Progettazione di antenne in polarizzazione circolare per lettori portatili RFID in banda UHF Relatori:

A

NNO

A

CCADEMICO

2011/2012

U

NIVERSITÀ DI

P

ISA

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Specialistica in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

TESI DI LAUREA

Progettazione di antenne in polarizzazione

circolare per lettori portatili RFID in banda UHF

Relatori:

Prof. Ing. Paolo NEPA

Prof. Ing. Giuliano MANARA

Dott. Ing. Roberto CASO

Ing. Gabriele ISOLA

Candidato:

Ai miei genitori, a mia nonna

Se per ogni sbaglio avessi mille lire che vecchiaia che passerei

I

I

NDICE

1. Stato dell’arte sulla tecnologia RFID ... 7

1.1 Cenni storici ... 7

1.2 Componenti del sistema RFID ... 10

1.2.1Il TAG ... 11

1.2.2I reader ... 21

1.2.3Distanza operativa, orientamento e polarizzazione ... 25

1.3 Antenne dei reader ... 29

1.4 Stato dell’arte su antenne in polarizzazione circolare utilizzate nei lettori RFID portatili in banda UHF ... 31

1.5 Conclusioni... 36

Capitolo II ... 38

2. Antenne in polarizzazione circolare per lettori portatili RFID in banda UHF ... 38

2.1 Introduzione ... 38

2.2 Antenna a Dipolo ... 40

II

2.4 Antenna a Meandri ... 71

2.5 Confronti prestazionali ... 90

2.5.1Prototipo antenna a Meandri ... 97

2.6 Conclusioni ... 101

Ringraziamenti ... 103

Elenco delle figure ... 104

Elenco delle tabelle ... 113

III

P

REFAZIONE

La tecnologia RFID pone le sue radici agli albori delle radiocomunicazioni, ma è solamente negli ultimi anni che ha visto una crescente applicazione in svariati campi di mercato e adesso l’obiettivo è estenderla nella vita di tutti i giorni.

I principali campi di utilizzo sono nel settore della logistica dove tale tecnologia permette l’ottimizzazione e l’automatizzazione della gestione del magazzino, nel settore industriale dove garantisce un controllo migliore e completo della gestione della catena di distribuzione (supply chain) anche grazie all’utilizzo di sensori di temperatura, shock, etc., nei sistemi di controllo degli accessi rendendo più agile l’impiego dei varchi motorizzati (come il telepass), nelle librerie semplificando e rendendo più veloci e sicure le azioni di prestito e restituzione dei libri, e in svariati altri settori.

L’ipotesi di dotare di TAG a radiofrequenza tutte le “cose” presenti nella vita quotidiana sta aprendo scenari inediti per la nostra civiltà; ogni oggetto potrà essere dotato di un numero identificativo e connesso in rete dando luogo al cosiddetto internet

delle cose. L’etichetta RFID (TAG), rispetto al codice a barre, permette, tra le altre

cose, la lettura a distanza e senza una linea ottica con il reader, la lettura multipla di più etichette, la possibilità di essere riutilizzata e una maggiore capacità di trasporto dati. Tale tecnologia, in questo senso, si configura non solo come una naturale evoluzione del codice a barre, ma rappresenta un costante stimolo alla ricerca di nuove applicazioni negli ambiti più diversi, portando migliorie ad attività già esistenti e creandone delle nuove. Da qui la necessità di realizzare dispositivi portatili, una sorta di “pistole elettroniche”, adatti sia per la lettura classica dei codici a barre che per quella dei TAG RFID.

IV

Ad oggi, infatti, circa l’80% dei lettori RFID è di tipo fisso (portali, antenne a varco, ecc.) ma grazie ai progressi tecnologici, la possibilità di realizzarli compatti e maneggevoli (handheld reader), è aumentata e sono state messe sul mercato varie tipologie di lettori, ognuna con diverse caratteristiche e proprietà a secondo dell’uso a cui sono destinate.

Elemento fondamentale nei sistemi RFID è costituito dalle antenne del reader; l’irradiazione prodotta da esse è infatti la fonte primaria di energia per i TAG ed i problemi di orientamento e polarizzazione influiscono significativamente sulle prestazioni, quindi nella realizzazione è necessario progettare l’antenna per le varie applicazioni ed ambienti di lavoro. La struttura fisica delle antenne è spesso dipendente dalle condizioni di installazione, infatti a volte è necessario metterle in punti di passaggio obbligato, in altri casi è necessario inserirle in ripiani o scaffali su cui si espongono i prodotti (reader fissi) oppure devono essere di dimensioni ridotte e particolari per poter essere inserite all’interno di lettori portatili (handheld reader). Le applicazioni delle antenne sono quindi molto diverse una dall’altra in funzione delle prestazioni richieste.

I principali parametri da tenere in considerazione nella fase di studio e di simulazione delle antenne sono i seguenti:

• polarizzazione

indica la direzione dell'oscillazione del vettore campo elettrico durante la propagazione dell'onda nello spazio. Essa può essere lineare, ellittica o circolare; negli ultimi anni vengono sempre più utilizzate antenne in polarizzazione circolare all’interno degli handheld reader per permettere la lettura dei TAG in qualsiasi direzione si presentino rispetto all’antenna.

V • guadagno

è dato dalla capacità dell'antenna di concentrare il campo elettromagnetico in una certa direzione ed è misurato per confronto tra l'antenna considerata e un'antenna isotropa (cioè perfettamente omnidirezionale) solitamente nella direzione di massima irradiazione. Tiene conto delle perdite nel sistema dell’antenna e viene calcolato per mezzo della potenza d’ingresso. Sicuramente più è alto il guadagno di una antenna maggiore è la sua portata, ma non esiste una legame univoco tra guadagno e portata.

• diagramma di irradiazione

è la rappresentazione tridimensionale del guadagno, ma solitamente si preferisce considerare i diagrammi di sezioni orizzontali e verticali.

In questa tesi, tutte le suddette considerazioni sono state valutate e utilizzate per progettare e realizzare nel migliore dei modi, in termini di costi ridotti, prestazioni efficienti e dimensioni compatte, un nuovo tipo di antenna da integrare all’interno di un dispositivo mobile RFID.

