INSTITUTO POLITÉCNICONACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFE“IONAL ADOLFO LÓPE) MATEO“
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
DE“ARRO
LLO DE ANTENAS PARA LA TECNOLOGÍA DE RFID
PASIVA EN LA BANDA DE UHF (902-928 MHz
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA
P R E S E N T A:
ING. FERNANDO ELISEO SOLARES ZAVALA
ASESORES:DR. ROBERTO LINARES Y MIRANDA
DR. JOSÉ ALFREDO TIRADO MÉNDEZ
i
Resumen.
Actualmente, los sistemas de tecnología RFID (Identificación por Radiofrecuencia) tienen mayor penetración en aplicaciones de identificación, control y rastreo de objetos. Estos sistemas se componen de un lector, el medio de transmisión (que es el espacio libre) y una etiqueta que se fija en el objeto a identificar. Existen sistemas de identificación de campo cercano y de campo lejano, que a su vez se pueden dividir en sistemas con etiqueta pasiva y activa.
Las etiquetas para los sistemas RFID están compuestas por una antena y un circuito integrado que contiene la información del objeto a identificar. Los sistemas de RFID de campo cercano utilizan el fenómeno del acoplamiento electromagnético inductivo y operan en la banda de frecuencias altas (HF) y frecuencias muy altas (VHF). La tecnología de RFID para campo lejano opera en la banda de ultra alta frecuencia (UHF) y microondas. Ambas tecnologías de RFID utilizan etiquetas activas y pasivas; las primeras requieren de una batería para funcionar y emiten constantemente energía electromagnética al medio ambiente para ser reconocidas por algún lector, su cobertura es mayor de 50 m, en cambio las etiquetas pasivas sólo funcionan cuando la energía electromagnética les incide, es decir se alimentan con la señal de radiofrecuencia (RF) y la cobertura es menor a 20 m. Por tal motivo, uno de los retos principales de la tecnología RFID con etiquetas pasivas es tener mayor alcance, lo cual depende directamente y en gran parte de la eficiencia de la antena el acoplamiento entre el circuito integrado y ésta, así como la sensibilidad del circuito integrado.
ii de los parámetros de las antenas para obtener el mejor desempeño basado en una metodología de algoritmos genéticos.
Para lograr los objetivos finales de este trabajo de tesis, se diseñan cuatro antenas, basadas en la técnica del serpenteo. Cada antena presenta una ganancia aproximada de 1 dB. Este parámetro es uno de los diversos que se desean optimizar, teniendo en cuenta un acoplamiento óptimo con el circuito integrado para ofrecer la máxima transferencia de energía en el sistema. El procedimiento de diseño se realiza con un software de simulación de estructuras electromagnéticas, y los resultados de éste se proporcionan al programa de optimización basado en algoritmos genéticos. A su vez, los resultados de este último se retroalimentan al programa de simulación electromagnética, repitiéndose el ciclo hasta lograr satisfacer una función objetivo.
Una vez obtenido el diseño optimizado, se procedió a la caracterización de las antenas, observándose una alta convergencia entre los resultados obtenidos a través del proceso de simulación, dando como resultado elementos radiadores que pueden ser empleados en aplicaciones comerciales.
Para lograr estos objetivos, la tesis se dividió en cuatro capítulos dando como resultado final, cuatro prototipos de antenas de microcinta reducidas en dimensiones con la técnica de serpenteo, las cuales tienen características comparables con las mostradas en la literatura.
Abstract.
iii The RFID system label has an antenna and an IC. The latter possesses the information of the object to be identified. There are RFID systems which operate at the HF, VHF and UHF systems. The far-field RFID system operates at the last UHF band and microwaves. Far-field and near-field RFID systems, both works with passive and active labels. The first ones requires a battery to operate and always radiate electromagnetic energy to be recognized by an specific reader. The latter operates only when an outer electromagnetic energy reaches the label. It means, these are fed by an external electromagnetic energy. The range of these label reaches at most 20 m. Therefore, one of the challenges of the RFID technology is to increase the range of passive labels without emitting higher levels of energy. This phenomenon is directly dependent of the antenna performance and the matching to the IC.
In this thesis, the design, optimization and characterization of microstrip meandered reduced antennas is described. To achieve these goals, the thesis was divided in four chapters: An introduction to RFID systems and operation, state of the art of RFID antennas for passive labels, design and optimization of the proposed antennas, and finally, the characterization of the designed antennas.
One of the most important goals of this thesis is the design of the antennas to be perfectly match to the IC. Since, this IC presents a very low real part of its impedance, as well as a negative reactance, the antenna must be designed to operate with a non-standardized impedance, which can lead to a drawback in the design.
Once the antennas are designed and optimized, all the prototypes were characterized: The impedance was measured with a Vectorial Network Analyzer by employing a differential technique. After that, the best antenna was characterized in an anechoic chamber to measure the radiation pattern and the gain.
iv
Objetivo
El objetivo de este trabajo de tesis es:
Diseñar, construir, caracterizar y optimizar antenas para etiquetas de RFID pasivas en
la banda de UHF (902-928 MHz).
Para alcanzar el objetivo principal, la tesis se dividió en los siguientes objetivos particulares:
Aplicar técnicas de acoplamiento de Impedancias entre la antena y el circuito integrado para lograr la máxima eficiencia de las antenas de RFID.
Aplicar un método de optimización para mejorar el desempeño de las antenas de RFID
Caracterizar las Antenas de RFID.
Justificación.
La tecnología pasiva de RFID, está teniendo una gran aceptación en diferentes áreas de la industria y del comercio, lo que ha generado la necesidad de aumentar las distancias a las que pueden operar las etiquetas pasivas de RFID sin que se tengan que sobrepasar los límites en la potencia del lector establecidas en las normas de cada país. Este parámetro puede ser mejorado por medio de las antenas para las etiquetas pasivas de RFID debido a la relación que tiene el desempeño de éstas con la capacidad de alcanzar mayores distancias de operación.
v lectura, que permite alcanzar mayores distancias, sin aumentar la potencia del lector. Existe un compromiso en mantener un tamaño reducido y un buen desempeño, ya que se tiene que conseguir antenas de bajo costo de producción sin sacrificar la distancia máxima de operación (que en esta tecnología está por debajo de los 20 metros), el cual depende, principalmente de los parámetros de la antena.
