Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW

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(1)N° tesis:. PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELECTRÓNICO por. Fredy Ernesto Cañizares Niño. Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. Sustentado el día 23de Junio de 2011frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Juan Carlos Bohórquez Reyes, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes. -. Co-asesor:. Fredy Enrique Segura Quijano, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes. -. Jurados :. Néstor Misael Peña Traslaviña, Profesor Asistente, Universidad de Los Andes Javier Araque, Profesor Asistente, Universidad Nacional de Colombia.

(2) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 2. Contenido 1 2. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 3 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 4 2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 4 2.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 4 2.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 4 3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO .......................... 5 4 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 6 4.1 Sistemas RFID basados en tecnología SAW ........................................................... 6 4.2 Antena para aplicaciones RFID ............................................................................. 10 4.2.1 Alimentación por CPW y GCPW .................................................................... 11 4.2.2 Técnicas de minimización de tamaño ............................................................. 13 5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO .............................................................. 15 5.1 Definición .............................................................................................................. 15 5.2 Especificaciones ..................................................................................................... 16 6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ...................................................................................... 16 6.1 Plan de trabajo ....................................................................................................... 16 6.2 Búsqueda de información ...................................................................................... 17 6.3 Alternativas de desarrollo ...................................................................................... 18 7 TRABAJO REALIZADO .................................................................................................... 23 7.1 Descripción del Resultado Final ............................................................................ 28 7.2 Trabajo computacional .......................................................................................... 30 7.3 Mejoramiento del Ancho de Banda y Conexión del SAW .................................... 33 8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ................................................................................. 38 8.1 Metodología de prueba .......................................................................................... 38 8.2 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 41 8.3 Evaluación del plan de trabajo ............................................................................... 45 9 DISCUSIÓN .................................................................................................................... 46 10 CONCLUSIONES............................................................................................................. 47 11 AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... 48 12 REFERENCIAS ................................................................................................................ 49 13 APENDICES .................................................................................................................... 51 13.1 Diagrama de Gantt ............................................................................................. 51.

(3) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW 1. 3. INTRODUCCIÓN El propósito de este trabajo consiste en el estudio, diseño, fabricación y caracterización de una antena para aplicaciones RFID-SAW. El estudio abarca la teoría básica de los dispositivos SAW teniendo en cuenta su funcionamiento interno y requerimientos. Además la teoría de antenas para aplicaciones RFID es estudiada desde los principios de funcionamiento y diseño hasta las especificaciones que debe tener para lograr el diseño de un sistema eficiente. Aspectos como alternativas de alimentación, tipo de tecnología y técnicas de minimización fueron estudiadas como base para los diseños realizados de las antenas.Dicho estudio realizado a los dispositivos SAWy a las antenas para RFIDtambién busca poder obtener las restricciones propias de las tecnologías,que permitan poder llegar a un prototipo de antena fácilmente integrable al dispositivo SAW. Mediante el estudio, se busca tenerlas bases necesarias para dar con un mejor entendimiento de las tecnologías, de tal forma que el proceso de diseño esté totalmente fundamentado en la teoría de la aplicación requerida. También es necesario poder complementar el entendimiento de la teoría con la simulación de tal forma que el diseño se encuentre completamente respaldado y poder proceder con el proceso de fabricación. De acuerdo a esto, las simulaciones son una primera verificación del diseño realizado. La fabricación y caracterización de la antena permiten tener una segunda verificación de los estudios y diseños. Esta etapa final es muy importante ya que se está validando todo el trabajo realizado. Dicha validación del prototipo permite además enfrentar al diseño con las situaciones y ambientes reales en los cuales va a ser implementado finalmente. Debido a esto, un adecuado protocolo de pruebas es necesario para poder poner a prueba el prototipo ante las circunstancias más importantes y relevantes. De acuerdo a lo anteriormente dicho, todo el proceso permite tener en cuenta aspectos del sensor SAW, de la antena, de la tecnología RFID y además de las posibilidades de ubicación del sistema. Por lo tanto, el resultado debería ser bastante robusto en un amplio rango de posibilidades de operación del sistema. Este trabajo fue orientado hacía aplicaciones de sistemas de seguridad, específicamente sellos de seguridad RFID que necesitan ser ubicados sobre placas metálicas. Por lo tanto, inicialmente fue necesario llevar a cabo una revisión de tecnologías de antenas en las cuales se determinara la más apropiada de acuerdo a sus ventajas y limitaciones..

