Dise No Antena

INSTITUTO POLI LIT T CNIC CNICO O NACI NACI NAL ESCUELA UPERIOR DE INGENIERÍA Y ELÉCTRICA UNIDAD ROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ

ECÁNICA ATEOS

"DISEÑO DE UNA UNA ANTE ANTENA NA PARA PARA ETIQ ETIQUE UET TA PASIVA RFID EN LA BANDA UHF"

ROYECTO DE INVESTIGACION CLAVE SIP 20120987

TESIS

UE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECT

NICA

P R E S E N T A:

OBER OBERTO TO LEYV LEYVA A HER HERN N NDEZ NDEZ

ASESOR:DR. SALVADOR RICARDO MENESES GONZALEZ

0

México, D. F., 12 de Diciembre de 2012.

1

México, D. F., 12 de Diciembre de 2012.

1

Objetivo Diseñar, simular y optimizar una antena para etiqueta pasiva para la tecnología RFID en la banda UHF.

Objetivos Particulares •

Comprender el funcionamiento de la tecnología RFID.

•

Diseñar una antena con buen desempeño y de dimensiones apropiadas para la etiqueta pasiva de la tecnología RFID.

•

Selección y aplicación del software de Simulación para el diseño de la antena.

Justificación A lo largo de los años, distintas empresas, institutos o asociaciones han empleado una serie infinita de recursos para intentar controlar de manera eficiente el manejo, rastreo, la identificación o búsqueda rápida de personas, equipo, vehículos, etc.En unas cuantas décadas, los sistemas de RFID han dejado de ser simples proyectos de investigación para convertirse en la mejor opción viable para cubrir dichas necesidades. Actualmente, la creciente demanda en el mercado para crear sistemas de control exige equipos cada vez más pequeños, eficientes y económicos. La trascendencia en la investigación para la fabricación de esta tecnología promete un futuro próspero, ya que la eficienciadel sistema depende en gran parte de la calidad del diseño de cada componente.En particular, en una etiqueta pasiva, el desempeño de su antena y su acoplamiento con el chip es esencial debido a que la alimentación del chip de dicha etiqueta es únicamente proporcionado por la antena, por lo que en esta tesis se realiza una investigación para proponer un diseño óptimo deuna antena para unaetiquetapasiva RFIDen la banda UHF.

i

Índice Introducción ................................................................... ............................................................................................................. .............................................................. .................... vi Capítulo 1. El sistema RFID ......................................................................................................... ......................................................................................................... 1 1.1

Generalidades ..................................................................... ................................................................................................................ ........................................... 1

1.2

Clasificación de las etiquetas RFID ........................................................................ .............................................................................. ...... 2

1.3

Aplicaciones ....................................................................... .................................................................................................................. ........................................... 5

1.3.1

Control de accesos.................................................................. ................................................................................................. ............................... 5

1.3.2

Industria del automóvil........................................................................ .......................................................................................... .................. 5

1.3.3

Identificación vehicular ....................................................................... ......................................................................................... .................. 7

1.3.4

Comercio a distancia ........................................................................... ............................................................................................. .................. 7

1.4

Estandarización ................................................................. ............................................................................................................. ............................................ 8

1.5

Polémica: RFID y Código de barras............................................... barras............................................................................ ............................. 10

Capítulo 2. El Diseño de una Antena para etiqueta pasiva RFID. .............................................. 11 2.1 Importancia del Diseño...................................................................... Diseño....................................................................................................... ...................................9 ..9 2.2

Proceso de Diseño de antenas pasivas RFID............................................................... 12

2.3

Parámetros Importantes para el Diseño de la Antena pasiva para Etiqueta RFID ...... 13

2.3.1

Campo de operación. .......................................................................... ........................................................................................... ................. 13

2.3.2

Ganancia .................................................................... .............................................................................................................. .......................................... 14

2.4 2.4.1 2.5 2.5.1 2.6

Acoplamiento de impedancias ................................................................... .................................................................................... ................. 16 Acoplamiento inductivo ..................................................................... ...................................................................................... ................. 17 Técnicas de miniaturización ....................................................................... ........................................................................................ ................. 19 Antenas Lineales Serpenteadas ....................................................................... ........................................................................... .... 19 Chips comerciales .......................................................................... ....................................................................................................... ............................. 20

Capítulo 3. Simulación ...................................................................... ................................................................................................................ .......................................... 21 3.1

Propuesta de diseño de Antena 1................................................................ ................................................................................. ................. 21

3.2


3.3


3.4


3.5


3.6


3.7


Capítulo 4. Construcción y Mediciones ...................................................................................... ...................................................................................... 40 Conclusiones ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 46 Referencias ............................................................................. ................................................................................................................ ................................................... ................ 45 ii

Índice de Figuras Figura 1.1.1. Esquema de un sistema si stema RFID. ................................................................................. 1 Figura 1.1.2. Sistema RFID implementado en una biblioteca. ...................................................... ..................................................... 2 Figura 1.2.1. Etiqueta pasiva RFID. .............................................................................................. ............................................................................................. 3 Figura 1.3.1. Comparación del tamaño del chip con la yema de un dedo. .................................... 3 Figura 1.3.2. Elementos principales de un microchip RFID. ........................................................ 4 Figura 1.4.1. Estadística sobre la situación de la demanda de sistemas de RFID en 2002 [4]. ..... 5 Figura 1.4.2. Esquema de funcionamiento del sistema de seguridad de automóvil. ..................... 6 Figura 1.4.3. Sistema RFID de Identificación vehicular. ............................................... .............................................................. ............... 7 Figura 1.5.1. Frecuencias utilizadas en diferentes situaciones geográficas .................................. 9 Figura 1.6.1. Código de barras vs RFID. .............................................. .................................................................................... ...................................... 10 Figura 2.1.1. Antena diseñada en [9]. .................................................................. ......................................................................................... ....................... 11 Figura 2.2.1. Diagrama de Flujo del Proceso de Diseño para Antenas Ant enas RFID. ............................ 12 Figura 2.4.1. Acoplamiento Antena-Chip ................................................................................... 16 Figura 2.4.2. Acoplamiento inductivo (a) y circuito euivalente (b) ............................................ 17 Figura 2.4.3. Dimensiones del loop .......................................................... ............................................................................................. ................................... 18

Figura 2.5.1. Esquema de una MLA no uniforme. ...................................................................... ..................................................................... 19 Figura 2.5.2. (a)Matriz (a)Matriz numerada definida, (b)MLA propuesto. ............................................... 20 Figura 2.6.1. Tabla de Impedancia de entrada de diversos chips. ............................................... 20 Figura 3.1.1. Arreglo de dos elementos ................................................ ...................................................................................... ...................................... 22 Figura 3.1.2. Antena 1. Bucle con elemento parásito serpenteado en 2D. .................................. 22 Figura 3.1.3. Antena 1. Bucle con elemento parásito del tipo serpenteado en 3D. ..................... 22 Figura 3.1.4. Patrón de Radiación, Plano Vertical. Antena 1. ..................................................... .................................................... 23 Figura 3.1.5. Parámetros calculados. Antena 1. .......................................................................... 23 Figura 3.1.6. Patrón de Radiación 3D Plano Vertical y Plano Horizontal respectivamente. Antena 1. ............................................. ................................................................................................................................. ........................................................................................ .... 24 Figura 3.1.7. Patrón de Radiación arreglo propuesto. Antena 1................................................. .................................................. 24 Figura 3.2.1. Antena 2. Dipolo con serpenteado. ........................................................................ 25 Figura 3.2.2. Antena 2. Dipolo con serpenteado y bucle. .............................................. ........................................................... ............. 25 Figura 3.2.3. Vista 3D de Antena 2. Dipolo con serpenteado y bucle. ....................................... 25 Fig. 3.2.4. Plano vertical (eléctrico)................... ......................................................................... 26 Fig. 3.2.5. Plano horizontal (magnético). ................................................................................... 26 Fig. 3.2.6. Diagrama 3D de Campo Lejano Total........................................................................26 Total........................................................................26 Fig. 3.2.7. Patrón de Radiación, Plano Vertical .......................................................................... 26 Figura 3.2.8. Parámetros calculados de Antena 2. ............................................. ...................................................................... ......................... 27 Figura 3.3.1. Estructura de la Antena 3. Loop para banda UHF. ................................................ 28 Figura 3.3.2. Parámetro S11 de la Antena 3. ................................................................................ 28 Figura 3.3.3. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). ............................................................ ........................................................... 29 Figura 3.3.4. Parte Imaginaria de la Impedancia (Reactancia). Antena 3. .................................. 29 Figura 3.3.5. Patrón de Radiación, Plano Horizontal y vertical. Antena 3. ................................ 30 Figura 3.3.6. Patrón de Radiación en 3D. Antena 3. ................................................................... 30 Figura 3.4.1. Estructura de la Antena 4. Loop con elemento parásito. ....................................... 31 Figura 3.4.2. Parámetro S11 de la Antena 4. ................................................................................ 31 iii

