Università degli Studi di Perugia STUDIO DI ANTENNE PER RFID

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1 Università degli Studi di Perugia Dipartimento di Ingegneria Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni STUDIO DI ANTENNE PER RFID Laureando: Erlis Hasa Relatore: Prof. Cristiano Tomassoni Correlatore: Prof. Gaetano Marrocco Anno Accademico

2 Introduzione Il lavoro svolto in questo elaborato consiste nello studio di antenne per sistemi RFID (Radio Frequency IDentification) e nella progettazione di un antenna ad anello chiuso a cui sono state applicate delle tecniche di miniaturizzazione. L acronimo RFID si riferisce a una particolare tecnologia, che permette di identificare univocamente un oggetto o una persona tramite l uso di onde radio. I numerosi vantaggi che essa comporta rispetto ad altre tecnologie di auto-identificazione, fanno sì che le applicazioni RFID siano diffuse in vari ambiti. L antenna è uno degli elementi principali che permette la comunicazione fra i vari dispositivi appartenenti al sistema ed incide in maniera decisiva nella performance globale del sistema RFID. Nella tesi vengono introdotti i concetti principali necessari per affrontare il progetto e la realizzazione di un antenna RFID. Nel primo capitolo saranno introdotti brevemente i componenti di un sistema di identificazione automatica. Verranno mostrate le prime tecnologie di autoidentificazione, che oggigiorno fanno parte della nostra vita comune, come: i codici a barre, il riconoscimento ottico dei caratteri, il riconoscimento biometrico, le smart cards e le RFID. Nel secondo capitolo invece, entreremmo nel mondo della tecnologia RFID, considerandone la sua evoluzione con passare degli anni. Saranno descritti i principali elementi del sistema e la funzione che ciascuno di essi svolge. Si prosegue poi con varie classificazioni dei sistemi RFID in funzione di alcuni fattori caratteristici. Vengono inoltre introdotte alcune normative, gli standard principali per la regolamentazione dei sistemi RFID e le bande di frequenze assegnate nei vari paesi. Infine, saranno elencati alcuni degli ambiti di applicazione. Nel terzo capitolo saranno spiegati i concetti fisici che permettono il funzionamento di questi componenti: il modo in cui si riesce a stabilire una connessione fra il transponder e il reader, come avviene la trasmissione del segnale a RF, le codifiche e le modulazioni applicate al segnale stesso ecc. 6

3 Nel quarto capitolo invece, si analizzeranno alcune tecniche per il progetto di antenne RFID. Inizialmente, si farà una breve descrizione delle caratteristiche d antenna, come: il diagramma di radiazione, la direttività, il guadagno, l efficienza, ecc. La teoria base è necessaria come introduzione alla progettazione del tag RFID. Verrà affrontato uno dei problemi principali riguardante l adattamento complesso dell impedenza in modo tale da avere il massimo trasferimento di potenza. Per questo motivo saranno introdotte alcune tecniche di adattamento che si utilizzeranno poi per il progetto di quattro tipi diversi di antenne RFID: a fessura, con piano di massa, con anello chiuso e l antenna a meander. Per ciascuna di esse, saranno presentati e discussi i vari risultati ottenuti con il simulatore di campi elettromagnetici HFSS (High Frequency Stucture Simulator). Nel quinto capitolo, sarà presentato un metodo di ottimizzazione su HFSS, che permetterà di risolvere alcuni problemi riscontrati a livello di simulazione. Si procederà poi con il progetto di un antenna RFID, la cui costruzione verrà descritta nel capitolo seguente. Nel sesto capitolo, infatti, verrà descritto il processo utilizzato per la realizzazione dell antenna e gli strumenti utilizzati. Per concludere infine, con l ultimo capitolo, ove verranno presentati i risultati ottenuti dalle misurazioni effettuate sulle antenne costruite. 7