(4) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW 2. 4. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General -. Diseño de la parte terminal de los sellos de seguridad RFID que van incorporados en las cajas de inventarios para detectar posibles manipulaciones no autorizadas.. 2.2 Objetivos Específicos Los objetivos específicos del proyecto buscan cubrir el estudio de la tecnología de sensores tipo SAW para poder analizar sus requerimientos. En base a estos requerimientos se diseña la antena más apropiada para dicha tecnología. Los objetivos específicos se enuncian a continuación: -. Estudio de sensores tipo SAW orientados a la creación de sellos de seguridad.. -. Generación de las especificaciones eléctricas de la antena.. -. Diseño de una antena compatible con la tecnología SAW.. -. Implementación, prueba y caracterización de la antena.. 2.3 Alcance y productos finales Para el final del proyecto el objetivo final planteado fue tener un prototipo de antena fabricada y caracterizada que validara el diseño realizado. Por medio de la validación se deben poder verificar todos los parámetros de la antena la cual debe operar en la banda usada para aplicaciones RFID y debe poder ser usada como parte terminal de un sello de seguridad. Por medio del trabajo realizado, se logró llegar a un prototipo de antena operando a 920MHz. Esta antena presenta ciertas características importantes y necesarias para aplicaciones RFID de seguridad tales como un tamaño compacto y además poca sensibilidad a la presencia de objetos metálicos que se ubiquen detrás de ella. Estos dos aspectos son bastante importantes en la aplicación de interés ya que el tamaño de la antena es la que va a determinar finalmente el tamaño del sello de seguridad en la mayoría de los casos por lo que se necesita que tenga el menor tamaño posible. Además generalmente dichos sellos de seguridad se piensan para ubicarse afuera de caja metálicas que encierran el objeto u objetos a proteger. Por lo tanto, el.

(5) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 5. desempeño de la antena no debe verse afectado por la presencia de dicho objeto metálico. Como tarea final, se decidió lograr un acercamiento a las técnicas de aumento de ancho de banda para este tipo de antenas. Esta iniciativa surgió debido a la notable reducción del ancho de banda de la antena al tener que ubicarla en frente de objetos metálicos. Es por esto que se llevaron a cabo simulaciones de variaciones de la antena fabricada de tal forma que se tuviera un ancho de banda más amplio y acorde a las especificaciones de la antena.. 3. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO La necesidad de tener sistemas de identificación de diferentes tipos de dispositivos ha ido incrementándose para una gran cantidad de aplicaciones como control de producción, etiquetado de productos, supervisión de entrada o salida de vehículos, detección de robos y adulteraciones no permitidas a inventarios. Ante esta necesidad, los sistemas RFID han mostrado ser una buena alternativa de solución. Además, el uso de la tecnología Surface Acoustic Wave (SAW) ha sido propuesta dentro de los sistemas RFID de tal forma que puedan obtener sellos de seguridad inalámbricos y totalmente pasivos que puedan ser usados en ambientes en los cuales sellos comunes no puedan funcionar correctamente [1]. En el campo de las antenasse han desarrollado una gran cantidad de estudios enfocándose en el tamaño de la antena y buen desempeño cuando detrás de ellas se tienen objetos metálicos [2]. El uso de Printed Inverted-F Antennas (PIFAs) permite diseñar antenas compactas para distintas aplicaciones RFID. Para lograr reducciones de este tipo de antena otros estudios han sido realizados [3] – [5]. Como se ha mencionado, para muchas aplicaciones RFID entre las que se encuentran los sellos de seguridad, uno de los requerimientos consiste en que la antena funcione ante la presencia de objetos metálicos detrás de ella como por ejemplo cajas, carros o contenedores. Para estos casos, las PIFAs pierden eficiencia haciendo que la antena cambie su comportamiento por lo que la estructura de la antena debe ser cambiada para superar estos problemas. Pero este decaimiento en la eficiencia de la antena no ocurre únicamente con las PIFAs, sino con muchos otros tipos de antenas para aplicaciones a RFID. Es por esto, que algunas configuraciones especiales han sido propuestas para poder usar antenas cerca de objetos metálicos [6]-[10]. En general, estos diseños tienen desventajas como lo son una reducción en el ancho de banda y ganancia de la antena, además de un aumento notable en el tamaño de la misma debida al uso de una metalización adicional para contrarrestar el efecto de algún objeto metálico..

(6) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 6. Debido a estos problemas presentes en los diseños de antenas RFID, se decidió en este trabajo llegar a un prototipo de antena compacta montable sobre objetos metálicos. Solucionando estos dos problemas de las antenas RFID para aplicaciones sobre objetos metálicos se podría llegar a tener sellos de seguridad o tags de identificación de menores tamaños e insensibles a objetos metálicos siendo el tamaño del sello crítico en un gran número de aplicaciones. De esta forma se podría llegar a tener sistemas RFID de menor tamaño y mejor desempeño ante dichas aplicaciones.. 4. MARCO TEÓRICO El marco teórico de este proyecto está divido en dos partes principalmente.La primera corresponde a la revisión realizada a la tecnología SAW enfocada a sistemas RFID, importante para el entendimiento del problema y posterior definición de características y restricciones de la antena. La siguiente parte hace referencia al estudio y revisión de tecnologías de antenas para poder elegir la tecnología más apropiada para el diseño final.. 4.1 Sistemas RFID basados en tecnología SAW Los sistemas de identificación inalámbricos cada vez van teniendo más importancia debido a los incrementos de las necesidades de las empresas y las restricciones que presentan de acuerdo a la aplicación particular en la que se desea usar. Por otra parte, la comunicación inalámbrica va siendo más atractiva para la implementación de nuevas tecnologías debido a las grandes ventajas que esta conlleva, especialmente en aplicaciones en donde el uso de cables es un problema como en casos en los que el dispositivo se encuentra en ambientes bastante agresivos que pueden generar daños en los cables, o también en aplicaciones en las cuales el dispositivo de identificación va a estar sobre un objeto que se encuentra en movimiento como por ejemplo un carro, o un inventario durante la línea de producción. En estos casos el uso de sistemas alámbricos hace que sea bastante complicado llegar a un diseño final óptimo. En contraste con estos sistemas alámbricos, se encuentran los sistemas RFID, los cuales ofrecen una gran cantidad de ventajas para la identificación inalámbrica ya que envés de usar cables para su comunicación, se tiene una conexión por medio de un enlace de radio entre un lector y el dispositivo. Esto permite hacer un seguimiento del dispositivo sin importar si se está moviendo o si por el contrario se encuentra estático pero en un ambiente al cual es difícil acceder. Otras características por los cuales estos sistemas son preferidos son su pequeño tamaño, alto desempeño y buena repetitividad.Todas estas características son muy necesarias dentro de las aplicaciones de RFID..

