Microstrip patch antenna array for coverage and range extension of RFID applications

Abstract

Pasif UHF RFID sistemleri, operasyon mesafesi ve kapsama alanı bakımından diğer aktif RF tabanlı tanımlama sistemlerine göre eksik kalsa da, bu sistemlere göre farklı birçok avantajları bulunmaktadır. Operasyon mesafesi ve kapsama alanI limiti bu gelecek vadeden teknolojinin en önemli engel noktalarındandır.Pasif UHF RFID sistemlerin operasyon mesafesini ve kapsama alanını arttırmak için bu tezde faz kaydırıcılı dizi anten tasarlanmış, gerçeklendirilmiş ve ölçülmüştür. Faz kaydırıcılı dizi anten tasarımının bir parçası olarak, her bir anten elamanına gerekli güç dağılımını ve faz farkını sağlayacak olan besleme devresi, tasarlanmıştır. Bu dizi anten besleme devresi tasarımı, faz kaydırıcı ve Wilkinson güç bölücülerin ayrı olarak tasarımından oluşmaktadır. Ayrıca, dizi anten içinde ışıma elamanı olarak da mikroşerit yama antenler tasarlanmış ve gerçeklendirilmiştir. Güç bölücü, faz kaydırıcı, besleme devresi ve mikroşerit yama antenler dizi anteni oluşturarak, ışıma örüntüsünün ±30 derece kaydırılmasının elde edildiği benzetimlerden sonra, dizi anten dielektrik sabiti 4,5 olan PTFE cam ve seramik örülü birleşiğinin üzerine basılmıştır.Yansımasız odada yapılan ışıma örüntüsü ölçümleri sonucunda ve standart RFID sistemin içersinde yapılan okuma testleri sonucunda, operasyon mesafesi ve kapsama alanı arttırılabilinmektedir. Ayrıca, gerçek RFID sistemin içerisinde yapılan ölçümler ile yansımasız odada yapılan ölçümlerin birbiriyle uyuştuğu gözlemlendi. Son önemli nokta olarak, elde edilmek istenen yönlendirilmiş huzmeler arasında zaman da ortalaması alındığında, ETSI tarafından konulan efektif ışıma gücü düzenlemelerine karşı soruna neden olmadan operasyon mesafesi ve kapsama alanı arttırılabilinmektedir.

Passive UHF RFID systems have various advantages over other RF based identification systems despite the lack of operation range and coverage as other passive systems, which is one of the main obstacles of this promising technology.To increase the operation range and the coverage, in this thesis, phased antenna array for passive UHF RFID applications designed, implemented and measured. As a part of the phased antenna array design, a feed network, which will sustain the necessary amplitude to each radiating element and phase difference between them, is designed. This feed network design is composed of the separately design of phase shifter and power divider. Also as the radiating element, a microstrip patch antenna element is designed and implemented. After calculating the response final array structure with use of a phase shifter, power divider and microstrip patch antenna, to obtain beam steering between ±30 degrees, the antenna array is implemented on PTFE woven-glass ceramic composite substrate with a dielectric constant of 4.5.From the radiation pattern measurements in the compact test range and experimental test results obtained in actual RFID system, it is observed that the operation range and coverage are increased. Also, it is acknowledged that compact test range and field tests of antenna array are consistent with each other. As a final remark, due to time averaging while steering between the main beams, without causing any issue with the ETSI regulation limits on ERP (effective radiated power), operation range and coverage can be expanded.