Figura 3.4.3. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). Antena 4. ........................................... 32 Figura 3.4.4. Parte Imaginaria de la Impedancia (Reactancia). Antena 4. .................................. 32 Figura 3.4.5. Patrón de Radiación de Campo Lejano en 3D. Antena 4. ...................................... 32 Figura 3.5.1. Estructura de la Antena 5. Arreglo de loop y elemento parásito con serpenteado simple. ......................................................................................................................................... 33 Figura 3.5.2. Parámetro S11 de la Antena 5. ................................................................................ 33 Figura 3.5.3. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). Antena 5. ........................................... 34 Figura 3.5.4. Parte Imaginaria de la Impedancia (Reactancia). Antena 5. .................................. 34 Figura 3.5.5. Patrón de Radiación de Campo Lejano en 3D. Antena 5. ...................................... 35 Figura 3.6.1. Estructura de la Antena 6. Loop alargado con elemento parásito serpenteado. ..... 35 Figura 3.6.2. Parámetro S11 de la Antena 6. ................................................................................ 36 Figura 3.6.3. Parte Imaginaria de la Impedancia (Reactancia). Antena 6. .................................. 36 Figura 3.6.4. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). Antena 6. ........................................... 36 Figura 3.6.5. Patrón de Radiación de Campo Lejano en 3D. Antena 6. ...................................... 37 Figura 3.7.1. Estructura de la Antena 7. Loop alargado con elemento parásito serpenteado y un segundo elemento con espesor regulado. .................................................................................... 37 Figura 3.7.2. Parámetro S11 de la Antena 7. ................................................................................ 38 Figura 3.7.3. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). Antena 7. ........................................... 38 Figura 3.7.4. Parte Imaginaria de la Impedancia (Reactancia). Antena 7. .................................. 39 Figura 3.7.5. Patrón de Radiación de Campo Lejano en 3D. Antena 7. ...................................... 39 Figura 3.7.6. Equivalencia de cable a pista ................................................................................. 40 Figura 3.7.8. Analizador de Redes. ............................................................................................. 41 Figura 3.7.7. Antena 1 en placa en!lica. .................................................................................... 41

Figura 3.7.9. Analizador de redes dentro de la cámara anecóica del Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética. .............................................................................................. 42 Figura 3.7.10. Proceso de calibración del Analizador de Redes. ................................................ 42 Figura 3.7.11. Medición de la Antena 1 en el Analizador de Redes. .......................................... 43 Figura 3.7.12. Parámetro S11 de la Antena 1 en el Analizador de Redes. .................................. 43 Figura 3.7.13. Medición de la Antena 2 en el Analizador de Redes. .......................................... 44 Figura 3.7.14. Parámetro S11 de la Antena 2 en el Analizador de Redes. .................................. 44 Figura 3.7.15. Medición de antena en la cámara anecóica. ......................................................... 45

iv

Lista de Acrónimos •

AFI: Aplicación de Familia de Identificadores.

•

CI: Circuito Integrado.

•

EPC: Código Electrónico de Producto.

•

ISO: Organización Internacional de Normalización.

•

Loop: Bucle

•

Mb: Megabytes.

•

MLA: Antenas Linealmente Serpenteadas.

•

mW: miliWatts.

•

NOM: Norma Oficial Mexicana.

•

Photoresist: Proceso de fotograbado para formar un revestimiento sobre una superficie modelada.

•

PIRE: Potencia Isotrópica Radiada Efectiva.

•

RF: Radio Frecuencias.

•

RFID: Identificación por Radio Frecuencia.

•

SMA: Conector coaxial Subminiatura versión A para RF.

•

Tag: Etiqueta.

•

Transponder: Transmisor - emisor.

•

UHF: Ultra Alta Frecuencia.

v

Introducción Desde inicios de este siglo,el éxito rotundo en el desarrollo de los primeros sistemas RFID ha impresionado a varios investigadores y empresas de alto renombre como una nueva manera para establecer el intercambio de información a través de una comunicación remota. La tecnología RFID ofrece una comunicación remota a través de etiquetas que son adheribles a casi cualquier objeto y actualmente se han encontrado un sinnúmero de aplicaciones, tales comoidentificación vehicular, de productos, de personas,rastreo, monitoreo, entre otras. Un sistema RFID está integrado por un lector, el medio y la etiqueta, que a su vez, la integran una antena y un chip. Existen antenas pasivas que pueden alimentar la etiqueta únicamente con la energía con la que han sido radiadas. Este trabajo está enfocadoal diseño de una antena para una etiqueta pasivade un sistema RFID que trabaja a UHF y de alimentación pasiva, es decir no posee alimentación externa. También se busca un patrón omnidireccional para que la antena pueda ser leída en cualquier dirección o posición. El marco teórico deeste trabajo especifica los parámetros que se deben tomar en cuenta para plantear el análisis de la antena.Existen diversos principios físicos importantes que afectan a los sistemas de RFID, como el que cada antena tiene un comportamiento diferente para cada material, por lo que su diseño va enfocado a ciertos productos no metálicos o líquidos. Se hace referencia, en modo de comparación, a los diferentes tipos de sistemas de identificación, haciendo hincapié en la “batalla” por el mercado entre los códigos de barras y los sistemas de RFID. Así como todas las tecnologías, tienen organismos de regulación y estandarización que también son mencionados. El principal objetivo en el diseño de antenas para etiquetas RFID es lograr un buen acoplamiento entre la antena y el chip, pero debido a que la impedancia del chip no puede ser cambiada, la antena es la que debe de ser ajustada. vi

La simulaciónpermitió predecir el comportamiento del sistema más cercano a la realidad, recreando el entorno del sistema y así poder localizar los defectos o fallas previas a la construcción del mismo, sin necesidad de hacer gastos equivocados.Se presentan diferentes simulaciones de antenas, cada uno con ciertas ventajas y limitaciones. El proyecto se llevó a cabo de acuerdo a un mapa de actividades organizadas y definidas en intervalos de tiempo, las cuales formaron el cuerpo del proyecto a un ritmo adecuado que condujo a un progreso congruente para finalmente entregar resultados concretos y precisos. 

ESTADO DEL ARTE: SISTEMA RFID. En este apartado se introduce a la tecnología RFID, se explica su funcionamiento y sus principales aplicaciones para el almacenamiento y control de datos de manera remota.

•

ANTENA DE LA ETIQUETA. En esta parte, se enfoca el proyecto hacia el análisis de una antena pasiva para la etiqueta RFID para posteriormenteindicar los principales parámetros que debe cumplir su diseño.



SIMULACION. En esta sección se proponen varios diseños para la simulación, además de que se selecciona el software de Simulación que más conviene para nuestro fin.La variedad de las antenas simuladas permite generar criterios más precisos acerca del comportamiento de cada estructura.



CONSTRUCCIÓN Y MEDICIONES. En esta parte se construye una antena y se realizan las mediciones correspondientes para comparar la simulación de la antena con la realidad.



CONCLUSIONES.Plantea las experiencias y conocimientos concretos adquiridos durante el desarrollo del proyecto.

Así entonces, este trabajo propone el diseño de una antena con un elemento activo, es decir, una antena de bucle y un elemento parásito como reflector siendo un dipolo y un reflector del tipo serpenteado, de tal modo que el parámetro más importante de diseño en este trabajo es la impedancia del arreglo con el objeto de un acoplamiento con la impedancia del chip.

vii

Capítulo 1. El sistemaRFID 1.1 Generalidades Un sistema RFID (Radio FrequencyIDentification) es la tecnología inalámbrica que nos permite, básicamente, la comunicación entre un lector y una etiqueta (transponder: emisor-transmisor). Esta tecnología es un método automático de identificación, basado en el almacenamiento y recuperación remota de datos [1, 2].