VI

I

NTRODUZIONE

Argomento principale di questa tesi è la progettazione e la realizzazione di un’antenna che deve poter essere integrata all’interno di dispositivi portatili RFID per l’identificazione manuale di oggetti o persone (ad esempio identificazione dei pazienti, delle cartelle cliniche, di strumentazione od apparati etc.).

Il primo capitolo si divide sostanzialmente in due parti: la prima si presenta come una sezione propedeutica, dedicata alla storia e allo stato dell’arte del sistema RFID, al fine di introdurre i concetti base della tecnologia. Nella seconda parte viene invece effettuata un’analisi tecnica delle antenne per reader, descrivendone i parametrici caratteristici e le tipologie di progettazione.

Nel secondo capitolo verranno dapprima presentate le varie configurazioni che sono state analizzate e sviluppate, mettendo in luce le loro caratteristiche geometriche e tecniche. Successivamente queste saranno confrontate fra loro in termini di prestazioni in modo da evidenziare le peculiarità di ognuna. Tutti i progetti affrontanti riguardano la realizzazione di antenne in polarizzazione circolare, a basso costo, con dimensioni compatte e quindi tali da poter essere integrate all’interno di lettori portatili RFID.

Infine è presentato il prototipo realizzato in collaborazione con la ditta CAEN RFID e i confronti fra i risultati simulati e misurati.

7

Capitolo I

1.

S

TATO DELL

’

ARTE SULLA TECNOLOGIA

RFID

1.1

Cenni storici

RFID (Radio Frequency IDentification) è l’acronimo di identificazione a radio

frequenza, dove il termine “identificare” vuol dire assegnare un’identità univoca ad una

persona o riconoscere e distinguere una cosa all’interno di un universo di oggetti equivalenti e simili ma non uguali. Il fine principale di questa tecnologia [1] è di assumere, da parte di un “identificatore”, informazioni su oggetti, animali o persone identificati, per mezzo di piccoli apparati a radiofrequenza associati ai medesimi. Identificatore ed identificato comunicano mediante segnali a radio frequenza, quindi senza necessità di contatto fisico (a differenza, ad esempio, delle carte a banda magnetica) e senza che gli apparati siano necessariamente né visibili (a differenza, ad esempio, dei codici a barre), né in visibilità reciproca (non line – of – sight ).

Nonostante il sistema RFID oggi sia in fase di espansione e non ancora completamente presente nel mercato e nella vita quotidiana, le sue origini risalgono agli anni della Seconda Guerra Mondiale perché, come accaduto per molte altre tecnologie oggi di uso comune, ha avuto un impulso a causa delle necessità e degli scopi bellici.

All’epoca l’uso del radar era già molto diffuso, ma non vi era ancora la possibilità di distinguere i propri aerei da quelli del nemico finché l’Intelligence inglese, grazie all’apporto di Robert Watson – Watt (considerato l’inventore del radar) portò

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avanti lo sviluppo del sistema IFF (Identification Friend or Foe) [2], che prevedeva l’installazione di un trasmettitore all’interno degli aerei. Questa tecnologia, per quanto primordiale, viene consideratala vera e propria antenata del sistema RFID. I progressi continuarono negli anni ‘50 e ‘60 e si concretizzarono attraverso il diffondersi dei sistemi antitaccheggio EAS (Electronic Article Surveillance), che sono il primo impiego di massa di una tecnologia basata sull’identificazione a distanza di un oggetto in attività non militari. Il primo brevetto riguardante la tecnologia RFID fu registrato il 23 Gennaio del 1973 da un italo – americano, Mario Cardullo, e riguarda un TAG RFID attivo con memoria riscrivibile. Lo stesso anno un imprenditore californiano depositò un brevetto per un transponder passivo utilizzato per aprire le porte a distanza. Negli anni ‘80 la tecnologia RFID trovò nuove e svariate applicazioni nei campi del trasporto e del controllo sugli accessi del personale che culminarono nello sviluppo dei sistemi di pagamento dei pedaggi a distanza, la cui prima applicazione risale al 1987 in Norvegia. Negli anni ‘90 gli ingegneri IBM brevettarono un sistema in grado di utilizzare le onde UHF e garantire così una portata più ampia e una maggiore velocità [3].

Una tappa fondamentale della storia degli RFID si ha quando essi vennero utilizzati per la prima volta allo scopo di effettuare un monitoraggio completo lungo l’intera supply chain. Il ruolo assunto dalla tecnologia negli anni 2000 mutava: non più un identificatore mobile contenente le informazioni sul prodotto a cui era associato, ma un vero e proprio collegamento fra le informazioni sui prodotti e Internet attraverso il TAG, dando vita al cosiddetto internet delle cose. Nel 2003 Uniform Code Council ha brevettato EPC, acronimo di Eletronic Product Code, creando EPC Global che ancora oggi permette di identificare univocamente un singolo prodotto distinguendolo da qualsiasi altro esemplare identico presente sul mercato. Nel 2004 è stata standardizzata la seconda generazione di dispositivi basati su EPC.

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In questi ultimi anni innovazione e sviluppo hanno consentito una miniaturizzazione e una riduzione dei costi ingente: ora un TAG può essere grande poche decine di millimetri e costare pochi centesimi di euro, fattori che permettono l'inserimento di questa tecnologia praticamente su qualsiasi tipo di prodotto, con una graduale sostituzione dei codici a barre.

Nella Tabella 1.1 che segue sono sintetizzate le principali tappe dello sviluppo della tecnologia RFID.

1940 - 1950 Dal radar al sistema IFF 1950 - 1960 Dal laboratorio agli EAS

1960 - 1970 Sviluppo delle ricerche

1970 - 1980 Primi brevetti di TAG attivi e passivi

1980 - 1990 Uso RFID per i pedaggi a distanza e primi utilizzi frequenze UHF

1990 - 2000 Utilizzo all’interno della supply chain

2000 - 2012 Nascita standard RFID e diffusione di massa

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1.2

Componenti del sistema RFID

Un sistema RFID (Figura 1.1) è composto essenzialmente da tre elementi fondamentali [1]:

• TAG: transponder a radiofrequenza di piccole dimensioni, costituito da un circuito integrato (chip), dotato di memoria, connesso ad un’antenna ed inserito in un contenitore o incorporato in una etichetta di carta, in una Smart Card o in una chiave. Esso permette la trasmissione a corto raggio e senza contatto fisico di dati che, salvo eccezioni, sono contenuti nella sua memoria e limitati ad un codice univoco (identificativo).

