การจัดวางและเพิ่มประสิทธิภาพเสาอากาศ

การจัดวางเสาอากาศเป็นปัจจัยอันดับ 1 ในประสิทธิภาพของระบบ RFID ซึ่งสำคัญกว่าความไวของแท็กหรือกำลังของเครื่องอ่าน เครื่องอ่านราคา 5,000 ดอลลาร์ที่วางเสาอากาศไม่ดีจะมีประสิทธิภาพด้อยกว่าเครื่องอ่านราคา 500 ดอลลาร์ที่วางเสาอากาศอย่างเหมาะสม เป้าหมายคือการสร้างพื้นที่การอ่าน (read zone) ที่ชัดเจน (พื้นที่ 3 มิติที่สามารถอ่านแท็กได้อย่างแม่นยำ) ในขณะที่ลดการอ่านที่ผิดพลาดจากภายนอกพื้นที่เป้าหมาย

ตัวอย่างจากการใช้งานจริง: การย้ายเสาอากาศบริเวณประตูคลังสินค้า (dock door) จากความสูง 2.5 เมตร มาที่ความสูง 2.0 เมตร และปรับเอียงลง 15 องศา ช่วยเพิ่มอัตราการอ่านจาก 87% เป็น 99.2% ในโครงการโลจิสติกส์ขนาดใหญ่ การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเพียงเล็กน้อยส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างมาก เนื่องจากความแรงของสัญญาณ RF เป็นไปตามกฎกำลังสองผกผัน (inverse-square law) — ระยะทางที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าหมายถึงกำลังสัญญาณจะลดลงเหลือเพียง 1/4

Polarization ของเสาอากาศเป็นตัวกำหนดทิศทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือหนึ่งในการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบ เพราะส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการอ่าน tag ในทิศทางต่างๆ

Read zone คือพื้นที่ 3 มิติที่สามารถอ่าน tag ได้อย่างแม่นยำ มีลักษณะคล้ายรูปกรวยหรือกลีบ (lobe) แผ่ออกมาจากหน้าเสาอากาศ โดยขนาดจะขึ้นอยู่กับ gain ของเสาอากาศ, กำลังส่ง (TX power) ของเครื่องอ่าน และความไว (sensitivity) ของ tag ตัวอย่างเช่น เสาอากาศขนาด 9 dBic ที่กำลังส่ง 30 dBm พร้อมกับ tag NXP UCODE 9 (ความไว -22.1 dBm) จะสร้าง read zone ที่มีความลึกประมาณ 8–10 เมตร และกว้างประมาณ 3–4 เมตรที่ปลายระยะ

Near-field เทียบกับ Far-field: เสาอากาศ UHF RFID ทำงานในสองระยะ ระยะ Near-field (ภายในระยะประมาณ 35 ซม. ที่ความถี่ 920 MHz) ใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กสำหรับการอ่านในระยะใกล้มากและควบคุมพื้นที่ได้ — เหมาะสำหรับจุดชำระเงิน (POS) ที่ต้องการอ่านเฉพาะสินค้าบนเคาน์เตอร์เท่านั้น ส่วนระยะ Far-field (เกิน 35 ซม.) ใช้การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับการใช้งาน RFID ส่วนใหญ่ เสาอากาศแบบ Near-field ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะให้มีพื้นที่การอ่านที่จำกัดสำหรับการบันทึกข้อมูลระดับชิ้นสินค้าและจุดขาย

คำแนะนำด้านกำลังส่ง: 33 dBm สำหรับระยะสูงสุด (~10 ม., ประตูคลังสินค้า), 30 dBm สำหรับระยะมาตรฐาน (~6–8 ม., การใช้งานทั่วไป), 25 dBm สำหรับระยะปานกลาง (~3–5 ม., สายพานลำเลียง), 20 dBm สำหรับระยะใกล้ (~1–2 ม., จุดขาย), 15 dBm สำหรับ Near-field (~0.5 ม., เครื่องอ่านบนชั้นวาง) ควรเริ่มจากกำลังส่งต่ำก่อนเสมอแล้วค่อยๆ เพิ่มจนกว่าจะได้อัตราการอ่านที่ต้องการ — กำลังส่งที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการอ่าน tag ที่ไม่ต้องการ (stray reads)