Figura 1.1.1.Esquema de un sistema RFID.

El funcionamiento del sistema mostrado en la figura 1.1.1, es de la siguiente manera: el lector envía una serie de ondas de radiofrecuencia al tag, que son captadas por la microantena de éste. Dichas ondas activan el microchip, el cual, a través de la microantena y mediante ondas de radiofrecuencia, transmite al lector la información que tengan en su memoria. Finalmente, el lector recibe la información que tiene el tag y lo envía a una base de datos en la que previamente se han registrado las características del producto o puede procesarlo según convenga a cada aplicación [3]. Una aplicación usual sería el manejo del inventario de libros en una biblioteca: al adherirle una etiqueta a cada libro, se facilita el seguimiento del libro para adquirir información de su acceso cada que entre o salga de la biblioteca, el horario, e incluso se puede registrar un reporte de las condiciones del libro en el momento que se requiera; asimismo, la base de datos actualiza automáticamente el estado de cada prestatario y de la biblioteca, llevando un control sencillo para el usuario, brindando seguridad al libro y eficiencia para la biblioteca. 1

Figura 1.1.2. Sistema RFID implementado en una biblioteca.

Este trabajo se ha enfocado en las etiquetas pasivas, que son capaces de responder con la información requerida, transmitiendo sin necesidad de alimentación alguna, solamente usando la energía que reciben del lector.

1.2 Clasificación de las etiquetas RFID Los

transponders

necesitan

poca

alimentación,

del

orden

de

los

mW.

Podemosdiferenciar dos tipos de etiquetas dependiendo de la energía que utilizan para lacomunicación: •

Etiquetas activas: son

transponders que necesitan el apoyo de bateríasadicionales, ya

que no tienen suficiente energía con la que proporciona el lector.Este tipo de etiqueta tiene la ventaja de poseer un alcance mayor decomunicación e incluso no necesitan que el lector sea quién inicie lacomunicación. Además permiten habitualmente procesos de lectura y reescrituraenviando previamente instrucciones al lector y la utilización de memorias másgrandes (existen etiquetas con 1Mb de memoria). Por el contrario ofrecen unavida útil limitada (menos de diez años), dependiendo del tipo de batería y de lastemperaturas a las que opera. También hay que destacar que su coste es bastanteelevado, su precio suele ser 5 veces más alto. De esta forma aparecen nuevasaplicaciones para sistema RFID gracias a este tipo de etiquetas alimentadas porbaterías.

2

•

Etiquetas pasivas:

son transponders que no necesitan baterías adicionales, yaque

únicamente se alimentan de la energía del campo generado por el lector.Para las etiquetas pasivas, la energía que necesitan para transmitir la informaciónque contienen, proviene en su totalidad de la señal generada por el lector. Estasetiquetas aprovechan la energía suministrada por un lector para generar supropia señal que recibe nuevamente el lector.

Figura 1.2.1. Etiqueta pasiva RFID.

1.3 Circuito Integrado RFID

El microchip RFID es un circuito integrado (CI) muy similar a una pastilla muy delgada que contiene una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, así como elementos pasivos resistencias y capacitores. Su área es muy reducida tal como se puede observar en la Figura 1.3.1.

Figura 1.3.1. Comparación del tamaño del chip con la yema de un dedo.

El chip está formado por los siguientes elementos: 3

Figura 1.3.2. Elementos principales de un microchip RFID.



El control/rectificador de potencia que convierte la corriente alterna a corriente continua, suministrando así la energía para los demás componentes del circuito.



El clock extractor que se encarga de extraer la señal de reloj de la señal de la señal que llega a la antena.



El modulador que modula la señal enviada por el lector. La respuesta de la etiqueta va inmersa en la señal modulada que se transmite de vuelta al lector.



La unidad lógica que es la responsable de la implementación del protocolo de comunicación entre la etiqueta y el lector.



La memoria que se utiliza para guardar información y puede ser de lectura y escritura, como por ejemplo, los datos de identificación del objeto, y además puede incluir métodos de detección de errores como el CRC. Los avances tecnológicos han permitido minimizar significativamente el tamaño del chip, sin embargo, las dimensiones de la etiqueta dependen principalmente del tamaño de la antena, por lo tanto, se puede destacar la importancia del diseño de una antena reducida, que es uno de los objetivos de las propuestas de diseño de esta tesis.

4

1.4 Aplicaciones La tecnología RFID poco a poco se ha ido ganando lugar en el mercado, con un progresoespectacular en los últimos años. Muchos son los sectores que se han visto beneficiadoscon la incursión de nuevos sistemas de identificación basados en la tecnología RFID,como los transportes, las tarjetas inteligentes, expedición de tickets, control de acceso,identificación vehicular, de animales, de personas, de contenedores, medicina o la industria delautomóvil [1].

Figura 1.4.1. Estadística sobre la situación de la demanda de sistemas de RFID en 2002 [4].

1.4.1 Control de accesos Las aplicaciones en este campo han sido uno de los puntos fuertes de lossistemas RFID. No son unos sistemas nuevos, ya que llevan varios años usándose enempresas o recintos, para controlar el acceso a sus instalaciones. También se suelen usarpara el acceso a parkings. Estas tarjetas son cada vez más funcionales, pudiendopermitir o no sólo el acceso a distintas zonas, así como también a máquinas expendedoras opara pagos pequeños, por ejemplo en una cafetería de la empresa.

1.4.2 Industria del automóvil A principios de los 90 aparecieron sistemas RFID con transponders de sólolectura destinados a la inmovilización de automóviles como un adelanto importante enla seguridad de los vehículos ante posibles robos. Los transponders de estos sistemaseran muy pequeños (cabían en la llave), no necesitaban baterías y eran de solo lectura. 5

Figura 1.4.2. Esquema de funcionamiento del sistema de seguridad de

Cada uno de estos transponders disponía de un único y fijo código de seguridad. Su funcionamiento era sencillo, cuando el propietario giraba la llave producía unas señaleselectromagnéticas que eran las que verificaban la llave y permitían el arranque delmotor. En el sector de la seguridad en el automóvil, también se diseñó un sistema queinmovilizase el vehículo, de modo que cuando el usuario cerraba la puerta con sumando, generaba un código que recibía el coche y que volvía a enviar al transponder delmando a modo de confirmación. Otra aplicación en los automóviles que cada vez incorporan más, es la tarjetaidentificadora [5] que permite que el vehículo se abra sin necesidad de introducir ningunallave. Sólo necesita que el propietario se acerque lo suficiente al vehículo con su tarjetapara que detecte un transponder, lo confirme y proceda a desbloquear las puertas. Es unsistema más útil que el tradicional “mando a distancia”; en el que había que presionarun botón para abrir el vehículo.

6

1.4.3 Identificación vehicular Esta es una de las aplicaciones más conocidas, el ejemplo más claro es el sistema IAVE [6]. El cliente porta una etiqueta en su vehículo, la cual al llegar a la caseta y pasar por el carril asignado, la etiqueta será identificada por la antena lectora que se ubica en la parte superior del carril, la información leída es validada por el sistema del lector y abre la barrera.

Figura 1.4.3. Sistema RFID de Identificación vehicular.

1.4.4 Comercio a distancia Los sistemas RFID son los suficientemente seguros como para permitir pagoscon ellos. Por ejemplo pagar combustible o usarlo en una máquina expendedora decomida o bebida. El cliente paga con su teléfono móvil o con una llave especial. El transponder posee una información única programada que al pasar cerca dellector es identificada, se verifica la autenticidad del transporte, y se pide permiso para latransacción.Por lo que hace al sistema de pago en gasolineras, es muy cómodo tanto para elcliente como para la estación de servicio. Aumenta el número de coches que puedenrepostar por hora, así como ofrece al usuario un tiempo menor de espera.

7

1.5 Estandarización Los estándares RFID comprenden 4 áreas: •

Protocolo en la interfaz aéreo: especifica el modo en el que etiquetas RFID y lectores se comunican mediante radiofrecuencia.