• READER: ricetrasmettitore controllato da un microprocessore ed usato per interrogare e ricevere le informazioni in risposta dai TAG.

• SISTEMA DI GESTIONE: sistema informativo (connesso in rete con i reader) che consente, a partire dai codici identificativi provenienti dai TAG, di ricavare e gestire tutte le informazioni disponibili associate agli oggetti.

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1.2.1

Il TAG

Il TAG è posto sull'oggetto da identificare e rappresenta il supporto fisico di identificazione automatica; a differenza degli altri componenti del sistema non è fisso ma solidale all’oggetto da identificare. La sua funzione principale consiste nel trasmettere i propri dati per rispondere all’interrogazione effettuata dal lettore (da qui il termine transponder).

Esistono tre diversi criteri per classificare i TAG: • Alimentazione

TAG Passivi TAG Semipassivi TAG Attivi

• Frequenza di lavoro

LF (Low Frequency), banda 120 ÷ 145 KHz HF (High Frequency), frequenza 13.56 MHz

UHF (Ultra High Frequency), banda 865 ÷ 928 MHz SHF (Super High Frequency), frequenza 5.8 GHz • Tipo di accoppiamento

Accoppiamento induttivo

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I TAG passivi usano il campo generato dal segnale del reader come sorgente di energia per alimentare i propri circuiti e trasmettere. La potenza ricavata però, non solo è bassa, ma decresce molto rapidamente con la distanza ed è limitata dalle normative sui livelli di emissione a radiofrequenza del reader medesimo. Ne risultano distanze operative ridotte (al massimo qualche metro) ed altre criticità nel funzionamento. I TAG passivi sono tipicamente dei dispositivi a basso costo e di piccole dimensioni che consentono di realizzare numerose applicazioni. Infatti, essendo costituiti solamente da un’antenna e da un circuito integrato miniaturizzato, possono essere inseriti in carte di credito, etichette adesive, bottoni ed altri piccoli oggetti di plastica, fogli di carta, banconote e biglietti d’ingresso, generando così veri e propri oggetti “parlanti” del tipo

read – only o read – writable che consentono cioè, oltre alla lettura, anche la modifica o

la riscrittura dell’informazione in essi memorizzata.

In ogni TAG si possono distinguere, con riferimento alla Figura 1.2, almeno tre componenti: il chip, l’antenna e il substrato.

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Il chip effettua tutte le operazioni necessarie all’alimentazione, alla memoria e alla funzione di modulazione della riflessione. Inoltre può, nei casi più evoluti, possedere una logica di controllo le cui capacità sono necessariamente limitate dalla scarsità di alimentazione, ma sufficienti per qualche funzione di sicurezza e protezione dell’informazione.

L’antenna ha la funzione di raccogliere la maggior quantità possibile di energia irradiata dal reader (per consentire l’alimentazione del TAG) e di rifletterne una parte (per trasmettere); le prestazioni di un TAG passivo (distanza operativa, capacità della logica di controllo) quindi dipendono fortemente da queste peculiarità dell’antenna, che sono strettamente connesse alle sue dimensioni.

Il substrato infine fornisce il supporto fisico per l’assemblaggio del TAG, è il “collante” che tiene insieme tutti i componenti. Può essere realizzato in FR-4, Mylar, film plastico, carta o altri materiali.

I TAG semi – passivi sono stati sviluppati per essere impiegati nelle situazioni in cui quelli attivi presentavano un costo troppo alto o una durata troppo breve delle batterie, mentre quelli passivi non assicuravano prestazioni sufficienti. Sfruttano la tecnologia di trasmissione di quelli passivi, ma sono inoltre dotati di una batteria interna utilizzata solo per alimentare il chip, non per comunicare con il reader. Questo consente al chip medesimo di svolgere funzioni più complesse e di operare anche quando il TAG non riceve energia dal reader; ne consegue che essi non possono iniziare la comunicazione ma possono solamente essere interrogati.

La distanza operativa è limitata, anche in essi, dal fatto che non hanno un trasmettitore integrato, ma sono obbligati ad usare il segnale del reader per rispondere. A differenza dei TAG passivi, però, l’antenna è ottimizzata per l’effetto backscatter, ovvero per riflettere la massima potenza del segnale incidente (segnale d’interrogazione), incrementando la profondità di modulazione ed il rapporto

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segnale/rumore del segnale riflesso. La distanza di lettura operativa, pertanto, può superare i 30 metri.

Alcuni TAG semi – passivi “dormono” (disconnettono la batteria) fino a quando vengono “risvegliati” da un segnale prodotto dal reader, il che consente di diminuire il consumo energetico. Il vantaggio di questi TAG è di poter montare memorie di maggior capacità e riscrivibili, nonché, su alcuni modelli, sensori ambientali per misurare ad esempio temperatura e pressione, le quali sono grandezze che evolvono lentamente nel tempo e di conseguenza il loro campionamento richiede un basso dispendio energetico. Usufruendo della fonte di energia della batteria i sensori possono compiere misure, conservarle in memoria con le informazioni temporali e restituirle all’interrogazione del reader, fornendo una storia della vita dell’oggetto a cui sono associati. La cosiddetta catena del freddo, è un’applicazione tipica per queste caratteristiche (Figura 1.3).

Le criticità invece riguardano il costo dei TAG semi – passivi (il cui costo è di alcuni euro) che è influenzato dalla batteria, la durata e le connesse problematiche di inquinamento di quest’ultima. Alternativa all’utilizzo della batteria può essere ricavare energia dall’ambiente, attraverso piccole celle solari, o sistemi inerziali che caricano accumulatori come in alcuni recenti orologi da polso.

