aplicació de la tecnologia uwb per aplicacions chipless...

Aplicació de la tecnologia UWB per aplicacions Chipless RFID

TITULACIÓ: Enginyer Tècnic en Telecomunicacions especialitat Telemàtica

AUTOR: Eduard Olivé Bigorra DIRECTOR: Antonio Lázaro Guillén

DATA: Febrer de 2011

Índex

2

Índex

1. Objectius 3

2. Introducció 4

3. Tecnologia RFID UWB amb tags passius 23

4. Estudi d’antenes a utilitzar 28

5. Estudi de línies de retard per implementació de tags UWB 32

6. Resultats experimentals amb tags creats 50

7. Disseny d’antenes més adients 56

8. Mesures de prototips de sistemes RFID UWB amb tags sense

Xip en el domini temporal 73

9. Conclusions 83

Referències 84

Objectius

3

1 Objectius

1.1 Objectius del projecte

L’objectiu principal d’aquest projecte es estudiar el comportament i funcionament dels tags RFID passius utilitzant tecnologia de radiofreqüència UWB. Aquests objectius es poden desglossar en els següents subobjectius:

Estudiar cada tecnologia per separat, RFID, UWB, tags passius, saber que es cada cosa, el seu funcionament, característiques, avantatges i desavantatges, el seu futur, etc..

Estudiar el comportament conjunt d’aquesta tecnologia, el que vindria a ser els Tags passius RFID UWB, dissenyar-ne diferents models, elegir quin es el que dona millors resultats o problemes.

1.2 Estructura del document

El primer capítol, Objectius, defineix la temàtica del projecte (de que tracta) i a on es vol arribar.

En el segon capítol, Introducció, explico els termes RFID, tags RFID i UWB, el seu significat, les seves característiques, avantatges i desavantatges que puguin tindre, i els motius de l’elecció d’aquestes tecnologies.

En el tercer capítol, Tecnologia RFID UWB amb tags passius, explico els objectius de l’estudi de la tecnologia RFID utilitzant tags passius i el software utilitzat en aquest procés.

El quart capítol, Estudi d’antenes a utilitzar, serveix per a estudiar les dos antenes que utilitzem a l’hora de dissenyar els diferents circuits. Aquestes son (per la seva forma) la pica i l’el·líptica.

En el cinquè capítol, Estudi de línies de retard per implementació de tags uwb, tractem els diferents mètodes de codificació de bits en els circuits mitjançant salts d’impedància (diferencia entre trams de línia), o amb stubs capacitius (assimilen el funcionament d’un condensador). També podem veure els resultats obtinguts.

El sisè capítol, Resultats experimentals amb tags creats, es tracta de resultats extrets de tags creats i mesurats al laboratori.

Per acabar l’estudi de tags RFID UWB ens queda el setè capítol, Disseny d’antenes més adients, en el qual estudiem nous dissenys d’antenes degut als problemes que s’han trobat amb les antenes estudiades en un apartat anterior, antenes més ben adaptades als circuits estudiats.

Finalment s’inclouen les Referències utilitzades.

Introducció

4

2 Introducció

2.1 RFID

2.1.1 Que significa RFID

Les sigles “RFID” (figura 1) venen donades per “Radio Frequency IDentification” (en català és “Identificació per Radiofreqüència”).

Figura 1. Logotips RFID a alemanya

2.1.2 Que es l’RFID

Es un sistema de emmagatzematge i recuperació de dades remotes que utilitza dispositius anomenats etiquetes, targetes, transponedors o tags RFID. El propòsit fonamental de la tecnologia RFID es transmetre la identitat d’un objecte (similar a un número de sèrie únic) mitjançant ones de radio. Les tecnologies RFID s’agrupen dins de les anomenades “Auto ID” (“ Automatic IDentification”, o Identificació Automàtica).

2.1.3 Antecedents

En l'actualitat, la tecnologia més estesa per a la identificació d'objectes és la dels codis de barres. No obstant això, aquests presenten alguns desavantatges, com l'escassa quantitat de dades que poden emmagatzemar i la impossibilitat de ser reprogramats. La millora ideada va constituir l'origen de la tecnologia RFID, consistia en fer servir xips de silici que poguessin transferir les dades que emmagatzemaven els lectors sense contacte físic, de manera equivalent als lectors d'infrarojos utilitzats per a llegir els codis de barres (figura 2).

Figura 2. Etiqueta de codi de barres

Introducció

5

2.1.4 Com funciona la tecnologia RFID

Per a que la tecnologia RFID funcioni son necessaris tres elements basics: una etiqueta electrònica o tag (figura 3), un lector de tags i una base de dades. Les etiquetes electròniques porten un microxip incorporat que emmagatzema el codi únic identificatiu del producte al que estan adherides. El lector envia una sèrie d’ones de radiofreqüència al tag, que aquest capta mitjançant una petita antena. Aquestes ones activen el microxip, que, mitjançant la microantena i la radiofreqüència transmet al lector quin es el codi únic de l’article. En definitiva, un equip lector envia una senyal d’interrogació a un conjunt de productes i aquests responen enviant cada un el seu numero únic d’identificació. Per aquest motiu, es diu que la tecnologia RFID és una tecnologia d’auto-identificació.

Figura 3. Exemple d'una etiqueta Rfid

Una vegada el lector ha rebut el codi únic del producte, es transmet a una base de dades, a on s’ha emmagatzemat prèviament les característiques de l’article en qüestió: data de la caducitat, material, pes, dimensions... D’aquest mode es fa possible consultar l’ identitat d’un producte en qualsevol moment i fàcilment durant tota la cadena de subministrament.

A continuació (figura 4) podem veure un petit exemple gràfic:

Figura 4. Esquema del funcionament general d'un sistema RFID

Introducció

6

Passos:

El lector envia una senyal d’interrogació al RFID.

L’RFID utilitza l’energia d’aquesta senyal per a funcionar, i la seva freqüència com a rellotge.

L’RFID llegeix les dades que envia el lector, en el cas de que existeixin.

L’RFID contesta amb la seva pròpia informació.

Un protocol anticol·lisió permet gestionar la resposta simultània de múltiples RFID.

La informació rebuda s’integra amb la resta de sistemes d’informació.

2.1.5 Arquitectura RFID

El mode de funcionament dels sistemes RFID es simple. Les etiquetes RFID, que conté les dades d’identificació de l’objecte al que es troba adherit, genera una senyal de radiofreqüència amb aquestes dades. Aquesta senyal pot ser captada per un lector RFID, aquest s’encarrega de llegir la informació i passar-la a un format digital a l’aplicació específica que utilitza RFID.

Un sistema RFID consta dels següents tres components:

Etiqueta RFID o Transponedor (figura 5): composta per una antena, un transductor radio i un material encapsulat o xip. El propòsit de l’antena es permetre al xip, el qual conté la informació, transmetre la informació d’identificació de l’etiqueta. Existeixen diferents tipus d’etiquetes. El xip posseeix una memòria interna amb una capacitat que depèn del model i pot variar d’una desena a uns milers de bytes. Existeixen diferents tipus de memòries:

Figura 5. Etiqueta RFID

De lectura: el codi d’identificació que conté es únic i és personalitzat durant la fabricació de l’etiqueta.

De lectura i escriptura: la informació d’identificació pot ser modificada pel lector.

D’anticol·lisió: es tracta d’etiquetes especials que permeten que un lector n’identifiqui diferents al mateix temps (habitualment les etiquetes han d’entrar una a una, a la zona de cobertura del lector).

Lector RFID o Transceptor (figura 6): compost per una antena, un transceptor i un descodificador. El lector envia periòdicament senyals per a veure si hi ha alguna etiqueta en les seves immediacions. Quan capta una senyal d’una etiqueta (la qual conté la

Introducció

7

informació d’identificació d’aquesta), extreu la informació i l’envia al subsistema de processament de dades.

Figura 6. Lector RFID en banda UHF

Subsistema de processament de dades o Middleware RFID (figura 7): proporciona els medis de procés i emmagatzematge de dades necessaris.

Figura 7. Subsistema de processament de dades

2.1.6 Classificació

Els sistemes RFID es classifiquen depenent del rang de freqüències (figura 8) que utilitzen. Hi ha quatre tipus de sistemes [11]:

De Freqüència Baixa (entre 125 o 134,2 KHz).

De Freqüència Alta (13,56 MHz).

De Freqüència Ultraelevada o UHF (868-956 MHz, tot i que no tota la banda a tos els països).

De Microones (2,4 GHz).

Figura 8. Rang de freqüències RFID aprovades

En funció de la banda de freqüència la transmissió de senyal es realitza per acoblament inductiu (baixa freqüència i mitja freqüència) i per tant de curt abast, i per radiació (banda

Introducció

8

UHF i microones) i per tant de mitja o gran abast. Tot que exceptuant les aplicacions de seguritat, pagaments , etc i d’identificació d’animals, la resta d’aplicacions es requereixen un abats dins poc metres en el cas de tags passius, per tant es prefereixen els tags en bandes UHF. Aquests últims tenen el problema que no poden ser utilitzats en tot el món perquè no existeixen regulacions globals per al seu ús. Només es poden utilitzar part de la banda UHF, depenent del país, ja que sovint comparteixen la banda amb altres sistemes de telefonia mòbil.

2.1.7 Estandardització

Els estàndards RFID aborden quatre àrees fonamentals:

Protocol a la interfície aèria: especifica la manera en què les etiquetes RFID i els lectors es comuniquen mitjançant radiofreqüència.

Contingut de les dades: especifica el format i semàntica de les dades que es comuniquen entre etiquetes i lectors.

Certificació: proves que els productes han de complir per garantir que compleixen els estàndards i poden operar amb altres dispositius de diferents fabricants.

Aplicacions: usos dels sistemes RFID.

Com en altres àrees tecnològiques, l'estandardització en el camp de l’RFID es caracteritza per l'existència de diversos grups d'especificacions competidores. D'una banda està ISO, i per altra Auto-ID Centre (coneguda des d'octubre de 2003 com EPCGlobal, d'EPC, Electronic Product Code). Les dos comparteixen l'objectiu d'aconseguir etiquetes de baix cost que operin en UHF.

Els estàndards EPC (figura 9) per etiquetes són de dues classes:

Classe 1: etiqueta simple, passiva, de només lectura amb una memòria no volàtil programable una sola vegada.

Classe 2: etiqueta de només lectura que es programa en el moment de fabricació del xip (no reprogramable posteriorment).

Figura 9. Logotip EPCglobal

Les classes no són interoperables i són incompatibles amb els estàndards ISO. Encara que EPCGlobal està desenvolupant una nova generació d'estàndards EPC (anomenada Gen2), amb l'objectiu d'aconseguir interoperabilitat amb els estàndards ISO, encara s’està en discussió sobre l'AFI (Application Family Identifier) de 8 bits.

Per la seva banda, ISO (figura 10) ha desenvolupat estàndards RFID per a la identificació automàtica i la gestió d'objectes. Hi ha diversos estàndards relacionats, com ISO 10536,

Introducció

9

ISO 14443 i ISO 15693, però la sèrie d'estàndards estrictament relacionada amb l’RFID i les freqüències emprades en aquests sistemes és la sèrie 18000.

Figura 10. Logotip ISO

2.1.8 Regulació de les freqüències

No hi ha cap corporació pública global que governi les freqüències usades per RFID. En principi, cada país pot fixar les seves pròpies regles.

Les principals corporacions que governen l'assignació de les freqüències RFID són:

EUA: FCC (Federal Communications Commission).

Canadà: DOC (Departament de la Comunicació).

Europa: ERO, CEPT, ETSI i administracions nacionals. Observeu que les administracions nacionals han de ratificar l'ús d'una freqüència específica abans que pugui ser utilitzada en aquest país.

Japó: MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affairs, Post and Telecommunication).

Xina: Ministeri de la Indústria d'Informació.

Austràlia: Autoritat Australiana de la Comunicació (Australian Communication Authority).

Nova Zelanda: Ministeri de desenvolupament econòmic de Nova Zelanda (New Zealand Ministry of Economic Development.

Argentina: CNC (Comissió Nacional de Comunicacions).

Xile: Ministeri de Transports i Telecomunicacions.

Les etiquetes RFID de baixa freqüència (LF: 125-134 kHz i 140 - 148.5 kHz) i d'alta freqüència (HF: 13.56 MHz) es poden utilitzar de forma global sense necessitat de llicència.

La freqüència ultra alta (UHF: 868-928 MHz) no pot ser utilitzada de forma global, ja que no hi ha un únic estàndard global. A Amèrica del Nord, la freqüència ultra alta es pot utilitzar sense llicència per a freqüències entre 908-928 MHz, però hi ha restriccions en l'energia de transmissió. A Europa la freqüència ultra alta està sota consideració per 865.6 - 867.6 MHz El seu ús és sense llicència només per al rang de 869.40 - 869.65 MHz, però hi ha restriccions en l'energia de transmissió. L'estàndard UHF nord-americà (908-928 MHz) no és acceptat a França i Itàlia ja que interfereix amb les seves bandes militars. A la Xina i el Japó no hi ha regulació per a l'ús de la freqüència ultra alta. Cada aplicació de freqüència

Introducció

10

ultra alta en aquests països necessita d'una llicència, que ha de ser demanada a les autoritats locals, i pot ser revocada. A Austràlia i Nova Zelanda, el rang és de 918-926 MHz per a ús sense llicència, però hi ha restriccions en l'energia de transmissió.