•

Contenido de los datos: especifica el formato y semántica de los datos que se comunican entre etiquetas y lectores.

•

Certificación: pruebas que los productos deben cumplir para garantizar que cumplen los estándares y pueden operar con otros dispositivos de distintos fabricantes.

•

Aplicaciones: usos de los sistemas RFID. Como en otras áreas tecnológicas, la estandarización en el campo de RFID se caracteriza por la existencia de varios grupos de especificaciones competidoras. Por una parte está ISO, y por otra Auto-ID Centre (conocida desde octubre de 2003 como EPCglobal [7], de EPC, Electronic Product Code). Ambas comparten el objetivo de conseguir etiquetas de bajo coste que operen en UHF. Los estándares EPC dividen a las etiquetas según su funcionalidad en seis tipos:



Clase 0: Etiquetas pasivas con 96 bits de solo lectura.



Clase 1: Etiqueta pasiva de una escritura y múltiples lecturas.

•

Versión 1: 96 bits, EPC data de 64 bits y 32 bits reservados.

•

Versión 2: Nueva "GEN 2": 256 bits, 96 bit EPC data, 32 bits reservados, 128 bits de memoria. Encriptación, kill bits. Se pueden re-escribir múltiples veces. Compatible con clases estándar anteriores. Algoritmo anticolisión.



Clase 2: Pasivo de lectura/escritura múltiple.



Clase 3: Semi-Activo/Semi-Pasivo de lectura/escritura múltiple.



Clase 4: Activo de lectura/escritura múltiple. Comunicación entre tags Clase 4.



Clase 5: Lectores. Por su parte, ISO ha desarrollado estándares de RFID para la identificación automática y la gestión de objetos. Existen varios estándares relacionados, como ISO 10536 [8], ISO 14443 e ISO 15693, pero la serie de estándares estrictamente relacionada con

las RFID y las frecuencias empleadas en dichos sistemas es la serie 18000" (interfaz aire) que se muestra en la tabla siguiente:

8

ISO

Descripción

18000-1

Parámetros de interfaz aire generalmente aceptados.

18000-2

Parámetros de interfaz aire para comunicaciones inferiores a 135 kHz.

18000-3

Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 13.56 MHz.

18000-4

Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 2.45 GHz

18000-5

Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 5.8 GHz.

18000-6

Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 860 hasta 960 MHz.

18000-7

Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 433 MHz. Tabla 1 Estándares ISO para RFID.

Los chips están construidos para cubrir tres rangos de frecuencia para diferentes regiones: Europa (866.5 MHz), Norte América (915 MHz), y Asia (953 MHz).

Figura 1.5.1. Frecuencias utilizadas en diferentes situaciones geográficas

Los chips tienen típicamente impedancias de entrada con una parte real del orden de magnitud de uno y una parte imaginaria muy pequeña. Debido a los problemas de la impedancia del chip, es necesario conocer o medir la impedancia para el diseño de 9

antenas apropiadas, lo cual también representa un reto debido a que no es sencilla la medición de impedancia.

1.6 Polémica: RFID y Código de barras. Desde los inicios de la tecnología RFID se ha dicho que era una opción más cara, sin embargo, se ha encontrado que esta tecnología puede llegar a ser más rentable por sus grandes ventajas que presenta. A continuación, se enlistan las principales ventajas de la tecnología RFID en comparación al código de barras: •

Un lector RFID puede leer múltiples etiquetas al mismo tiempo, mientras que el código de barras se lee uno por uno.

•

El código de barras debe estar en visión directa para ser leído, y las etiquetas RFID pueden leerse casi en cualquier posición que se encuentre la etiqueta debido al patrón de radiación de la antena que se busca que sea omnidireccional.

•

Cuando se ensucian los códigos de barras no se pueden leer, mientras que las antenas que se encuentran en las etiquetas son imperceptibles a éste efecto para su lectura.

•

Por último, la producción de etiquetas en gran escala puede llegar a costar centavos.

Figura 1.6.1. Código de barras vs RFID.

10

Capítulo 2. El Diseño de una Antena para etiqueta pasiva RFID. 2.1 Importancia del Diseño El diseño de una antena eficiente es fundamental para una etiqueta pasiva, debido a que el chip únicamente dependerá de la alimentación que le entregue la antena. Una alta ganancia y un ancho de banda adecuado permitirán que la comunicación se vea considerablemente favorecida. Un tag, transponder o etiqueta electrónica contiene un microchip y una antena, que puede adherirse a cualquier producto [9]. Los tags pasivos para UHF de 915 Mhz suelen acoplarse por ondas electromagnéticas con un frente de onda esférico a la antena del



lector y utilizan antenas tipo dipolo /2. Sin embargo, para un mejor ajuste a las características del circuito integrado (con alta impedancia de entrada) se utiliza un bucle



(también llamado loop) corto de aproximadamente /4 como estructuras inductivas para una mejor alimentación [10]. La comunicación entre el lector y el tag tiene determinadas características de alcance, velocidad y seguridad según el rango de frecuencia, el tipo de antenas utilizadas, el tipo de etiquetas y demás parámetros que se pueden configurar para una aplicación u otra.

Figura 2.1.1. Antena diseñada en [9]. 11

2.2

Proceso de Diseño de a tenas pasivas RFID Son diversos los caminos ue se pueden tomar cuando se va a empezar un diseño, si no se lleva una metodología previamente establecida es muy fácil perd rse o consumir tiempo innecesario. Se ha elegido seguir la metodología sugerida por [11], en la que plantea un diagrama de flujo para el diseño de antenas RFID:

'dentiicar los re7uerimientos de 5peraci!n. Aplicar %&cnicas de 5ptimiaci!n

5$tener la 'mpedancia del 6'.

Determinar las Dimensiones 40*imas de la Antena.

#roponer un Dise3o de Antena

Fa$ricar #rototip s

6aracteriar

-ealiar +imulaciones/ varia do #ar0metros 1Dimensiones de la ntena2 (+e consiguieron las 6aracter8sticas Deseadas, ()*iste un Acopla iento +atisactorio

Dise3o 6omplet

#ro$ar con una %&cnica de coplamiento de 'mpedancias..

Figura 2.2.1. Diag ama de Flujo del Proceso de Diseño para Antenas RFID.

Para el desarrollo de este rabajo, hemos seguido fielmente ésta técni a y es así como han resultado satisfactoria ente diseños óptimos para nuestros requeri ientos iniciales. En el desarrollo del proyecto, se observa cómo se proponen una variedad de diseños de antenas, en búsqueda del diseño completo. En el camino adquirimos conocimientos sobre el comportamiento e ciertas estructuras que nos dan pauta para evolucionar el diseño y concretar en un diseño final que brinda todas la mayoría de las bondades de sus antecesores.

12

2.3 Parámetros Importantes para el Diseño de la Antena pasiva para Etiqueta RFID Primeramente es importante aclarar qué es una antena, la cual se define como un dispositivo metálico que es capaz de emitir y recibir ondas de radio que adapta la salida del transmisor o la entrada del receptor al medio. El éxito en el funcionamiento de un sistema RFID recae en la eficiencia de la antena de la etiqueta, debido a que ésta debe tener alta ganancia y una correcta orientación con respecto al lector. Para su diseño es primordial considerar diferentes parámetros de acuerdo a la aplicación a la que el sistema está orientado. El reto es diseñar antenas que tengan un comportamiento más omnidireccional para que la etiqueta pueda ser leída en cualquier posición. Cabe mencionar que las antenas se comportarán de diferente manera dependiendo del medio en el que se coloquen, cada etiqueta está diseñada específicamente para cierta permitividad relativa del material. Principalmente se presentan pérdidas en los materiales metálicos y los productos líquidos porque la señal es absorbida o dispersada.

2.3.1 Campo de operación. El parámetro más importante en el rendimiento de las etiquetas de RFID es el de campo de lectura o de operación, o la distancia máxima en que la etiqueta puede responder adecuadamente al lector. El campo de lectura puede calcularse teniendo la potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE) del lector y la sensibilidad del Circuito Integrado de la etiqueta, utilizando la ecuación de Friss [11]:

 =   

(1)

Donde:

=, donde es la potencia y la ganancia de la antena del lector. = Longitud de Onda. 13

= Ganancia de la antena de la etiqueta = Es el umbral mínimo de la potencia necesaria para alimentar el circuito integrado de la etiqueta o su sensibilidad.