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I TAG attivi sono muniti di un proprio sistema di alimentazione, tipicamente una batteria (che provvede sia ad alimentare la memoria sia a fornire l’energia necessaria alla modulazione ed alla trasmissione) e di un trasmettitore/ricevitore a radio frequenza. Normalmente la memoria a bordo ha dimensioni più ampie di quella dei TAG passivi e su di essa possono essere eseguite operazioni sia di lettura che di scrittura. Altro vantaggio dei TAG attivi è dato dalla distanza operativa, molto superiore rispetto a quelli passivi e semi – passivi, in quanto sono equipaggiati con un vero e proprio trasmettitore alimentato da fonte di energia. La distanza massima raggiungibile è limitata solo dall’antenna e dall’energia disponibile nelle batterie (può arrivare a centinaia di metri). A volte sono dotati, come quelli semi – passivi, di sensori di vario genere (temperatura, pressione, movimento, ecc.).

Il costo di questi apparati, vedi Figura 1.4, può raggiungere alcune decine di euro, vengono generalmente prodotti per frequenze elevate (UHF, SHF) e sono naturalmente dedicati ad applicazioni “di pregio”, oppure in casi in cui il TAG sia riutilizzabile più volte.

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La Tabella 1.2 e la Figura 1.5 riassumono quanto appena esposto:

Tipo di TAG Vantaggi Svantaggi Commenti

passivi

− Tempi di vita elevati − Vasta gamma di forme − Flessibilità meccanica elevata − Costi ridotti − Distanze limitate − Controllati da rigorose normative locali − Sono quelli maggiormente utilizzati − Bande: LF, HF,UHF

semi – passivi − In grado di controllare _sensori

− Non rientrano nelle rigorose normative dei TAG passivi

− Distanza operativa elevata (per quelli attivi)

La batteria comporta: − Costi maggiori − Affidabilità limitata − Rischio ambientale a

causa dei prodotti chimici tossici al suo interno − Utilizzati in sistemi in tempo reale o in logistica per tracciamento merci, dispositivi ecc. − Bande: UHF attivi

Tabella 1.2 Confronto fra TAG passivi, semi – passivi e attivi [1]

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Le frequenze operative sono il secondo fattore per il quale è possibile distinguere i TAG. Esse dipendono sia dalla natura del TAG stesso, sia dalle applicazioni previste e sono regolate, per controllare le emissioni di potenza e prevenire interferenze, dagli organismi nazionali e internazionali. Questa regolamentazione, però, prevede normative diverse a seconda delle aree geografiche (vedi Figura 1.6), il che comporta spesso incompatibilità quando gli RFID viaggiano insieme alle merci alle quali sono associati.

Figura 1.6 Bande di frequenze della tecnologia RFID nel mondo

Le bande di frequenze comunemente utilizzate nella tecnologia RFID sono [1]: • banda LF (Low Frequencies) ed in particolare la sottobanda 120 ÷ 145 kHz.

È storicamente la prima frequenza utilizzata per l’identificazione automatica e, ancora oggi, continua ad avere una presenza significativa sul mercato.

• banda HF (High Frequencies) ed in particolare la sottobanda centrata su 13.56 MHz. È considerata la banda di frequenze “universale” e questo ha fatto sì che fosse la più diffusa fino ad oggi.

• banda UHF media (Ultra High Frequencies), in particolare le sottobande 865 ÷ 868 MHz in Europa, 902 ÷ 928 MHz in USA e 950 ÷ 956 MHz in Asia. È la

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“nuova banda” per gli RFID per la logistica e la gestione dei singoli oggetti, con distanze operative significativamente maggiori di quanto non sia consentito da LF ed HF. Purtroppo non è assegnata in modo uniforme nelle varie nazioni.

• banda UHF alta, la sottobanda centrata su 2,4 GHz. Con caratteristiche simili all’UHF media, permette una ulteriore miniaturizzazione del TAG. Si tratta, però, di una banda utilizzata anche da altre tecnologie (WiFi, Bluetooth, ZigBee), con le quali ci possono essere problemi di interferenza. Tuttavia, al di fuori dell’Europa, vengono usati, su queste frequenze sia TAG passivi che attivi.

• esistono infine anche altre frequenze utilizzabili, quali 433 ÷ 435 MHz in banda UHF bassa o 5,8 GHz in banda SHF (Super High Frequencies).

La scelta della frequenza di lavoro influisce sulla distanza (range) di operatività del sistema, sulle interferenze con altri apparati radio, sulla velocità di trasferimento dei dati e sulle dimensioni dell’antenna. I sistemi che usano frequenze più basse sono spesso basati su TAG passivi e in grado di trasmettere dati a distanze massime dell’ordine del metro e mezzo. In quelli a frequenze più elevate, che permettono l’utilizzo di antenne con dimensioni più ridotte, sono diffusi anche i TAG attivi, che hanno range operativi maggiori.

Il terzo e ultimo fattore che distingue i TAG riguarda l’accoppiamento fra questi ultimi e il reader nei sistemi passivi o semi – passivi (i sistemi attivi sono auto – alimentati).

A differenza dei TAG attivi, quelli passivi non generano la frequenza portante che usano per la trasmissione, piuttosto essi re irradiano, modulandola, una parte dell’energia trasmessa dal reader che li sta interrogando. Questo fa riferimento alla possibilità di modulare un segnale generato dal reader tramite la variazione

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dell’impedenza dell’antenna del TAG che trasforma l’antenna medesima da assorbente a riflettente. Tale processo è molto simile all’uso di uno specchio e della luce solare per segnalazioni luminose a distanza. Sfruttando tale principio si elimina anche la necessità di oscillatori locali per generare una portante a radiofrequenza e si riduce pertanto la potenza necessaria per l’alimentazione del TAG. Per ricavare l’energia necessaria a comunicare con il reader, i sistemi RFID passivi vengono suddivisi in due categorie principali, in base al loro principio di funzionamento.

• Accoppiamento induttivo in condizioni di “campo vicino”: sistemi di questo tipo si basano sul fatto che, per distanze relativamente brevi rispetto alla lunghezza d’onda dell’antenna del reader, nell’antenna del TAG prevalgono gli effetti della corrente indotta dal campo magnetico che varia periodicamente nel tempo. Poiché il TAG viene a trovarsi immerso in questo campo magnetico, il flusso magnetico variabile nel tempo si concatena con le spire dell’antenna del TAG dando così origine, secondo la ben nota legge di Lenz, ad una corrente indotta nelle spire. L’accoppiamento induttivo tra le antenne del TAG e del reader avviene quindi in maniera simile ad un trasformatore e l’energia ricavata viene usata per attivare il TAG (vedi Figura 1.7 ).