vi
Índice
Resumen. ... i
Abstract. ... ii
Objetivo ...iv
Justificación. ...iv
Índice de Figuras ... viii
Índice de Tablas. ... x
Abreviaturas. ... xi
Capítulo 1 Introducción. ... 1
1.1 El Sistema de la Tecnología RFID. ... 3
1.2 Etiquetas Pasivas de RFID. ... 3
1.2.1 Principio de Operación de los Sistemas Pasivos. ... 4
1.2.2 Antenas en el Sistema RFID Pasivo. ... 6
1.2.3 Parámetros Importantes en las Antenas de Etiquetas de RFID Pasivas. ... 6
1.3 Conclusiones... 14
Referencias ... 14
Capítulo 2 El Diseño de Antenas para Etiquetas RFID Pasivas en la Banda de UHF. ... 16
2.1 Técnicas de Miniaturización. ... 17
2.1.1. Antenas Lineales Serpenteadas. ... 17
2.1.2 Antenas de F Invertida. ... 20
2.1.3 Antenas de Ranura. ... 22
2.1.4 Antenas Tipo Texto... 23
2.1.5 Comparación de los Diseños de Antenas de RFID. ... 24
2.2 Técnicas para el Acoplamiento de Impedancias. ... 25
2.2.1 Acoplamiento T ... 26
2.1.2 Acoplamiento Inductivo. ... 29
2.1.3 Aplicación de las Técnicas de Acoplamiento en RFID. ... 33
2.3 Proceso de Diseño de las Antenas de RFID. ... 34
2.3.1 Requerimientos de Operación. ... 35
2.3.2 Impedancia del Circuito Integrado ... 36
2.3.3 Propuesta del Diseño de la Antena. ... 37
2.3.4 Proceso de Simulación. ... 37
2.3.5 Proceso de Optimización. ... 40
vii
2.4 Conclusiones... 45
Referencias. ... 46
Capítulo 3 Propuestas de Diseño de Antenas de RFID. ... 50
3.1 Requerimientos para las Antenas. ... 51
3.2 Propuestas de Diseño. ... 51
3.3 Optimización. ... 57
3.2.1 Prueba del Algoritmo Genético. ... 63
3.2.2 Optimización de las Antenas Propuestas. ... 66
3.4 Conclusiones... 71
Referencias. ... 73
Capítulo 4 Construcción y Caracterización de las Antenas. ... 74
4.1 Construcción de los Prototipos. ... 74
4.2 Proceso de Medición de la Impedancia. ... 75
4.2.1 Calibración del Sistema de Medición. ... 76
4.2.2 Medición de la Impedancia. ... 77
4.2.3 Análisis y Discusión de los Resultados... 78
4.3 Medición del Patrón de Radiación y Ganancia... 83
4.4 Conclusiones... 88
Referencias ... 89
Conclusiones Generales. ... 90
Trabajo Futuro. ... 91
Bibliografía. ... 93
Apéndice I. Como Crear Funciones Para la Manipulación de HFSS con Matlab. ... 94
Apéndice II Configuración del Programa del Algoritmo Genético. ... 97
viii
Índice de Figuras
Figura. 1-1 Sistema de Tecnología RFID. ... 3
Figura. 1-2 Componentes de una etiqueta RFID de UHF. ... 4
Figura. 1-3 Esquema del Principio de Operación del Sistema RFID. ... 5
Figura. 1-4 Intercambio de datos Lector-Etiqueta [6] ... 5
Figura. 1-5 Circuito Equivalente del Acoplamiento de Impedancias. ... 9
Figura. 1-6 Impedancia de la Antena y CI y su relación con el ancho de banda de operación de la etiqueta [11]. ... 11
Figura. 1-7 Carta de Impedancia con el Coeficiente de Transferencia de Energía ... 12
Figura. 1-8 Relación Ganancia-Coeficiente de Transferencia de Energía, en el Campo de Lectura. ... 13
Figura. 2-1 Parámetros Físicos de una MLA. ... 17
Figura. 2-2 . Ejemplo de diseño de una MLA utilizando una matriz de puntos. ... 18
Figura. 2-3 Ejemplos de MLA. Antena (a) propuesta en [11], (b) propuesta en [4] y (c) propuesta en [15] . ... 19
Figura. 2-4 Configuración Básica de una IFA. ... 20
Figura. 2-5 Esquema General de una PIFA. ... 21
Figura. 2-6 Ejemplos de IFA y PIFA en RFID. ... 22
Figura. 2-7 Configuración de una Antena de Ranura ... 23
Figura. 2-8 Ejemplo de una Antena de Ranura. ... 23
Figura. 2-9 Ejemplo de una Antena de Texto ... 24
Figura. 2-10 Acoplamiento T. ... 26
Figura. 2-11 Circuito Equivalente del Acoplamiento T. ... 26
Figura. 2-12. Variación de la impedancia de la antena en relación a sus dimensiones. (a) Resistencia, (b) Reactancia. ... 29
Figura. 2-13 Acoplamiento Inductivo ... 30
Figura. 2-14 Circuito Equivalente del Acoplamiento Inductivo ... 30
Figura. 2-15 Parámetros del Bucle. ... 31
Figura. 2-16 Variación de la impedancia de la antena en relación a sus dimensiones (a) Resistiva, (b) Reactiva. ... 33
Figura. 2-17 Evolución de las Antenas de RFID. ... 34
Figura. 2-18 Diagrama del Proceso de Diseño para Antenas de RFID. ... 35
Figura. 2-19 Método de Calibración Utilizando Conectores SMA de 50 ... 36
Figura. 2-20 Métodos Numéricos y Programas de Simulación. ... 38
Figura. 2-21 Ajuste de Mallas en el HFSS. ... 39
Figura. 2-22 Configuración para la Medición de Impedancia Utilizando Plano de Tierra ... 43
Figura. 2-23 Diagrama del Análisis de un Dipolo Asimétrico [43]. (a) Corrientes Presentes, (b) Voltaje Diferencial, (c) Equivalencia de puertos, (d) Red Equivalente de dos Puertos. ... 44
Figura. 3-1 Reactancia Teórica al Variar los Parámetros de un Bucle Rectangular. ... 52
Figura. 3-2 Diseño de la Antena 1, Obtenido al variar sus dimensiones. ... 53
Figura. 3-3 Resultados de Simulación de la Antena 1, (a) Parámetro S11, (b) Patrón de Radiación. ... 53
Figura. 3-4 Antena 2. Propuesta de Diseño. ... 54
Figura. 3-5 Resultados de Simulación de la Antena 2, (a) Parámetro S11 (b) Patrón de Radiación ... 54
Figura. 3-6 Antena 3. Propuesta con Logotipo México ... 55
Figura. 3-7 Parámetro S11 de la Antena "México" ... 56
Figura. 3-8 Diagrama de Flujo del Programa del Algoritmo Genético. ... 57
Figura. 3-9 Diagrama Esquemático de la Operación del Algoritmo Genético ... 60
ix
Figura. 3-11 Simulación de una Antena con Valores Dados por el Algoritmo Genético. ... 61
Figura. 3-12 Datos Exportados por el Simulador. ... 62
Figura. 3-13 Antena 4. Generada por el Algoritmo Genético ... 64
Figura. 3-14 Impedancia de Entrada de la Antena 4. ... 64
Figura. 3-15 Resultados de Simulación de la Antena 4, (a) Parámetro S11, (b) Patrón de Radiación. ... 66
Figura. 3-16 Antena 2 Optimizada. ... 67
Figura. 3-17 Resultados de Simulación de la Antena 2 optimizada, (a) Parámetro S11, (b) Patrón de Radiación. ... 67
Figura. 3-18 Antena 3 Después del Proceso de Optimización... 69
Figura. 3-19Resultados de Simulación de la Antena 3 después de la Optimización, (a) Parámetro S11, (b) Patrón de Radiación. ... 69
Figura. 4-1 Antenas Construidas sobre FR4. ... 75
Figura. 4-2 Cable Semirrígido Utilizado en la Técnica de Medición Diferencial ... 76
Figura. 4-3Método de Calibración, (a) Diagrama de Calibración del Sistema, (b) Arreglo conectado al Analizador de Redes. ... 77
Figura. 4-4 Conexión de las Antenas al Arreglo ... 78
Figura. 4-5 Impedancia Medida de la Antena 1, (a) Reactancia y (b).Resistencia ... 79
Figura. 4-6 Impedancia Medida de la Antena 2, (a) Reactancia y (b).Resistencia. ... 80
Figura. 4-7 Impedancia Medida de la Antena 3, (a) Reactancia y (b).Resistencia. ... 81
Figura. 4-8 Impedancia Medida de la Antena 4, (a) Reactancia y (b).Resistencia. ... 82
Figura. 4-9 Antena con Stub Calculado para acoplar 50 con 6.45+j206 ... 83
Figura. 4-10 Prototipo de Antena con Stub. ... 84
Figura. 4-11 Parámetro S11 de la Antena con el Stub. ... 84
Figura 4-12 Esquema de medición del patrón de radiación. ... 85
Figura. 4-13 Medición del Patrón de Radiación y Ganancia. (a) y (b) Antenas Separadas por a 1.5 metros, (c) Antena colocada para girar, (d) Generador de Funciones y Radiorreceptor ... 86
Figura. 4-14 Patrón de Radiación Normalizado... 87
Figura III-1. Impedancia normalizada en la carta de Smith. ... 103
Figura III-2 Circulo SWR y admitancia normalizada en la carta de Smith. ... 104
Figura III-3. Cálculo para la separación entre la antena y el Stub ... 105
Figura III-4. Cálculo de la dimensión del Stub. . ... 105
Figura III-5 Cálculo de la separación entre la antena y el Stub (segunda solución) ... 106
x
Índice de Tablas.