Existeixen regulacions addicionals relacionades amb la salut i condicions ambientals. Per exemple, a Europa, la regulació Waste Electrical and Electronic Equipment ("Equips elèctrics i electrònics inútils"), no permet que es rebutgin les etiquetes RFID. Això significa que les etiquetes RFID que estiguin en caixes de cartró han de ser tretes abans de desfer-se'n.

2.1.9 Beneficis i avantatges

Combinació de diferents tecnologies, l’RFID i Internet.

Identificació del proveïdor i localització més immediata d'articles en la cadena de subministrament, automàtic i precís, de qualsevol companyia, en qualsevol sector i en qualsevol part del món.

Lectures més ràpides i més precises (eliminant la necessitat de tenir una línia de visió directa).

Nivells més baixos en l'inventari.

Millora el flux de caixa i la reducció potencial de les despeses generals.

Reducció de trencaments d'estoc.

Capacitat d'informar al personal o als encarregats de quan s'han de reposar les prestatgeries o quan un article s'ha posat en el lloc equivocat.

Disminució de la pèrdua desconeguda.

Ajuda a conèixer exactament quins elements han estat sostrets i, si cal, on localitzar-los.

Integrant-lo amb múltiples tecnologies (vídeo, sistemes de localització, etc...) amb lectors de RFID en prestatgeries ajuda a prevenir els robatoris a la botiga.

Millor utilització dels actius.

Seguiment dels seus actius reutilitzables (empaquetaments, embalatges, carretons) d'una manera més precisa.

Lluitar contra la falsificació (això és primordial per a l'administració i les indústries farmacèutiques).

Retirada del mercat de productes concrets.

Reducció de costos i en el dany a la marca (avaries o pèrdua de vendes).

Introducció

11

2.1.10 Avantatge de la tecnologia RFID sobre el codi de barres

RFID CODI DE BARRES

No es necessari apuntar a l’etiqueta per a la seva lectura.

Se necessita tenir visible el Codi de Barres.

Lectura de múltiples etiquetes simultànies. Lectura de les etiquetes d’una a una.

Es llegeix la informació de les etiquetes en qualsevol condició.

Indispensable que l’etiqueta no estigui trencada o bruta.

La intervenció de l’operador es mínima. La intervenció de l’operador es necessària.

Les etiquetes es poden gravar variïs cops S’utilitzen per una única vegada.

Taula 1. Avantatges de la tecnologia RFID sobre el codi de barres

2.1.11 Ús actual

Depenent de les freqüències utilitzades en els sistemes RFID, el cost, l'abast i les aplicacions són diferents.

Els sistemes que utilitzen freqüències baixes tenen igualment costos baixos, però també baixa distància d'ús. Els que utilitzen freqüències més altes proporcionen distàncies majors de lectura i velocitats de lectura més ràpides.

Les de baixa freqüència s'utilitzen comunament per a la identificació d'animals, seguiment de bótes de cervesa, o com a clau d'automòbils amb sistema antirobatori. De vegades s'insereixen en petits xips en mascotes, perquè puguin ser retornades al seu amo en cas de pèrdua. Als Estats Units s'utilitzen dos freqüències per RFID: 125 kHz (l'estàndard original) i 134,5 kHz (l'estàndard internacional).

Les etiquetes RFID d'alta freqüència s'utilitzen en biblioteques i seguiment de llibres, seguiment de palets, control d'accés a edificis, seguiment d'equipatge en aerolínies, seguiment d'articles de roba i últimament en pacients de centres hospitalaris per fer un seguiment de la seva història clínica. Un ús estès de les etiquetes d'alta freqüència com a identificació d'acreditacions, substituint a les anteriors targetes de banda magnètica. Només cal apropar aquestes insígnies a un lector per autenticar al portador.

Les etiquetes RFID de UHF s'utilitzen comunament de forma comercial en seguiment de palet i envasos, i seguiment de camions i remolcs en enviaments o en sistemes de distribució d'uniformitat en Hospitals HF (Astúries - Espanya) o fins i tot a la roba plana, sempre i quan el tag sigui encapsulat en resina Epoxi, per a major resistència al procés de calandratge i peça d'extracció d'aigua.

Les etiquetes RFID de microones (figura 11) s'utilitzen en el control d'accés en vehicles de gamma alta.

Introducció

Textil i Sanitari

En l'actualitat els costos del 0,50-0,55 €. Els més resistents estan encapsulats en resina Epoximés són els adequats per als sistemes de distribució automàtica de peces (armaris, taquilles o sistemes de penjadors).

Figura

Logística

Actualment, l'aplicació més important permetria tenir localitzat qualsevol producte dins de la cadena de Tagging1 (figura 14). Pel que fa a la traçabilitat, les etiquetes podrien tenir una gran aplicació ja que aquestes poden gravarproducte va estar emmagatzemat, en quins llocs, etc. D'aquesta manera es poden aconseguir importants optimitzacions en el maneig dels productes a les cadenes de proveïment tenint com a base el mateix producte, i independitzant pràcticament del sistema d'informació.

12

Figura 11. Etiqueta RFID microones utilitzat per la recaptació amb peatge electrònic

En l'actualitat els costos del RFID tèxtil s'han reduït ostensiblement arribant a estar prop de €. Els més resistents estan encapsulats en resina Epoxi (figures 12 i 13)

ats per als sistemes de distribució automàtica de peces (armaris, taquilles

Figura 12. Xip per a tèxtil. Resistent a qualsevol procés de rentat

Figura 13. Xip RFID HF. Encapsulat per a un ús en el sector tèxtil

t, l'aplicació més important RFID és la logística. L'ús d'aquesta tecnologia permetria tenir localitzat qualsevol producte dins de la cadena de subministrament

Pel que fa a la traçabilitat, les etiquetes podrien tenir una gran aplicació ja que aquestes poden gravar-se, amb el que es podria conèixer el temps que el producte va estar emmagatzemat, en quins llocs, etc. D'aquesta manera es poden

s optimitzacions en el maneig dels productes a les cadenes de proveïment tenint com a base el mateix producte, i independitzant pràcticament del sistema

tèxtil s'han reduït ostensiblement arribant a estar prop de (figures 12 i 13), que a

ats per als sistemes de distribució automàtica de peces (armaris, taquilles

és la logística. L'ús d'aquesta tecnologia subministrament, com el

Pel que fa a la traçabilitat, les etiquetes podrien tenir una gran se, amb el que es podria conèixer el temps que el

producte va estar emmagatzemat, en quins llocs, etc. D'aquesta manera es poden s optimitzacions en el maneig dels productes a les cadenes de

proveïment tenint com a base el mateix producte, i independitzant pràcticament del sistema

Introducció

13

Figura 14. Sistema Tagging en una cadena de muntatge

Implants humans

Els xips RFID que es poden implantar, dissenyats originalment per a l'etiquetatge d'animals s’estan utilitzant i s'està contemplant també per als éssers humans. Applied Digital Solutions proposa el seu xip (figures 15 i 16) "unique under-the-skin format" (format únic sota la pell) com la solució a la usurpació de la identitat, l'accés segur a un edifici, l'accés a un ordinador, l'emmagatzematge d'expedients mèdics, iniciatives anti-segrest hi ha una varietat d'aplicacions.

Figura 15. Mà esquerra amb la situació planejada del xip RFID

Figura 16. La mà desprès de l'operació d'inserció de l'etiqueta

1 El Tagging de productes, caixes i palets significa tant la forma d’aplicar el tag o etiqueta RFID en els processos o sistemes productius, com la codificació de l’anomenat tag amb la informació adequada.

Introducció

14

2.2 Tags RFID

2.2.1 Que és un tag o etiqueta RFID

Les etiquetes RFID son la forma més habitual d’empaquetar els tags RFID. Segons diferents consultories líders en noves tecnologies més del 95% dels tags RFID viatjaran amb etiquetes en els pròxims anys, el que significa que es de molta importància la qualitat de la resposta que una etiqueta amb xip pugui respondre a la interacció de les ones electromagnètiques emeses per una antena RFID.

Les etiquetes RFID (figura 17) no deixen de ser tags RFID però amb unes connotacions molt importants com la seva flexibilitat, el seu grossor, la capacitat de poder ser impreses amb codi humanament llegible a la cara frontal i les capacitats de memòria depenen del xip que porti incorporat.

Figura 17. Exemple d’una etiqueta RFID

Les etiquetes RFID (Targetes, Tags RFID o Transponedors) son uns dispositius petits, similars a una enganxina, que poden ser adherides o incorporades a un producte, un animal o una persona. Contenen antenes per a permetre rebre i contestar a peticions per radiofreqüència des d’un emissor-receptor RFID. Els tags o etiquetes passives (figura 18) no necessiten d’alimentació elèctrica interna, en canvi les actives (figura 19) si que ho necessiten. Una de les avantatges de l’ús de radiofreqüència (en lloc de, per exemple, infrarojos) es que no es necessita tenir una visió directa entre l’emissor i el receptor.

Exemples de Tags

Figura 18. Exemples de Tags Passius

Introducció

15

Figura 19. Exemples de Tags Actius

2.2.2 Les capes de l’etiqueta RFID

Les etiquetes RFID passives més habituals o de consum massiu es composen de les següents capes (figura 20):

El paper frontal: Es el paper a on s’imprimeix l’informació i fa de protecció del xip. L’ impressió es pot realitzar igualment en l’impremta com en màquines impressores d’etiquetes i que a la vegada poden gravar informació al xip.

L’adhesiu: Uneix el tag amb el paper. Normalment es el mateix adhesiu que ja ve directament del fabricant del paper.

El xip RFID: A on està miniaturitzat el circuit, s’emmagatzema l’informació en una memòria volàtil i que es capaç d’alimentar-se de l’energia que prové d’una ona electromagnètica.

Els Bumps del xip RFID: Son els suports del xip i que normalment estan fabricats amb or. Han de tenir una gran resistència a la pressió i una gran conductivitat.

L’antena impresa: És la capa de material conductiu capaç de captar les ones electromagnètiques a unes freqüències determinades i transformar l’energia de l’ona en corrent elèctrica per alimentar el xip.

Capa dielèctrica: D’unes 50 micres de grossor, normalment de PET o paper i que serveix per donar consistència a l’antena i a l’unió de l’antena amb el xip.

L’adhesiu per a fixar el xip: Ha de ser conductiu i es la clau per a un bon contacte entre el xip i l’antena impresa.

L’adhesiu final: Per fixar l’etiqueta a un destí. Té les mateixes característiques que els adhesius dels papers comercials.

Figura 20. Capes d’una etiqueta RFID

Introducció

16

Tot el conglomerat de capes exposades anteriorment ve sobre un paper siliconat que permet dispensar cada una de les etiquetes a discreció o amb maquines d’aplicació automàtica.

Existeixen altres composicions de capes per etiquetes RFID i depenen de si els inlays (incrustacions) inserits venen com un component anomenat strap. No obstant, la seva composició es molt similar i les seves implicacions en el comportament una vegada aplicades no tenen rellevància per l’usuari.

2.2.3 Tipus de Tags

Els tags RFID poden ser actius, semipassius (també coneguts com semiactius o assistits per bateria) o passius.

La gran majoria de les etiquetes RFID son passives, que son molt més barates de fabricar i no necessiten bateria.

Tags passius

Els tags passius no posseeixen cap tipus d’alimentació. La senyal que els hi arriba dels lectors indueix una corrent elèctrica mínima que es suficient per a que el circuit integrat del tag operi, per a generar i transmetre una resposta. La majoria de Tags passius utilitzen backscatter (reflexió d’ones, partícules o senyals de volta a la direcció d’on provenen) sobre la portadora rebuda. Això es, l’antena ha d’estar dissenyada per a obtenir l’energia necessària per a funcionar a la vegada que per a transmetre la resposta per Backscatter. Aquesta resposta pot ser qualsevol tipus d’informació, no sols un codi identificador.

Els tags passius solen tenir distancies d’us pràctic compreses entre els 10 cm i arribant fins a uns pocs metros, segons la freqüència de funcionament, el disseny i les dimensions de l’antena.

Per la seva senzillesa conceptual es poden obtenir per mitjà d’un procés d’impressió de les antenes. Gracies a que no depenen d’una autonomia energètica els dispositius poden ser molt petits: per exemple, poden estar en una enganxina o davall de la pell (tags de baixa freqüència).

Tags actius

Els actius posseeixen la seva pròpia font autònoma d’energia, que utilitzen per donar tensió als seus circuits integrats i propagar la seva senyal al lector. Aquests tags son molt més fiables (ja que tenen menys errors) que els passius, això es degut a la seva capacitat d’establir sessions amb el lector. Gracies a la seva font d’energia son capaços de transmetre senyals més potents que les dels tags passius, lo que els porta a ser més eficients a entorns complicats per la radiofreqüència com podria ser l’aigua. També son efectius a distancies majors podent generar respostes clares a partir de recepcions febles. Pel contrari, solen ser majors, més cars i la seva vida útil en general és molt més curta.