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Per ottenere le condizioni di “campo vicino” (prevalgono le caratteristiche di campo statico) alle distanze operative impiegate, vengono generalmente sfruttate le bande con maggiore lunghezza d’onda, ovvero LF ed HF.

• Accoppiamento elettromagnetico in condizioni di “campo lontano” con effetto backscatter: sistemi di questo tipo si basano sul fatto che, per distanze relativamente lunghe, rispetto alla lunghezza d’onda dell’antenna del reader, nell’antenna del TAG prevalgono gli effetti del campo elettromagnetico, che varia periodicamente nel tempo. L’antenna del TAG riflette parte della potenza elettromagnetica ricevuta la quale può essere rilevata dal reader. Il fenomeno della riflessione delle onde elettromagnetiche è conosciuto come backscattering ed è simile a quello su cui si basa il funzionamento dei sistemi radar (vedi Figura 1.8).

Figura 1.8 Accoppiamento elettromagnetico per un sistema RFID

Per ottenere le condizioni di “campo lontano” (prevale il termine di radiazione, il campo si propaga come un’onda sferica) alle distanze operative impiegate, vengono generalmente sfruttate le bande con minore lunghezza d’onda (UHF, SHF) [1].

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1.2.2

I reader

Il reader (chiamato anche “interrogator” o “controller” se distinto dalla sua antenna) è l’elemento che consente di assumere le informazioni contenute nel TAG. Si tratta di un vero e proprio ricetrasmettitore, governato da un sistema di controllo e spesso connesso in rete con sistemi informatici di gestione per poter ricavare informazioni dall’identificativo che, specie nei TAG passivi, è un semplice codice con la particolarità (a differenza dei codici a barre) di essere univoco. In questo modo si possono ricavare dettagliate informazioni, anche aggiornate nel tempo, sul particolare oggetto a cui l’etichetta è associato.

Esistono reader fissi (montati sui portali di accesso ai magazzini, sui nastri trasportatori, negli scaffali, ecc.) e reader portatili (una sorta di“pistole elettroniche” esteticamente simili a quelle in uso per i codici a barre), vedi Figura 1.9.

Figura 1.9 Esempi di reader fisso e portatile per sistemi RFID

Per quanto riguarda la diffusione, le installazioni di reader fissi rappresentano (compresi quelli per smart card), ad oggi, più dell’80% del totale a livello mondiale.

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Una delle applicazioni più frequenti è nelle operazioni di carico e scarico delle merci, dove un portale, equipaggiato per il transito di pallet (pedane) o per nastri trasportatori, prevede una configurazione di antenne in grado di leggere i TAG sugli oggetti che transitano attraverso di esso. Un’altra applicazione molto diffusa li vede operare all’uscita dei punti vendita come passaggio obbligato per i clienti che escono dal locale con le merci acquistate.

Alcune caratteristiche dei portali sono elencate di seguito:

• spesso vengono usate antenne a polarizzazione circolare per minimizzare gli effetti dell’orientamento degli oggetti sulle prestazioni del sistema;

• riducono sia la probabilità di leggere TAG indesiderati sia le interferenze tra porte vicine;

• è possibile leggere il 98,5% dei cartoni dotati di TAG sulle pedane che passano attraverso le porte;

• equipaggiandoli con sensori di moto si può distinguere automaticamente tra il carico (in entrata) e lo scarico (in uscita) delle merci.

I reader portatili sono invece comunemente integrati in dispositivi brandeggiabili di tipo handheld, cioè maneggiati da un operatore; il loro aspetto è del tutto simile a un lettore barcode, ma sono riconoscibili per la presenza dell’antenna RFID. Sono disponibili terminali mobili sia in versione consumer che in versione industriale con IP rate e con diversi Sistemi Operativi. Permettono la raccolta dati in movimento, sia all'interno che all'esterno di un ufficio / stabilimento sia sul campo. Possono semplicemente leggere i dati presenti nel TAG RFID, oppure essere in grado di elaborare il dato raccolto tramite un vero e proprio applicativo locale. Alcuni sono anche dotati di display per la visualizzazione delle letture, mentre altri hanno dei

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dispositivi di segnalazione, ottici e/o acustici. Possono essere connessi alla rete aziendale mediante tecnologia wireless, oppure dialogare con un computer mediante collegamento bluetooth o via cavo (RS232C, USB, Ethernet) [4].

Esistono innumerevoli tipi di reader che si differenziano dal punto di vista tecnico, principalmente per standard e frequenza di utilizzo, mentre dal punto di vista estetico per forma (in base al tipo di antenna), colore e materiali utilizzati.

Alcune caratteristiche dei reader portatili sono elencate di seguito [5]:

• Sono utilizzati con la funzione di backup o per operazioni particolari quali la ricerca di un prodotto/collo;

• Hanno un range di lettura variabile da pochi cm fino a circa 2 metri, in funzione della potenza utilizzata;

• Hanno una capacità di lettura di circa 50 TAG al secondo;

• Integrano lettore di codice a barre, GPS, GPRS, Wi-Fi, Blue Tooth; • Sono dotati di un sistema operativo e programmabile;

• Permettono raccolta dei dati asincrona oppure sincrona.

In generale, sia per i reader fissi che per quelli portatili, in relazione all’uso delle frequenze, la maggior parte del mercato, sia in termini di fatturato, sia in termini di numero di unità è rappresentato da reader HF. Tuttavia, secondo l’istituto ABI Research, si prevede nel periodo 2010 – 2014 una forte espansione del settore dei TAG e reader UHF ad un ritmo molto più veloce degli altri, fino ad ipotizzare una crescita del 74% [6].