(7) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 7. Los sistemas RFID se pueden diseñar para que operen con distintos rangos de lectura. Los sistemas cuyo alcance se limita a distancias de hasta 1cm son conocidos como sistemas de acoplamiento cerrado. Para la comunicación entre el lector y tag se realiza un acoplamiento del campo eléctrico y magnético en el que teóricamente se podrían usar frecuencias de operación de hasta 30 MHz ya que no hay dependencia de los campos radiados [21].Un ejemplo de estos sistemas son los sistemas de tarjetas inteligentes. Los sistemas con rango de lectura de hasta 1m son conocidos como sistemas de acoplamiento remoto. Para estos sistemas se usan frecuencias de operación por debajo de 135kHz o 13.56MHz [21]. Cuando el rango de lectura se encuentra por encima de 1m el sistema se llama sistemas de largo rango. Para este caso, el sistema opera en la banda UHF y de microondas. En Europa se usa como frecuencia de operación en UHF 868 MHz mientras que en Estados Unidos se usan 915MHz. Además en la banda de microondas se usan las frecuencias 2.5GHz y 5.8GHz [21]. Dentro de los sistemas RFID, hay dos tipos de tecnologías usadas para su implementación. La primera y más ampliamente usada a nivel mundial por fabricantes es aquella basada en dispositivos semiconductores. En este caso, el chip que se implanta en el objeto a identificar está fabricado sobre algún semiconductor. Debido a su naturaleza, los dispositivos semiconductores requieren de una potencia para poder funcionar, es por esto que de la energía enviada al chip para obtener la identificación, parte de ella es usada para poder polarizar el chip. Esto es una desventaja de estos sistemas ya que los hacen menos eficientes en términos delmanejo de la energía. Por otra parte se encuentran los sistemas RFID basados en tecnología SAW o Surface Acoustic Waves. Esta es una tecnología que se encuentra en investigación para este tipo de sistemas y que no se ha llegado a explotar completamente pero que ha mostrado bastantes ventajas con respecto a los sistemas basados en semiconductores. Una de las principales ventajas es el hecho que para polarizar un dispositivo SAW no se necesita una cantidad considerable de potencia, de hecho es mucho menor que la necesaria para polarizar un dispositivo semiconductor. En [11], Harma indica que la operación de dispositivos SAW no requieren de una energía umbral, lo cual da una idea de lo que pequeña que puede llegar a ser la sensibilidad de estos dispositivos por lo que se debe asegurar que una menor cantidad de potencia sea recibida para poder operar correctamente. Otra ventaja bastante importante, es el hecho que este sistema puede usarse en ambientes hostiles para dispositivos semiconductores como por ejemplo, a altas temperaturas o con altos niveles de humedad. Esto es muy importante especialmente en las líneas de producción en donde se pueden dar ambientes de este tipo..

(8) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 8. En la figura 1 se muestra el concepto básico de un sistema RFID basado en tecnología SAW. Son tres los elementos que componen dicho sistema, el primero es el transmisor/receptor el cual se encarga de enviar una primera señal al sello o ID tag y posteriormente leer la respuesta que envíe el sello. El siguiente elemento corresponde al canal de radio, por el que va a transmitirse la señal enviada por el lector hacía el tag. Finalmente se tiene el tag el cual va a estar formado por el dispositivo SAW y su respectiva antena la cual va a permitir la existencia de la comunicación.. Figura 1. Sistema RFID basado en tecnología SAW. [1]. Inicialmente desde el dispositivo de lectura se emite una onda electromagnética de alta frecuencia hacía el tag. La antena del tag recibe dicha señal y la transmite al SAW, específicamente al transductor electro-acústico interdigitado el cual transforma la señal recibida desde la antena en una onda acústica que se va a propagar por el sustrato piezoeléctrico. En la figura 2 se ilustra más claramente la estructura interna del SAW en la cual se puede ver la conexión entre la antena y el transductor. Los demás elementos son reflectores que tienen como función reflejar las ondas acústicas hacía el transductor nuevamente. El transductor transforma las ondas acústicas en ondas electromagnéticas para pasar a ser emitidas por la antena y para que posteriormente lleguen a la unidad de lectura para ser analizada. Ya que las ondas acústicas que se propagan en el sustrato, serían transmitidas a una velocidad cercana a la del sonido (también depende del tipo de sustrato que se use) la reflexión debida a cada reflector va a estar ubicada en espacios de tiempo distintos proporcionales a dos veces la distancia entre cada par de reflectores contiguos. Es en este punto en donde se encuentra el principio fundamental del sistema RFID, ya que de acuerdo como se dispongan los reflectores en el sustrato, se va a tener una respuesta distinta. En la parte izquierda de la figura 2 se puede ver la señal transmitida por el lector y la recibida. Allí se puede ver claramente como la señal enviada por el tag hacía el lector es una serie de pequeños pulsos separados por un espacio de tiempo. De acuerdo a esto, cuando dicha señal llegue al lector, dentro del.