Tabla I Comparación de las Etiquetas Pasivas y Activas... 4
Tabla II Circuitos Integrados Comerciales de RFID ... 10
Tabla III Comparación de Diseños de Antenas para RFID ... 25
Tabla IV Parámetros Obtenidos por Simulación de la Antena 1. ... 53
Tabla V Parámetros Obtenidos de la Simulación de la Antena 2 ... 55
Tabla VI Parámetros Obtenidos de la Simulación de la Antena 4. ... 56
Tabla VII Pruebas Realizadas con el Algoritmo Genético. ... 63
Tabla VIII Parámetros de la Antena 4. ... 66
Tabla IX Parámetros de la Antena 2 Optimizada... 68
Tabla X Parámetros Utilizados en la Optimización de la Antena 2... 68
Tabla XI Parámetros Obtenidos de la Antena 3, Después del Proceso de Optimización. ... 70
Tabla XII Parámetros para la Optimización de la Antena 3. ... 70
Tabla XIII Parámetros de las Antenas Diseñadas. ... 71
xi
Abreviaturas.
CI Circuito Integrado. CW Onda Continua.
EPC Código Electrónico de Productos.
FTDT Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo. FEM Método del Elemento Finito.
FIT Técnica de Integración Finita. GA Algoritmo Genético.
HF Alta Frecuencia. IFA Antena de F Invertida.
ISO Organización de Normas Internacionales. MLA Antena Lineal Serpenteada.
MoM Método de los Momentos. NOM Normas Oficiales Mexicanas.
PET Tereftalato de polietileno PIFA Antena Plana de F Invertida.
PIRE Potencia Isotrópica Radiada Efectiva. RCS Sección Transversal de Radar. RFID Identificación por Radiofrecuencia. UHF Ultra Alta Frecuencia.
1
Capítulo 1
Introducción.
La identificación por radiofrecuencia (RFID: Radio Frequency IDentification), es una tecnología aplicada en la identificación de objetos o rastreo. Esta tecnología sustituye el código de barras en el control de inventarios y seguimiento de procesos industriales [1, 2, 3]. Un sistema de identificación con tecnología RFID, consta de un lector, el medio de comunicación y de una etiqueta o transpondedor. La etiqueta se constituye con una antena y un circuito integrado.
La tecnología de RFID opera en las frecuencias siguientes: Frecuencia Baja (LF) (Low Frequency) de 125 a 134 kHz; Frecuencia Alta (HF) (High Frequency) de 13.56 MHz; Frecuencia Ultra Alta (UHF) (Utra High Frequency) de 433 MHz y de 860 a 960 MHz; Microondas de 2.5 GHz y 5.8 GHz. Los sistemas RFID que operan en las bandas de frecuencia LF y HF, funcionan bajo el principio del acoplamiento magnético (campo cercano). Los sistemas que operan en las bandas de frecuencia UHF y microondas funcionan bajo el principio de acoplamiento de campo eléctrico (campo lejano) [4].
2 Los sistemas de RFID para la banda de frecuencia de UHF con alcance entre 3 y 20 metros utilizan una etiqueta pasiva que operan en el intervalo de 860 a 960MHz. La etiqueta normalmente está desactivada, se energiza cuando recibe señal de RF desde un lector, entonces responde con la información almacenada en la memoria del circuito integrado. El alcance de dichos sistemas depende de la ganancia de la antena, la sensibilidad del circuito integrado y del acoplamiento antena-circuito. La ventaja que presentan estos sistemas es el precio, que es alrededor de 0.2 dólar estadounidense [5].
En esta tesis se presenta el desarrollo de antenas para etiquetas pasivas de la tecnología RFID en la banda de frecuencia UHF de 902 a 928 MHz, buscando el óptimo acoplamiento antena-circuito integrado, para alcanzar la máxima transferencia de energía y así conseguir una mayor distancia de detección. La tesis se divide en cuatro capítulos. El primer capítulo presenta un marco de referencia describiendo los aspectos básicos de dicha tecnología, haciendo énfasis en los parámetros de la antena y el acoplamiento antena-circuito integrado.
En el capítulo dos se presentan el estado del arte en el diseño de antenas para etiquetas pasivas para RFID en la banda de UHF y su acoplamiento con el circuito integrado, el objetivos es tener la base para una propuesta de procedimiento de diseño de antenas.
En el capítulo tres describe el diseño de cuatro antenas, cada una con características de acoplamiento diferente, siguiendo los pasos del proceso propuesto, la simulación para obtención de los parámetros de las antenas y la optimización utilizando algoritmos genéticos.
3
1.1
El Sistema de la Tecnología RFID.
La tecnología de RFID es una herramienta de almacenamiento o recuperación remota de datos, utilizada en la identificación de objetos o animales, por medio de radio frecuencia (RF) [3].
El sistema básico de RFID (Figura 1-1) se compone por un lector, el medio de transmisión y la etiqueta. El lector procesa la información que recibe de la etiqueta. El medio de transmisión es el espacio libre. La etiqueta es adherida al objeto a identificar y contiene (en el circuito integrado) el código único de identificación. La unidad de aplicación depende del uso del sistema (rastreo, inventario, control, etcétera).
Figura. 1-1 Sistema de Tecnología RFID.
1.2
Etiquetas Pasivas de RFID.