Molts tags actius tenen rangs efectius de centenars de metres i una vida útil de les seves bateries de fins a 10 anys. Alguns d’ells integren sensors de registre de temperatura i altres variables que poden fer servir per monitoritzar entorns d’alimentació o productes farmacèutics.

Introducció

17

Tags semipassius

Els tags semipassius posseeixen una font d’alimentació pròpia, tot i que en aquest cas s’utilitza principalment per alimentar el microxip i no per transmetre una senyal. L’energia continguda en la radiofreqüència es reflexa cap al lector com en un tag passiu. Un ús alternatiu per la bateria es guardar informació propagada des del lector per a emetre una resposta en el futur, típicament utilitzant backscatter. Els tags sense bateria poden respondre reflectint energia de la portadora del lector.

La bateria poden permetre al circuit integrat de l’etiqueta estar constantment alimentat i eliminar la necessitat de dissenyar una antena per recollir la potencia d’una senyal entrant. Per això, les antenes poden ser optimitzades per utilitzar mètodes de backscattering. Les etiquetes RFID semipassives responen més ràpidament, per lo que son més fortes en el ràtio de lectura que les passives.

Aquest tipus de tags tenen una fiabilitat comparable a la dels tags actius a la vegada que poden mantenir el rang operatiu d’un tag passiu. També solen durar més que els tags actius.

En el transcurs del projecte estudiarem els tags passius pels motius que podem veure a continuació.

2.3 Tags passius

Els Tags passius no posseeixen alimentació elèctrica. La senyal que els hi arriba dels lectors indueix una corrent elèctrica petita i suficient per a operar el circuit integrat CMOS del Tag, de forma que poden generar i transmetre una resposta. La majoria dels Tags passius utilitzen backscatter sobre la portadora rebuda; es a dir, l’antena ha d’estar dissenyada per a obtindre l’energia necessària per a funcionar a la vegada que transmet la resposta per backscatter, a mes a mes aquesta potencia necessària per a emetre està entre els 10 i 200 µW (figura 21). Aquesta resposta pot ser qualsevol tipus d’informació, no solament un codi identificador. Un Tag pot incloure memòria no volàtil, possiblement escrita (per exemple EEPROM).

Font Electromagnètica Potencia d'emissió Tags passius RFID 10 a 200 µW Telèfon mòbil Inferior a 2 W Emissor RFID 2 W Estació base GSM 10 a 50 W Radio FM 300.000 W

Televisió UHF 5.000.000 W Figura 21. Comparació de la potencia emesa per diferents fonts

Els Tags passius solen tindre distancies d’ús pràctic compreses entre 10 cm (ISO 14443) i arribant fins a uns pocs metres (EPC i ISO 18000-6), tot depèn de la freqüència de funcionament, el disseny i dimensions de l’antena. Per la seva senzillesa conceptual, es poden aconseguir per mitjà d’un procés d’impressió de les antenes. Com que no necessiten d’alimentació els dispositius poden resultar molt petits: poden posar-se en un adhesiu o inserir-lo davall la pell (Tags de baixa freqüència).

Introducció

18

Hi ha Tags fabricats amb semiconductors basats en polímers desenvolupats per companyies de tot el món. El 2005 PolyIC i Philips van presentar Tags senzills en el rang de 13,56 MHz que utilitzaven aquesta tecnologia. Si s'introdueixen en el mercat amb èxit, aquests Tags es podrien produir en una impremta com una revista, amb costos de producció molt menors que els Tags de silici, servint com a alternativa totalment impresa, com els actuals codis de barres. No obstant, per a això cal que superin aspectes tècnics i econòmics, tenint en compte que el silici és una tecnologia que porta dècades gaudint d'inversions de desenvolupament multimilionàries que han resultat en un cost menor que el de la impressió convencional.

A causa de les preocupacions per l'energia i el cost, la resposta d'una etiqueta passiva RFID és necessàriament breu, normalment un número d'identificació (GUID). La manca d'una font d'alimentació pròpia fa que el dispositiu pugui ser bastant petit: hi ha productes disponibles de forma comercial que poden ser inserits sota la pell. A la pràctica, les etiquetes passives tenen distàncies de lectura que varien entre uns 10 mm fins a prop de 6 metres, depenent de la mida de l'antena de l'etiqueta i de la potència i freqüència en què opera el lector. El 2007, el dispositiu disponible comercialment més petit d'aquest tipus mesurava 0,05 mm × 0,05 mm, i més fi que un full de paper, aquests dispositius són pràcticament invisibles.

En el següent punt parlarem sobre l’aplicació de l’UWB als tags passius RFID, que significa, les seves avantatges, perquè s’ha elegit aquesta banda de freqüències, en resum una explicació del terme UWB [3].

2.4 UWB

2.4.1 Que significa UWB

El terme “UWB” que prové de les paraules Ultra-WideBand, ultra-wide-band, ultra-wide band, etc...; en català significa “banda ultra ampla”. Es podria definir, de forma senzilla, com a connexió sense fils de gran capacitat dissenyada per a xarxes personals de curt abast (degut a les limitacions per potencia) [12].

2.4.2 Que es UWB

L’UWB s’utilitza per fer referència a qualsevol tecnologia de radio que utilitza un ample de banda major als 500 MHz o del 25% de la freqüència central, d’acord amb la “FCC” (“Federal Communications Commission”).

Es una tecnologia sense fils de creació relativament recent, que permet la transmissió de dades a altes velocitats amb un baix consum de potencia, el que la converteix en una bona opció per aplicacions que demanen altes taxes de transmissió.

Aquesta tecnologia funciona transmetent un gran numero de polsos estrets de baixa duració a traves d’un espectre de freqüències ampli, el que permet arribar a velocitats de transmissió molt elevades amb comparació d’altres tecnologies. Respectant una màscara d’emissions de densitat de potencia es tracta d’una banda lliure, i que es caracteritza per la possibilitat de compartir l’espectre amb altres sistemes de comunicacions de banda estreta (civils o militars) sense provocar en aquestos interferències importants. Degut a aquestes limitacions en potencia l’abast és limitat.

Introducció

19

2.4.3 Historia de l’UWB

UWB és una tecnologia de radiofreqüència que s’ha anat desenvolupant des de la dècada dels 60, a algunes empreses relacionades amb institucions militars i governamentals nord-americanes.

Figura 22. Logotip UWB

És per això que és una tecnologia molt provada, que s’ha demostrat el seu potencial en moltes aplicacions i en diferents escenaris, alguns dels quals es corresponen amb els requisits que exigeixen les noves generacions de sistemes mòbils de comunicacions personals i entre dispositius.

A més a més, si al principi els equips UWB eren molt cars degut a l’ utilització de components discrets, la situació ha canviat radicalment amb l’aparició dels circuits integrats.

2.4.4 Característiques de l’UWB

UWB difereix substancialment de les freqüències de banda estreta de ràdio (RF) i tecnologies "spread spectrum" (SS), com el Bluetooth i el 802.11. UWB utilitza un gran ample de banda de l'espectre de RF per transmetre informació. Per tant, UWB és capaç de transmetre més informació en menys temps que les tecnologies nombrades anteriorment.

Mentre que Bluetooth, WiFi, telèfons sense fil i altres dispositius de radiofreqüència estan limitades a freqüències sense llicència en els 900 MHz, 2.4 GHz i 5.1 GHz, UWB fa ús d'un espectre de freqüència recentment legalitzat. UWB pot usar freqüències que van des de 3.1 GHz fins 10.6 GHz: una banda de més de 7 GHz d'amplada. Per aplicacions de comunicació, cada canal de ràdio té una amplada de més de 500 MHz, depenent de la seva freqüència central.

El fet d'estar compartint bandes de freqüència amb altres dispositius, ha fet que encara que això els permet tenir una alta productivitat, han d'estar relativament a prop.

2.4.5 Ample de banda UWB

Ultra-wideband (UWB) es una tecnologia de radio que utilitza una gran part de l’espectre però emetent nivells d’energia molt baixos (figura 23) amb el que està principalment destinada per a comunicacions de curt abast. Aquests sistemes de transmissió es caracteritzen per utilitzar un ample de banda major a 500 MHz o un ample de banda relatiu de mes del 20%1. Els sistemes UWB amb una freqüència central fC>2,5 GHz necessiten un ample de banda a -10 dB de almenys 500 MHz, mentre que els que tenen una freqüència central fC<2,5 GHz requeriran un ample de banda relatiu de almenys 0,2. UWB utilitza polsos en banda base, els quals no requereixen processament a freqüència intermitja, de duració extremadament curta, per sota del nanosegon i reparteix l’energia de la senyal al llarg de tot l’ample de banda utilitzat.

Introducció

20

Figura 23. Gràfic de la potencia emesa i ample de banda ocupat

2.4.6 Regulació

S’han decretat normes que regulen l’ús dels dispositius UWB. Als Estats Units aquestes normes han estat establertes per la Federal Communications Commission (FCC), per altra banda a Europa ho ha fet la Comisión Europea (EC). Els dos organismes han definit una mascara de potencia a la que han de respectar tots els dispositius UWB (figures 24 i 25).

Figura 24. Màscara de potencia permesa FCC

1 L’ample de banda relatiu es defineix com a B/fC, a on B = fH - fL denota l’ample de banda a -10 dB i fC = (fH + fL) = 2 la freqüència central amb fH i fL sent les freqüències de tall superior i inferior a -10 dB, respectivament.

Introducció

21

Figura 25. Màscara de potencia permesa EC

2.4.7 Avantatges de l’UWB

Els avantatges que ofereix UWB són el seu baix consum (com a emissor d'ones de ràdio), baix cost (es pot usar tecnologia CMOS per implementar un dispositiu UWB ràdio), alta productivitat, comunicacions a alta velocitat, sistemes de localització de precisió ultra alta, immunitat contra la propagació multi camí, seguretat, millor capacitat per a penetrar obstacles i la simplicitat, el que marca aquesta tecnologia com el futur de les WPAN.

A més, UWB permet reutilització d'espectres. Per exemple, podem tenir una sèrie de dispositius en el nostre saló de casa, comunicant-se amb el nostre ordinador a través d'un canal, i alhora, en una altra habitació, una altra sèrie de dispositius en el mateix canal comunicant-se igualment. WPAN basades en UWB poden fer ús del mateix canal sense interferències, a causa dels rangs tan curts que permet utilitzar UWB.

2.4.8 Aplicacions UWB

L’UWB te moltes aplicacions desenvolupades i per desenvolupar ja que es una tecnologia que encara està en estudi i a la que se li augura un enorme futur, alguns dels camps a on s’aplica aquesta tecnologia son:

• Dissenyat per treballar en entorns WPAN (Wireless Personal Area Network). • Reemplaçament de IEEE 1394 en dispositius multimèdia (càmeres de fotos o vídeo,

reproductors MP3 ,...) amb connectivitat sense fils. • Permet connectivitat WUSB (Wireless Universal Serial Bus) de gran velocitat

(perifèrics d'ordinador, com escàners, impressores i fins i tot dispositius d'emmagatzematge extern).

• Reemplaçament de cables a la següent generació de dispositius Bluetooth, com els mòbils de 3G.

• Creant connectivitat sense fils ad-hoc d'alt ràtio per CE, PC i dispositius mòbils. • L'amplada del senyal (528 MHz o 2736 MHz d'ample de banda) pot utilitzar-se per

a aplicacions de streaming de vídeo.

Introducció

22

2.4.9 Futur de l’UWB

No obstant això, abans que UWB es consolidi com una solució acceptada globalment, hi ha alguns punts que encara queden per resoldre:

• Rendiment (consum, coexistència amb altres dispositius wireless, immunitat a les interferències, robustesa de l'enllaç).

• Interoperabilitat. • Facilitat d'integració i certificació. • Cost de solució global. • QoS (Quality of Service). • Estàndards de contaminació electromagnètica. • Augmentar la distància en la transmissió d'informació.

2.5 Perquè utilitzem tecnologia UWB a l’RFID

Les avantatges que ofereix l’UWB i que ens serveixen per millorar diferents aspectes amb referència a altre tecnologies de transmissió sense fil son:

• Un baix consum. • Un baix cost. • Alta velocitat de transmissió. • Alta productivitat. • Permet reutilització d’espectres.

Tecnologia RFID UWB amb Tags passius (software utilitzat)

23

3 Tecnologia RFID UWB amb Tags passius (software utilitzat)

3.1 Objectius

El propòsit d’aquest projecte es estudiar el comportament dels sistemes RFID UWB amb Tags passius.

En primer lloc estudiarem el comportament de diferents Tags a una excitació. Per a fer-ho utilitzarem l’ADS, un programa que ens permet dissenyar Tags d’una forma molt senzilla i treure’n resultats. A partir d’aquests resultats podrem treure les nostres conclusions.

Un cop finalitzat aquest apartat passarem a crear de forma física diferents Tags i antenes per a fer mesures i estudiar-ne els diferents comportaments.

Finalment intentarem esbrinar si aquesta tecnologia ens serveix per a les funcions desitjades.

3.2 Software utilitzat

A continuació farem una breu descripció dels programes que hem utilitzat per a dur a terme les pràctiques teòriques necessàries.

Amb l’ajut de l’ADS hem creat els circuits o Tags, als quals tot seguit unirem les antenes. També ens ha servit per fer modificacions i fer mesures teòriques dels Tags per estudiar-ne els diferents comportaments (com podrem veure més endavant) abans de construir-los i passar a les probes experimentals.