(9) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 9. procesamiento se podría identificar estos espacios de tiempo y determinar el código correspondiente al objeto que se quería identificar.. Figura 2. Estructura interna del dispositivo SAW. [1]. De acuerdo a las regulaciones del espectro radioeléctrico habrían tres bandas para trabajar en aplicaciones de radio, las cuales corresponden a los 433 MHz, 900MHz y 2.45 GHz. Los aspectos a evaluar para determinar qué frecuencia es la ideal para la aplicación tienen que ver con las pérdidas de inserción debidas al sustrato a usar para el dispositivo SAW, teniendo en cuenta que las mayores pérdidas se van a presentar cuando la frecuencia sea de 2.45 GHz van a estar alrededor de 6 dB/μs al usar como sustrato LiNbO3. Por otra parte, cuando se usa como frecuencia 433 MHz las pérdidas serían muy pequeñas 0.25 dB/μs[12]. La escogencia del material del sustrato de dispositivo SAW es muy importante ya que este va a determinar muchas de las características del mismo. Generalmente se usan sustratos piezoeléctricos ya que el fenómeno que se aplica es el de transducción piezoeléctrica en el cual se usan las propiedades del sustrato para poder transformar la onda electromagnética en una onda acústica. Principalmente son usados dos tipos de sustratos, cada uno con propiedades particulares. El primero corresponde al Cuarzo, el cual es ampliamente usado en la fabricación de este tipo de dispositivos debido a su bajo coeficiente de temperatura, lo que lo hace más resistente a la temperatura, lo cual puede ser ventajoso en ciertas aplicaciones específicas. Por otra parte se usa el Niobato de Litio (LiNbO3) el cual permite diseñar transductores de menor tamaño en comparación con los diseñados en Cuarzo debido a su alto coeficiente electromecánico lo que hace que se puedan generar más fácilmente las ondas acústicas. El problema con este sustrato es su bajo coeficiente de temperatura que hace que sea más frágil ante la temperatura con respecto al Cuarzo. Hay un aspecto importante a tener en cuenta, y es el hecho de diseñar la antena del sensor sobre el sustrato piezoeléctrico de tal forma que todo el sistema quede en un único sustrato o por otra parte, tomar la decisión de diseñar antena y SAW en dos sustratos distintos para luego unirlos de alguna forma..

(10) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 10. 4.2 Antena para aplicaciones RFID De acuerdo a lo mencionado en el literal anterior, se puede ver la importancia del diseño de la antena en los sistemas RFID. Un buen diseño entonces, permitirá que la comunicación entre lector y SAW se pueda establecer con mayor facilidad y de manera más segura para los datos transmitidos. Estas antenas deben tener ciertas características propias que las harían apropiadas para ser usadas en estas aplicaciones. Dichas características son un tamaño compacto, fuerte radiación, bajo costo, amplio ancho de banda y en algunos casos se requiere que la antena sea inmune a objetos metálicos ubicados detrás de la misma, ya que los sellos de seguridad irán puestos sobre objetos que pueden afectar el comportamiento de la antena. Las antenas PIFA (Planar Inverted-F Antenna) fueron ampliamente usadas en aplicaciones celulares a finales de los 90s debido a sus grandes ventajas de tamaño y bajo SAR [13]. El SAR es un parámetro regulado internacionalmente que indica una cantidad de potencia absorbida por unidad de volumen sobre la masa dentro de esa unidad de volumen. En pocas palabras indica el calentamiento en los tejidos humanos que generaría la potencia emitida por la antena. En la figura 3 se puede observar la configuración general de la PIFA alimentada por tecnología CPW (CoplannarWaveguides). Esta antena surgió a partir del monopolo λ/4, el cual fue invertido en forma de L inicialmente para obtener lo que se conoce como ILA (Inverted L Antenna). Luego se agregó el corto circuito entre el monopolo y la tierra lo cual generó una especie de antena con forma de F invertida. Posteriormente el elemento radiante fue transformado en una superficie o elemento planar obteniendo finalmente la PIFA. Aunque inicialmente esta antena fue concebida con el elemento radiante sobre el sustrato, en muchas aplicaciones es más conveniente que el elemento radiante se encuentre en el sustrato.. Figura 3. Estructura básica de una PIFA alimentada por CPW..