En la norma ISO/IEC 19762-3 [6] se define la etiqueta pasiva como un dispositivo RFID que refleja la señal po tado a p o e ie te del le to ; este tipo de etiquetas no cuenta con una fuente de alimentación (no tienen batería) por lo que obtiene la energía de la señal de RF que envía el lector.
4 Tabla I Comparación de las Etiquetas Pasivas y Activas
Parámetros. Pasivas Activas
Fuente de Alimentación Señal de RF del lector Interna de la Etiqueta
Batería NO SI
Costo 0.20 a 0.5 dólares Más de 20 dólares
Vida Útil Más de 20 Años De 2 a 5 Años
Campo de Operación 10cm a 20 m De 100 a 225m
Almacenamiento de Datos 128 Bytes de Lectura/Escritura
Arriba de 128Kb de Lectura/Escritura.
Los componentes de una etiqueta de RFID se muestran en la figura 1-2. El circuito cuenta con una memoria ROM que almacena el código único el cual se envía al lector para ser identificar la etiqueta [4]; la antena se encarga de recibir la señal del lector y enviar la información almacenada en el CI; el sustrato se encarga de mantener fijos y acoplados (físicamente) la antena-circuito integrado, para muchas aplicaciones es flexible
Figura. 1-2 Componentes de una etiqueta RFID de UHF.
1.2.1 Principio de Operación de los Sistemas Pasivos.
5 En la figura 1-3 se esquematiza el funcionamiento de un sistema RFID pasivo. El lector envía una señal con una potencia que incide en la antena de la etiqueta, produciendo una diferencia de potencial en las terminales de la antena. El potencial alimenta al circuito integrado, el cual genera una señal variando su impedancia que es enviada al lector por medio de la antena. El intercambio de datos entre la etiqueta y el lector se puede emplear diferentes tipos de modulación y codificación [9].
Figura. 1-3 Esquema del Principio de Operación del Sistema RFID.
El intercambio de datos entre la etiqueta y el lector se muestra en la figura 1-4. En el intervalo de tiempo de una trama se tiene una onda continua (CW) y una señal modulada (Solicitud de Respuesta). En el período de la señal continua la etiqueta envía la respuesta por medio de la técnica de retroesparcimiento, en donde se presenta la variación del RCS debido al acople y desacople de impedancias que realiza el circuito integrado.
6
1.2.2 Antenas en el Sistema RFID Pasivo.
El tipo de antena de la etiqueta pasiva está relacionado con su aplicación, por ejemplo: el tipo de material al cual se adherirá la etiqueta, las dimensiones del objeto que se desea identificar y la frecuencia de operación [10]. En forma general sus características pueden ser: delgadas, flexibles, con una impedancia estable (en la frecuencia de operación, con conectores adecuados al CI, tamaño reducido (respecto a la longitud de onda), entre otros [11].
1.2.3 Parámetros Importantes en las Antenas de Etiquetas de RFID Pasivas.
En el diseño de las antenas para etiquetas de RFID pasivas el aspecto fundamental es su cobertura, que la define principalmente: la distancia máxima de lectura, la ganancia y el acoplamiento de impedancias antena-circuito integrado.
1.2.3.1 Distancia Máxima de Lectura.
La distancia máxima de lectura se puede calcular por medio de la ecuación de Friis para el espacio libre [12]:
Donde:
Distancia máxima de operación (m).
= PIRE es la potencia (W) y la ganancia de la antena del lector (valor numérico)
Longitud de Onda en (m)
Ganancia de la antena de la etiqueta (adimensional).
7 Coeficiente de transferencia de energía (sin unidades).
Donde el coeficiente de transferencia de energía es:
Donde:
impedancia del circuito integrado de la etiqueta Ω .
impedancia de la antena de la etiqueta Ω.
La potencia PIRE se especifica por las normas locales o nacionales. En México se tiene la NOM-121 que es una norma oficial mexicana de la comisión federal de telecomunicaciones [13], donde se especifica 4 W o 36dBm de potencia PIRE para la banda de frecuencia donde operan los sistemas de RFID pasivos (902 a 928 MHz). Esta potencia es un punto de referencia importante para determinar la ganancia de la antena a una determinada distancia con un coeficiente de máxima transferencia de energía menor o igual a 1.
1.2.3.2 Ganancia.
8 La potencia recibida por la etiqueta se determina por:
Donde es la apertura equivalente de la antena se determina por:
Donde es la ganancia de la etiqueta y la longitud de onda.
Agrupando las ecuaciones anteriores se determina la potencia recibida en la etiqueta la cual está dada por:
En donde, representa la potencia de recepción de la etiqueta, la potencia de transmisión del lector y la ganancia del lector.
La densidad de potencia que recibe el lector cuando la etiqueta responde se puede calcular por:
En donde es la distancia de la etiqueta al lector. A partir de la ecuación (1.7) podemos calcular la potencia que recibe el lector teniendo que:
Entonces
9 Como se puede observar de (1.10) para una frecuencia determinada, la potencia recibida por el lector es inversamente proporcional a la distancia a la cuarta y directamente proporcional al cuadrado de la ganancia de la antena de la etiqueta. Entonces para tener la máxima distancia de lectura el único parámetro a controlar es la ganancia de la antena de la etiqueta, de aquí su importancia.
1.2.3.3 Acoplamiento de Impedancias.
En la etiqueta de RFID pasiva el acoplamiento de impedancias entre la antena-CI determinan su funcionamiento óptimo. El circuito equivalente que representa dicho acoplamiento se muestra en la figura 1-5.
Figura. 1-5 Circuito Equivalente del Acoplamiento de Impedancias.
10 Tabla II Circuitos Integrados Comerciales de RFID
Modelo Impedancia de Entrada a 915MHz (Ω)
Texas Instruments Gen 2 13.5-j60
Philips EPC 1.19 Gen 2 17.5-j332.6
Atmel ATA5590 6.7-j206
ST XRA00 6.7-j198
El comportamiento del acoplamiento de impedancias entre una antena y el CI se muestra en la figura 1-6, donde se tiene la impedancia de la antena y el CI (grafica superior) y la respuesta de potencia de la etiqueta (grafica inferior) en función de la frecuencia. La máxima respuesta de potencia (resonancia de la etiqueta) se obtiene en el punto de acoplamiento de impedancias óptimo, que es el cruce cuando la reactancia del CI es igual a la reactancia de la antena ( )
Para cuantificar el acoplamiento existente, de acuerdo al circuito equivalente de la figura 1-5, donde:
impedancia del circuito integrado. (Ω
11 Figura. 1-6 Impedancia de la Antena y CI y su relación con el ancho de
banda de operación de la etiqueta [11].
La potencia disponible ( ) que incide en el CI generada por la antena está dada por:
Donde es la potencia disponible en la antena y es el coeficiente de transferencia de energía el cual se puede graficar por medio de una carta de impedancia compleja.
El coeficiente de transferencia de energía puede graficarse como una carta de Smith, para ello se normalizan las impedancias respecto a la parte real de la impedancia del CI ( ) Siguiendo el procedimiento realizado para obtener una carta de Smith en la parte real se tiene [10]:
Donde:
12 Resistencia normalizada
Factor de resonancia del CI para una frecuencia dada y una potencia recibida.
