Studio di un'antenna a dipolo per applicazioni RFID a 2.45 GHz: indagine numerica

Introduzione 2
rizzano dei dati, nell’uso di tutti i giorni, sono le smart card funzionanti per
contatto (es. carte telefoniche, carte bancarie). Comunque, il contatto fisico
usato nelle smart card risulta spesso scomodo [1].
Un trasferimento dati tra il dispositivo che li memorizza e il suo lettore,
senza contatto meccanico, risulta più flessibile. Nel caso ideale, l’alimen-
tazione richiesta per far funzionare il dispositivo che memorizza dati dovrebbe
essere fornita dal lettore [1].
Nuove soluzioni per sostituire le tradizionali e collaudate tecniche per
l’identificazione automatica degli oggetti sono fornite dalla tecnologia RFID.
Con l’acronimo RFID, Radio Frequency Identification, si intende un in-
sieme di tecnologie che hanno come scopo l’identificazione a distanza di
un oggetto, anche non visibile fisicamente, mediante un sistema wireless a
radiofrequenza.
I sistemi RFID funzionano in modo abbastanza semplice: un’etichetta,
chiamata tag o transponder, contiene un circuito elettronico che viene attivato
a distanza da un dispositivo di lettura che gli fornisce l’energia necessaria. Il
transponder attivato risponderà al lettore inviandogli i suoi dati personali.
I tag, senza scendere in dettagli, sono costituiti di un’antenna collegata
ad un microchip rinchiuso in un contenitore protettivo. Il microchip contiene,
nella sua memoria, i dati dell’oggetto da identificare come: numero di serie
unico ID, data di fabbricazione, composizione del prodotto, ecc. Il funzion-
amento di queste etichette è legato ad alcuni fattori, il principale dei quali è
la frequenza con cui opera il lettore.
La Tabella 1 riporta un confronto tra le caratteristiche di un codice a
barre e di un sistema RFID. Come si può notare, il costo è l’unico svantaggio
del sistema a radiofrequenza: oggi, il costo di un tag RFID passivo si aggira
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Introduzione 3
Tabella 1: Confronto tra codici a barre e sistemi RFID.
Parametri del Sistema Codici a barre Sistemi RFID
Operazioni Solo lettura Lettura/scrittura
Velocità di lettura Bassa Molto elevata
Dati memorizzabili (Bytes) 1-100 16-64 k
Densità dati Bassa Molto alta
Massima distanza lettore-etichetta Circa 50 cm Qualche metro
Lettura simultanea di più codici Impossibile Possibile
Sensibilità ad agenti ambientali Elevata Totale ermeticità
Costo lettori elettronici Basso Medio
Costo etichette Bassissimo Circa 40 volte
maggiore
intorno ai 50 cent di euro. Nuove tecniche costruttive porteranno il prezzo
dei tag intorno ai 5 cent; i prezzi dell’etichetta dovranno però scendere sotto
al centesimo per essere un costo efficace nel settore dei consumatori. E’
importante ricordare che il costo di un codice a barre incluso come parte
del pacchetto di vendita è zero! Il costo dei transponder risulta essere meno
pesante, per le “tasche dei consumatori”, quando il valore (economico o meno)
del singolo prodotto “marchiato” è molto superiore al costo del tag, quando il
tag è recuperabile o quando i vantaggi economici portati indirettamente dal
sistema RFID sono tali da controbilanciare lo “spreco” sull’etichetta.
Oltre all’ostacolo del costo, ce ne sono altri che devono essere superati
per permettere la diffusione dell’adozione della tecnologia RFID. Il primo
è la tecnologia del lettore: mentre leggere la singola etichetta RFID su un
elemento, su un ID card o su un pallet, è abbastanza facile, leggere con
precisione molteplici etichette, presenti contemporaneamente nella zona di
interrogazione del reader, è molto più complicato. Occorreranno molti anni
prima che uno scanner RFID possa leggere tutti gli articoli “nel carrello del-
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Introduzione 4
la spesa”, abbastanza precisamente per un’affidabile razionalizzazione della
vendita al dettaglio.
Un altro ostacolo tecnico riguarda la fisica delle onde radio: i segnali radio
sono infatti fortemente influenzati dall’ambiente circostante; fenomeni di rif-
lessione o di assorbimento2 potrebbero verificarsi e compromettere l’efficienza
della trasmissione.
L’ostacolo più significativo all’implementazione della tecnologia RFID è,
probabilmente, l’infrastruttura software necessaria a supportarla: i costi per
implementare le applicazioni software, per supportare la RFID a tutti i livelli,
sono enormi, e i benefici necessari a giustificare tali investimenti sono ancora
distanti.
Figura 1: Crescita del mercato globale per sistemi RFID, classificata per
applicazioni.
Il numero elevato di aziende esperte nello sviluppo e nella vendita dei sis-
temi RFID, è indice dell’applicabilità sempre maggiore nel settore industriale
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I segnali radio vengono assorbiti dai liquidi: speciali requisiti sono necessari per le
etichette applicate a contenitori di liquidi fatti di carta, plastica e vetro.