(11) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 11. El corto circuito realizado entre el elemento radiante y la tierra busca principalmente realizar un ajuste de la impedancia de la antena principalmente por dos razones. La primera es que las líneas de densidad de corriente van a tener un camino con menos resistencia para llegar a la tierra. Además se puede observar que el elemento marcado como A en la figura 3, está representando una carga capacitiva entre él y la tierra. Debido a esto, al generar una esquina en el elemento B se estarían concentrando campos magnéticos muy altos que a su vez estarían almacenando energía inductiva. Este efecto podría llegar a compensar el efecto capacitivo del elemento radiante logrando un mejor ajuste de la impedancia de la antena. La longitud del elemento A o elemento radiante, es la principal contribuyente en la definición de la frecuencia de resonancia de la antena. Mientras que su ancho permite realizar un ajuste en el ancho de banda en la medida en que se aumentan las pérdidas eléctricas de la antena disminuyendo así su factor de calidad y por lo tanto aumentando el ancho de banda. Normalmente entre más ancho sea el elemento se va a obtener un mayor ancho de banda aunque se tiene un límite, es decir, el ancho de banda no va a seguir aumentando mientras más aumente el ancho del elemento radiante. En la práctica este valor no supera el 16% aproximadamente [14]. Un criterio de diseño para la antena dentro de un sistema RFID basado en dispositivos SAW, es el hecho de diseñar e implementar la antena integrada en el sustrato del SAW o en un sustrato a parte para luego ser conectados. El hecho de tener la antena integrada al sustrato trae consigograndes ventajas como la facilidad de la conexión entre la antena y el SAW, y lamenor complejidaden el proceso de fabricación del sistema. Pero por otra parte, hay que tener en cuenta que los dispositivos SAW son fabricados en sustratos piezoeléctricos, muy comúnmente el LiNbO3 el cual presenta propiedades anisotrópicas. La presencia de estas propiedades hace que sea muy difícil poder predecir el comportamiento de la antena en este tipo de sustratos. En [15], los autores diseñan e implementan una antena integrada al sustrato (LiNbO3) del cual obtienen una respuesta muy distinta a la esperada de acuerdo a las simulaciones lo cual demuestra la dificultad de realizar diseños que se puedan verificar fácilmente una vez fabricados. Por otra parte, la antena presenta una alta ineficiencia al tener una ganancia de -4 dB, ancho de banda de 10% y un rango de lectura de 76cm.. 4.2.1. Alimentación por CPW y GCPW. Una Coplanar Waveguide (CPW) básica, montada sobre un sustrato dieléctrico consta de un conductor central que tiene un plano de tierra a cada lado separados por un gap, ambas tierras consideradas teóricamente como semi-infinitas, aspecto que en la práctica no se cumple completamente. Una variación de la CPW es la GCPW.

(12) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 12. (Grounded Coplanar Waveguide) la cual posee además de las características mencionadas un plano de tierra en la base del dieléctrico. Ambas estructuras se muestran en la figura 4.. Figura 4.a) Estructura básica del CPW, b) Estructura básica de GCPW. [16]. La CPW ofrece una gran cantidad de ventajas con respecto a la tecnología de microcintas, entre las que se encuentran: -. Facilidad de fabricación debido a que se está usando sólo un plano del sustrato al encontrarse el conductor central y las tierras en la parte superior del sustrato. Facilidad en los montajes de elementos pasivos debido a su característica coplanar no es necesaria la inserción de huecos en el sustrato para conectar los elementos. Puede trabajar a muy altas frecuencias (100 GHz o más). [13]. La mayor desventaja de esta tecnología es la alta disipación de corriente lo que podría producir calentamientos indeseados en la antena y por lo tanto un aumento en las pérdidas. La corriente es concentrada principalmente en el conductor central mientras que en el plano de tierra se concentra predominantemente en algunas zonas específicas generando el aumento de pérdidas debido al conductor. El modo de propagación en la CPW es el quasi-TEM, es decir existen algunas componentes de campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación. Por otra parte, la impedancia característica está estrechamente relacionada con las dimensiones del conductor central, el gap entre las tierras y dicho conductor, el espesor de las metalizaciones y la permitividad del dieléctrico. En este aspecto el espesor de la metalización puede llegar a ser importante, ya que si este disminuye la impedancia característica también lo hará, aunque para sustratos con un alto ε r la sensibilidad es casi nula..