Graficando la impedancia normalizada para un factor de resonancia del circuito integrado igual a 10 e igual a 20 se obtiene la figura 1-7, donde se pueden observar los círculos del coeficiente de transferencia para diferentes valores. El acoplamiento óptimo se obtiene cuando y cuando el desacoplamiento es máximo.
[image:26.595.148.403.283.500.2]Figura. 1-7 Carta de Impedancia con el Coeficiente de Transferencia de Energía
1.2.3.4 Análisis de la Relación Ganancia-Acoplamiento en el Campo de Lectura.
13 establecida en la NOM-121). Variando la ganancia de la antena de 0 a 2 dB y el coeficiente de transferencia de energía de 0 a 1 se obtiene la grafica de la figura 1-8.
En la figura 1-8 se puede observar que la máxima distancia se obtiene con la máxima transferencia de energía y desde luego con la máxima ganancia que se propuso (2 dB). Para ganancias menores aunque el acoplamiento sea máximo la distancia disminuye pero la máxima cobertura siempre se va obtener con un coeficiente de transferencia de energía igual a 1 que es el valor ideal.
14
1.3
Conclusiones.
En este capítulo se describieron las condiciones generales de un sistema de RFID. De la investigación realizada se encontró que una de las formas para mejorar la eficiencia del sistema en general es desarrollar antenas más eficientes, ya que éstos están delimitados por las normas nacionales e internacionales, así como de las características del CI establecidas por los fabricantes.
El sistema depende altamente del coeficiente de transferencia de energía el cual es función directa de las ganancias de las antenas en cuyo caso es uno de los parámetros que se pueden optimizar en el diseño de estos sistemas.
El coeficiente de transferencia de energía se puede mejorar cuando existe un acoplamiento eficiente entre la antena y el CI. Dicho lo anterior parte de las metas de esta tesis es la optimización de la ganancia de la antena así como su acoplamiento en la banda correspondiente con el CI. Como resultado general se obtendrá una optimización en el coeficiente de transferencia de energía y por ende del sistema de RFID en general.
Referencias
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[3] Jari-Pascal Curty, Michel Declercq, Catherine Dehollain, y No e t Joehl, Design and
Opti izatio of Passi e UHF ‘FID “ ste s .Editorial Springer, Lausanne, Switzerland,
2006.
[4] V. Da iel Hu t, Al e t Puglia, a d Mike Puglia, RFID a Guide to Radio Frequency
Ide tifi atio John Wiley & Sons, New Jersey, 2007.
15 [6] ISO/IEC, Information Technology AIDC Techniques- Harmonized Vocabulary, Part 3-
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16
Capítulo 2
El Diseño de Antenas para
Etiquetas RFID Pasivas en la Banda
de UHF.
En este capítulo se estudian los avances en el diseño de antenas para etiquetas pasivas de RFID, que tienen como objetivo mejorar el desempeño general del sistema de RFID [1]. A diferencia de otras tecnologías en donde las antenas se ajustan para obtener impedancias de 50 o 75 Ω [1], las antenas de RFID deben construirse para acoplarse a las impedancias de los circuitos integrados de RFID, los cuales tienen la característica de poseer una resistencia baja (menores a 10 Ω en algunos casos) y reactancias capacitivas del orden de -100 Ω a los -400 Ω [2,3].
De acuerdo con las últimas investigaciones del diseño de antenas de RFID, las características más importantes que se buscan son las siguientes: la antena debe ser pequeña para ser adherida a diferentes objetos, tener un patrón de radiación omnidireccional, proveer la mayor cantidad de energía al CI, ser robusta y barata [4]. Las técnicas de diseño aquí presentadas buscan cumplir con cada una de estas características por medio de técnicas de miniaturización y añadiendo elementos de acoplamiento.
17
2.1
Técnicas de Miniaturización.
Existen diversos tipos de antenas que se utilizan para etiquetas pasivas de RFID, el tipo de antena está relacionado con su aplicación, debido a que no existe una antena perfecta que cubra todas las aplicaciones [5]. Por ejemplo las antenas de parche y las de F invertida son apropiadas para operar en objetos metálicos, ya que pueden ocupar el objeto como su plano de tierra [4,6]. Por otro lado las antenas F invertida y dipolos modificados (Serpenteadas, dipolos doblados) pueden operar en otros tipos de materiales como pueden ser, madera, cartón, plásticos, etc. [4].
2.1.1. Antenas Lineales Serpenteadas.
Una Antena Lineal Serpenteada o MLA, por sus siglas en inglés, es una propuesta atractiva para la reducción de tamaño y costo de las etiquetas de RFID [7,8]. Este tipo de antenas por medio de sus dobleces, generan reactancias capacitivas e inductivas, variando la impedancia de entrada de la antena y permitiendo que resuenen a frecuencias más bajas que un dipolo básico con dimensiones similares (largo y ancho). Esto permite ajustar el acoplamiento con los CI de RFID [9, 10] a una frecuencia dada.
Tomando como referencia la figura 2-1, los parámetros de una MLA son:
número de vueltas.
[image:31.595.227.406.586.720.2]Longitud de los segmentos verticales (h) y horizontales (w).
18 Un método básico para la construcción de MLAs [11] es hacer una matriz de puntos en un área delimitada como se aprecia en la figura 2-2. El punto donde se debe colocar la carga debe ser en uno de los extremos debido a que se generará al final una matriz espejo y la carga debe estar entre estas dos matrices.
Para llevar el orden de las posibles combinaciones, todos los puntos son numerados y se aplican las siguientes reglas [11]:
Se consideran como puntos de partida aquellos localizados en el extremo de la matriz (debido a que es el punto de conexión con el CI).
La línea serpenteada sólo puede pasar una vez por cada punto. Se deben cubrir todos los puntos.
Cada posible estructura obtenida con la unión de estos puntos permitirá encontrar una que se ajuste a la impedancia del CI. Este método básico puede ser mejorado aplicando algoritmos de optimización, incrementando el número de posibles estructuras.
Figura. 2-2 . Ejemplo de diseño de una MLA utilizando una matriz de puntos.
19
(a) (b)
[image:33.595.93.509.73.296.2](c)
Figura. 2-3 Ejemplos de MLA. Antena (a) propuesta en [11], (b) propuesta en [4] y (c) propuesta en [15] .
La antena de la figura 2-3 (a) realizada por Naobumi Michishita y Yoshihide Yamada [11] por medio del serpenteo y un sustrato con una = 10, permite obtener una antena con dimensiones de 1.26 x 1.57 cm que opere en los 953 MHz (que representa el 5% de la longitud de onda en la frecuencia de operación). Se reporta una ganancia de -2.8 dB.
La antena de la figura 2-3 (b), es una propuesta pensada para procesos más comerciales [12] (cajas de cartón); aplicando el serpenteo asimétrico (la parte derecha e izquierda de la antena no son iguales) se conservan algunas impedancias parásitas (los elementos de un extremo no se anulan con el otro) que permite el acoplamiento con el CI de RFID. Las dimensiones de esta antena son de 1.57 x 7.57 cm; reporta una ganancia de 1.5 dB
20
2.1.2 Antenas de F Invertida.
Otro tipo de antena utilizada en la tecnología de RFID es la F invertida (IFA por sus siglas en ingles); consiste generalmente de un elemento rectangular, localizado sobre un plano de tierra, un pin en corto circuito y un mecanismo de alimentación para el elemento rectangular (figura 2-4) [16].