4 Capitolo 1 Sistemi di identificazione automatica Le varie tecnologie utilizzate nell ampio mondo dei sistemi di identificazione automatica consistono nell identificare e fornire informazioni utili riguardo ad uno specifico target, al variare dell ambito di utilizzo. L identificazione automatica, nota anche come AIDC (Automatic-Identification and Data Capture), è molto diffusa oggigiorno grazie ai numerosi vantaggi offerti da queste tecnologie, soprattutto in termini di costi contenuti e semplicità realizzativa. In questo primo capitolo, si farà una breve introduzione di alcune delle più importanti tecnologie di identificazione automatica, come i codici a barre, il riconoscimento biometrico, l OCR (riconoscimento ottico dei caratteri), le smart cards, e le RFID (identificazione a radio-frequenza) Codici a barre I codici a barre possono essere considerate come una delle tecnologie più vecchie e più diffuse appartenenti ai sistemi di auto identificazione. Un codice a barre, non è nient altro che un codice binario rappresentato tramite delle strisce nere verticali separate da spazi bianchi, rispettando un certo ordine, come mostrato nella figura sottostante (Fig. 1): Fig. 1 - Codice a barra. Fig. 2 - Codice bidimensionale. La tradizionale sequenza di barre e spazi può essere interpretata come una sequenza composta di solo numeri, o di tipo alfanumerico se consideriamo le versioni più recenti. Esse ad esempio li possiamo trovare disparse in tanti differenti prodotti del 8

5 mercato, in applicazioni logistiche e industriali, in riviste e libri, ecc., e questo grazie al loro bassissimo costo di produzione. Per aumentare l informazione contenuta, oggigiorno si ricorre ai codici a barre bidimensionali, i quali rappresentano una maggiore quantità di informazioni e dati in grafica matriciale a parità di spazio utilizzato. Possiamo notare la differenza nella figura mostrata di sopra (Fig.2). La scansione dei codici a barre avviene tramite un lettore ottico a laser, oppure tramite un terminale mobile disposto di una fotocamera digitale. Da ricordare l uso sempre più comune degli smartphone e delle varie applicazioni in grado di leggere i codici bidimensionali, soprattutto i codici più diffusi di tipo QR (Quick Response). Essi sono utilizzati non solo per la gestione e il riconoscimento delle merci, ma anche come un metodo di promozione e pubblicizzazione di vari siti web, eventi ecc OCR L OCR (acronimo dell inglese Optical Character Recognition, in italiano Riconosimento ottico dei caratteri) è la tecnologia che consente di convertire immagini o file digitalizzate contenenti testo, in dati modificabili tramite l utilizzo di un qualsiasi editor (come notepad, microsoft word ecc). Esistono diverse applicazioni OCR che permettono, infatti di rendere ricercabile e di estrarre contenuti da un documento o un articolo scannerizzato, oppure da immagini acquisite tramite una fotocamera digitale. Fig. 3 - Tecnologia OCR. 9

6 Questa tecnologia può essere applicata in vari contesti, come ad esempio per la lettura di documenti e testi antichi danneggiati nel tempo, per aiutare nella fase di digitalizzazione documentale ed elaborazione delle fatture, ecc. Questa tecnologia è diventata sempre più comune tramite le diverse applicazioni sviluppate per l utilizzo sui telefoni cellulari, i quali consentono di accedere e modificare un testo semplicemente scattando una fotografia dal libro o rivista ove si trova Riconoscimento biometrico Il riconoscimento biometrico consiste nel riconoscimento automatico di ciascun individuo, basandosi sulle loro caratteristiche biologiche (riconoscimento facciale, impronte digitali, riconoscimento dell iris o della retina dell occhio, DNA ecc.) e comportamentali (riconoscimento vocale, ritmo di scrittura, firma ecc.). Queste caratteristiche sono uniche per ciascuna persona e Fig. 4 - Riconoscimento biometrico. di conseguenza permettono di identificare qualsiasi individuo. Come ci si può aspettare, questa tecnologia viene applicata in vari ambiti per motivi di sicurezza e di privacy, permettendo ad esempio l identificazione di soggetti pericolosi (passaporti biometrici), sicurezza negli aeroporti, prevenzione delle frodi ecc Smart Card Fig. 5 - Smart card. Anche le smart card fanno parte di una tecnologia non recente e furono utilizzate per la prima volta nell anno 1984 come carte telefoniche prepagate [1]. Esse consistono in un sistema di immagazzinamento dati incorporato in una carta di plastica di dimensioni simili a quelli che utilizziamo oggigiorno nelle carte di credito. Esistono due categorie principali di smart card: le Memory card, che contengono soltanto una memoria e di conseguenze vengono utilizzate solo per conservare 10