L’ AutoCad l’utilitzarem per ajuntar els Tags realitzats amb l’ADS amb l’antena corresponent, d’aquesta manera aconseguirem el circuit final per a fer les probes més endavant al laboratori.

3.2.1 ADS

L’ADS (Advanced Design System) es un sistema d’automatització de disseny electrònic de software produït per Agilent EEsof EDA, aquest es una part d’Agilent Technologies (figura 26).

Proporciona un entorn de disseny integrat als dissenyadors de productes electrònics de RF, com els telèfons mòbils, xarxes inalàmbriques, comunicacions per satèl·lit, sistemes de radar i enllaços d’alta velocitat.

Figura 26. Logotip del programa ADS


24

L’ADS t’ajuda en cada pas del procés de disseny (la captura esquemàtica, el disseny, la simulació del circuit en domini de la freqüència i en el domini del temps i la simulació del camp electromagnètic) permet a l’enginyer caracteritzar i optimitzar el disseny de RF sense canviar d’eina.

Parts utilitzades de l’ADS

Figura 27. Icona funció Schematic de l’ADS

Schematic “Esquema” (figura 27): aquesta opció ens mostrarà una finestra (figura 28) en la qual podem veure a la part superior i a la part esquerra les eines de treball de l’editor d’esquemes i a la part central, al full puntejat, l’esquema corresponent, com per exemple:

Figura 28. Exemple de l’esquema d’un Ressonador

Figura 29. Icona funció Data Display de l’ADS

Data Display “Gràfiques” (figura 29): aquesta opció ens mostrarà una finestra (figura 30) en la qual podem veure a la part superior i a la part esquerra les eines de treball de l’editor de gràfiques i a la part central les gràfiques determinades, com per exemple:


25

Figura 30. Exemple de gràfiques creades amb l’ADS

Figura 31. Icona funció Layout de l’ADS

Layout “Disseny” (figura 31): aquesta opció ens mostrarà una finestra (figura 32) en la qual podem veure a la part superior i a la part esquerra les eines de treball de l’editor Layout i a la part central negra la figura del circuit creat amb l’ADS, com per exemple:

Figura 32. Exemple d’un Layout (Disseny) creat amb l’ADS


26

Exemple d’un esquema

La nostra intenció es crear un esquema en forma serpentejant (per aprofitar més l’espai) el qual es connectarà a una antena. Un dels primers esquemes de prova (figura 33) creats va ser aquest que veiem a sota:

Figura 33. Exemple d’un esquema d’un circuit creat amb l’ADS

En aquest esquema es pot veure la forma serpentejant que he comentat anteriorment, aquesta forma es deguda a l’aprofitament de l’espai de la placa en la qual va el Layout, una placa de 5x9cm (figura 34):

Figura 34. Dimensions del Layout

A aquest esquema (figura 34) li correspondria el següent Layout (figura 35):

Figura 35. Exemple d’un Layout d’un circuit creat amb l’ADS

9cm

5cm


27

3.2.2 AutoCad

Autodesk AutoCad (figura 36) es un programa de disseny assistit per ordenador (CAD “Computer Aided Design”; en inglés, Disseny Assistit per Ordenador) per a dibuixos 2D i 3D.

En el que gracies a una sèrie de comandos podem reflectir fidelment i amb un grau d’exactitud molt superior al del sistema tradicional, qualsevol pla, ja sigui en dos i en tres dimensions.

Figura 36. Logotip del programa AutoCad

Degut a que AutoCad treballa amb suport Windows, la seva utilització es molt senzilla.

Estudi de diferents antenes a utilitzar

28

4 Estudi de diferents antenes a utilitzar

En els circuits de l’apartat anterior ens fa falta una part de l’esquema, aquesta part es l’antena i s’ha d’adjuntar al circuit mitjançant l’AutoCad.

Hi ha diferents tipus d’antenes, nosaltres en farem servir dos, una amb forma el·líptica i una amb forma de pica (en punxa).

A continuació testejarem el comportament d’aquestes dos antenes i veurem si hi ha una diferencia important entre elles, si es així podem veure quina de les dos es la que ens pot fer millor servei.

4.1 Parts de l’antena

Aquestes antenes estan formades per:

1 Una base per la part de sota de la placa que fa de massa. 2 Una línea per la part de sobre de la placa que fa de connector, per una banda amb el

circuit i per l’altra banda amb l’el·lipse que fa d’antena. 3 L’El·lipse o la pica tenen la funció de fer d’antena, ja sigui emissora o receptora.

El substrat (figura 37) que s’ha utilitzat per l’implementació d’antenes es:

Figura 37. Substrat utilitzat en les antenes

Característiques:

T (gruix del conductor) = 34 µm

H (gruix del substrat) = 0.8 mm

Cond (conductivitat del conductor) = 1x1050 (conductor ideal, coure 4.7·107S/m)

Er (constant dielèctrica relativa) = 4.7

Fibra de vidre

Coure Cond


29

4.2 Antena el·líptica

Figura 38. Layout antena el·líptica

Aquesta es la primera antena que testejarem (figura 38), anomenada el·líptica per la forma d’aquesta. A continuació podem veure les gràfiques (figura 39) que ens ha proporcionat aquesta antena.

Figura 39. Simulació de l’adaptació de l’antena el·líptica

El que podem veure ressaltat en la gràfica de l’esquerra es l’adaptació de l’antena, aquesta està aproximadament entre uns 2,5 GHz i 9 GHz com ressalta un requadre de color roig, ja que, com es pot veure, el paràmetre S11 està per sota de -10 dB, amb l’excepció del tram entre 3,5 GHz i 4,5 GHz a on l’adaptació no es tan bona, però no ens crearia problemes.

15 mm

30 mm

28 mm

25 mm

GHz


30

Analitzant la Carta de Smith el resultat pareix correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre si ens fixem en les freqüències de 2,5 GHz a 9 GHz.

Tot seguit mesurarem la segona antena, que anomenarem pica, i farem una comparació entre elles per veure quina de les dos ens dona una millor adaptació i ens va millor per adjuntar amb els tags que crearem.

4.3 Antena pica

Figura 40. Simulació de l’adaptació de l’antena pica

Segona antena testejada (figura 40), anomenada pica per la forma d’aquesta. A sota podeu veure les gràfiques (figura 41) que ens ha proporcionat aquesta segona antena.

Figura 41. Gràfics de l’antena pica

26 mm

14 mm

27 mm

13 mm

18 mm

GHz


31

El que podem ressaltar en la gràfica de l’esquerra es l’adaptació de l’antena, aquesta està aproximadament entre una mica mes de 2,5 GHz i 10 GHz com ressalta un requadre de color roig, ja que la senyal està situada per sota de -10 dB.

Analitzant la Carta de Smith el resultat pareix també correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre.

4.4 Comparació de les dues antenes

Si bé per uns pocs MHz, l’ample de banda en que les antenes estan adaptades (figura 42) es pràcticament exacta, d’uns, aproximadament 2,5 GHz a 10 GHz, això vol dir que no hi haurà una diferencia perceptible entre elles, tot i que hem d’apuntar que l’antena el·líptica no està perfectament adaptada en punts concrets de l’ample de banda, com pot ser pròxim als 4 GHz i arribant als 10 GHz.

Figura 42. Comparació de l’adaptació de l’antena pica i l’el·líptica

Tot i la puntualització anterior, als tests realitzats a l’apartat 6 (resultats experimentals amb tags creats) farem servir una sola antena, l’el·líptica, ja que la diferencia entre les dos es tan ínfima que no n’hi hauria i els resultats extrets en una de les antenes ens serveix.

Un cop estudiades les diferents antenes que utilitzarem al llarg del treball, es el moment per estudiar la creació de tags RFID UWB i les diferents opcions que tenim a l’hora de fer-ho.

En el següent apartat estudiarem la implementació de línies de retard o stubs capacitius en tags RFID UWB. Estudiarem el seu comportament mitjançant exemples creats amb l’ADS (software explicat en l’apartat 3, Tecnologia RFID UWB amb tags passius).

Estudi de línies de retard per implementació de tags RFID UWB

32

5 Estudi de línies de retard per implementació de Tags RFID UWB

5.1 Parts del circuit ADS

Mitjançant el programa ADS dissenyarem diversos circuits per a fer-ne simulacions. El motiu d’aquest apartat és treure conclusions sobre el comportament dels diferents components i com afecten aquests a la resposta de la senyal.

Un exemple de circuit que estudiarem es el que podem veure en la figura 43:

Figura 43. Esquema d'un Tag amb ressonadors de diferent amplada

El circuit es composa de diferents part que s’han d’editar, aquestes son:

S-PARAMETERS: En aquest quadre es configuren els paràmetres globals que volem utilitzar a l’hora de dur a terme les mesures.

Start: Freqüència inicial de les mesures.

Stop: Freqüència final de les mesures.

MSub: En aquest quadre es configuren els paràmetres globals del substrat (material) del microstrip que es farà servir al circuit.

H: Grossor del substrat.

Er: Constant dielèctrica.

Cond: Conductivitat.

Hu: Grossor del recobriment.

T: Grossor del conductor.

VAR: Mitjançant aquest quadre poden crear i modificar diferents variables que necessitarem utilitzar al circuit.

Figura 44. Característiques dels paràmetres S

Figura 45. Característiques del substrat

Figura 46. Característiques de les diferents variables


33

Term: És un terminal que ens fa la funció de port “emissor” o sigui d’entrada.

Num: És el número de component.

Z: Impedància de la línia.

Vdc: També podem configurar el voltatge que volem que ens produeixi.

MLIN: És el tipus de línia (microstrip).

Subst: És el tipus de substrat del mòdul. Està predeterminat pel paràmetre MSub1 (que podem veure anteriorment).

W: Amplada de la Línia. Està predeterminat pel paràmetre W0 (que podem veure a la variable anterior).

L: Longitud de la Línia.

R: És una resistència.

R: Valor de la resistència.

Connexió a massa.

5.2 Estudi de línies de salt d’impedància

A continuació farem l’estudi de 3 circuits amb diferents tipus de salts d’impedància.

El que crea aquest salts d’impedància es una diferencia d’impedància característica de la línia que fa que una part de la senyal reboti i torni pel mateix camí i sigui captada per l’antena receptora, mentre que una altra part de la senyal continua el camí fins arribar al pròxim tram amb un altre salt d’impedància, repetint la situació. Això s’aconsegueix variant l’amplada i la longitud de cada un dels trams de la línia del circuit creant diferencies de dimensions entre ells. Al conjunt de trams (circuit) amb diferents impedàncies s’anomena línia de salts d’impedàncies.

Figura 47. Característiques del terminal emissor

Figura 48. Característiques de la línia microstrip

Figura 49. Característiques d’una resistència

Figura 50. Massa


34

5.2.1 Circuit 1

Esquema del circuit 1

Figura 51. Circuit 1

Layout del circuit 1

Figura 52. Layout del circuit 1

Dibuix del circuit 1

Figura 53. Dibuix del circuit 1

El primer circuit (figura 51) ens servirà per extreure uns gràfics que utilitzarem com a base i ens ajudarà per a treure algunes conclusions a mesura que hi anem realitzant diferents canvis.

És un circuit molt bàsic, composat per un terminal d’entrada (explicat en l’apartat anterior) un mòdul inicial TL4 de longitud L (5 mm) més una línea recta formada per diferents mòduls (trams de línia microstrip) anomenats TL5, TL6, TL7 i TL8 de longitud L0 (20 mm) cadascun, amb una distància total de 85 mm, més una càrrega de 50 ohms al final d’aquesta.

En la figura 52 és pot veure el layout (impressió del tag). Aquesta imatge és l’impressió del circuit creat amb l’ADS sobre un suport (placa, paper, targeta, etc...).

A la figura 53 es pot veure un dibuix que representa de forma molt senzilla el layout de la figura 52.

Tram del circuit 1

Figura 54. Tram de línia microstrip del circuit 1

TL4 TL5 TL6 TL7 TL8


35

En la figura 54 podem veure un tram de línia microstrip del circuit 1, composat per dos mòduls d’iguals característiques.

En el circuit tenim les següents característiques importants:

Tots els mòduls (TL5, TL6, TL7 i TL8) tenen les mateixes característiques, una amplada de W0 i una longitud de L0.

La resistència del final del circuit és de 50 Ohms igual que la del port d’entrada. Amb això aconseguim que el circuit estigui adaptat.

Gràfiques del circuit 1

Figura 55. Gràfiques del circuit 1

En la figura 55 podem veure les dos gràfiques extretes del circuit 1 (figura 51).

En la gràfica de la dreta podem veure un pic (m1) degut al rebot causat per la resistència de 50 Ohms que hi ha col·locada al final del circuit. El pic apareix als 1,072 ns, temps que tarda la senyal en arribar a la resistència, rebotar i arribar al receptor.

En la de l’esquerra podem veure la senyal rebuda en dB entre la freqüència d’1 GHz i 10 GHz (establertes anteriorment en el quadre S-PARAMETERS). Amb aquesta gràfica podem veure entre quines freqüències és més funcional aquest circuit.

Dibuix dels pics del circuit 1

En la figura 56 es pot veure en quin lloc del circuit sorgeix el rebot que crea el pic m1 que marca la gràfica esquerra de la figura 55.