El diseño de las IFA es una variante de una antena monopolo (como se muestra en la figura 2-4) [16] donde la parte superior es un doblez que genera capacitancias parásitas, las cuales se reducen a través de un elemento abierto. Esto permite el acoplamiento con los circuitos integrados de RFID y reduce el tamaño que se requeriría en un monopolo normal.
Figura. 2-4 Configuración Básica de una IFA.
21 Figura. 2-5 Esquema General de una PIFA.
Las dimensiones de una antena PIFA de se determina por medio de (2.1):
Cuando :
y Cuando :
Estas ecuaciones nos permiten determinar una PIFA con la limitante de solo reducir la antena a un cuarto de la longitud de onda, por lo que se han propuesto distintos diseños, que permiten la reducción por debajo de [4].
22 modificación del esquema general, al cual se le agrega otro doblez; sus dimensiones son 4 x 3.9 x 0.4 cm y se reporta una ganancia de 1.2 dB [16].
(a)
(b)
Figura. 2-6 Ejemplos de IFA y PIFA en RFID.
En este tipo de propuestas se agregan elementos parásitos que reducen el tamaño total de la antena y permiten el acoplamiento con el circuito integrado.
2.1.3 Antenas de Ranura.
Las antenas de ranura son otra propuesta para las etiquetas de RFID, usadas en algunos casos para identificación de seres humanos [17, 18]. El diseño básico se muestra en la figura 2-7. Este diseño tiene una gran capacidad para acoplarse a los CI aún en presencia de objetos con una gran permitividad (debido a la reactancia inductiva de la ranura) [18].
23 ganancia máxima de la antena, ie t as ue a pe ite ajusta la i peda ia
de entrada.
Figura. 2-7 Configuración de una Antena de Ranura
[image:37.595.216.378.122.288.2]En la figura 2-8 se muestra un ejemplo de una antena con múltiples ranuras [20]; sus dimensiones son 5 x 7 cm con una ganancia de 1.7 dB.
Figura. 2-8 Ejemplo de una Antena de Ranura.
2.1.4 Antenas Tipo Texto
24 El ejemplo que se muestra en la figura 2-8, mantiene la forma de las letras, unidas por la parte inferior. Como este existen diversos ejemplos los cuales se vuelven complejos de analizar.
Figura. 2-9 Ejemplo de una Antena de Texto
2.1.5 Comparación de los Diseños de Antenas de RFID.
25 Tabla III Comparación de Diseños de Antenas para
RFID Tipo de Antena Frecuencia de Operación (MHz) Ganancia (dB)
Alto (cm) Largo(cm) Área
Total
(cm2)
MLA 953 -2.8 1.57 1.26 1.97
MLA 915 1.5 1.57 7.87 12.35
IFA 870 1 2.5 5.9 14.75
PIFA 915 1.2 4 3.9 15.6
Texto 806 0.85 1.5 10.5 15.75
MLA 915 1 1.57 7.4 11.61
Ranura 912 1.7 5 7 35
En este trabajo de tesis, nos centraremos en las MLA por que presentan una mejor ganancia sin requerir de una gran cantidad de cobre (lo que reduce los gastos de fabricación).
2.2
Técnicas para el Acoplamiento de Impedancias.
El acoplamiento de impedancias relaciona la energía electromagnética trasferida de un medio a otro; en el caso de las etiquetas de RFID, se da de la antena al circuito integrado [24]. Para una máxima transferencia de energía entre la antena y el circuito integrado la impedancia debe estar acoplada, es decir que la parte real de las impedancias deben ser iguales; las partes reactivas, iguales en magnitud pero opuestas en signo.
26
2.2.1 Acoplamiento T
[image:40.595.108.493.218.442.2]El acoplamiento T, consta de un dipolo con un largo y ancho que es conectado al Circuito Integrado por medio de otro dipolo de largo y ancho separados a una distancia como se muestra en la figura 2-10. El circuito equivalente para el cálculo de la impedancia se muestra en la figura 2.11 [24].
Figura. 2-10 Acoplamiento T.
Figura. 2-11 Circuito Equivalente del Acoplamiento T.
Para el análisis de esta configuración, consideramos que el sistema es balanceado y puede ser dividido en dos modos: el modo de línea de transmisión y el modo de antena. Este tipo de análisis permite calcular la impedancia de entrada. La ecuación que la representa es la siguiente [24]:
Donde:
Resistencia de entrada. Ω
27 Impedancia de entrada en modo de línea de transmisión Ω
Constante de propagación de onda. Impedancia Característica. Ω
Longitud del segundo dipolo. (m) Impedancia de la Antena. Ω
Resistencia de la Antena. Ω
Reactancia de la Antena. Ω Factor de División de Corriente
Ancho del primer Dipolo (m) Ancho del segundo dipolo (m)
En (2.4), consideramos la impedancia en los dos modos y un factor de división de corriente.
La impedancia de la antena, tanto real como imaginaria, se obtiene de las ecuaciones [24]:
Donde representa la constante de Euler, representa el ancho del conductor, y son integrales de seno y coseno de propósito específico [24].
En (2.5) y (2.6) vemos que la impedancia de la antena depende del largo y de la constante de propagación de onda, la cual está asociada a la longitud de onda.
28 En este caso, se considera el ancho de los dos conductores ( ) y la separación entre ellos ( ).
Por medio de (2.4), podemos calcular la impedancia al realizar variaciones en la antena (en el largo o separación de los dipolos). Para analizar el comportamiento se propone una antena con acoplamiento T calculada para media longitud de onda a una frecuencia de 915 MHz ( cm). La respuesta se muestra en la figura 2-12 (a) para la parte resistiva y 2-12 (b) para la reactiva.
En las gráficas, uno de los ejes representa la variación de la longitud del segundo dipolo ( ), el otro eje la separación entre los dos dipolos (s) y el último representa la resistencia ( ) y reactancia ( ) respectivamente.
29 (a)
(b)
Figura. 2-12. Variación de la impedancia de la antena en relación a sus dimensiones. (a) Resistencia,
(b) Reactancia.
2.1.2 Acoplamiento Inductivo.
El acoplamiento inductivo es una técnica empleada en antenas pequeñas [27], que por medio de un bucle y un elemento reflector permiten adaptarse a diferentes impedancias (figura 2-13). Su circuito equivalente se muestra en la figura 2-14.
(cm)
(cm)
30 Figura. 2-13 Acoplamiento Inductivo
Figura. 2-14 Circuito Equivalente del Acoplamiento Inductivo
Como se puede apreciar en la figura 2-14 el acoplamiento se puede analizar como si fuera un transformador. Para calcular la impedancia de entrada utilizamos [28]:
Resistencia de entrada. (Ω) Reactancia de entrada. (Ω) Impedancia del aro. (Ω) Frecuencia. (Hz)
Inductancia Mutua. (H) Impedancia de la Antena. (Ω)
31 Donde es la inductancia del bucle. Las ecuaciones dependen de si a y b son iguales (aro cuadrado) o diferentes (bucle rectangular). En la figura 2.15 se muestran los parámetros que se requieren para el cálculo .