Siguiendo los señalamientos que indica la Norma oficial Mexicana, para nuestro caso la NOM-121-SCT1-2009, la PIRE máxima para la banda de 902 a 928 MHz(en donde opera nuestra antena) es de 4 W ó 36 dBm.



Por otra parte, es el coeficiente de transferencia de energía dado por:

 = ||

(2)

Donde:

!"=# $ %&# =impedancia del circuito integrado de la etiqueta. !'=' $ %&' impedancia de la antena de la etiqueta. Este coeficienteindica la efectividad en el acoplamiento de nuestra antena, y será siempre menor o igual a 1.

2.3.2 Ganancia La ganancia describe el desempeño de la antena y es definida como la relación de la intensidad en una dirección dada, respecto a la intensidad de radiación si se obtiene de una antena que radia de forma isotrópica. Para calcular la ganancia de una antena usada en una etiqueta de RFID se utiliza la ecuación:

 = ( )

(3)

Donde:

*+=,* = Área Efectiva *= Área física ,=Factor de Eficiencia. 14

La ganancia de la antena de la etiqueta es esencial en el rendimiento del sistema RFID, así como se describe en [17]. Cuando la potencia de transmisión está fijada, el máximo rango de lectura del sistema RFID es principalmente limitado por la ganancia y la frecuencia de operación. De acuerdo a un análisis de RF, la onda electromagnética transmitida por la antena del lector radia hacia la etiqueta a través de pérdidas del espacio, y luego se propaga en sentido inverso hacia el lector, llevando la información almacenada en la etiqueta. Supongamos que la energía de RF capturada por la etiqueta puede ser re-radiada en el espacio totalmente.

.1+#2 /0

31+#2

Sea la potencia transmitida del lector, y la ganancia del lector. La densidad de potencia S1 en la etiqueta a una distancia Rdel lector se puede expresar como:

6)7   6)7 89 45 = 

(4)

La potencia recibida por la etiqueta es calculada por:

0+:;<+' = 45 *+:;<+' Donde

*+:;<+' es el Área efectiva de la etiqueta y se determina de la ecuación (3) por:    )>?) *+:;<+' = 

Donde

(5)

(6)

+:;<+'es la ganancia de la etiqueta y  la longitud de onda.

Sustituyendo (11) y (13) en (12), tenemos:

0+:;<+' = @ AB 1+#2+:;<+'/01+#2

(7)

La densidad de potencia S 2de la onda que regresa de la etiqueta a la posición del lector es:

)>?)   )>?) C9 4B = 

(8)

)ntonces/ la potencia reci$ida del lector al retorno es

1+#2 = 4B *1+#2 = 4B1+#2  +2D2

(9)

15

Sustituyendo (15) en (16), y tomando en cuenta que

E = 1+#21+#2,tenemos:

B 1+#2 FE G 1+#2 = @ A +:;<+' +2D2

(10)

En la ecuación (17) se observa que la potencia que regresa al lector de la etiqueta es directamente proporcional a la ganancia de su antena e inversamente proporcional a la distancia que separa a ambas. Por lo tanto, se puede confirmar que una alta ganancia en nuestra antena asegurará que exista la potencia suficiente para rebasar el umbral de sensibilidad del Circuito Integrado a mayor distancia.

2.4 Acoplamiento de impedancias La antena para operar en la etiqueta pasiva está construida para un acoplamiento con el chip, el cual está constituido por un circuito rectificador, que provee la tensión y la corriente necesaria para energizar al chip. Para los sistemas RFID UHF pasivos, la relación entre la impedancia de entrada del circuito rectificador y la impedancia de la antena determina el rango de lectura máxima de la etiqueta [12]. Por otra parte, la antena define el tamaño de la etiqueta, entre más pequeña es mejor ya que uno de los objetivos en el sistema RFID es la de pasar desapercibidos, por lo que el compromiso entre la ganancia de la antena y un buen acoplamiento de impedancia antena-chip es lo que determina el buen funcionamiento de la etiqueta [13].

Figura 2.4.1. Acoplamiento Antena-Chip 16

La impedancia de los chi s no se encuentra estandarizada como en otros sistemas de comunicaciones, y uno de los principales retos en el diseño de anten s para etiquetas pasivas UHF es la de obte er el máximo acoplamiento y alcanzar la máxima eficiencia y mínimos efectos del ambiente electromagnético. Existen diversos métodos para realizar el acoplamiento de impedancias, para nuestro caso se eligió el acoplamiento inductivo por las bondades que brinda su estructura, tales como la facilidad con la que se puede modificar su impedancia variando sus dimensiones y la sencillez n la miniaturización del elemento parásito.

2.4.1 Acoplamiento inductiv En el acoplamiento inductivo, un dipolo es alimentado por un bucle, los cuales se encuentran separados por una distancia muy cercana [14].

b

b

Figura 2.4.2. Acoplamiento inductivo (a) y circuito euivalente ( )

En este caso el circuito integrado es conectado directamente al bucle (loop). Para calcular la impedanci de entrada del circuito integrado se tiene:

 FBIJG !:D = !122H $ 

(11)

Donde:

17

!122H = %KLMN122H Donde : !122H = OPQRSTUVOT SR RUWTST del loop !' = OPQRSTUVOTSRXTTUWRUT

(12)

Y la inductancia del loop se calcula a partir de los parámetros de la figura 2.4.3, con la ecuación 6:

N122H = YZ[\]^ _TXU@B'`A$a@Bb`A$ Kc TB $ aB d TXUe'b $  @'bAB $[fd aXUe'b $  @'bAB $[fdKFT $aGg

(13)

: a

Figura 2.4.3. Dimensiones del loop

Para la inductancia mutua se ocupa:

h = KZ[\]^ 'ib

(14)

Si el dipolo esta en resonancia, la reactancia total de entrada depende solamente de la inductancia del loop, mientras que la resistencia está relacionada con la inductancia mutua del transformador (M).

 F G BI J k F G :D Mj = lFIkG

(15)

&:DF MjG = KLMjN122H

(16)

18

2.5 Técnicas de miniaturización La reducción en el tamaño de la antena significa mayor funcionalidad y comodidad para la etiqueta. Es más fácil adherir una etiqueta pequeña a cualquier producto que delimitar el uso de cada etiqueta por su tamaño. El método de serpenteado o MLA (Meander line antennas) es una de las opciones más empleadas para cumplir con la tarea de reducir dimensiones conservando las bondades del comportamiento del dipolo.

2.5.1 Antenas Lineales Serpenteadas Las MLAs consiguen adaptar su resonancia o impedancia por medio del arreglo adecuado de sus parámetros, por lo que casi nunca logran ser iguales sus valores de ancho y largo [13, 16]. Los parámetros de una MLA son: •

N número de vueltas.

•

Longitud de los segmentos verticales (h) y horizontales (w). Cuando longitudes verticales y horizontales de una MLA sean iguales se conoce como UMLA. Las

variaciones

de

h

y

W

apropiadas en las dimensiones delimitadas lograrán modificar a la resonancia que se desea. Para su construir una MLA primero se deben definir las dimensiones máximas que ocupará la estructura. Después, en la mitad de ese espacio Figura 2.5.1. Esquema de una MLA no uniforme.

delimitado se forma una matriz de puntos

con

una

separación

específica entre cada punto. Posteriormente, se unen puntos de acuerdo a un camino propuesto para formar estructuras tomando en cuenta que el punto finalsólo se puede colocar en un punto de las orillas, ya que la carga se colocará ahí. Por último, se genera la matriz espejo y se une la carga con esa otra nueva estructura.

19

Figura 2.5.2. (a)Matriz numerada definida, (b)MLA propuesto.

Los algoritmos de optimización pueden aumentar el número de puntos y en consecuencia, aumentar el número de estructuras buscando que se adecuen de mejor manera a nuestros fines.