Figura 56. Dibuix de l’ubicació del rebot en el circuit 1

m1: 1,072 nanosegons, causat per la resistència que hi ha al final de la línia microstrip, just després del mòdul TL8.

m1

TL4 TL5 TL6 TL7 TL8


36

Comprovació del temps de retard del pic mitjançant formules matemàtiques

També podem calcular el retard del pic (figura 56), sabent simplement la distancia del tram i la constant dielèctrica relativa del substrat, aplicant les formules següents:

∆ 2

1

, 2

A on:

∆ es el retard del pic (temps que tarda a aparèixer el pic). es la longitud del tram de circuit. es la velocitat de propagació pel medi. es la velocitat de la llum en el buit (299.792.458 m/s). , es la constant dielèctrica relativa efectiva de la línea microstrip.

Volem trobar el retard del pic en el circuit 1, amb les condicions següents:

= 85 mm = 0,085 m. = 299.792.458 m/s. , = 4.7

Si apliquem els valors a la formula 2, mostrada anteriorment, la velocitat de propagació pel medi () ens donarà 163.794.117 m/s.

Un cop tenim el valor de , resolem la formula 1, i donarà que el retard del pic es de 1,037x10-9 segons, el que equival a 1,037 nanosegons.

Si comparem el resultat mesurat amb les formules 1, 2 que es de 1,037 nanosegons i el resultat extret mitjançant les gràfiques de l’ADS que es de 1,072 nanosegons, podem veure que el resultat es quasi idèntic, i això es el que es vol demostrar.

5.2.2 Circuit 2




37





Gracies a aquest segon circuit (figura 57) estudiarem el comportament de la senyal rebuda si el circuit es composat per un terminal d’entrada, un mòdul inicial TL4 de longitud L (10 mm) més una línea recta formada per quatre mòduls (Tl5, TL6, TL7 i TL8) amb el doble de longitud, i doblant les dimensions totals del circuit 1 (figura 51). En aquest cas la longitud de cada mòdul es de 2*L0 (40 mm), i la distància total del circuit és de 170 mm.

Tram del circuit 2


En la figura 60 podem veure un exemple de tram de línia microstrip del circuit 2 composat per dos mòduls de iguals característiques.


Tots els mòduls (TL5, TL6, TL7 i TL8) tenen les mateixes característiques, una amplada de W0 i una longitud de 2*L0.


TL4 TL5 TL6 TL7 TL8


38




En la gràfica de la dreta podem veure un pic (m1) degut al rebot causat per la resistència de 50 Ohms que hi ha col·locada al final del circuit. La diferencia amb el circuit anterior és que el pic està més retardat. En el circuit 1 el pic és als 1,072 ns mentre que en el circuit 2 el pic es als 2,145 ns, aquest retard és degut a que el circuit es el doble de llarg i la senyal rebotada tarda molt més en arribar al receptor.



En la figura 62 es pot veure en quin lloc del circuit sorgeix el rebot que crea el pic m1 que marca la gràfica esquerra de la figura 61.

Figura 62. Dibuix de l’ubicació del rebot en el circuit 2

m1: 2,145 nanosegons, causat per la resistència que hi ha al final de la línia microstrip, just després del mòdul TL8.


Si utilitzem les formules 1 i 2 citades anteriorment aplicant els valors d’aquest nou circuit podem extreure que el retard del pic serà de 2,07 nanosegons, molt pròxim als 2,145 nanosegons extrets mitjançant la gràfica de l’ADS.

TL4 TL5 TL6 TL7 TL8

m1


39

5.2.3 Circuit 3







En aquest tercer circuit (figura 63) estudiarem el comportament de la senyal rebuda si el circuit es composa per un terminal d’entrada un mòdul inicial TL4 de longitud L (5 mm) més una línea recta formada per quatre mòduls (Tl5, TL6, TL7 i TL8) amb diferents dimensions, o sigui, creant variacions d’impedància al llarg del circuit. Les variacions sorgiran per culpa d’aquestes modificacions de l’amplada i distancia de les línies, i aquestes seran W0 (1,41 mm) o 2*W0 (2,82 mm) d’amplada i L0 (20 mm) o 2*L0 (40 mm) de longitud.

Tram del circuit 3


TL4 TL5 TL6 TL7 TL8


40

En la figura 66 podem veure un exemple de tram de línia microstrip del circuit 3 composat per dos mòduls de diferents característiques.


En el mòdul TL5 i TL7 l’amplada és de W0 mentre que en el TL6 i TL8 és de 2*W0 (el doble).

En el mòdul TL5 i TL7 la longitud és de L0 mentre que en el TL6 i TL8 és de 2*L0 (el doble).





En la gràfica de la dreta podem veure quatre pics, aquests son deguts a les tres variacions de resistències (m1, m2, m3; creades per culpa de la diferencia de dimensions dels diferents mòduls) i l’últim pic es degut al rebot causat per la resistència de 50 Ohms que hi ha col·locada al final del circuit (m4).



En la figura 68 es pot veure en quins llocs del circuit sorgeixen els rebots que creen els pics m1, m2, m3 i m4 que marca la gràfica esquerra de la figura 67.


41

Figura 68. Dibuix de l’ubicació dels rebots en el circuit 3

m1: 315,5 picosegons, causat per la diferencia d’amplitud entre els mòduls TL5 i TL6.

m2: 837,6 picosegons, causat per la diferencia d’amplitud entre els mòduls TL6 i TL7.

m3: 1,09 nanosegons, causat per la diferencia d’amplitud entre els mòduls TL7 i TL8.

m4: 1,61 nanosegons, causat per la resistència final de 50 ohms.


Si utilitzem de nou les formules 1 i 2 citades anteriorment aplicant els valors d’aquest nou circuit als diferents trams, ens dona:

m1: 305,2 picosegons.

m2: 793,6 picosegons.

m3: 1,03 nanosegons.

m4: 1,52 nanosegons.

Els valors tornen a ser quasi idèntics, amb aquests tres exemples realitzats podem deixar demostrat que les mesures amb ADS son valides, però no deixen de ser mesures teòriques.

5.3 Estudi de línies carregades amb stubs o ressonadors capacitius

Un cop mes farem l’estudi de 3 circuits aquest cop amb tubs capacitius, també es poden dir ressonadors.

Aquests stubs fan la funció de condensadors realitzant una resistència al pas de la senyal que acaba causant que una part de la senyal reboti i torni pel mateix camí i sigui captada per l’antena receptora, mentre que una altra part de la senyal continua el camí fins arribar al pròxim stub, repetint la situació. Això s’aconsegueix col·locant stubs al llarg del circuit. Al conjunt de trams (circuit) amb stubs s’anomena línia carregada amb stubs capacitius.

Els stubs o ressonadors tindran una forma radial cònica com en la figura 69. Respecte els stubs tradicionals aquests tenen més ample de banda (es a dir la capacitat es mante més constant en freqüència que un stub amb línea de transmissió).

Figura 69. Forma de l’stub

TL4 TL5 TL6 TL7 TL8

m1 m2 m3 m4


42

5.3.1 Circuit 1




Figura 71: Layout del circuit 1


Figura 72: Dibuix del circuit 1

Al primer circuit volem estudiar l’aportació dels ressonadors a la senyal rebuda i extreure’n el seu comportament.

MRSTUB: Es el tipus de ressonador.

Subst: Es el substrat que composa aquest element. Està predeterminat com a MSub1.

Wi: Amplada de l’entrada del ressonador. Està predeterminat com a W0.

L: Longitud del ressonador. Està predeterminat com a Ls.

Angle: Graus que ha de crear el ressonador a la seva entrada, com es pot apreciar al layout (figura 64).

En aquest cas concret el ressonador te una forma cònica, però aquesta pot variar i la seva funció es fer de condensador.

TL1 TL2 TL3

Stub1

Figura 73. Dibuix d’un stub creat amb l’ADS


43

El primer circuit (figura 70) està creat per un terminal d’entrada inicial, tres mòduls (TL1, TL2 i TL3) de dimensions idèntiques, una amplada d’W0 (1,41 mm) i una longitud de 2*L0 (40 mm) en el qual entre els trams TL2 i TL3 hi hem col·locat un ressonador (figura 73).

La funció del ressonador és fer de condensador, i crear una resistència a la senyal que circula pel circuit. Aquesta resistència fa que es creï un rebot que és el que captarà el receptor en forma de pic dins de la senyal rebuda.

Tram del circuit 1

En la figura 74 podem veure un exemple de tram de línia del circuit 1 composat per dos mòduls diferents, un ressonador de forma cònica i un tram de línia microstrip.

En el circuit tenim les següents característiques:

En els mòduls TL1, TL2 i TL3 l’amplada és de W0 i la longitud és de 2*L0.

El ressonador Stub1 té un angle de 90º, una amplada W0 i una longitud Ls.






En la gràfica de l’esquerra podem veure un pic (m1), en lloc de dos, ja que el segon pic queda amagat sota el primer. Aquest es degut al ressonador ubicat entre el mòdul TL2 i TL3, també és degut al rebot causat per la resistència de 50 Ohms que hi ha col·locada al final del circuit.


44

En la de la dreta podem veure la senyal rebuda en dB entre la freqüència d’1 GHz i 10 GHz (establertes anteriorment en el quadre S-PARAMETERS). Amb aquesta gràfica podem veure entre quines freqüències és més funcional aquest circuit.




m1: 1,067 nanosegons, causat pel ressonador ubicat entre els mòduls TL2 i TL3, més la resistència final de 50 Ohms.

5.3.2 Circuit 2







TL1 TL2 TL3

Stub1

m1

TL1 TL2 TL3

Stub1 Stub2


45

El segon circuit (figura 77) és paregut al primer amb la diferència de que en lloc de tenir un sol ressonador en tenim dos. Volem saber quina aportació ens dona el col·locar un segon ressonador, en aquest cas entre els mòduls TL1 i TL2. Un circuit creat per tres mòduls (TL1, TL2 i TL3) de dimensions idèntiques, una amplada d’W0 (1,41 mm) i una longitud de 2*L0 (40 mm) entre els quals hem col·locat dos ressonadors, idèntics.

El segon circuit està creat per un terminal d’entrada inicial, tres mòduls (TL1, TL2 i TL3) de dimensions idèntiques, una amplada d’W0 (1,41 mm) i una longitud de 2*L0 (40 mm) en el qual entre els trams TL1 i TL2 hem col·locat un segon ressonador anomenat Stub1 (entre TL2 i TL3 hi ha l’anterior ressonador en aquest cas anomenat Stub2).

Tram del circuit 2


En la figura 80 podem veure un exemple de tram de línia del circuit 2 composat per dos mòduls diferents, un ressonador de forma cònica i un tram de línia microstrip.


En els mòduls TL1, TL2 i TL3 l’amplada és de W0 i la longitud és de 2*L0.

Els ressonadors Stub1 i Stub2 tenen un angle de 90º, una amplada W0 i una longitud Ls.

La resistència del final del circuit és de 50 Ohms igual que la del port d’entrada.




46

En la figura 81 tenim dos gràfiques extretes del segon circuit (figura 77), en la gràfica de l’esquerra podem veure els dos pics creats pels ressonadors stub1 i stub2, l’m1 i l’m2 i finalment l’m3 es el rebot causat per la resistència de 50 ohms que hi ha al final del circuit. Podem veure que cada pic perd senyal (aproximadament un terç de l’amplitud), això es degut a que la mateixa perd força i li costa més arribar al receptor fins el punt que el tercer pic es pot confondre com a senyal residual.




m1: 559,2 picosegons, causat pel ressonador que hi ha entre els mòduls TL1 i TL2.

m2: 1,109 nanosegons, causat pel ressonador que hi ha entre els mòduls TL2 i TL3.

m3: 1,656 nanosegons, causat per la resistència final de 50 ohms.

5.3.3 Circuit 3



TL1 TL2 TL3

Stub1 Stub2

m2 m3 m1


47





Aquest tercer circuit (figura 83) és un exemple de l’esquema de circuit que realment volem dissenyar. La figura esta composada de moltes corbes, aquestes estan dissenyades per poder aprofitar molt més l’espai que podem tenir en una placa a l’hora d’imprimir-hi el circuit. A més a més hem afegit dos ressonadors idèntics (com els que hem estat utilitzant en les pràctiques anteriors).

El que volem estudiar en aquest circuit es saber que produirà a la senyal rebuda que el circuit sigui molt més llarg i tingui aquesta forma sinusoïdal i el comportament dels dos ressonadors.

El tercer circuit està creat per un terminal d’entrada inicial, vuit mòduls curts horitzontals (TL1, TL3, TL5...), dos mòduls mitjans verticals (TL2 i TL16) i 7 mòduls llargs verticals (TL4, TL6, TL8...), cada grup d’aquests mòduls tenen les mateixes dimensions entre ells. Entre els trams TL8 i TL9 hem col·locat un ressonador anomenat Stub2 i entre TL11 i TL12 hi ha l’altre ressonador Stub3.

TL1

Stub2 Stub3

TL3

TL2

TL4

TL5

TL6 TL8

TL15

TL9 TL11 TL12 TL14

TL16

TL7 TL10 TL13

TL17


48

Tram del circuit 3


En la figura 86 podem veure un exemple de tram de línia del circuit 3 (figura 83), en el qual hi ha el ressonador (de forma cònica) connectat a la part inferior del circuit.