(13) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 13. Como se mencionó anteriormente, una variación a la CPW se obtiene agregando un plano de tierra adicional en la base del sustrato dieléctrico. Esto puede traer ventajas como por ejemplo el proporcionar mayor soporte mecánico al sustrato y disminuir las pérdidas logrando distribuir de una mejor manera las corrientes concentradas en ciertas áreas de la tierra. En la figura 5.a se muestran las líneas de campo eléctrico generadas en una CPW. Como se puede ver las líneas parten de los planos de tierra y atraviesan el gap para poderse cerrar en el conductor central. También se puede ver que hay líneas de campo en el aire mientras que las demás se encuentran dentro del sustrato. Debido a esto idealmente el alto del sustrato debería ser infinito buscando que las líneas de campo no lograran atravesarlo completamente, aunque en la práctica lo que se busca es que sea lo suficientemente alto como para que las líneas se alcancen a atenuar adentro de él. Para esto también es muy importante la escogencia de la constante dieléctrica del sustrato. En la figura 5.b se muestran las líneas de campo eléctrico en una GCPW. En este caso las líneas que se encuentran dentro del sustrato se van a cerrar en su mayoría en la placa metálica ubicada en la base. El resto del comportamiento de dichas líneas es el mismo que para la CPW.. Figura 5.a) Líneas de campo eléctrico de una CPW, b) Líneas de campo eléctrico de una GCPW. [16]. 4.2.2. Técnicas de minimización de tamaño. La minimización de tamaño de una antena supone grandes ventajas en la medida en que se podrían realizar dispositivos inalámbricos de menor tamaño. El problema de la minimización de las antenas radica en el compromiso entre tamaño, ancho de banda y eficiencia, es decir, entre más se reduzca el tamaño de la antena más se va a reducir el ancho de banda y la eficiencia de la antena. A pesar de esto, el ancho de banda puede ser aumentado usando elementos pasivos, aunque siguen habiendo limitaciones que hay que tener en cuenta al momento de disminuir la eficiencia de dicha antena debida al tamaño. En general con las técnicas de minimización lo que se busca es disminuir la.

(14) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 14. frecuencia de resonancia de la antena, de tal forma que al compensar dicha caída sea necesario disminuir su tamaño. Principalmente hay dos técnicas de minimización: Por carga reactiva y por carga dieléctrica.. 4.2.2.1 Por carga reactiva Esta técnica de minimización es ampliamente usada para disminuir el tamaño de antenas pequeñas. Lo anterior debido a que generalmente estas antenas tienen una alta carga capacitiva, por lo que mediante el almacenamiento de energía inductiva se podría contrarrestar dicha energía capacitiva asociada a la antena. Una de las formas de cargar la antena inductivamente es por medio del “serpenteo” de la estructura lo cual se ilustra en la figura 7. Para este caso hay una cancelación de los campos lejanos debido a que hay corrientes en direcciones opuestas y paralelas entre ellas debido a la simetría de la estructura. Ya que hay cancelación de los campos lejanos dichas corrientes no van a aportar energía para la radiación almacenamiento energía magnética en los campos cercanos, lo que daría como resultado la compensación de la energía capacitiva. Además, en este caso la radiación provendría de una parte más pequeña de la antena debido a la cancelación de los campos.. Figura 7. Radiación de estructuras serpenteadas. [13]. Con respecto a las antenas planares, el concepto variaría. En este caso, se buscaría cargar inductivamente a la antena haciendo más largo el camino que tenga que recorrer la corriente sobre la estructura. Esto se logra creando ranuras sobre la antena de tal forma que la corriente tenga que rodearlas para poder radiar la energía. La energía inductiva es también almacenada en los bordes de las ranuras creadas..

(15) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 15. 4.2.2.2 Por carga dieléctrica Otra forma de disminuir la frecuencia de resonancia consiste en usar un sustrato con un alto coeficiente dieléctrico. Además esto permite poder sintonizar mejor cargas capacitivas en la antena ya que menos líneas de campo van a atenuarse dentro del sustrato, lo cual permite que haya una mejor interacción con estas cargas. Los aspectos más importantes a tener en cuenta durante la aplicación de esta técnica de reducción son los efectos en el ancho de banda y las pérdidas en el sustrato. Lo anterior, debido a que como ya se mencionó, el efecto directo de la reducción del tamaño de la antena se ve en su ancho de banda. De acuerdo a esto, es necesario revisar las limitaciones de ancho de banda y pérdidas según la aplicación requerida para poder determinar hasta qué punto es importante comprometer dichos parámetros por el tamaño.. 5. DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO 5.1 Definición El problema desde el cual surgió este trabajo es la necesidad de tener sistemas de identificación y de detección de adulteraciones no autorizadas a inventarios con un mejor desempeño teniendo en cuenta la aplicación. Específicamente, la aplicación escogida fue la detección de adulteraciones no autorizadas a inventarios por medio de sellos de seguridad. Además, un reto adicional fue asumido y es ubicar el sello de seguridad sobre objetos metálicos, ambiente común en el cual debería funcionar correctamente el sello. Este requerimiento es muy importante ya que es una necesidad para una gran cantidad de aplicaciones como por ejemplo identificación de contenedores de almacenamiento, control de entrada y salida de vehículos, seguimiento de un inventario en una cadena de producción y hasta detección de adulteraciones a objetos que se encuentran protegidos por cajas metálicas, es decir, la aplicación cabe en cualquiera en la que el sistema necesite ubicarse sobre objetos metálicos aunque no queda restringido a esto. Debido a que cada sello va a ser insertado en un objeto, para la mayoría de las aplicaciones se necesitarían una gran cantidad de sellos. Por ejemplo, si se quiere realizar el seguimiento en una cadena de producción de cada uno de los productos fabricados, se necesitaría tantos sellos como productos fabricados en un ciclo de la cadena. Este número puede llegar a ser bastante alto, por lo cual es necesario considerar el aspecto económico dentro del proyecto para hacerlo viable..

