות‬ ‫יחסית מגיעים לטווחים של עד ‪100 meter‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪ .5‬דוגמת תכנון ‪LF‬‬ ‫אנטנת שער קטנה )לולאה עם מספר ליפופים(‬ ‫‪Cover‬‬ ‫‪Loop‬‬ ‫‪antenna‬‬ ‫‪Area with Objects‬‬ ‫‪25‬‬ ‫דוגמת תכנון ‪LF‬‬ ‫הלולאה עשויה ממספר ליפופים‬ ‫‪Width l2‬‬ ‫‪Length l1‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪Wire diameter‬‬ ‫‪2a‬‬ LF ‫דוגמת תכנון‬ :‫ מחושבת לפי‬L ‫ההשראות‬ L(nH) = 4N² { l1 ln[2A/a(l1+lc)] + l2 l2 ln[2A/a(l2+lc]} ln denotes the natural logarithm a, l1, l2 and lc are given in centimeters A is given in centimeters squared 27 LF ‫דוגמת תכנון‬ ‫תדר ומקדם טיב‬ f =1/2π√ π√LC = 125 or 134 kHz π√ L is the Inductance of the loop antenna (Henry) C is the Capacitance of the matching circuit (Farad) Q = R/2π πfL ≈ 10 to 20 R is the Resistance of the matching circuit (ohms) 28 ‫‪ .6‬דוגמת תכנון ‪HF‬‬ ‫אנטנת שער גדולה בתדר ‪) 13.56 MHz‬אורך גל ‪(22 m‬‬ ‫עשויה מלולאה עם ליפוף אחד )פס שטוח או כבל(‬ ‫בגודל טיפוסי של ‪ 1 X 2‬מטר‬ ‫כוללת מעגל תיאום מדויק )קבלים ונגדים( ברמת‬ ‫תיאום גבוהה מאד )‪(VSWR = 1.1 – 1.2‬‬ ‫בקורא יש מעגל תיאום אקטיבי נוסף המתאים את‬ ‫האנטנה לשינויים בסביבה הקרובה‬ ‫‪29‬‬ ‫דוגמת תכנון ‪HF‬‬ ‫הלולאה הגדולה יוצרת שדה מגנטי קרוב בשני‬ ‫קיטובים ניצבים‪ .‬כדי להשיג קריאה טובה בשלושה‬ ‫קיטובים אפשר להשתמש בשתי אנטנות זו ליד זו‬ ‫עם הפרש פאזה של ‪ 90‬מעלות )"קיטוב מעגלי"(‪.‬‬ ‫טווח הפעולה עבור תגים סטנדרטיים )בגודל כרטיס‬ ‫אשראי( מוגבל עד ‪ 1‬מטר בלבד‪.‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪ .7‬דוגמת תכנון ‪UHF‬‬ ‫אנטנת קורא‪ :‬מערך מרובה אלומות בתדר ‪915 MHz‬‬ ‫המערך כולל ‪ 4‬אנטנות שטוחות בגודל ‪20 x 80 cm‬‬ ‫ומטריצה של ‪ 4 x 4‬קווי הזנה בעלי אורכים שונים‬ ‫היוצרת ‪ 4‬אלומות בו זמנית )כל אלומה ‪ 20-30‬מעלות(‬ ‫תגים אקטיביים במרחק ‪ 1-4‬מטר )לא תמיד בקו‬ ‫ראייה( עם אנטנה כלל כיוונית‪ .‬מדידת כיוון עם כושר‬ ‫הפרדה של כ‪ 10-20-‬מעלות‪.‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪ .8‬סיכום ונושאים פתוחים‬ ‫בעיית הספקטרום‬ ‫מחסור קריטי בתדרי ‪ UHF‬בישראל‬ ‫‪902-928 MHz / 4W‬‬ ‫בארה"ב‬ ‫‪865-868 MHz / 2W‬‬ ‫באירופה‬ ‫‪915-916 MHz / 0.1W‬‬ ‫בישראל‬ ‫‪-71 dBm OOB‬‬ ‫‪32‬‬ ‫סיכום ונושאים פתוחים‬ ‫בעיית העבירות‬ ‫בעיית הפעלה מהותית בנוכחות נוזלים ומתכות‬ ‫‪ HF - UHF‬לא מתאים למזוודות ועגלות ציוד‬ ‫‪ HF - UHF‬לא מתאים לתגים בסביבת מתכת‬ ‫ניסיונות למזעור תגים )הצבה בניצב למתכת(‬ ‫בשלב זה רק ‪ LF‬פותר את הבעיה‬ ‫‪33‬‬ ‫סיכום ונושאים פתוחים‬ ‫בעיית הטווח‬ ‫קריטית בתגים פסיביים )מתח נדרש בשבב(‪,‬‬ ‫פתרונות אפשריים על ידי הגדלת אנטנות‬ ‫בעיית ההפרדה המרחבית‬ ‫פתירה רק בתדר גבוה ‪ /‬מיקרוגלים ע"י מערכים‬ ‫ממותגים ‪ /‬מרובי אלומות ‪ /‬סקירת אלומה‬ ‫‪34‬‬ ‫סיכום ונושאים פתוחים‬ ‫בעיית הקיטוב‬ ‫קיימת רגישות לזווית התג ביחס לקורא‪.‬‬ ‫שימוש אפשרי בקיטוב מעגלי‪.‬‬ ‫נושא המחיר‬ ‫תג פסיבי )חד פעמי( עדיין יקר ביחס לבר‪-‬קוד‬ ‫תג אקטיבי עדיין עולה ‪$ 10-20‬‬ ‫החדירה המסיבית לשוק עדיין מתעכבת ‪...‬‬ ‫‪35‬‬ ‫סיכום ונושאים פתוחים‬ ‫• לתגים שונים יש תכונות שונות בתלות בתדר‬ ‫• תג בודד לא יוכל לענות על כל הדרישות‬ ‫• בעתיד ישתמשו במספר תגים לכל גוף נחקר‬ ‫• שימוש אפשרי במספר תחומי תדרים בו זמנית‬ ‫• יושקע מאמץ רב במזעור תגים וריבוי קיטובים‬ ‫• יושקע מאמץ בריבוי אלומות להפרדה מרחבית‬ ‫‪36‬‬