En els mòduls TL1, TL3, TL5, TL7, TL9, TL11, TL13, TL15, TL17 i TL19 l’amplada és de 0,625 mm i la longitud és de “dis3”.

En els mòduls TL2, TL18 l’amplada és de 0,625 mm i la longitud és de “dis2”.

En els mòduls TL2, TL4, TL6, TL8, TL10, TL12, TL14 i TL16 l’amplada és de 0,625 mm i la longitud és de “dis”.

Els ressonadors Stub2 i Stub3 tenen un angle de 90º, una amplada W0 i una longitud Ls.




En aquestes gràfiques podem veure els dos pics creats pels ressonadors, l’m1 i l’m2 i en aquest cas l’m3 (que es el rebot causat per la resistència de 50 ohms) no es diferència ja


49

que es barreja amb la senyal residual per aquest motiu no l’hem marcat. Podem veure que la senyal cada cop es menor, degut a que la mateixa perd força i li costa més arribar el rebot. La separació entre els dos pics es deguda a la distancia entre els dos condensadors col·locats al circuit.






m3: causat per la resistència final de 50 ohms no es veu en la gràfica.

5.4 Conclusions

Com més llarg sigui el recorregut del circuit més gran serà el retard dels pics de la senyal.

Els pics de la senyal rebuda dependrà dels obstacles que es pugui trobar aquesta mateixa al llarg del circuit.

Per cada obstacle que col·loquem al circuit la senyal perd força i això significa que aquesta costarà molt més arribar al receptor. D’aquí que cada pic que podem veure al gràfic es menor a l’anterior degut a la pèrdua de força de la senyal.

De la mateixa manera cada cop que tenim un pic (significa que hi ha un rebot) la senyal disminueix i això significa que arribarà un cop en que ens costarà diferenciar el pic de la senyal residual.

Hem vist dos formes de crear rebots, amb canvis de secció al llarg del circuit (que causen un canvi de resistència a la senyal) o col·locant diferents condensadors.

També podríem calcular el temps dels rebots (pics) amb les formules matemàtiques (formules 1 i 2) vistes en el punt anterior (Estudi de línies de salt d’impedància).

TL1

Stub2 Stub3

TL3

TL2

TL4

TL5

TL6 TL8

TL15

TL9 TL11 TL12 TL14

TL16

TL7 TL10 TL13

TL17

Resultats experimentals amb Tags dissenyats

50

6 Resultats experimentals amb tags dissenyats

S’han fabricat alguns dels tags dissenyats, i s’ha mesurat el paràmetre S11 del tag incloent l’antena. Per fer això, s’ha connectat una antena UWB (idèntica a la utilitzada en el tag) al port 1 de l’analitzador de xarxes calibrat fins 12 GHz i s’ha restat a la mesura del paràmetre S11 amb el tag, la mesura del paràmetre S11 sense el tag, per extraure l’efecte de fons de soroll. La distància es aproximadament d’uns 20 cm per tenir sensibilitat. A continuació s’han carregat les dades en un dataset de l’ADS i s’ha obtingut la resposta temporal mitjançant la transformada inversa amb la funció ts utilitzant la finestra número 5 que la finestra utilitzada en els analitzador de xarxes d’Agilent (HP8510).

6.1 Tag 1

Figura 89. Tag 1

Aquest primer tag que podem veure en la figura 89 està composat per un circuit amb forma sinusoïdal (1) finalitzat amb una resistència de 50 Ohms (2) i connectat a una antena el·líptica (3). Composat per dos capes (figura 90):

Capa TOP, en la que podem veure el camí del circuit imprès amb l’antena connectada. Forma la part superior del tag.

Capa BOTTOM, en la que podem veure la massa (4) (aquesta cobreix tot el circuit que està a la part superior). Forma la part inferior del tag.

TOP BOTTOM


51

Figura 90. Parts del tag 1

6.2 Gràfica del tag 1

Figura 91. Resposta temporal mesurada del tag 1

En aquesta gràfica (figura 91) podem veure un pic inicial ben diferenciat marcat com a m1, i un segon pic de mida inferior, m2, quasi residual. Aquest dos pics sorgeixen de:

m1: degut a l’acoblament de l’antena i apareix als 10,43 nanosegons.

m2: degut a la resistència de 50 Ohms col·locada al final del circuit, i apareix als 15 nanosegon aproximadament.

El retard entre el primer i segon pic és d’uns 5 nanosegons aproximadament que ve determinat per la distancia que hi ha entre l’antena i la resistència del final del circuit.


52

6.3 Tag 2

Figura 92. Tag 2

Aquest segon tag que podem veure en la figura 92 està composat per un circuit amb forma sinusoïdal (1), amb un stub capacitiu connectat al mig del recorregut, finalitzat amb una resistència de 50 Ohms (2), i connectat a una antena el·líptica (3). Composada per dos capes (figura 93):

Capa TOP, en la que podem veure el camí del circuit imprès amb l’antena connectada i l’stub capacitiu. Forma la part superior del tag.



TOP BOTTOM

Stub capacitiu


53



En aquesta gràfica (figura 94) podem veure un pic inicial ben diferenciat marcat com a m1, un segon pic m2, una mica inferior al primer i un tercer pic quasi residual. Aquest dos pics sorgeixen de:

m1: degut a l’acoblament de l’antena i apareix als 5.508 nanosegons.

m2: degut a l’stub capacitiu que hi ha al mig del circuit i apareix als 10.43 nanosegons.

Finalment hi ha un tercer pic m3 (no marcat) que sorgeix:

m3: degut a la resistència de 50 Ohms col·locada al final del circuit, i apareix als 15 nanosegon aproximadament.

El retard entre el primer i segon pic és d’uns 5 nanosegons aproximadament que ve determinat per la distancia que hi ha entre l’antena i l’stub col·locat al mig del circuit, i el retard que hi ha entre el segon i tercer pic es d’uns 5 nanosegons també, que correspon a la distancia entre l’stub i la resistència del final del circuit.

3.333 6.667 10.000 13.333 16.6670.000 20.000

100

200

300

400

0

500

time, nsec

(abs

(ts(

S(1

,1),

0.1

e-9

,20

e-9

,10

24,5

)))

m1

m2

m1time=(abs(ts(S(1,1),0.1e-9,20e-9,1024,5)))=409.908

5.508nsec

m2time=(abs(ts(S(1,1),0.1e-9,20e-9,1024,5)))=293.660

10.43nsec


54

6.5 Tag 3

Figura 95. Tag 3

Aquest tercer tag que podem veure en la figura 95 està composat per un circuit amb forma sinusoïdal (1), amb dos stubs capacitius connectats cap al final del circuit, finalitzat amb una resistència de 50 Ohms (2), i connectat a una antena el·líptica (3). Composada per dos capes (figura 96):

Capa TOP, en la que podem veure el camí del circuit imprès amb l’antena connectada i els stubs capacitius. Forma la part superior del tag.


TOP BOTTOM

1

2

3

4

Stubs capacitius



55



En aquesta gràfica (figura 97) podem veure un pic inicial marcat com a m1, un segon pic m2, i un tercer pic m3. Aquest tres pics sorgeixen de:

m1: degut a l’acoblament de l’antena i apareix als 5.566 nanosegons.

m2: degut al primer stub capacitiu que trobem al circuit i apareix als 7.881 nanosegons.

m3: degut al segon stub capacitiu que trobem al circuit i apareix als 10.35 nanosegons.

Al final, degut a la resistència de 50 Ohms col·locada al final del circuit, hauria d’aparèixer un últim pic, però en lloc d’això sols tenim senyals residuals.

El retard entre el primer i segon pic és d’uns 2.3 nanosegons aproximadament que ve determinat per la distancia que hi ha entre l’antena i el primer stub col·locat al circuit, i el retard que hi ha entre el segon i tercer pic es d’uns 2.5 nanosegons, que correspon a la distancia entre el primer i segon stub.

3.333 6.667 10.000 1 3.333 16.66 70.000 20 .000

100

200

300

400

0

500

t im e , ns e c

(abs

(ts(

S(1

,1),

0.1

e-9,

20e

-9,1

024,

5)))

m 1

m 2

m 3

m 1tim e=(ab s (ts (S (1 ,1 ),0 .1e -9 ,20e -9 ,1024 ,5 )))= 355 .437

5 .566n s ec

m 2tim e =(ab s (ts (S (1 ,1 ),0 .1e -9 ,20 e -9 ,10 24 ,5 )))= 123 .064

7 .881n s ec

m 3tim e=(ab s (ts (S (1 ,1 ),0 .1e -9 ,20e -9 ,102 4 ,5 )))= 262 .903

10 .3 5n s ec

Disseny d’antenes més adients

56

7 Disseny d’antenes més adients

7.1 Antena DGS (Deflected Ground Susbtrate)

Aquesta antena consta d’una obertura en el pla de massa per sota d’una línea microstrip passant. Per tant, consta de dos ports, un normalment es carregaria amb 50 Ohms. Si l’obertura es suau es caracteritza per tenir un gran ample de banda [6]. El fet que tingui dos ports es pot utilitzar per codificar dos retards diferents.

7.1.1 Layout DGS

Figura 98. Layout de l’antena DGS

7.1.2 Mides de l’antena DGS

Figura 99. Mides de l’antena DGS


57

7.1.3 Simulacions de l’antena DGS

Figura 100. Taula de simulacions de l’antena DGS

ANTENA MODEL DGS

Freqüència (Ghz) Guany (dB) Directivitat (dB) Eficiència

1 -17,47 3,79 0,01

1,5 -10,93 4,19 0,03

2 -10,72 4,72 0,03

2,5 -5,55 4,85 0,09

3 1,55 4,75 0,48

3,5 4,48 4,48 1,00

4 4,27 4,27 1,00

4,5 4,13 4,13 1,00

5 4,09 4,09 1,00

5,5 4,28 4,28 1,00

6 3,90 4,90 0,79

6,5 4,02 5,45 0,72

7 4,41 5,84 0,72

7,5 5,21 5,96 0,84

8 5,74 6,30 0,88

8,5 7,27 7,32 0,99

9 8,24 8,23 1,00

9,5 6,74 7,40 0,86

10 5,40 6,42 0,79

10,5 6,66 7,62 0,80

11 7,15 8,10 0,80

11,5 7,59 8,07 0,89

12 8,20 8,22 0,99


58

7.1.4 Gràfiques de l’antena DGS

Figura 101. Gràfiques del Guany, Directivitat i l’Eficiència

Figura 102. Gràfiques del port S11

En la gràfica de la figura 101 es pot veure que aquesta antena te un guany positiu a partir dels 3 GHz fins als 12 GHz.

I en les gràfiques de la figura 102 podem veure que l’antena està correctament adaptada entre (aproximadament) els 4,5 GHz i 10 GHz, ja que la senyal esta per sota dels -10 dB (esquerra). Analitzant la Carta de Smith (dreta) el resultat pareix correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre.

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10 1

1,5 2

2,5 3

3,5 4

4,5 5

5,5 6

6,5 7

7,5 8

8,5 9

9,5 10

10

,5 11

11

,5 12

Va

lor

(dB

)

Frequencia (GHz)

Antena Model DGS

Guany(dB) Directivitat(dB) Eficiencia(ℓ)


59

7.2 Antena DGS2

7.2.1 Layout DGS2

Figura 103. Layout de l’antena DGS2

7.2.2 Mides de l’antena DGS2

Figura 104. Mides de l’antena DGS2


60

7.2.3 Simulacions de l’antena DGS2

ANTENA MODEL DGS2


1 -13,10 3,89 0,02

1,5 -5,89 3,94 0,10

2 -4,43 3,98 0,14

2,5 2,14 3,88 0,67

3 3,65 3,65 1,00

3,5 3,51 3,50 1,00

4 3,51 3,51 1,00

4,5 3,76 3,76 1,00

5 3,57 4,15 0,88

5,5 3,67 4,56 0,81

6 4,07 4,24 0,96

6,5 5,18 5,17 1,00

7 6,69 6,68 1,00

7,5 6,93 6,94 1,00

8 7,05 7,05 1,00

8,5 6,05 6,94 0,81

9 5,52 6,36 0,82

9,5 5,01 5,65 0,86

10 7,46 7,48 1,00

10,5 8,98 8,98 1,00

11 7,61 8,04 0,91

11,5 7,46 8,25 0,83

12 6,68 7,76 0,78

Figura 105. Taula de simulacions de l’antena DGS2


61

7.2.4 Gràfiques de l’antena DGS2



En la gràfica de la figura 106 es pot veure que aquesta antena te un guany positiu a partir dels 2.5 GHz aproximadament fins als 12 GHz.

I en les gràfiques de la figura 107 podem veure que l’antena està correctament adaptada dels 4 GHz als 10 GHz, ja que la senyal esta per sota els -10 dB (esquerra). Analitzant la Carta de Smith (dreta) el resultat pareix correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre, encara que no tant com l’antena DGS (figura 98).