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Introduzione 5
di questi sistemi. Il mercato RFID sta conoscendo un sostanziale progresso,
grazie allo sviluppo degli standard e al numero crescente di progetti pilota
che preludono ad altrettante installazioni reali. La Figura 1 mostra questa
crescita tra gli anni 2000 e 2005.
Fino ad oggi le applicazioni più significative riguardano le card di accesso
nel settore finanziario, come anche i settori della sicurezza delle reti o degli
edifici, i settori automobilistico o del trasporto passeggeri, con risultati più
contenuti nei settori tempo libero, biblioteche, lavanderie e sanità [2].
Recenti ricerche di mercato mostrano una esponenziale crescita futura
per la RFID: si stima (fonte IDTechEx 3) che il mercato globale della RFID,
compresi tag, sistemi e servizi, trainato dalla crescente domanda e dalle nuove
normative, raggiungerà i 26.90 miliardi di dollari nel 2015 (Figura 2) [2].
Figura 2: Previsioni di crescita del mercato globale per sistemi RFID.
All’interno di un sistema RFID le antenne hanno un ruolo fondamentale:
grazie a loro viene realizzato il trasferimento di energia e di informazioni
tra reader e transponder. Il lavoro di progettazione di queste antenne è
molto importante e delicato, visto che molti accorgimenti devono essere presi
3Online at http://www.idtechex.com
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affinché la comunicazione tra le parti in gioco possa risultare la più efficiente
possibile.
Questo lavoro di Tesi è così strutturato:
• Il 1◦ capitolo fornisce una descrizione panoramica dei sistemi RFID:
storia, componenti, principi fisici di funzionamento, problematiche di
trasmissione delle informazioni e problematiche tecniche, standard in-
ternazionali e regolamenti regionali nella banda UHF, tipiche appli-
cazioni. Questa prima parte ha l’obiettivo di sintetizzare tutti questi
aspetti in modo da avere una chiara visione globale dell’argomento trat-
tato, e fissare l’importanza del ruolo dei sistemi di identificazione in
radiofrequenza in un mercato internazionale, che li vedrà protagonisti
in un futuro molto prossimo.
• Il 2◦ capitolo è dedicato allo studio delle antenne impiegate nei sistemi
RFID: dopo una breve classificazione vengono elencate le caratteristiche
che le antenne devono possedere per favorire un’ottima comunicazione
tra reader e transponder. A seguire vengono trattate separatamente le
antenne LF-HF ed UHF-microwave: una dettagliata panoramica sulle
modalità di funzionamento e sugli scambi energetici viene presentata.
L’ultima parte del capitolo raccoglie una serie di introduzioni ad articoli
scientifici, disponibili in letteratura, che propongono diverse soluzioni
per antenne operanti nei sistemi RFID.
• Il 3◦ capitolo include lo studio di un’antenna a dipolo per tag RFID, uti-
lizzando il simulatore Momentum, parte del software ADS (Advanced
Design System), che sfrutta il Metodo dei Momenti (MoM ) per l’e-
laborazione numerica. Partendo da un lavoro illustrato in [32] sarà
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Introduzione 7
presentata una struttura con un piccolo piano metallico, in grado di
funzionare, nella banda delle microonde (f = 2.45 GHz), in presenza di
oggetti metallici e dielettrici. Le performance di quest’antenna saranno
discusse dall’analisi del coefficiente S11 e del diagramma di radiazione.
La prima parte del capitolo analizza gli aspetti più importanti della
progettazione di un’antenna per applicazioni RFID, e introduce alcune
soluzioni progettuali finalizzate ad ottenere dei sistemi RFID che siano
i più funzionali possibile. La parte finale del capitolo mostra alcuni
prodotti (tag) RFID presenti in commercio, ed operanti alla frequenza
di 2.45 GHz.
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Capitolo 1
Sistemi RFID
1.1 Un pò di storia....
FONTI: [3] [4]1
La nascita della RFID si può far risalire con la scoperta e lo studio delle
onde elettromagnetiche. Il 1800 segnò l’inizio dei fondamenti dell’energia
elettromagnetica e fino al 1900 numerosi scienziati si susseguirono in questi
studi. Nel 1906, Ernst F.W. Alexanderson generò e trasmise segnali radio ad
onde continue CW. Questi segnali erano alla base delle comunicazioni radio,
dove tutti i parametri delle onde erano controllabili. All’inizio del XX secolo,
nel 1922 circa, ci fu l’invenzione del radar che, durante la Seconda Guerra
Mondiale, ebbe un significante sviluppo tecnico. Il radar sfrutta la riflessione
delle onde radio per identificare, localizzare, determinare la posizione e la
velocità di un oggetto.
La RFID è la combinazione della tecnologia radio e del radar, si ha quindi
la convergenza tra queste due discipline. L’era della RFID inizia nell’ottobre
1Alcune parti di questo paragrafo sono state tratte da fonti che non sono [3] e [4], ma
che sono andate perdute.