(16) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 16. 5.2 Especificaciones Para el diseño de la antena hubo que tener en cuenta todas las especificaciones y restricciones dadas por la aplicación RFID y las dadas por el diseño de sellos de seguridad. A continuación se listan las restricciones dadas por el problema. -. -. Bajo costo de fabricación del prototipo. Se determina a partir del sustrato de la antena y el proceso de fabricación. Tamaño compacto de antena para reducir el tamaño del sello. El cumplimiento de esta restricción se evalúa de acuerdo a los tamaños de antenas para aplicaciones RFID publicadas en artículos de investigación. Se espera diseñar una antena con un tamaño no mayor a 50x50 mm2. Frecuencia de operación de la antena ubicada en una banda de frecuencia usada para RFID, especialmente en la banda 902-928 MHz. Baja sensibilidad ante la presencia de objetos metálicos detrás de la antena. Ancho de banda mayor a 40 MHz medidos en -10 dB.. Cumpliendo estas especificaciones, se espera tener un prototipo de antena con mejores características que aquellas vistas en antenas publicadas del mismo tipo para aplicaciones RFID.. 6. METODOLOGÍA DEL TRABAJO La primera de las tareas consistió en obtener las especificaciones del sistema, de tal forma que se tuviera un marco de referencia sobre el cual empezar la investigación de tecnologías. Además, esto permitiría poder realizar una comparación con los prototipos similares publicados internacionalmente. Una vez definidas las especificaciones de la antena, se dioinicioa las tareas especificadas. Dichas tareas fueron definidas de tal forma que se diera cumplimiento a los objetivos del proyecto. Las tareas se detallan en el plan de trabajo.. 6.1 Plan de trabajo El desarrollo del proyecto fue realizado siguiendo unas tareas definidas de tal forma que su proceso fuera consecuente con los objetivos planteados. El inicio del proyecto se dio el 14 de Enero de 2011, día en el cual se realizó la primera reunión en la cual fueron definidas las especificaciones iniciales de la antena y el proceso a seguir para darle seguimiento al proyecto. Además se decidió que se realizaría una reunión semanal en la cual se evaluaría el avance del proyecto. A partir de la definición de las especificaciones se dio inicio a una primera revisión bibliográfica por medio de la cual.

(17) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 17. se evaluarían distintos tipos de antenas RFID buscando obtener la mejor tecnología. Una vez escogida la tecnología con la cual se iba a trabajar, se realizó una segunda revisión bibliográfica buscando entender las técnicas más usadas para reducir la sensibilidad de la antena a objetos metálicos. Estas dos revisiones fueron terminadas el 17 de Febrero de 2011 con lo cual se obtuvieron las bases necesarias para empezar a diseñar la antena. Mientras se realizaban los diseños respectivos, fue necesario entregar un informe de avance el día 18 de Marzo de 2011, el cual fue escrito en paralelo al desarrollo del proyecto. Luego del diseño de la antena se procedió con la fabricación y definición del protocolo de pruebas necesarias para la posterior caracterización del prototipo. Esta etapa tomó 15 días de trabajo. Finalmente, la última etapa de proyecto consistió en un breve estudio sobre el aumento de ancho de banda de las antenas, de tal forma que se pudiera obtener un prototipo de antena más completo. En resumen, a continuación se listan todas las actividades del proyecto: -. Definición de las especificaciones de la antena. Primera revisión bibliográfica. Definición del estado del arte de antenas para aplicaciones RFID. Selección de la tecnología de la antena. Segunda revisión bibliográfica (Antenas montables sobre objetos metálicos). Selección de aportes para el diseño. Escritura y entrega del Informe de Avance. Diseño del prototipo de antena para aplicaciones RFID montable sobre objetos metálicos. Fabricación de la antena. Definición del protocolo de pruebas. Caracterización de la antena. Verificación de las mediciones. Revisión de la bibliografía sobre aumento de ancho de banda de las antenas. Simulación de Antena con ancho de banda aumentado.. El cierre de actividades se dio al entregarse el informe final, el día 02 de Junio de 2011. En el apéndice 1 se puede ver el diagrama de Gantt del proyecto.. 6.2 Búsqueda de información La recopilación de información a lo largo del proyecto fue una etapa importante, ya que permitió obtener un buen entendimiento de la problemática y las alternativas de.