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12 1

1,5 2

2,5 3

3,5 4

4,5 5

5,5 6

6,5 7

7,5 8

8,5 9

9,5 10

10

,5 11

11

,5 12

Va

lor

(dB

)

Frequencia (GHz)

Antena Model DGS 2



62

7.3 Antena DGS3

7.3.1 Layout DGS3





63


ANTENA MODEL DGS3


1 -19,11 3,59 0,01

1,5 -11,99 3,89 0,03

2 -13,18 4,49 0,02

2,5 -8,85 4,51 0,05

3 -1,11 4,12 0,30

3,5 3,85 3,85 1,00

4 3,79 3,79 1,00

4,5 2,46 3,98 0,70

5 0,61 3,99 0,46

5,5 0,06 3,83 0,42

6 0,49 4,26 0,42

6,5 2,02 5,44 0,45

7 4,35 6,23 0,65

7,5 5,46 5,45 1,00

8 4,41 5,81 0,73

8,5 4,47 6,36 0,65

9 4,51 6,57 0,62

9,5 4,32 6,47 0,61

10 3,99 5,79 0,66

10,5 6,46 7,27 0,83

11 7,99 8,95 0,80

11,5 7,49 9,08 0,69

12 7,42 9,30 0,65



64




En la gràfica de la figura 111 es pot veure que aquesta antena te un guany positiu a partir dels 3 GHz aproximadament fins als 12 GHz.

I en les gràfiques de la figura 112 podem veure que l’antena està correctament adaptada dels 3 GHz als 6.5 GHz i dels 9 GHz als 10 GHz, ja que la senyal esta per sota dels -10 dB, mentre que entre els 6.5 GHz i els 9 GHz l’antena queda una mica mal adaptada (esquerra).

-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

10 12

1

1,5 2

2,5 3

3,5 4

4,5 5

5,5 6

6,5 7

7,5 8

8,5 9

9,5 10

10

,5 11

11

,5 12

Va

lor

(dB

)

Frequencia (GHz)

Antena Model DGS 3



65

Analitzant la Carta de Smith (dreta) el resultat pareix correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre.

7.3.5 Comparació antena DGS3 simulació i mesures

Figura 113. Comparació entre simulació (S11) i mesures (S22)

En la figura 113 podem veure la comparativa entre l’antena DGS3 simulada amb l’ADS (línia en vermell S(1,1)) i la mateixa antena creada i testejada al laboratori (línia blava S(2,2)). S’observa com exceptuant una banda al voltant de 10 GHz, hi ha bona concordança entre mesura i simulació. Aquestes diferencies es poden deure a efectes dels connectors.


66

7.4 Antena DGS3 llarga

7.4.1 Layout DGS3

Figura 114. Layout de l’antena DGS3 llarga

7.4.2 Mides de l’antena DGS3 llarga

Figura 115. Mides de l’antena DGS3 llarga


67

7.4.3 Simulacions de l’antena DGS3 llarga

ANTENA MODEL DGS3 LLARGA


1 -16,53 4,80 0,01

1,5 -7,92 5,21 0,05

2 -3,57 4,80 0,15

2,5 -3,18 4,19 0,18

3 -3,55 3,53 0,20

3,5 -3,01 3,30 0,23

4 -0,84 5,15 0,25

4,5 0,15 6,01 0,26

5 -0,02 5,44 0,28

5,5 -0,64 4,43 0,31

6 -1,01 3,96 0,32

6,5 2,26 6,04 0,42

7 1,61 5,69 0,39

7,5 1,64 5,71 0,39

8 2,31 6,12 0,42

8,5 2,86 6,30 0,45

9 3,09 6,16 0,49

9,5 2,72 5,63 0,51

10 3,25 6,26 0,50

10,5 3,02 6,72 0,43

11 5,32 7,71 0,58

11,5 4,97 7,18 0,60

12 5,01 6,11 0,78

Figura 116. Taula de simulacions de l’antena DGS3 llarga


68

7.4.4 Gràfiques de l’antena DGS3 llarga




I en les gràfiques de la figura 118 podem veure que l’antena està correctament adaptada dels 1 GHz als 5.5 GHz i dels 7.5 GHz als 10 GHz, ja que la senyal esta per sota dels -10 dB, mentre que entre els 5.5 GHz i els 7.5 GHz l’antena queda una mica mal adaptada (esquerra). Analitzant la Carta de Smith (dreta) el resultat pareix correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre.

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10 1

1,5 2

2,5 3

3,5 4

4,5 5

5,5 6

6,5 7

7,5 8

8,5 9

9,5 10

10

,5 11

11

,5 12

Va

lor

(dB

)

Frequencia (GHz)

Antena Model DGS 3 Llarga



69

7.5 Antena DGS4

7.5.1 Layout DGS4





70


ANTENA MODEL DGS4


1 -12,50 4,55 0,02

1,5 -3,17 4,62 0,17

2 -2,75 4,66 0,18

2,5 4,47 4,47 1,00

3 4,23 4,22 1,00

3,5 4,22 4,22 1,00

4 4,50 4,50 1,00

4,5 4,27 5,18 0,81

5 4,73 5,75 0,79

5,5 4,64 5,40 0,84

6 7,18 7,17 1,00

6,5 8,33 8,34 1,00

7 7,71 8,44 0,85

7,5 6,40 7,66 0,75

8 8,72 8,94 0,95

8,5 8,94 8,94 1,00

9 10,09 10,11 1,00

9,5 10,44 10,45 1,00

10 9,54 9,79 0,94

10,5 7,96 8,48 0,89

11 8,85 9,05 0,95

11,5 8,14 8,82 0,86

12 5,69 7,63 0,64



71



Figura 123. Gràfica del port S11


I en les gràfiques de la figura 123 podem veure que l’antena està correctament adaptada dels 1 GHz als 10 GHz, ja que la senyal esta per sota dels -10 dB (esquerra). Analitzant la Carta de Smith (dreta) el resultat pareix correcte ja que podem veure que ens trobem situats al centre.

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12 1

1,5 2

2,5 3

3,5 4

4,5 5

5,5 6

6,5 7

7,5 8

8,5 9

9,5 10

10

,5 11

11

,5 12

Va

lor

(dB

)

Frequencia (GHz)

Antena Model DGS 4

Guany(dB) Directivitat(dB) Eficiencia


72

7.6 Antena DGS-LF

Figura 124. Layout de l’antena DGS-LF

7.6.1 Comparació antena DGS_LF simulació (S(1,1)) i laboratori (S(22))

Figura 125. Comparació entre simulació (S11) i mesures (S22)

En la figura 125 podem veure la comparativa entre l’antena DGS_LF simulada amb l’ADS (línia vermella S (1,1)) i la mateixa antena creada i testejada al laboratori (línia blava S(2,2)). Com es pot veure les dos senyals comparades son quasi idèntiques.

Mesures de prototips de sistemes RFID UWB amb tags sense xip en el domini temporal

73

8 Mesures de prototips de sistemes RFID UWB amb tags sense xip en el domini temporal

La figura 126 mostra esquemàticament l'esquema de lectura d’un sistema de mesura per tags UWB sense chip codificats en el domini temporal. El lector emet un pols, aquest és rebut per una antena UWB al tag, es propaga per una línia de transmissió i es reflecteix quan troba una discontinuïtat (per exemple, quan la línia està en circuit obert). El lector rep d'una banda un pols acoblat a causa de l'acoblament entre antena transmissora i receptora en el receptor, després al cap d'un cert temps rep el pols reflectit degut al mode estructural del tag, i al cap de cert temps, igual al retard de propagació per la línia de transmissió, el pols reflectit en l'extrem de la línia que també es coneix com a mode antena. En tots els casos els polsos són el resultat de la convolució de la resposta impulsional de cada antena. Com s'ha comentat, el camp reflectit consta de dos components, la deguda al mode estructural que depenen de la reflexió en el tag i en l'objecte on està subjecte el tag, i el mode antena. Aquest últim depèn de la impedància de càrrega de l'antena. Interessa per tant detectar el senyal reflectit associat al model d’antena, ja que aquest pot ser modulat amb la càrrega, l'altre mode interessarà eliminar-lo o separar-lo.

Per codificar la informació interessa mesurar amb precisió el retard de propagació al llarg de la línia. Això es pot aconseguir mitjançant dos mètodes bàsics. El primer consisteix en carregar la línia a diferents distàncies (i per tant retards) ressonadors o discontinuïtats de salt d'impedància de manera que produeixen reflexions cada cert retard. La informació està codificada en aquests retards entre reflexions. L'altra forma és imprimir dos tags amb diferents longituds de línies de transmissió, com es mostra a la figura 126. Així el mode antena constarà de dos reflexions separades temporalment, la diferencia de temps de propagació per la diferencia de longituds entre les dues línies. És a dir, un tag s’utilitza com a calibració o referència temporal, mentre que la informació està codificada en la diferència de longituds de les dues línies de transmissió. Existeix una altra possibilitat però no és viable en tags passius sense xip, que constaria en modificar el coeficient de càrrega o impedància de càrrega en l’extrem de la línea.

En quant al setup experimental de mesura. S’han implementat dos setups. El primer basat en l’analitzador de xarxes, on a partir del paràmetre S21 (o S11 si reutilitza una antena) mesurat en el domini freqüencial s’obté la resposta temporal mitjançant transformada inversa de Fourier (utilitzant una finestra pertinent com per exemple la Hamming). L’altre setup utilitza un generador de polsos UWB del frabircant Geozondas i el mostrejador de Geozondas com a receptor. Aquest últim setup és més interessant des del punt de vista de la implementació comercial d’un lector, ja que el setup basat en un analitzador de xarxes té un preu molt elevat.


74

UWBPulse Generator

Sampler

Tx Antenna

Rx Antenna

Trigger

Structural mode

Antennamode

Coupling

Coupling

Structural mode

Structural mode

Antennamode

Antennamode

Transmission LineLength L

Transmission LineLength L+∆L

2∆L/c

Figura 126. Setup experimental per la mesura de tags UWB sense xip en el domini temporal

A continuació és mostren alguns resultats amb alguns tags experimentals, i també algunes simulacions.

La figura 127 mostra la resposta temporal obtinguda mitjançant transformada inversa de Fourier del paràmetre S21 mesurat amb l’analitzador de xarxes. S’ha utilitzat en el lector dos antenes Vivaldi, i el tag està format per una antena UWB impresa (tipus monopol amb forma el·líptica) i un tram de línea de transmissió. S’observa el mode estructural que no es veu modificat per la càrrega. Mentre que el mode antena depèn del coeficient de reflexió de la càrrega connectada a l’antena. Així quan no es connecta a una càrrega adaptada (50 Ω) no s’observen reflexions (les reflexions que s’observen són degudes al clutter), mestre que quan es connecta un circuit obert apareix una reflexió a l’extrem de la línea (ca1 representa un circuit obert a l’extrem i ca2 és un circuit obert al final d’una línea addicional connectada a l’extrem.

La figura 128 mostra la resposta temporal mesurada amb l’analitzador de xarxes, d’un tag compost per una antena UWB impresa i un tram de línea de transmissió que és pren com a referència (tag1), la resposta, un tag idèntic a l’anterior però amb una línea de transmissió major, i la resposta obtinguda simultàniament dels dos tags junts. A la mesura del tag se li ha restat la mesura del background sense tag per eliminar l’acoblament entre antenes. S’observa que el mode estructural no es modifica però al mode antena s’aprecien les reflexions a diferents instants de temps. En el cas de dos tags simultanis s’observa en els mateixos instants que el tag 1 i 2. La figura 129 mostra la correlació creuada entre els tags 1 i 2 després d’enfinestrat la resposta per filtrar únicament el mode antena. S’observa un pic corresponent a la diferència de temps de propagació degut a la diferència de longituds entre les dos línies de transmissió que formen el tag aquest retard correspon a un cable coaxial de 25cm amb constant dielèctrica de 2 (retràs 2.357 ns). En la pràctica de la detecció del retràs de propagació es poden realitza mitjançant la autocorrelació (veure figura 129) de la senyal rebuda amb dos tags (després de filtrar el mode antena). Com és conegut, l’autocorrelació d’una senyal és simètrica i té un màxim a l’origen. Així el següent pic correspon a la diferència entre els dos polsos reflexats (en l’extrem del tag 1 i en el del tag 2). El valor d’aquest retràs coincideix amb el de la figura 128 i el retràs real del cable.


75

Figura 127. Resposta temporal (en lineal i en dB) d’una antena UWB impresa en una línea de transmissió amb diferents condicions de càrrega: càrrega amb 50Ω (load), amb circuit obert (ca1) i amb circuit obert desplaçat (ca2).

Figura 128. Resposta temporal ( en lineal i dB) d’un tag amb un tram de línea de transmissió (tag1), d’un tag amb una longitud de liana de transmissió major, i la resposta dels dos tags mesurats simultàniament.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

1

time(ns)

linea

lTag Load

Tag ca1

Tag ca2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-80

-60

-40

-20

0

time(ns)

dB

Tag Load

Tag ca1

Tag ca2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

1

time(ns)

linea

l

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-80

-60

-40

-20

0

time(ns)

dB

Corrected Tag1

Corrected Tag2

Corrected Tag doble

Corrected Tag1

Corrected Tag2

Corrected Tag doble


76

Figura 129. Correlació creuada entre els modes antena del tag 1 i 2.