33 dBm → ~10m   dock doors, max range
30 dBm → ~6-8m  general warehouse
25 dBm → ~3-5m  conveyor belts
20 dBm → ~1-2m  point-of-sale
15 dBm → ~0.5m  shelf / near-field

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) คือค่าที่ใช้วัดประสิทธิภาพการส่งผ่านกำลังจากเครื่องอ่านไปยังสายอากาศ อัตราส่วนที่สมบูรณ์แบบคือ 1:1 (กำลังทั้งหมดถูกแผ่ออกไป) หากค่าสูงกว่า 2:1 หมายความว่ามีกำลังจำนวนมากสะท้อนกลับไปยังเครื่องอ่าน ซึ่งจะลดประสิทธิภาพและอาจทำให้ PA amplifier เสียหายได้เมื่อเวลาผ่านไป สายอากาศ RFID เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จะมีค่า VSWR อยู่ที่ 1.2–1.5:1 ตลอดย่านความถี่ที่ใช้งาน

ปัญหา VSWR ที่พบบ่อย: สาย RF ชำรุดหรือหักงอ (ควรเปลี่ยนหาก VSWR เกิน 2:1) ประเภทของหัวต่อไม่ถูกต้อง (ใช้ RP-TNC หรือ SMA ตามที่ระบุ) สายอากาศติดตั้งบนพื้นผิวโลหะโดยตรงโดยไม่มีแผ่นรอง (ควรใช้ standoff ขนาด 15 มม. ขึ้นไป) น้ำเข้าในหัวต่อภายนอกอาคาร (ใช้ RP-TNC แบบกันน้ำพร้อมบูท) ความยาวสายเกิน 10 เมตรโดยไม่ใช้สายแบบ low-loss (ใช้ LMR-400 หรือเทียบเท่าสำหรับการเดินสายที่ยาวเกิน 5 เมตร)

ตรวจสอบค่า VSWR ตลอดย่านความถี่ที่ใช้งานเสมอ (920–925 MHz สำหรับเวียดนาม) สายอากาศอาจแสดงค่า VSWR ที่ดีเยี่ยมคือ 1.2:1 ที่ 920 MHz แต่ลดลงเหลือ 2.5:1 ที่ 925 MHz ซึ่งหมายถึงประสิทธิภาพที่แย่ลงในช่องสัญญาณ FHSS ครึ่งหนึ่งของคุณ

การใช้งานจริงส่วนใหญ่มักใช้สายอากาศหลายตัวต่อเครื่องอ่านหนึ่งเครื่อง เครื่องอ่านของ Nextwaves รองรับพอร์ตสายอากาศสูงสุด 32 พอร์ต ข้อควรพิจารณาที่สำคัญ: ระยะห่าง — โดยปกติจะห่างกัน 1–2 เมตรสำหรับประตูคลังสินค้า โดยมีลำคลื่นซ้อนทับกัน 15–20% เพื่อการครอบคลุมที่สมบูรณ์ มุมการติดตั้ง — เอียงเข้าด้านใน 15–45 องศาสำหรับการใช้งานแบบพอร์ทัลเพื่อโฟกัสโซนการอ่านไปที่ช่องประตู ลำดับของสายอากาศ — เครื่องอ่านจะสลับระหว่างสายอากาศโดยอัตโนมัติเพื่อป้องกันการส่งสัญญาณพร้อมกันจากโซนที่ซ้อนทับกัน