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Per concludere elenchiamo di seguito alcune delle caratteristiche alla base di ogni reader RFID:

• Banda di frequenza (principalmente HF o UHF) ma esistono anche lettori multi banda;

• Versatilità nell’uso di differenti protocolli di comunicazione TAG – reader (ISO, EPC, proprietari, ecc);

• Supporto delle regolamentazioni differenti nelle diverse aree geografiche: 4 W max negli USA contro 2 W in Europa.Va però tenuto in conto il differente riferimento per la misura, ovvero EIRP (USA) = ERP (Europa)*1,64;

• Tecnica di comunicazione reader – TAG: “Frequency Hopping” negli USA e “Listen Before Talk” in Europa;

• Comunicazioni con la rete ed i centri di controllo: TCP/IP, Wireless LAN, Ethernet LAN, RS 485;

• Gestione di più reader (con concentratori o middleware); • Interfacce per prodotti middleware esterni;

• Uscite per sensori o circuiti di controllo;

• Capacità di aggiornare il software del reader (via Internet o via interfaccia con il sistema di controllo);

• Capacità di gestire più antenne, tipicamente 4 antenne per reader; • Metodi di polling o multiplexing dei segnali per o dalle antenne; • Adattamento delle antenne alle condizioni al contorno (auto tuning).

25

1.2.3

Distanza operativa, orientamento e polarizzazione

La distanza operativa in un sistema RFID può essere definita come la massima distanza alla quale la lettura di TAG raggiunge una determinata percentuale di successo (in genere molto alta, superiore al 90%). I TAG passivi ricavano tutta la potenza necessaria al loro funzionamento dall’energia dell’onda elettromagnetica a RF generata dall’antenna del reader e assorbita da quella di cui sono anch’essi dotati. La potenza associata a tale campo elettromagnetico decresce all’aumentare della distanza r del TAG dall’antenna del reader, di un fattore 1  in campo lontano e 1 _  in campo _ vicino. Conseguentemente le distanze a cui si trovano ad operare i TAG hanno un impatto fondamentale nelle applicazioni dei sistemi RFID poiché i livelli di potenza irradiati ammessi dagli enti regolamentatori nelle differenti zone del pianeta influiscono direttamente sulla distanza operativa, abilitando o meno la realizzabilità dell’applicazione.

Anche se i circuiti del TAG, in tecnologia CMOS, necessitano di una potenza molto bassa per il funzionamento, a distanza di soli pochi metri dal reader la potenza disponibile dal segnale ricevuto è estremamente bassa (-10 ÷ -15 dBm) e nonostante i notevoli sviluppi degli ultimi anni, la potenza minima richiesta per il funzionamento dei TAG passivi è solo recentemente scesa nell’intervallo tra i 0.2 ÷ 1 mW. Questi valori, per applicazioni in territorio USA (potenza massima permessa: 4 W EIRP in UHF media), conducono ad una distanza operativa di circa 5 – 10 m. La regolamentazione europea è invece molto più stringente poichè limita la potenza emessa in banda UHF media a 2 W ERP (3.28 W EIRP), restringendo conseguentemente il range di lettura.

L’orientamento del TAG rispetto alla polarizzazione del campo EM generato dall’antenna del reader, influenza le distanze operative a cui si può posizionare il

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transponder, fino a determinare un fallimento della lettura nel caso in cui il campo magnetico sia posto ortogonalmente rispetto al campo generato dal reader.

Gli apparati con accoppiamento induttivo sono particolarmente sensibili all’orientamento delle antenne che, si ricorda, sono assimilabili agli avvolgimenti primario e secondario di un trasformatore elettrico. In questo caso l’orientamento ottimale per le spire delle antenne di TAG e reader è quello parallelo tra loro.

Gli apparati con accoppiamento EM, sia passivi che attivi, devono invece tener conto di due caratteristiche principali delle antenne (sia del reader che del TAG):

• Diagramma di radiazione

Esso è la rappresentazione tridimensionale (ma solitamente si preferisce considerare i diagrammi di sezioni del solido, vedi Figura 1.10) del guadagno d’antenna misurato in dB per confronto tra l'antenna considerata e una di riferimento isotropa (cioè che irradia ugualmente in tutte le direzioni). L’intensità del campo generato da un’antenna è funzione del suo diagramma di radiazione e per il trasferimento ottimale di potenza tra reader e TAG, i vettori di massima intensità dei diagrammi di radiazione delle due antenne devono essere allineati.

27 • Polarizzazione del campo EM

Il campo EM è rappresentabile con due vettori, campo elettrico E e campo magnetico H, ortogonali tra loro e rispetto all’asse di propagazione del segnale. Se la direzione dei due vettori rimane inalterata e solo l’intensità ed il verso variano in modo sinusoidale, il segnale si dice polarizzato linearmente. Se i vettori ruotano attorno all’asse di propagazione descrivendo nel tempo una circonferenza, il segnale è detto a polarizzazione circolare mentre se invece i vettori descrivono nel tempo un’ellisse si ha polarizzazione ellittica (vedi Figura 1.11).

Figura 1.11 Tipi di polarizzazione del campo EM: lineare, circolare, ellittica

Se la direzione dei due vettori di campo elettrico, rispettivamente dell’antenna del TAG e del reader è parallela (quindi anche del campo magnetico), si ha il massimo trasferimento di potenza. In altre parole, se le antenne sono in polarizzazione lineare è necessario che i relativi dipoli siano paralleli, mentre se almeno una delle due antenne è a polarizzazione circolare, quest’ultima condizione non è necessaria ed è sufficiente che coincidano gli assi di massima propagazione del segnale.

Le antenne in polarizzazione lineare presentano un range di lettura maggiore, però richiedono un orientamento costante e ottimale dei TAG, la cui antenna, generalmente

28

P_ : potenza irradiata dal reader G: guadagno del reader

G: guadagno del TAG

un dipolo, deve essere orientata come quella del lettore. Questo tipo di polarizzazione è utilizzato quando si ha l’assoluta certezza che il TAG si presenterà con la stessa orientazione rispetto al reader.

Le antenne polarizzate circolarmente sono meno soggette ai problemi di lettura dovuti alla variabilità nell’orientamento del TAG, in quanto anche il campo emesso dall’antenna varia direzione. Questo elimina i problemi relativi all’orientamento dei TAG, con lo svantaggio di ottenere guadagni inferiori rispetto alla polarizzazione lineare.