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1.1 Un pò di storia.... 9
del 1948, dopo la carta di Harry Stockman intitolata “Communications by
means of reflected power”.
Mentre i principi di funzionamento della RFID erano conosciuti e con-
divisi, la tecnologia elettronica non era ancora in grado di offrire gli ele-
menti costitutivi adeguati ad un costo accettabile; non esistevano compo-
nenti integrati di piccole dimensioni: il transistor, il circuito integrato e il
microprocessore dovevano ancora nascere.
ANNI CINQUANTA
Nel 1950 gli sviluppi tecnologici della radio e del radar furono perfezionati
e sfruttati a beneficio della loro integrazione per una prima esplorazione della
RFID.
Molte tecnologie collegate alla RFID iniziarono ad essere investigate,
come i sistemi di transponder a lungo raggio di “identificazione, amico o
nemico” detti “Identification, Friend or Foe”.
Invenzioni del 1950 includono alcuni lavori: F.L. Vernon, “Application of
the microwave homodyne” e D.B. Harris, “Radio transmission system with
modulable passive transponder”.
ANNI SESSANTA
Il 1960 fu la premessa per l’esplosione RFID degli anni ’70. Nel 1963-1964,
R.F. Harrington nei suoi libri “Field measurements using active scatterers”
e “Theory of loaded scatterers” studiò la teoria dell’elettromagnetismo ap-
plicata alla RFID. Molte applicazioni pratiche furono realizzate da inventori
quali: Robert Richardson, “Remotely activated radio frequency powered de-
vices” nel 1963, Otto Rittenback, “Communication by radar beams” nel 1969,
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1.1 Un pò di storia.... 10
J.H. Vogelman, “Passive data transmission techniques utilizing radar beams”
nel 1968 e J.P. Vinding, “Interrogator-responder identification system” nel
1967.
Nel 1960 furono fondate le prime attività che commercializzavano prodotti
RFID. Alcune svilupparono sistemi di sorveglianza elettronica, Electronic
Article Surveillance EAS, per contrastare i furti. Gli EAS spesso utilizzavano
tag a 1 bit per identificare la presenza o l’assenza del transponder, questo li
rendeva economici ed efficienti come misura antitaccheggio nei supermercati
che si stavano affermando in tutti i paesi sviluppati. Questi tipi di sistemi
utilizzavano sia microonde sia tecnologie induttive. L’EAS è sicuramente la
prima e più diffusa applicazione in massa della RFID ad uso commerciale.
ANNI SETTANTA
Nel 1970 sviluppatori, ricercatori, società, università e laboratori gover-
nativi lavorarono attivamente allo sviluppo della RFID, e notevoli progressi
iniziarono a realizzarsi nei laboratori di ricerca e negli istituti accademici
come il “Los Alamos Scientific Laboratory”, “Northwestern University”e la
“Microwave Institute Foundation” in Svezia.
Gli anni settanta si caratterizzarono come il periodo delle costruzioni degli
elementi fondamentali della tecnologia elettronica della RFID. Nel 1975 un
importante sviluppo fu il lavoro svolto a Los Alamos presentato da Alfred
Koelle, Steven Depp e Robert Freyman “Short-range radio-telemetry for elec-
tronic identification using modulated backscatter”. Thomas Meyers e Ash-
ley Leigh della Fairchild sviluppano anche un “Passive encoding microwave
transponder” nel 1978.
I risultati fino ad allora raggiunti erano favorevoli, ma il primo impiego
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1.1 Un pò di storia.... 11
commerciale di successo, della RFID, fu il pagamento elettronico dei pedaggi
che, però, non era ancora pronto ad una diffusione di massa.
Il 1970 fu caratterizzato prevalentemente da lavori di sviluppo. Le appli-
cazioni svolte furono la tracciabilità degli animali, dei veicoli e l’automazione
industriale.
Il numero di società, private e istituzionali che lavorarono sulla RFID
cominciarono a moltiplicarsi e a svilupparne il potenziale. Grandi industrie
americane del settore militare misero a punto delle applicazioni RFID civili
utilizzando la tecnologia sviluppata per i sistemi militari.
Si riteneva necessario non definire ancora degli standard ufficiali per la
RFID perché si reputava la tecnologia non completamente matura.
Da questo momento la tecnologia RFID perderà lo status di tecnologia
pionieristica per diventare una tecnologia in grande e continua espansione
con effettivi obiettivi commerciali.
ANNI OTTANTA
Il 1980 fu il decennio della piena implementazione della RFID, attraverso
interessanti sviluppi anche se non omogenei nelle varie parti del mondo. Il
crescente interesse negli Stati Uniti si concentrò sul trasporto, l’accesso per-
sonale e, a livelli ridotti, sugli animali. In Europa, il maggior interesse fu
per i sistemi a corto raggio per l’identificazione degli animali, applicazioni
per industria e commercio, come il pagamento dei pedaggi in Italia, Francia,
Spagna, Portogallo e Norvegia.
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