Figura 130. Autocorrelació del mode antena de la mesura temporal amb dos tags simultanis.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(ns)

Cor

rela

tion

X: 2.498Y: 1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(ns)

Cor

rela

tion

X: 2.498Y: 0.3528


77

Com s’ha comentat anteriorment el setup basat en l’analitzador de xarxes presenta algunes limitacions, especialment de cost i també de sensibilitat (aquesta pot intentar augmentar la potència transmesa i utilitzant un LNA). El setup basat en un radar UWB presenta alguns avantatges. La primers és que el seu cost és inferior, la segona és que es poden aconseguir polsos de gran amplitud (per exemple, en el nostre setup s’utilitzen polsos de 5V d’amplitud), la tercera, que és pot augmentar la probabilitat de detecció augmentant el promig entre polsos. A continuació és presenten alguns resultats amb el setup utilitzant el radar UWB de Geozondas i el generador de polsos de 3.5GHz. A la resposta mesurada amb el tag es resta la resposta del background, amb el que s’elimina parcialment els polsos acoblats entre les antenes i clutter sistemàtic (rebot en el terra, parets, etc.). La figura 131 mostra la resposta temporal d’un tag format per una antena UWB impresa i una línea de transmissió, i un altre tag idèntic però amb una línea de transmissió addicional (cable coaxial de 25cm de longitud). S’observa el pols reflectit degut al mode estructural i al mode antena. Aquest últim depèn de la longitud de la línea de transmissió. La figura 132 mostra la correlació creuada entre les respostes dels dos tags sense eliminar la part de la resposta associada al mode estructural. S’observa que el màxim correspon a l’origen i està associat a la correlació entre el mode estructural dels dos tags (que és el mateix) i els següent pic correspon a la diferència entre els polsos reflectits del mode antena de cada tag. La figura 133 mostra la correlació creuada de les dos senyals però eliminant, prèviament de cada una, el mode estructural enfinestrat. S’observa que el pic es localitza al mateix retràs que l’ obtingut en la figura anterior i que correspon a la diferència de retards entre les línies de transmissió dels dos tags. Les mesures de la figura 131 s’han realitzat amb el tag a uns 40cm. S’han repetit per una distància d’1m. El resultat es mostra en les figures 134-136. Donat que no s’ha utilitzat promig entre polsos, aquests resultats mostren el potencial del radar UWB com a lector RFID UWB.

Figura 131. Resposta temporal mesurada amb el radar UWB d’un tag amb dos longituds de línea de transmissió.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-30

-20

-10

0

10

20

30

40

time(ns)

mV

Tag Line 1

Tag Line 2


78

Figura 132. Correlació creuada de les respostes dels tags de la figura 131 sense eliminar el mode estructural.

Figura 133. Correlació creuada de les respostes dels dos tags de la figura 131 eliminant el mode estructural.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(ns)

Cor

rela

tion

X: 2.345Y: 0.4621

-15 -10 -5 0 5 10 150

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(ns)

Cor

rela

tion

X: 2.374Y: 1


79

Figura 134. Resposta temporal mesurada amb el radar UWB d’un tag amb dos longituds de línia de transmissió.

Figura 135. Correlació creuada de les respostes dels tags de la figura 134 sense eliminar el mode estructural.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-15

-10

-5

0

5

10

15

time(ns)

mV

Tag Line 1

Tag Line 2

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(ns)

Cor

rela

tion

X: 2.296Y: 0.3001


80

Figura 136. Correlació creuada de les respostes dels tags de la figura 134 eliminant el mode estructural.

Com s’ha comentat anteriorment, el mode antena depèn del coeficient de reflexió de càrrega. Així és pot carregar la línea amb condensadors de forma que produiran una reflexió depenent de la distància a que es col·loquen. Així es poden implementar diferents bits. El condensador pot ser substituït per un stub o un stub radial amb la finalitat que tingui major ample de banda. En la figura 137 es mostra el setup de l’ADS per realitzar la simulació de la resposta transitòria a un pols monocicle gaussià i una línea carregada amb stubs radials. La resposta es pot veure en la figura 138. S’observa com el polsos reflectits corresponen als polsos transmesos però derivats degut a l’efecte del condensador. Per evitar aquesta diferenciació es pot utilitzar línies de diferents seccions (amplades) de forma que el coeficient de reflexió és independent de la freqüència (per lo tant no hi ha diferenciació) i depèn de la diferència d’impedàncies característiques de la línea utilitzada (figura 139). La resposta a una pols monocicle gaussià es mostra en la figura 140. Encara que utilitzant aquestes tècniques es poden implementar diferents bits (associats als retards entre ressonadors o salts d’impedància), en la pràctica els polsos reflectits tenen una amplitud cada cop menor. També l’amplitud dels polsos reflectits és menor que en el cas d’utilitzar línies homogènies de diferents longituds.

-15 -10 -5 0 5 10 150

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(ns)

Cor

rela

tion

X: 2.374Y: 1


81

Figura 137. Esquema ADS per simular la resposta temporal a un pols gaussià d’un tag utilitzant ressonadors radials.

Figura 138. Pols transmès i reflexat obtingut amb l’esquema de la figura 137.

VoutVtrans

Vin

VARVAR1W0=1.41 mm

EqnVar

MLINTL6

L=100 mmW=W0Subst="MSub1"

MSUBMSub1

Rough=0 mmTanD=0.0022T=34 umHu=1.0e+033 mmCond=4.7e7Mur=1Er=4.7H=0.8 mm

MSub

TranTran1

MaxTimeStep=5e-9/1000StopTime=5 nsec

TRANSIENT

MLINTL5


MLINTL7


RR1R=50 Ohm

MRSTUBStub3

Angle=90L=LsWi=W0Subst="MSub1"

MTEE_ADSTee3

W3=WsW2=W0W1=W0Subst="MSub1"

MTEE_ADSTee1

W3=WsW2=W0W1=W0Subst="MSub1"

MRSTUBStub1

Angle=90L=LsWi=W0Subst="MSub1"

VARVAR9R=(L0/4)/(pi/4)

EqnVar

VARVAR3Ls=2.5 mm

EqnVar

VARVAR10L0=15 mm

EqnVar

VARVAR8Ws=0.5 mm

EqnVar

VtUserDefSRC3V_Tran=-Energy*4*pi/(tau*tau)*(time-t0)*exp(-2*pi*(time-t0)*(time-t0)/(tau*tau))

v(t)

RR2R=0 Ohm

VARVAR7t0=tau

EqnVar

MLINTL4

L=100 mmW=W0Subst="MSub1" Circulator

CIR1

Z3=Z2=Z1=Isolat=100. dBVSWR1=1.Loss1=0. dB

RR3R=50 Ohm

VARVAR5tau=300 ps

EqnVar

VARVAR6Energy=tau

EqnVar

-2

-1

0

1

2

-3

3

Vtr

ans,

V

1 2 3 40 5

-200

0

200

400

600

-400

800

time, nsec

Vin

, mV

m1

m2

m1time=Vin=694.6mV

2.196nsec

m2time=Vin=554.2mV

3.481nsec


82

Figura 139. Esquema de l’ADS per a simular la resposta temporal a un pols gaussià d’un tag utilitzant salts d’impedància.

Figura 140. Pols transmès i reflexat obtingut amb l’esquema de la figura 139.

Vin

VtransVout

VARVAR6Energy=tau

EqnVar

VARVAR5tau=300 ps

EqnVar

VARVAR7t0=tau

EqnVar

VARVAR4Ws=0.5 mm

EqnVar

VARVAR1W0=1.41 mm

EqnVar

VARVAR2L0=20 mm

EqnVar

MSUBMSub1

Rough=0 mmTanD=0.0022T=34 umHu=1.0e+033 mmCond=4.7e7Mur=1Er=4.7H=0.8 mm

MSub

TranTran1

MaxTimeStep=5e-9/1000StopTime=5 nsec

TRANSIENT

CirculatorCIR1

Z3=Z2=Z1=Isolat=100. dBVSWR1=1.Loss1=0. dB

RR3R=50 Ohm

RR2R=0 OhmVtUserDef

SRC3V_Tran=-Energy*4*pi/(tau*tau)*(time-t0)*exp(-2*pi*(time-t0)*(time-t0)/(tau*tau))v(t)

RR1R=50 Ohm

MSTEPStep2

W2=W0W1=2*W0Subst="MSub1"

MLINTL7

L=4*L0W=W0Subst="MSub1"

MLINTL6

L=4*L0W=2*W0Subst="MSub1"

MSTEPStep1

W2=2*W0W1=W0Subst="MSub1"

MLINTL4


MLINTL5

L=2*L0W=W0Subst="MSub1"

-2

-1

0

1

2

-3

3

Vtr

ans

, V

1 2 3 40 5

-400

-200

0

200

400

-600

600

time, nsec

Vin

, mV

m4m5

m4time=Vin=469.0mV

1.511nsec

m5time=Vin=389.4mV

2.371nsec

Conclusions sobre el projecte

83

9 Conclusions sobre el projecte

Les conclusions que se’n poden treure desprès de realitzar aquest projecte son:

En primer lloc dir que la tecnologia de tags RFID passius es una tecnologia de futur, la qual s’apunta com la predecessora del codi de barres, ja que no necessita de visió directa, molt mes econòmica, mes rapida, pot llegir múltiples orígens a la vegada, les etiquetes es poden gravar múltiples vegades, etc..

Per un altra banda, pel que fa a la fabricació dels tags o etiquetes, aquestes son molt mes econòmiques ja que inclús es poden imprimir sobre paper amb una tinta especial. I afegint-hi que al ser tags passius no necessiten de font d’alimentació, sinó que son autosuficients aconseguint la potencia necessària de la senyal rebuda.

Aquest últim avantatge es degut a l’ utilització de la connexió sense fils UWB. La decisió de la utilització d’aquest ample de banda que va des dels 3GHz als 10GHz es degut als molts avantatges que ens proporciona, com la seva rapidesa, que pot fer redistribució de freqüències, la baixa potencia que necessita per transmetre, evitar problemes d’interferències amb altres sistemes de comunicacions en bandes massa utilitzades, etc...

En definitiva, l’estudi dels tags passius RFID UWB ens dona una futura tecnologia que supera a l’actual codi de barres, i millorarà moltes cares d’aquest procés com pot ser la localització d’actius, informació acumulada als tags, mes seguretat, facilitat d’accés, etc.. a més a més també s’està estudiant la implementació en essers humans i animals com a seguretat personal, tota una tecnologia de futur.

Referències

84

Referències

Article de Revista: Autors, Títol, Revista, Any, Volum, Número, Pàgines.

[1] S. A. Hosseini, z. Atlasbaf, and k. Forooraghi, Two new loaded compact planar Ultra-wideband antennas using

defected Ground structures, Progress in electromagnetics research b, 2008, vol. 2, 165-176, 12.

[2] Stevan Preradovic and Nemai C. Karmakal, Design of Fully Printable Chipless RFID Tag on Flexible Substrate

for Secure Banknote Applications, Department ofelectrical & Computer Systems Engineering, Monash

University Bldg 72, Clayton Campus, Melbourne, VIC 3800, Australia, 2009.

[3] K. Finkenzeller, “RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification 2nd Edition”, Ed. Wiley; 2 edition, May 23, 2003.

[4] Somnath Mukherjee, Chipless Radio Frequency Identification (RFID) Device, RB Technology 406 Sandhurst

Drive, Milpitas, CA 95035. USA, 2009.

[5] Sudhir Shrestha, Mercyma Balachandran, Mangilal Agarwal, Vir V. Phoha, and Kody Varahramyan, A Chipless

RFID Sensor System for Cyber Centric Monitoring Applications, IEEE transactions on microwave theory and

techniques, vol. 57, no. 5, may 2009.

[6] K.-S. Lim, M. Nagalingam, and C.-P.Tan, “Design and construction of microstrip uwb antenna with time domain analysis”, Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 3, pp.153–164, 2008.

[7] Linlin Zheng, Saul Rodriguez, Lu Zhang, Botao Shao and Li-Rong Zheng, Design and Implementation of a Fully

Reconfigurable Chipless RFID Tag Using Inkjet Printing Technology, Laboratory of Electronics and Computer

Systems, Department of Microelectronics and Information Technology, Royal Institute of Technology (KTH)

Stockholm, Sweden, 2009.

[8] Lu Zhang, Saul Rodriguez, Hannu Tenhunen, and Li-Rong Zheng, An Innovative Fully Printable RFID

Technology Based on High Speed Time-Domain Reflections, Laboratory of Electronics and Computer Systems,

Department of Microelectronics and Information Technology Royal Institute of Technology (KTH), Electrum

229, SE-164 40, Kista-Stockholm, Sweden, 2009.

[9] Davide Dardari, Raffaele D’Errico, Passive Ultrawide Bandwidth RFID, WiLAB, DEIS University of Bologna at

Cesena, via Venezia 52, 47023 Cesena (FC), italy and ENSTA 32 Boulevard Victor, Paris Cedex 15 75739,

france, 2008.

[10] Leonard E. Miller, Why UWB? A Review of Ultrawideband Technology, Wireless Communication Technologies

Group, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, 2003.

[11] http://ca.wikipedia.org/wiki/Rfid, 2010 [consulta].

[12] http://es.wikipedia.org/wiki/UWB, 2010 [consulta].

aplicació de la tecnologia uwb per aplicacions chipless...

Documents