In generale, un modo per massimizzare le prestazioni di lettura è quello di far sì che ciascun TAG sia visibile da più antenne sotto differenti angolazioni, in maniera tale da aumentare sia la probabilità di avere un matching locale sia il tempo di permanenza del TAG nell’area di lettura [7]. In ogni caso la massima distanza di lettura di un TAG da parte del reader rmaxè quella per cui la potenza PT ricevuta dall’antenna è uguale alla

potenza minima Pchip di attivazione del chip [8].

In formula:

 ! " _{4%& '}# ()*₍+,+- . /0)1

29

1.3

Antenne dei reader

La potenza del segnale ricevuto da un TAG passivo è di estrema importanza per il funzionamento del sistema RFID, infatti influenza le prestazioni delle applicazioni realizzabili, producendo scarsi risultati nel caso in cui il TAG non sia in grado di ricevere tutta la potenza che viene irradiata dal reader; è proprio per questo che il ruolo delle antenne è di grande importanza nei sistemi RFID.

Le antenne dei reader sono componenti di complessa progettazione. Per applicazioni in prossimità (< 10 cm) e a bassa potenza, tipicamente per leggere carte senza contatto e NFC, sono integrate similmente a quanto avviene per i TAG, mentre per applicazioni a media distanza (10 cm ÷ 1 m per HF; < 5 m per UHF) sono componenti separati, ma assemblate nel contenitore del reader stesso, come avviene nel caso di quelli portatili. Per applicazioni a più lunga distanza invece le antenne sono quasi sempre esterne.

Nella progettazione è necessario ottimizzare l’antenna per le varie applicazioni e gli ambienti di collocazione, infatti le tecniche di comunicazione e trasferimento dati dei reader sono molto diverse tra loro a seconda che prevedano applicazioni per la lettura a pochi centimetri di distanza di TAG passivi, oppure letture di TAG attivi a distanze di parecchie centinaia di metri. Infatti i reader per TAG passivi (e semi – passivi) devono emettere segnali RF di tipo particolare, in grado di fornire anche l’energia necessaria per la risposta, mentre quelli per TAG attivi sono dei ricetrasmettitori controllati che possono usare le più diverse tecniche a RF.

La maggior parte delle antenne per RFID devono essere accordate alla frequenza operativa, ma questo espone il sistema all’influenza di molti fattori esterni che possono de – sintonizzare l’antenna dalla risonanza, riducendo così la distanza operativa.

30 Alcune delle varie cause possono essere:

• Effetto pelle e perdite dovute a prossimità di masse metalliche • Disadattamento con il cavo d’antenna

• Fading del segnale

• Prossimità con altre antenne di reader • Variazioni ambientali

• Effetti armonici

• Interferenze con altre sorgenti RF e riflessioni del segnale • Intermodulazioni (cross talk)

• Effetti causati dalla generazione di correnti indotte che interferiscono con quelle prodotte dall’accoppiamento induttivo tra TAG e reader

Un particolare problema che può verificarsi in un sistema RFID è quello relativo alle ghost reads, ovvero letture di TAG fantasma, inesistenti o indesiderate. Nel primo caso l’antenna del reader interpreta il rumore di fondo come un TAG valido (accadeva in passato mentre adesso con il protocollo Gen2 che migliora l’impiego del codice CRC, non succede più). Nel secondo caso il reader legge un TAG reale ma situato all’esterno del campo presunto di lettura; ciò può accadere con i sistemi UHF a causa delle prestazioni di lettura e della riflessione delle onde radio da parte di tutti gli oggetti metallici presenti nel campo di azione del reader. Per ovviare a tale inconveniente, è possibile impiegare strutture schermanti, che contengano al proprio interno la radiazione emessa, oppure strutture assorbenti in grado di assorbire senza riflettere l’onda EM incidente.

31

1.4

Stato dell’arte su antenne in polarizzazione circolare utilizzate nei

lettori RFID portatili in banda UHF

Le antenne impiegate nei dispositivi portatili hanno caratteristiche diverse rispetto a quelle utilizzate, ad esempio, nei dispositivi fissi. In generale i criteri principali che consentono di ottenere gli opportuni guadagni, diagrammi di irradiazione sui piani principali, AR (Rapporto Assiale), rimangono gli stessi, ma occorre introdurre nuove variabili legate al dispositivo in cui l’antenna deve essere montata (la forma, il materiale, le dimensioni con cui questo è realizzato e lo spazio a disposizione per l’antenna) e all’ambiente in cui esso opera. Nella progettazione di queste antenne la riduzione delle dimensioni è spesso più importante di altri parametri e le prestazioni del sistema vengono valutate in termini di range di lettura.

In alcune applicazioni, come l'inventario degli scaffali, è sufficiente un range di lettura nell’intervallo di circa 0.3 – 0.5 metri; l'antenna può essere molto compatta e quindi integrata direttamente nel rivestimento del lettore portatile [9]. In altre applicazioni, come ad esempio per l'identificazione di pallet e casse, può essere richiesto invece un campo di lettura più esteso, fino a 1 – 2 metri: per raggiungere queste distanze operative l'antenna è solitamente connessa all'unità tramite un modulo esterno [10] – [12] (Figura 1.13).

L’antenna del reader è uno dei componenti più importanti nel sistema RFID; nonostante siano state prese in considerazione anche antenne in polarizzazione lineare [13] le più diffuse sono quelle in polarizzazione circolare [14] – [43] poiché, sebbene le antenne dei TAG siano solitamente polarizzate linearmente, un lettore così fornito è in grado di ridurre il calo delle prestazioni dovuto al multipath e la sensibilità all’orientamento, in modo tale da garantire l'affidabilità delle comunicazioni tra reader e

32

TAG [44]. Un’antenna polarizzata circolarmente, con un basso profilo, di piccole dimensioni e leggera è dunque richiesta in un lettore RFID portatile.

Figura 1.13 Reader portatile RFID con antenna interna (a) e con antenna esterna (b)

Nel 1983, Sharma e Gupta [14] presentarono un’antenna a patch quadrato con troncamenti simmetrici agli angoli (corner truncated) per ottenere la polarizzazione circolare. Tali perturbazioni producono due modi risonanti degeneri e ortogonali sull’elemento radiante con 90° di differenza di fase.