ตัวอย่างการกำหนดค่าพอร์ทัล (ประตูคลังสินค้า): ติดตั้งสายอากาศ 4 ตัว — ฝั่งละ 2 ตัวที่ความสูง 1.5 เมตร และ 2.5 เมตร เอียงเข้าด้านใน 30 องศา ใช้โพลาไรเซชันแบบเชิงเส้นเล็งไปที่ด้านหน้าของพาเลท ตั้งค่าเครื่องอ่านเป็น Session S2 โดยมีค่า Q=6 สำหรับรถฟอร์คลิฟต์ที่เคลื่อนที่เร็ว วิธีนี้จะให้อัตราการอ่านสูงกว่า 99% สำหรับพาเลทมาตรฐานที่มีกล่องติดแท็ก 48–100 กล่อง

ตัวอย่างอุโมงค์สายพานลำเลียง: ติดตั้งสายอากาศแบบ circular polarized 4 ตัว เรียงเป็นรูปสี่เหลี่ยมรอบสายพาน — ด้านบน ด้านล่าง ด้านซ้าย และด้านขวา ตั้งค่า Session S1 สำหรับการอ่านแบบผ่านครั้งเดียว ใช้กำลังส่งที่ 25 dBm เพื่อจำกัดโซนการอ่านให้อยู่ภายในอุโมงค์ ซึ่งจะช่วยป้องกันการอ่านแท็กบนสายพานลำเลียงที่อยู่ติดกัน

CONFIGURE_ANTENNA_ENABLE payload (4 bytes):

Ports 1-4:    0x0F 0x00 0x00 0x00  (0b00001111)
Ports 1,3:    0x05 0x00 0x00 0x00  (0b00000101)
Port 1 only:  0x01 0x00 0x00 0x00  (0b00000001)

Bit 0=ANT1  Bit 1=ANT2  ...  Bit 31=ANT32

พื้นผิวโลหะคือแหล่งสัญญาณรบกวนอันดับ 1 ในคลังสินค้า โลหะจะสะท้อนสัญญาณ RF ทำให้เกิดจุดบอด (dead zones) และการรบกวนแบบหลายเส้นทาง (multipath interference) วิธีแก้ไข: ติดตั้งสายอากาศบนพื้นผิวที่ไม่ใช่โลหะ หรือใช้ standoff ขนาด 50 มม. ขึ้นไปจากโครงสร้างโลหะ ปรับทิศทางสายอากาศเพื่อไม่ให้ลำคลื่นหลัก (main lobe) กระทบกับผนังโลหะหรือชั้นวางโดยตรง

น้ำและของเหลวดูดซับคลื่นวิทยุ UHF อย่างมาก กล่องน้ำดื่มที่อยู่ระหว่างสายอากาศและพาเลทที่ติดแท็กสามารถขัดขวางการอ่านได้อย่างสมบูรณ์ วิธีแก้ไข: วางตำแหน่งสายอากาศเพื่อให้เส้นทาง RF หลีกเลี่ยงภาชนะบรรจุของเหลว หรือเพิ่มกำลังส่งขึ้น 3–6 dB เพื่อชดเชยการสูญเสียจากการดูดซับ

เครื่องอ่านเครื่องอื่นที่ทำงานอยู่ใกล้เคียงอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ Dense Reader Mode (DRM) และ FHSS ช่วยได้ แต่มาตรการเพิ่มเติม ได้แก่: การกำหนดค่า channel mask ไม่ให้ซ้อนทับกันระหว่างเครื่องอ่านที่อยู่ติดกัน การใช้สายอากาศแบบกำหนดทิศทางเพื่อจำกัดการแพร่กระจายของสัญญาณ และการใช้การจัดตารางเวลาแบบ TDMA หากมิดเดิลแวร์ของคุณรองรับ

วางเสาอากาศให้ห่างจากหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ (แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน RF) อย่างน้อย 1 ม. และห่างจากจุดกระจายสัญญาณ Wi-Fi อย่างน้อย 2 ม. แม้ว่า Wi-Fi จะทำงานที่ความถี่ 2.4/5 GHz (ซึ่งแตกต่างจาก UHF 920 MHz) แต่อุปกรณ์ที่มีการป้องกันสัญญาณรบกวนไม่ดีอาจสร้างสัญญาณฮาร์มอนิกแบบแถบกว้าง (broadband harmonics) ได้