2.6 Chips comerciales El gran reto del diseño es llegar a la impedancia conjugada del chip, en la siguiente tabla se enlistan las impedancias de diversos chips. Modelo

Impedancia Frequencia Referencias de entrada

(MHz)

(Ohms) ATA5590 Atmel

6.7 –j210

915

(AtmelCo.;Pascal, 2005; Jari-p, 2007)

XRA00 ST

6.7 -j197

915

(Jari-p,2007;STMicroelectronics, 2005)

MM9647 NSC

73 –j113

915

(Popovic, 2011)

ALN-9338.R

6.2 –j127

915

(Popovic, 2011; Alien, 2011)

16 –j315

914

[Popovic, 2011)

16 –j380

915

(Kumar, et al, 2010; Phillips Semiconductor,

AlienTechnology EPC1.19G2 Phillips NXP Uncode Gen2

2006)

AD220

8 –j91

915

(Loo, et. al, 2008; Avery Denison, 2011)

AveryDenison Figura 2.6.1. Tabla de Impedancia de entrada de diversos chips.

20

Capítulo 3. Simulación El manejo de herramientas para la simulación de la antena nos permite tener una idea aproximada de su comportamiento y características sin necesidad de construirla y hacer mediciones físicamente. Además de tener la flexibilidad de hacer pruebas y cambiar sus atributos fácilmente. Así se podrán reducir costos y tiempo para su diseño, y la construcción de la antena definitiva tendrá una mayor confiabilidad. En este capítulo se muestran los distintos diseños de antenas que se trabajaron con el fin de crear un criterio más amplio para poder seleccionar adecuadamente la estructura que más convenga a los parámetros de diseño.

3.1 Propuesta de diseño de Antena 1 En una primera etapa en el estudio de los simuladores de antenas, la simulación se llevó a cabo en el programa MMANA-GAL. Se propusieron los siguientes parámetros para la construcción de la antena: •

Frecuencia de operación: 915 MHz.

•

Longitud de dipolo: 16.4 cm

•

Perímetro de loop: 3.2 cm

•

Impedancia de CI: 6.7 – 210j, 6.7-197j Ω

•

Medidas estándares en América del Norte: 9 cm de largo por 2 cm de ancho. Para este caso se tomó Ɛr = 1, que es la permitividad relativa del espacio libre. Esta propuesta se basa en un arreglo de dos elementos, tal y como se menciona en el capítulo anterior para generar un acoplamiento inductivo, un elemento activo y un elemento parásito, siendo el elemento activo una antena de bucle operando a una frecuencia de 915 MHz y el elemento parásito un simple conductor recto. Sin embargo, este tipo de arreglo consume un espacio considerable, lo cual representa una desventaja para nuestro objetivo, siendo sustituido el elemento parásito por una antena del tipo serpenteado [13].

21

Figura 3.1.1. Arreglo de dos elementos

La parte reactiva depende del tamaño del loop y la separación no lo afecta en gran medida, mientras que la parte resistiva es más dependiente de la separación del loop con el elemento parásito. De acuerdo a la técnica de serpenteado, se diseñó el elemento pasivo con una longitud de aproximadamente 8cm de largo por 2 cm de altura, como se puede observar en las figuras 3.1.2 y 3.1.3.

Figura 3.1.2. Antena 1.Bucle con elemento parásito serpenteado en 2D.

Figura 3.1.3. Antena 1. Bucle con elemento parásito del tipo serpenteado en 3D.

22

La distancia de separación entre la antena de bucle y el reflector serpenteado es un parámetro que nos permite ajustar la impedancia del arreglo que deberá de estar próxima al valor de la impedancia de los chips 1 y 2, de la Tabla de la Figura 2.6.1. La figura 3.1.4 muestra el patrón de radiación en el plano vertical o plano Eléctrico (Plano E).

Figura 3.1.4. Patrón de Radiación, Plano Vertical. Antena 1.

De esta propuesta, se obtuvieron los parámetros mostrados en la figura 3.1.5, tales como ganancia, Relación Frente Atrás (F/B), Impedancia de la Antena y la Razón de Onda Estacionaria.

Figura 3.1.5. Parámetros calculados. Antena 1. 23

Este resultado es aceptable, debido a que si observamos la impedancia resultante del arreglo Z = 6.477 + j 212.25 se aproxima a la impedancia de entrada de los chips listados en la tabla 2.6.1. Por otra parte respecto al patrón de radiación las figuras siguientes nos muestran la cobertura de la antena en 3D.

Figura 3.1.6. Patrón de Radiación 3D Plano Vertical y Plano Horizontal respectivamente. Antena 1.

Figura 3.1.7. Patrón de Radiación arreglo propuesto. Antena 1.

Es posible observar de la figura 3.1.7, que el patrón de radiación es similar al patrón de radiación generado por el dipolo λ /2, y esto, nos permite deducir que el elemento parásito tiene su influencia en la definición de la impedancia. 24

3.2 Propuesta de diseño de Antena 2 Esta propuesta se inicia con el diseño y la construcción del dipolo

mKy una estructura

serpenteada que resulta como elemento reflector yproviene de una matriz de puntos de mayor dimensión que en la Antena 1.

Figura 3.2.1. Antena 2. Dipolo con serpenteado.

Para un mejor acoplamiento y adaptación a las características del circuito integrado (con alta impedancia de entrada) se plantea la utilización de un bucle corto como estructura inductiva en el sentido de obtener un acoplamiento de impedancias mucho mejor.

Figura 3.2.2. Antena 2. Dipolo con serpenteado y bucle.

En esta antena se propone que ahora el elemento serpenteado se instale de forma frontal a la antena de bucle como elemento activo, estableciendo una separación de 0.1 mm entre estos elementos para el efecto de acoplamiento deseado (ver fig. 3.2.3).

Figura 3.2.3. Vista 3D de Antena 2. Dipolo con serpenteado y bucle. 25

De acuerdo al patrón de radiación eléctrico y magnético de la antena diseñada mostrados en las figuras 3.2.4 y 3.2.5 respectivamente se observa el mismo comportamiento de una antena tipo dipolo, esto es, que la forma geométrica del patrón de radiación semeja a la ya famosa forma de "rosquilla".

Fig.3.2.4. Plano vertical (eléctrico).

Fig.3.2.5. Plano horizontal (magnético).

Las figuras siguientes muestran el patrón de radiación en 3D, así como el patrón de radiación del plano vertical.

Fig.3.2.6.Diagrama 3D de Campo Lejano Total.Fig.3.2.7.Patrón de Radiación, P lano Vertical

En la figura siguiente se muestran los parámetros estimados de la antena diseñada. 26

Figura 3.2.8. Parámetros calculados de Antena 2.

El comportamiento las antenas 1 y 2 es eficiente y se ajusta a lo planeado, sin embargo todavía es necesario la simulación de la antena en forma de pista y utilizando una estructura plana, o sea, la placa de sustrato, esto es una limitación del software empleado. Estas limitaciones pueden repercutir notablemente en el desempeño real de la antena, por lo que se ha optado por finalizar la función de este software con esta antena.

3.3 Propuesta de diseño de Antena 3 Para el diseño de las siguientes antenas se ha utilizado el software CST MICROWAVE STUDIO. Este programa se basa en la técnica de integración finita, en la que reformula las ecuaciones de Maxwell en su forma integral, es decir, discretizándolas. Además, este software posee un sistema de aceleración de Hardware que acorta el tiempo para hacer la simulación. Como inicio del manejo del software, la propuesta consiste en la construcciónde un bucle para la banda UHF.En esta propuesta se utilizó sustrato FR4 para la placa con permitividad relativa

n = Yopy cobre para la antena.

La figura 3.3.1 muestra el diseño de la antena propuesta. Los mejores resultados se obtuvieron cuando las dimensiones del bucle fueron de 4x10.9 cm y un espesor de 0.5 mm.

27

Figura 3.3.1. Estructura dela Antena 3. Loop para banda UHF.

El puerto de alimentación para la antena es el triángulo rojo que se muestra en la figura 3.3.1, para este caso se eligió un puerto discreto con una impedancia de 50Ω simulando un conector SMA. El parámetro S11, el cual representa el coeficiente de reflexión del puerto de entrada, nos indica el punto de frecuencia de operación de resonancia, la ganancia de la antena y el ancho de banda. En el anexo se explica con más detalle los parámetros S. En esta antena propuesta es posible observar de acuerdo a la figura 3.3.2, ganancia alta y ancho de banda amplio.