Antenne a patch con singola alimentazione, quadrate, circolari e ad anello sono riportate in [15], [16]: utilizzando perturbazioni o fessure per differenziare adeguatamente i due modi ortogonali alla frequenza di risonanza, l'antenna può facilmente irradiare un’onda circolare. Tuttavia le larghezze di banda che si ottengono con queste configurazioni, sia per quanto riguarda il coefficiente di riflessione che il rapporto assiale, sono solitamente strette e non soddisfano i requisiti richiesti nei sistemi di comunicazione moderni. La polarizzazione circolare può anche essere generata tramite l’accoppiamento di fessure ed elementi radianti [17], impiegando un divisore di potenza Wilkinson nella rete di alimentazione [18], utilizzando antenne a spirale [19],

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array per garantire la tecnica sequential rotation (ogni elemento adiacente è sfasato di 90° e alimentato con la stessa potenza) [20] o strutture ad elica [21]. Tali tecniche sono attraenti per progetti destinati ad applicazioni a larga banda, ma le dimensioni complessive delle antenne così ottenute sono troppo ingombranti e non adatte per palmari e dispositivi portatili RFID.

Vari metodi sono stati analizzati per realizzare antenne compatte a microstriscia in polarizzazione circolare: utilizzo di substrati con alta costante dielettrica [22], pin in corto circuito (shorting pins), slot e fessure incorporati nel patch e così via [23] – [25] (Figura 1.14). La riduzione delle dimensioni tramite l’utilizzo di fessure è stata proposta da Chen [26], [27]; anche in questo caso la polarizzazione circolare è ottenuta mediante patch con angoli troncati e l’ingombro totale ridotto aggiungendo tagli lungo le direzioni ortogonali.

Figura 1.14 Ottimizzazione della geometria per ridurre le dimensioni di un'antenna

In [28] è riportata un’antenna compatta con corner truncated e piano di massa fessurato, il quale rende possibile ridurre la dimensione dell'antenna a microstriscia. In [29] è presentata un’antenna realizzata utilizzando fessure rettangolari simmetriche lungo le direzioni ortogonali, con singola alimentazione disposta lungo l'asse diagonale

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e recentemente l’idea è stata applicata per reader portatili RFID [30] – [34] (vedi Figura 1.15). Per migliorare la larghezza di banda senza aumentare le dimensioni, metodi possibili sono l’utilizzo di stacked – patch [35] o l’utilizzo di antenne planari a dipolo incrociato opportunamente alimentati e dimensionati. In [36] – [37] è stato dimostrato che dipoli incrociati ortogonalmente e collegati in parallelo possono generare radiazione circolare; se le lunghezze dei due dipoli sono scelte in modo tale che le parti reali delle ammettenze di ingresso siano uguali mentre gli angoli differiscano di 90°. Basandosi su questi studi, più antenne sono state sviluppate negli ultimi anni per migliorare la larghezza di banda di coefficiente di riflessione e rapporto assiale [38] – [40].

Figura 1.15 Metodi per ottenere polarizzazione circolare: (a) alimentazione sull'asse diagonale, (b)

accoppiamento di fessure, (c) corner truncated, (d) slot su asse diagonale

Un secondo approccio è quello di utilizzare quattro monopoli miniaturizzati a F – invertita (Figura 1.16) in una configurazione a spirale o a meandro [41] – [42]. I monopoli sono ruotati a intervalli di 90° su un substrato circolare o quadrato ed eccitati con uguale ampiezza ma con ritardi successivi di fase di 90° utilizzando una rete di alimentazione opportunamente progettata, come un divisore di potenza Wilkinson, un divisore di potenza serie o parallelo, una linea di trasmissione o elementi concentrati ibridi in quadratura. Queste strutture determinano un miglior grado di miniaturizzazione e una radiazione unidirezionale al costo di una più complessa struttura [43].

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Figura 1.16 Antenna a F invertita

È infine opportuno mettere in evidenza che qualsiasi tecnica di miniaturizzazione deve essere confrontata con i requisiti richiesti, che per la natura stessa delle antenne elettricamente compatte, non potranno essere troppo stretti [45]. In particolare, ci aspettiamo che per antenne di dimensioni così ridotte il guadagno non assuma valori molto maggiori di 0 dB a meno di utilizzare, per esempio, substrati di qualità, con minori perdite ma costi più elevati rispetto ai tipici substrati impiegati in queste applicazioni (come ad esempio l’FR4).

36

1.5

Conclusioni

A partire da tutto quanto è stato illustrato nel presente capitolo, riguardante lo stato dell’arte della tecnologia RFID, con particolare attenzione alle antenne per reader portatili, l’obiettivo di questa tesi è la progettazione di antenne in polarizzazione circolare per lettori portatili RFID in banda UHF.

Parametri critici nella realizzazione di queste antenne sono senz’altro le ridotte dimensione che esse devono assumere a causa del poco spazio a disposizione in un reader di tipo handheld e il valore del guadagno che di conseguenza non sarà elevato, a meno di non utilizzare substrati o configurazioni particolari.

Come possiamo vedere dalla Figura 1.17, quasi tutte le configurazioni presenti in letteratura e in commercio si assestano nella zona centrale del grafico, cioè con dimensioni totali nell’ordine di 90x90 mm2 (0.0752₃ 4) / 100x100 mm2 (0.09 2₃ 4) e guadagno di circa 0 dBi.

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Alla luce di tutte le considerazioni fatte fino ad ora e confrontandoci con ciò che il mercato già presenta, i progetti che saranno illustrati nel capitolo successivo e che sono stati realizzati presso il laboratorio MRL del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Pisa, riguardano lo sviluppo e la progettazione di nuove tipologie di antenne in polarizzazione circolare per reader RFID con dimensioni non superiori a 80x80 mm2 e valori di guadagno possibilmente nell’ordine di 0 dBi.

Esse saranno presentate nella configurazione sia per la banda europea (865 – 868 MHz) sia per la banda americana (902 – 928 MHz), illustrando in un primo tempo le procedure seguite per realizzare ogni singola proposta e successivamente confrontando i risultati di ognuna di esse per offrire un panorama completo degli esiti ottenuti.