Figura. 2-15 Parámetros del Bucle.
Para el bucle rectangular tenemos [28]:
En caso de un bucle cuadrado se tiene: [28]
Donde:
Ancho del conductor de bucle. (m)
Para obtener la inductancia mutua en este tipo de estructuras se utiliza (2.12) [29] que relaciona las dimensiones del bucle y la separación con el reflector.
b
32 Para obtener se utilizan (2.5) y (2.6) como en el caso del acoplamiento T.
En los casos donde el reflector está en resonancia, la reactancia total de entrada depende solamente de la inductancia del bucle, mientras que la resistencia está relacionada con la inductancia mutua (M) entre el bucle y el reflector [27].
En donde es la frecuencia de resonancia del reflector.
Podemos analizar el comportamiento del acoplamiento inductivo utilizando (2.8).
Para una antena que opere a 915 MHz (donde cm) y con un bucle cuadrado se realizan variaciones tanto en a, b y s, con el propósito de observar el comportamiento, dando como resultado las gráficas mostradas en la figura2-16 (a) para la parte resistiva y 2-16 (b) para la reactiva.
33 (a)
[image:47.595.155.500.71.451.2](b)
Figura. 2-16 Variación de la impedancia de la antena en relación a sus dimensiones (a) Resistiva, (b) Reactiva.
2.1.3 Aplicación de las Técnicas de Acoplamiento en RFID.
Las técnicas antes mostradas se han aplicado en la tecnología RFID ante la necesidad de un método que permita el acoplamiento con el circuito integrado. Por ejemplo, en la evolución de las antenas de RFID (Figura 2-17) [30] podemos apreciar que se partió de un modelo básico de Acoplamiento T, al que se le fueron agregando elementos parásitos y posteriormente elementos de serpenteo para culminar con una técnica de acoplamiento inductivo combinado con el serpenteo.
(cm)
(cm)
(cm)
34 Figura. 2-17 Evolución de las Antenas de RFID.
2.3
Proceso de Diseño de las Antenas de RFID.
35 Figura. 2-18 Diagrama del Proceso de Diseño para
Antenas de RFID.
2.3.1 Requerimientos de Operación.
El primer bloque del proceso de diseño nos permite determinar los parámetros que deseamos de la antena para la etiqueta de RFID, como pueden ser:
1. Frecuencia de operación: Puede cubrir todo el espectro de UHF de 850 a 950 MHz, o reducirlo para operar conforme a las normas de alguna región en específico.
2. Distancia de lectura máxima: Dependerá de las necesidades. Para algunas aplicaciones se pueden considerar de uno a tres metros, pero para otras se puede buscar que alcancen los 15 m.
36 4. Costos: Uno de los objetivos de las antenas RFID antes mencionados es el costo reducido [4], este requerimiento limita algunas opciones, por ejemplo el tipo de material a utilizar y el tipo de diseño, ya que mientras más raro el material, la cantidad que se utilice o entre más complejo sea su proceso de fabricación, el costo aumenta [1].
Definir estos objetivos al principio del diseño, nos permite tener una idea clara del tipo de antenas que propondremos y la complejidad del mismo.
2.3.2 Impedancia del Circuito Integrado
Conocer la impedancia del circuito integrado, así como su sensibilidad es fundamental para obtener el mejor desempeño posible de la etiqueta de RFID [31]. En especial la impedancia del CI, ya que la antena se debe ser diseñada para acoplarse a ésta.
Los valores de impedancia de los CI se obtienen normalmente del fabricante, por medio de la hoja de datos, aunque con el inconveniente de que solo se muestra una o dos frecuencias. Existen pocos esfuerzos por obtener un método de medición de la impedancia y sensibilidad del CI, uno de ellos es el propuesto por Pavel V. Nikitin y K. V. Seshagiri Rao en [31]. El cual por medio de conectores SMA, dispuestos en corto, abierto y con una carga de 50 (Figura 2-19), calibran un analizador de redes vectoriales, con el cual se puede caracterizar los CI.
37 Como el objetivo de este trabajo se centra en el diseño de las antenas, no se hará mucho hincapié en la medición de los CI y se usaran los datos mostrados en la tabla II.
2.3.3 Propuesta del Diseño de la Antena.
Debe considerarse que las dimensiones máximas de la antena repercuten en la ganancia y ancho de banda máximos que se pueden obtener [32], por lo que se tiene el compromiso, mantener las dimensiones máximas y satisfacer los requerimientos planteados.
En cuanto a las propuestas de diseño, se pueden emplear los métodos descritos en 2.1, que permiten miniaturizar antenas y acoplarse a los CI. La selección del tipo de diseño se tomará a partir de las necesidades de la aplicación.
2.3.4 Proceso de Simulación.
El análisis de antenas de RFID (al igual que en otros tipos de antenas), se hace por medio de modelos electromagnéticos y herramientas de simulación electromagnética [4,12].
38 En la figura 2-20, se muestran algunos ejemplos de simuladores electromagnéticos, agrupados por el método numérico que emplean. Para este trabajo de tesis se utilizaron los simuladores HFSS y CST Studio, basados en el FEM y la FIT respectivamente, que han sido empleados en varios diseños de antenas de RFID.
Figura. 2-20 Métodos Numéricos y Programas de Simulación.
2.3.4.1 Simulador Electromagnético HFSS
El simulador HFSS propiedad de la compañía ANSYS, es una herramienta de simulación, que permite la creación de modelos en tercera dimensión, utilizando el método del elemento finito (FEM) para resolver las ecuaciones de Maxwell [32]. La principal ventaja de utilizar FEM para resolver ecuaciones diferenciales parciales, recae en la habilidad de construir bloques básicos, usados para discretizar los modelos y convertirlos a geométricas arbitrarias.
39 Figura. 2-21 Ajuste de Mallas en el HFSS.
Cabe señalar que utilizar el FEM para resolver problemas electromagnéticos, es respaldado por diferentes normas desde el año 1990 lo que avala los resultados obtenidos por medio de este simulador basado en FEM [32].
2.3.4.2 Simulador Electromagnético CST Studio
Otra herramienta de simulación de estructuras en tercera dimensión es el simulador CST Microwave Studio, desarrollado en 1971 por Weiland. Se basa en la técnica de integración finita donde propone una reformulación de las ecuaciones de Maxwell en su forma integral. Este método provee de una herramienta aplicable a distintos problemas electromagnéticos, que van de cálculos de campos estáticos a aplicaciones de alta frecuencia en el dominio del tiempo [33]. Como otros métodos numéricos, FIT discretiza las ecuaciones de Maxwell y al igual que el HFSS genera mallas para analizar el sistema, aunque no de forma automática.
40
2.3.5 Proceso de Optimización.
Una vez, que se consigue una antena que se acople al CI, ya sea por el diseño propio de la antena o por aplicar una técnica de acoplamiento (T o inductivo), se procede a optimizar la antena. Este proceso se realiza para mejorar aquellos puntos en los que el proceso de prueba y error llevaría una mayor cantidad de tiempo o en los que a pesar de obtener algún acoplamiento, este no consiga acercarse a los requerimientos planteados.