Figura 3.3.2. Parámetro S11 de la Antena 3.

Para la obtención de la frecuencia de resonancia de 915 MHzcomo frecuencia de operación, fue necesario realizar distintas variaciones en las dimensiones y el espesor del bucle. 28

Asimismo, fue posible observar, que al aumentar la cantidad de sustrato, esto hace que se modifique la frecuencia de resonancia, con una tendencia hacia frecuencias bajas. La impedancia de la antena es de aproximadamente 84-5j

Ω

en la frecuencia de

resonancia de 915 MHz. No obstante, todavía se puede modificar la impedancia haciendo variaciones en las longitudes del bucle cuidando de no castigar el valor de la ganancia ni la variación de la frecuancia de resonancia. Las figuras 3.3.3 y 3.3.4 muestran la resistencia y la reactancia de la antena respectivamente.

Figura 3.3.3. Parte Real de la Impedancia (Resistencia).

Figura 3.3.4. Parte Imaginaria de la Impedancia (Reactancia). Antena 3.

En las figuras siguientes se muestran diagramas en campo lejano de la antena en el plano horizontal o magnético y en el plano vertical o eléctrico.

29

Figura 3.3.5. Patrón de Radiación, Plano Horizontal y vertical. Antena 3.

De igual forma, es posible observar que la geometría del patrón de radiación de la antena mostrado en la figura 3.3.6se manifiesta en forma de "rosquilla", similar a la antena dipolo. Los resultados que ofrece esta antena son de beneficio para nuestros objetivos, aunque sus dimensiones son ligeramente mayores.

Figura 3.3.6. Patrón de Radiación en 3D. Antena 3.

3.4 Propuesta de diseño de Antena 4 El diseño de esta antena está basado en un acoplamiento inductivo. Pa esto, se utilizó una antena de bucle y un elemento parásito, de esta forma ajustando sus dimensionesse obtuvo la frecuencia de resonancia apropiada con alta ganancia.

30

Figura 3.4.1. Estructura de la Antena 4. Loop con elemento parásito.

Una característica interesante que se observó en el diseño de esta antena fue que al aumentar el espesor de su elemento reflector, de igual manera aumentaba su ganancia moviendo muy poco la frecuencia de resonancia. Es por tal motivo, que se diseñó con esa forma. Las dimensiones de la estructura son de apenas 9 x 1.7 cm, atributos que le ha concedido la propiedad del espesor del elemento parásito.Respecto a la frecuencia de resonancia, está se aproxima a 1 MHz, aunque su ancho de banda es estrecho, pero tiene la gran ventaja de tener una ganancia conveniente (véase la fig. 3.4.2).


Por otra parte, es en este sentido mejorable, si se agregan al diseño diversas ranuras, que permiten aproximar su frecuencia de operación a la frecuencia de resonancia. Del mismo modo, la impedancia puede ajustarse hacia un valor específico de la impedancia del chip (véase la fig. 3.4.3 y 3.4.4).

31

Figura 3.4.3. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). Antena 4.


La figura siguiente muestra los parámetros de la antena 4 propuesta, así como el patrón de radiación en 3D.

Figura 3.4.5. Patrón de Radiación de Campo Lejano en 3D. Antena 4.

32

3.5 Propuesta de diseño de Antena 5 Para este caso se propone un arreglo de un bucle con un elemento parásito serpenteado sencillo. Sus parámetros son modificados hasta alcanzar una alta ganancia y la frecuencia de resonancia deseada de la antena. La antena derivada se muestra en la figura 3.5.1.

Figura 3.5.1. Estructura dela Antena 5. Arreglo de loop y elemento parásito con serpenteado simple.

Las dimensiones del arreglo de la antena son de 13x1 cm aproximadamente. El bucle ofrecía un mejor desempeño al ser más angosto y largo de 12x0.7 cm, por lo que se concluyó que era necesario agregar un elemento parásito con un serpenteo simple de 2 vueltas. Con esta propuesta se logra una frecuencia de operación óptima para los 915 MHz y un ancho de banda de 85 MHz a -10 dB.

Figura 3.5.2. Parámetro S11 de la Antena 5. 33

Por otra parte, la impedancia de esta antena agradece el arreglo otorgando un rango elástico de 30 a 300 para la parte real y de -2i a -200i para la parte imaginaria, como lo muestran las figuras siguientes.



Se puede buscar acoplar la impedancia de la antena hacia determinado chip sin afectar su resonancia y ganancia. De acuerdo con lo observado, para modificar la parte imaginaria se puede variar la separación entre el serpenteo o la distancia entre el bucle y el dipolo; mientras que para mover la parte real, se necesitan modificar las dimensiones del bucle, que en este caso solo se puede cambiar la altura para no afectar drásticamente la resonancia. El patrón de radiación de esta antena tiene la figura de "rosquilla", al igual que la antena de la propuesta 4, tal como lo muestra la figura 3.5.5. 34


3.6 Propuesta de diseño de Antena 6 De lo observado de las propuestas anteriores se deduce queel aumento en el espesor del elemento reflector en la antena 4 incrementó la ganancia yel serpenteado ha beneficiado el ajustede la impedancia en la antena 5. Así entonces, basado en las experiencias anteriores, y la propuesta en esta antena es realizar un diseño derivado de esas peculiaridades para que se mejores beneficios de diseño. Por lo tanto, finalmente la estructura propuesta se conformo por un bucle alargado, y un elemento parásito serpenteado de 3 vueltas.

Figura 3.6.1. Estructura de la Antena 6. Loop alargado con elemento parásito serpenteado.

La antena diseñada tiene las dimensiones aproximadas de 21 x 1.4 cm. Esto nos permitiría tener una un poco más larga que las demás, ideal para adherirse a un libro. 35

Los parámetros S11 nos indican que la antena tiene una frecuencia de resonancia a 918 MHz y un ancho de banda de 907 a 932 MHza -10 dB de 32 MHz, tal como se muestra en la figura 3.6.2.


Respecto a la impedancia de la antena que se muestra en las figuras 3.6.3 y 3.6.4, es posible observar que es de aproximadamente 50+90j Ω, de aquí, si observamos la tabla de la figura 2.6.1 es posible utilizar la antena con el chip MM9647 NSC con impedancia de 73–j113 Ω.


Figura 3.6.4. Parte Real de la Impedancia (Resistencia). Antena 6. 36

De igual forma, el patrón de radiación y sus demás parámetros se muestran en la figura 3.6.5.


3.7 Propuesta de diseño de Antena 7 Este diseño representa la experiencia de las anteriores y la estructura ha resultado muy beneficiada. Se obtuvo una antena de aproximadamente 9 x 2 cm, que cumple perfectamente con los requerimientos para una etiqueta pasiva RFID. La estructura se muestra en la figura 3.7.1.

Figura 3.7.1. Estructura de la Antena 7. Loop alargado con elemento parásito serpenteado y un segundo elemento con espesor regulado.

El proceso de diseño de esta antena inicio con la construcción del elemento parásito, con un serpenteado simple de 4 vueltas. El valor de la ganancia que registraba era muy baja pero se encontraba sintonizada de buena manera para 915 MHz. Posteriormente se 37

emprendió a realizar variaciones en el diseño del serpenteado, obligando a alargar la altura de 2 vueltas del serpenteado, y añadiendo un tramo de serpenteado extra en la parte posterior hasta donde inicia el serpenteado, ya que si se prolongaba más afectaba en gran medida a la frecuenciade resonancia de la antena. Por último, la ganancia había sido incrementada favorablemente, no obstante, la experiencia había enseñado que otro elemento parásito podía servir para aumentar la frecuenciade resonancia al valor deseado, por lo que se decidió agregar un segundo elemento parásito con un espesor más grueso. Los resultados, después de una apropiada entonación, fueron beneficiosos hacia los parámetros de diseño. En la figura 3.7.2 se muestran su frecuencia de resonancia a 915 MHZ y el ancho de banda de la antena de 17 MHz aproximadamente, con un rango de 905 a 922 MHZ.


Las gráficas de las figuras 3.7.3 y 3.7.4 indican que la resistencia se encuentra estable con un decrecimiento menor en función de la frecuencia, mientras que la reactancia va aumentando en mayor proporción.


