Σχεδίαση Και Κατασκευή Πρωτότυπης Κεραίας Σε Χάρτινο Υπόστρωμα Με Χρήση Τεχνολογίας Εκτύπωσης Ψεκασμού Αγώγιμου Μελανιού Για Εφαρμογές Ραδιοσυχνικής Αναγνώρισης (rfid)

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει την σχεδίαση και κατασκευή μιας πρωτότυπης τυπωμένης κεραίας σε χάρτινο υπόστρωμα με χρήση τεχνολογίας εκτύπωσης ψεκασμού αγώγιμου μελανιού για εφαρμογές ραδιοσυχνικής αναγνώρισης. Η ραδιοσυχνική αναγνώριση (RFID) αποτελεί μια ταχέως μεταβαλλόμενη ασύρματη τεχνολογία που εκμεταλλεύεται ηλεκτρομαγνητικά κύματα για την αυτόματη αναγνώριση και τον εντοπισμό αντικειμένων. Ένα σύστημα ραδιοσυχνικής αναγνώρισης αποτελείται από έναν πομποδέκτη ή ετικέτα (tag), ο οποίος τοποθετείται σε ένα αντικείμενο και χρησιμοποιεί μια κεραία για να επικοινωνήσει με έναν αναγνώστη (reader). Η προτεινόμενη κεραία σχεδιάστηκε με την βοήθεια του λογισμικού ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης HFSS για έναν ενεργό πομποδέκτη ο οποίος λειτουργεί στην UHF ζώνη συχνοτήτων. Για την σχεδίαση της κεραίας επιλέχθηκε ένα μονόπολο με οπές, τροφοδοτούμενο από γραμμή μεταφοράς ομοεπίπεδου κυματοδηγού, λόγω των ελκυστικών χαρακτηριστικών του. Το σχέδιο βελτιστοποιήθηκε ώστε να επιτευχθούν συγκεκριμένοι στόχοι όπως συζυγής προσαρμογή της κεραίας στο φορτίο της. Ένα πρωτότυπο της προτεινόμενης κεραίας κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία εκτύπωσης ψεκασμού σε εύκαμπτο, χαμηλού κόστους χάρτινο υπόστρωμα. Η εκτύπωση ψεκασμού είναι μια πρωτοποριακή τεχνολογία για την άμεση εκτύπωση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σε χαρτί χρησιμοποιώντας αγώγιμο ασημένιο μελάνι. Στην εργασία αυτή, αφενός επισημαίνονται τα προτερήματα της χρήσης χαρτιού σαν υπόστρωμα και αφετέρου παρουσιάζεται μια επισκόπηση του μικροκυματικού χαρακτηρισμού του χαρτιού, ώστε να προσδιοριστούν οι ηλεκτρικές του ιδιότητες. Επιπρόσθετα περιγράφεται η κατασκευαστική διαδικασία εκτύπωσης ψεκασμού αγώγιμου μελανιού, τονίζοντας τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής και αναλύοντας τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του εκτυπωτή ψεκασμού. Τέλος πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις εξασθένησης από επιστροφή και μετρήσεις κέρδους, ώστε να διερευνηθεί η επίδοση της κεραίας και να εξεταστεί αν η κεραία ικανοποιεί τις απαιτήσεις σχεδίασης. Συμπερασματικά, τα πειραματικά αποτελέσματα εμφάνισαν πολύ καλή συμφωνία με την προσομοίωση, επαληθεύοντας την επιτευξιμότητα της τεχνολογίας εκτύπωσης ψεκασμού ως μια εξαιρετική κατασκευαστική τεχνική για την υλοποίηση κεραιών RFID σε υπόστρωμα βασισμένο σε χαρτί.This thesis presents the design and fabrication of a novel inkjet printed antenna onpaper substrate for RFID applications. Radio Frequency Identification (RFID) is arapidly developing wireless technology that utilizes electromagnetic waves for theautomatic identification and tracking of objects. An RFID system composes of atransponder or tag, which is attached to an object and uses an antenna to communicatewith a reader.The proposed antenna is designed using the electromagnetic simulation softwareHFSS for an active RFID tag operating in the UHF frequency band. A slottedCPW-fed monopole configuration is selected, due its many attractive characteristics.The design is optimized to achieve specific design goals, such as conjugate impedancematching of the antenna to its load.A prototype has been fabricated using inkjet-printing technology on a flexible,low-cost paper substrate. Inkjet printing is an innovative technology for directlyprinting electronics on paper using conductive silver ink, without the requirement of aphotolithographic mask. The benefits of using paper as a substrate are highlighted andan overview of RF characterization to determine the electrical properties of paper ispresented. In addition, the inkjet printing fabrication process is described,emphasizing the advantages of this technology and detailing the operationcharacteristics of the inkjet printer.Return loss and gain measurements were carried out to investigate the antennaperformance and examine if the antenna satisfies the design requirements. Theexperimental results showed good agreement with the simulation, verifying thefeasibility of inkjet printing technology as an excellent prototyping technique forimplementing RFID antennas on paper-based substrates.