La optimización de las antenas de RFID envuelve una gran cantidad de parámetros. Estos parámetros incluyen las diferentes dimensiones que conforman una antena, en el caso de las MLA, el número de serpenteos, el ancho y alto de cada sección, y en caso de requerir de una técnica de acoplamiento se debe incluir el tamaño del bucle, o del acoplamiento T. La meta de los métodos de optimización es el de encontrar una solución que nos permita obtener los mejores parámetros (ancho de banda, ganancia, etc.) [34].
Para el proceso de diseño propuesto, nos enfocaremos en el método de optimización por algoritmos genéticos (GA).
41
2.3.5.1 Algoritmos Genéticos
Los avances en la computación en los años 90 permitieron realizar el proceso de optimización de dispositivos electromagnéticos por medio de algoritmos genéticos (GA) [36]. La idea básica, inspirada en los procesos evolutivos, es que el contenido genético de una población puede tener potencialmente la solución, o una solución mejor, a un problema dado de optimización [37].
La ventaja que tienen los GA, es que mientras la mayoría de los otros métodos operan sobre una única solución, estos GA operan en una población de soluciones. Este método considera una serie de posibles soluciones, basado en la variación de parámetros ya sean dimensiones o tipos de materiales. La aplicación más estudiada de los GA en electromagnetismo se centra en el diseño de antenas, donde se ha utilizado para optimizar el desempeño de antenas ya estudiadas como la tipo Yagi y Reflectoras [38]. En todos los casos se busca una solución optimizada de algún parámetro o parámetros en específico (como pueden ser el ancho de banda, la ganancia o el acoplamiento de impedancias que es el caso de este trabajo).
Un algoritmo genético consiste en una función matemática o una rutina de software que toma como entradas a los ejemplares y retorna como salidas cuáles de ellos deben generar descendencia para la nueva generación.
Versiones más complejas de algoritmos genéticos generan un ciclo iterativo que directamente toma a la especie (el total de los ejemplares) y crea una nueva generación que reemplaza a la antigua, una cantidad de veces determinada por su propio diseño. Una de sus características principales es la de perfeccionar su propia heurística en el proceso de ejecución, por lo que no requiere largos períodos de entrenamiento especializado por parte del ser humano; principal defecto de otros métodos para solucionar problemas como los Sistemas Expertos.
Otras ventajas de los algoritmos genéticos son las siguientes:
Opera con un grupo (o población) de soluciones de forma paralela.
42 Usa operadores estocásticos (Selección, Cruza y Mutación) para explorar las posibles soluciones y obtener la óptima.
Para comprender mejor la operación de los GA, se utilizan los siguientes conceptos para referirse a ciertas operaciones o componentes del sistema:
Población: Conjunto de soluciones
Padres: Miembros de la generación en proceso Hijos: Miembros de la siguiente generación Generaciones: Poblaciones creadas
Cromosomas: Formado por genes, contiene los patrones que crean al individuo Elitismo: Soluciones que logran destacar de la población, y se aproximan al valor deseado.
Función Objetivo: Es la función matemática la cual se obtiene el valor deseado al que se quiere llegar. Además contiene los elementos que se desean optimizar
Cada uno de estos elementos constituye la mayoría de los GA, de ahí la importancia de entender a que se refieren cada uno de ellos.
2.3.6 Proceso de Caracterización.
Una vez terminado el proceso de simulación, optimización y construcción, se requiere caracterizar la antena de RFID, a fin de comprobar los parámetros finales de la antena. Este paso es importante, ya que se pueden encontrar algunos errores no previstos durante la simulación o en el proceso de optimización.
43 Actualmente existen muchas propuestas para la medición de este tipo de dispositivos, algunos de ellos son:
1. Uso de baluns: El balun es un transformador de impedancias utilizado, principalmente en antenas para conectar un sistema no balanceado con uno balanceado. En RFID se han propuesto para la medición de impedancia de las antenas [40], pero con la desventaja que la precisión de la medición depende de la calidad del balun.
2. Con plano de Tierra: Esta técnica consiste en medir la mitad de la antena (por lo que solo sirve para antenas simétricas) sobre un plano de tierra, para posteriormente procesar los datos y considerar la otra mitad [40]. Es un método preciso pero con el inconveniente de que solo permite la medición de antenas simétricas. Un ejemplo de esta configuración se aprecia en la figura 2-22.
Figura. 2-22 Configuración para la Medición de Impedancia Utilizando Plano de Tierra
3. Método Diferencial: Este método, por medio de la creación de una
tie a i tual entre las terminales de la antena, permite el cálculo de la impedancia utilizando los datos de los parámetros S obtenidos del VNA. Este método tiene la ventaja de permitir la medición de antenas no simétricas, además de considerase preciso [41, 42].
44 La figura 2-23 (a), muestra un dipolo asimétrico balanceado, éste está diseñado con distintas dimensiones y alimentado de forma diferencial. Los puertos (positivo y negativo) de la fuente están conectados a las terminales de la antena. En la figura 2-23 (b) se observa que el voltaje se divide en y con un plano de tie a i tual . E la
Figura 2-23 (c) se considera cada terminal de la antena junto con la tierra, como un puerto. Finalmente en la figura 2-23 (d) podemos observar la antena con una equivalencia a una red de dos puertos. Una vez teniendo este diagrama equivalente, podemos analizarlo con parámetros S:
Figura. 2-23 Diagrama del Análisis de un Dipolo Asimétrico [43]. (a) Corrientes Presentes, (b) Voltaje
Diferencial, (c) Equivalencia de puertos, (d) Red Equivalente de dos Puertos.
De la figura 2-23 (d), la impedancia normalizada de la antena se puede expresar como:
Basados en la definición de los parámetros Z, la relación de la corriente y voltajes se relacionan por:
45 Considerando e , el voltaje diferencial está dado por:
y la impedancia es:
Convirtiendo los parámetros Z en parámetros S y considerando , obtenemos:
Donde es la impedancia característica.
2.4 Conclusiones.
46 Otro punto importante que fue estudiado, son las técnicas de acoplamiento entre la antena y el CI, ya que este último elemento presenta impedancias no estandarizadas y que dependen exclusivamente de los criterios del fabricante. La similitud que existe entre las impedancias de los diferentes CI más comerciales es que presentan una impedancia con valor resistivo muy pequeño y con parte reactiva capacitiva. Por tal motivo el diseño de la antena debe presentar una impedancia con parte real pequeña y con parte imaginaria inductiva.
Por último, se realizó un estudio acerca de los métodos de optimización en el diseño de antenas. Se eligió un método de optimización basado en algoritmos genéticos por su eficiencia y el bajo consumo en el procesamiento de datos. Este proceso se inicia determinando una función objetivo que representa las características y requerimientos que deseamos que cumplan las antenas. A lo largo de la descripción de cada punto del proceso de diseño, se fueron seleccionando las opciones a utilizar, por ejemplo: el simulador electromagnético, el tipo de optimización, el parámetro de la antena, entre otros.
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