38


Por la gran cantidad de parámetros que se integraron a esta antena, resulta más complicado realizar una correcta entonación a cierta impedancia conjugada del chip sin castigar duramente a la ganancia, el ancho de banda o la frecuencia de resonancia. Se encontró que el parámetro que conseguía un ajuste directo a la impedancia sin lastimar el rendimiento, era la variación en el espesor del bucle. Al disminuir el ancho bucle, se conseguía aumentar medianamente la ganancia, al igual que la reactancia, y a su vez disminuir la resistencia. El proceso se podía desarrollar las veces necesarias hasta encontrar la impedancia buscada. De igual forma, el patrón de radiación de la antena propuesta se muestra en la fig. 3.7.5.


Las bondades de esta antena fueron heredadas por la experiencia en el comportamiento de las antenas previas, para fusionar todos sus beneficios e integrarlos en el diseño de ésta estructura.El serpenteo ubica su frecuencia de resonancia, las alteraciones en la forma del serpenteo aumentan significativamente la ganancia, y la incorporación del segundo elemento parásito con el espesor y la separación asignados incrementan considerablemente su ganancia y ancho de banda. 39

Capítulo 4. Construcción y Mediciones Se construyeron las primeras 2 antenas simuladas, para la construcción se eligieron materiales de fácil acceso y los más convenientes de acuerdo a la aplicación. El primer software de simulación que se utilizó no permitía diseños en estructura de pista debido a la carga computacional, sin embargo proporcionaba una idea de la respuesta de la antena. Para su fabricación, se tuvo que considerar la conversión de cable a estructura de pista encontrada en [15] y que indica que:

T+ = F\oKqGFTG Donde:

(17)

T+ = TSOrSRXVTaXR T = TUVsrSRQOtWT

Figura 3.7.6. Equivalencia de cable a pista

La ecuación (10) hace la equivalencia del radio de un cable al ancho de una pista cuando el grosor tiende a cero. La antena fue dibujada en una placa fenólica para ser un conductor de cobre de 1 mm de grosor (ver Fig. 59); y la separación entre el dipolo y el bucle es un trozo de acetato que sirve cómo dieléctrico de 0.1 mm.

40

Figura 3.7.7. Antena 1 en placa fenólica.

Las mediciones se llevaron a cabo por mediodel Analizador de Redes (Fig. 60) del Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética, el cual nos permitió visualizar el parámetro S11, indicando el comportamiento de la antena en frecuencia, y por consiguiente, su frecuencia de resonancia y ancho de banda.

#armetro +11

;enerador de -F

Antena

Acoplador de impedancias

Figura 3.7.8. Analizador de Redes.

41

Figura 3.7.9. Analizador de redes dentro de la cámara anecóica del Laboratorio de Co mpatibilidad Electromagnética.

Para tener mediciones correctas, se tiene que calibrar usando tres dispositivos de prueba llamados OPEN (red abierta), SHORT (red en corto circuito), y THRU (red conectada con carga de 50 Ω), los cuales deben ser conectados a los puertos del analizador para que éste pueda comparar y establecer la diferencia entre estos tres modos, estos datos son guardados en un registro y cada registro debe ser calibrado independientemente en el momento en que se lleve a cabo una modificación a la red en estudio.

Figura 3.7.10. Proceso de calibración del Analizador de Redes. 42

Para realizar las mediciones a las antenas deben soldarse a un conector SMA con la menor cantidad de estaño posible para no intervenir drásticamente en los resultados previamente simulados.

Figura 3.7.11. Medición de la Antena 1 en el Analizador de Redes.

Figura 3.7.12. Parámetro S11 de la Antena 1 en el Analizador de Redes.

Cabe destacar, que mientras más se reducía la distancia de separación entre bucley elemento parásito, de igual forma, la

frecuencia de resonancia se movía hacia

frecuencias más bajas y la ganancia aumentaba ligeramente, por lo que ésta distancia de separación es un factor importante de diseño.

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Para la segunda antena, se tomaron más consideraciones y por tal motivo en su diseño se estableció una estructura donde el conector no influyera en demasía, además se construyó en sustrato FR4 con pistas de cobre.

Figura 3.7.13. Medición de la Antena 2 en el Analizador de Redes.

La antena 2 presentó un comportamiento singular, se extendían varios picos de resonancia en diversas frecuencias, ubicando a los 915 MHz en el segundo pico y con aproximadamente -9 dB. Se puede observar que esta antena tiene propiedades más favorables a nuestros objetivos, sin embargo las ambiciones que se persiguen son aún mayores.

Figura 3.7.14. Parámetro S11 de la Antena 2 en el Analizador de Redes. 44

Cabe destacar que estas antenas fueron producto de las primeras etapas de diseño y pesar de eso, su desempeño es destacado. Por lo tanto, se puede afirmar que las antenas posteriores se desempeñarán todavía de mejor manera. Para un trabajo futuro, el desarrollo se enfocará en la antena 7, que fue el mejor diseño propuesto, sin embargo para su construcción se tendrá que aplicar una técnica más precisa debido a que las separaciones entre algunos de sus elementos es del orden de 0.1 mm, por lo que se recomienda hacer uso de la técnica de Photoresist.

Figura 3.7.15. Medición de antena en la cámara anecóica.

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Conclusiones La variación óptima en las dimensiones del serpenteo del dipolo logró una reducción considerable en el tamaño de las antenas diseñadaspreservando la mayoría de las propiedades que posee el dipolo simple. El serpenteado consiste en doblar los elementos produciendo una configuración de cables con reactancias tanto capacitivas como inductivas que mutuamente se pueden arreglar. El serpenteado ocasiona que la frecuencia de resonancia resulte a una frecuencia mucho menor que las antenas rectas a expensas de tener un ancho de banda reducido y un valor bajo de ganancia, efecto que pudimos constatar en la simulación de las primeras antenas. Para la mayoría de los diseños se ocupó un acoplamiento inductivo quepermitió ajustar la impedancia de la antena por medio de variaciones precisas en las dimensiones de cada elemento sin castigar el valor de la ganancia y la frecuencia de resonancia. La adecuada entonación utilizadaen cada antena hacia la impedancia conjugada de cierto Chip conseguirá la mayor transferencia de energía entre la antena y el Chip, y en consecuencia, repercutirá directamente en la eficiencia del sistema. Los resultados producidos por el incremento en el espesor del elemento parásitode la antena 4 oriento a sugerir este método como una alternativa viable para obtener un crecimiento en la ganancia y ancho de banda preservando la frecuencia de resonancia con la separación entre los elementos. La antena 7 fue la que tuvo los mejores resultados, la complejidad de su diseño fue la evolución de las antenas previas para culminar en una fusión de estructuras peculiares que heredan las bondades de cada propuesta.La antena cumple perfectamente los requerimientos para una etiqueta pasiva RFID, además de ofrecer un ancho de banda favorable, una frecuencia de resonancia muy precisa yde alta ganancia. De igual forma, las cualidades de su estructura conceden un rango elástico en su impedancia consiguiendo que se acople fácilmente a diversas impedancias de Chips comerciales. Por otro lado, los resultados obtenidos en las mediciones pueden ser mejorados, ya que influye la baja calidad del material de la placay la fabricación artesanal de la antena. Así mismo, como parte del proceso de investigación, se inició empleando un software de simulación básico para los primeros experimentos, y por lo tanto limitadopara eldiseño, 46

sólo proporcionaba una idea del comportamiento de la antena, pero no permitía crear antenas en forma de pista o integrar estructuras a la antena como la placa de sustrato. Las antenas que se probaron físicamente fueron simuladas en dicho software y tuvieron que pagar las restricciones de su simulación con los desperfectos en los resultados reales. El análisis de la antena en un software de simulación basado en métodos numéricos garantiza que el comportamiento de la antena en un ambiente real será más cercano al que sea calculado. Las experiencias en las mediciones de las antenas 1 y 2 nos llevaron a la necesidad de requerir otra herramienta de simulación más exacta, por tal motivo en las antenas posteriores se utiliza el CST Microwave Studio, que asegura que nuestros diseños serán más precisos en la realidad.

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Dise No Antena

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