(18) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 18. solución. Las fuentes bibliográficas más importantes fueron en general libros y papers de investigación publicados en la base de datos IEEE Xplore. Por medio de los libros se reforzaron conceptos importantes de la teoría de las tecnologías de antenas investigadas. Por lo tanto, el proceso de selección de la información se centró en los temas relevantes y relacionados directamente con el estudio que se estaba llevando a cabo. Por otra parte, la búsqueda de documentos de investigación publicados en IEEE Xplore permitió tener una visión más amplia del problema y de las soluciones que se habían generado por distintos grupos de investigación en todo el mundo. Este proceso permitió definir mejor el camino a seguir teniendo en cuenta lo realizado y lo que se consideró hacía falta por mejorar. La selección de los artículos se basó principalmente en la aplicación RFID de interés para este proyecto, a partir de la cual se veían las distintas alternativas de diseño. Además fue importante ver la compatibilidad de los aportes realizados por cada documento investigativo publicado con las necesidades y restricciones que se tenían en este proyecto. Además, el constante apoyo tanto mi asesor de proyecto como del Grupo de Electrónica y Sistemas de Telecomunicaciones (GEST) de la Universidad de los Andes fue importante para poder ampliar las posibilidades de solución obteniendo diferentes perspectivas del problema.. 6.3 Alternativas de desarrollo La primera etapa del trabajo realizado consistió en hacer toda una revisión de la teoría correspondiente a los sistemas RFID y sus respectivas antenas. Este trabajo se muestra en el marco teórico y tuvo como fin poder adquirir los fundamentos necesarios para realizar un estudio de tecnologías y tipos de antenas sobre el cual tomar la decisión de qué tipo de diseño seguir. De acuerdo a esto, el estudio de tecnologías se basó en antenas para RFID publicadas por grupos de investigación, sobre las cuales se analizaron parámetros como tamaño, ganancia, ancho de banda, patrón de radiación y proceso de fabricación. Antes de tener en cuenta aplicaciones de antenas sobre objetos metálicos se investigaron antenas compactas en frecuencias de operación para RFID, principalmente a 2.45 GHz de tal forma que se tuvieran opciones de antenas que se pudieran diseñar de tamaños pequeños. En la tabla 2 se muestran las antenas más relevantes que se revisaron, junto con los parámetros a los que se les dio más importancia para poder tomar la decisión del tipo de diseño que se seguiría para el prototipo final. La primera de las alternativas es una antena triangular con una ranura adentro y una placa metálica en la base del sustrato alimentada por un cable coaxial fabricada en un.

(19) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 19. sustrato FR4 (εr = 4.4). Además en una de sus esquinas tiene un stub usado para el acople de la impedancia de la antena. La ranura está diseñada para reducir la frecuencia de resonancia de la antena alargando el camino efectivo de la corriente en el parche. Además dicha ranura también permite que la antena opere en dos frecuencias lo cual puede generar una disminución de tamaño adicional. Las ventajas vistas para esta antena fueron su tamaño y la facilidad de aplicar técnicas de minimización. Esto permitiría diseñar una antena con un tamaño óptimo para un sello de seguridad. El problema principal se encuentra en que no se reporta la ganancia de la antena, siendo este un parámetro importante. TABLA II. ANTENAS COMPACTAS REVISADAS CON MAYOR RELEVANCIA (NR = VALOR NO REPORTADO). Frecuencia de Ancho de Configuración Ganancia Tamaño Resonanci Banda a. Antena Compacta TriangularDual Band [17]. PIFA impresa sobre papel para aplicación WLAN [18]. 1440 MHz Y 2730 MHz. 31 MHz 2.15% Y 47 MHz 1.72% (-10dB). NR. 59x53mm. 2. 2.5 GHz. 551MHz 22.5% (-10dB). 1.2 dBi. 46x30mm. 2.

(20) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. Dual-Band RFID Tag Antenna [19]. Antena Dipolo en Ranura para RFID [20]. 896 MHz Y 2.425 GHz. 70MHz 7.8% Y 70MHz 2.8% (-10dB). 915 MHz Y 2.4 GHz. 10MHz 1.1% Y 22MHz 0.91% (-10dB). NR. 1.1dBi Y 1.25dBi. 20. 85x54mm. 2. 57x42mm. 2. La segunda alternativa es una Planar Inverted-F Antenna (PIFA) fabricada sobre un sustrato de papel (εr = 3.4, tanδ=6x10-2) a 2.45 GHz. Esta antena presenta varias ventajas como lo son la facilidad del proceso de fabricación, un buen tamaño y amplio ancho de banda. La ganancia también es un buen factor ya que se encuentra por encima de 0dB. La tercera antena está orientada a aplicaciones RFID y está diseñada para operar en dos frecuencias. La estructura de la antena es básicamente la unión de una F y una L invertida. Cada uno de estos elementos sintoniza una de las frecuencias de operación de la antena. Esta antena fue fabricada en un sustrato de polietileno (εr = 2.35, tanδ = 0.002). Las ventajas vistas para esta antena son que las frecuencias de resonancia se encuentran dentro de las bandas RFID y el ancho de banda es suficiente de acuerdo a las especificaciones. Sin embargo, la ganancia no es reportada. Por último, se evaluó un dipolo con una ranura en forma de H asociado con 4 ranuras más en forma de T. Esta antena opera en dos frecuencias (915MHz y 2.45GHz) y está fabricada sobre un sustrato FR4 (εr=4.32). Esta antena también está diseñada para aplicaciones RFID por lo que ya tiene un espacio en donde ubicar el chip RFID. Las principales ventajas tienen que ver con la frecuencia de operación, ganancia y tamaño. Por otra parte, el ancho de banda es muy pequeño. Para la evaluación se tuvo en cuenta que en un proceso posterior del diseño se debe incluir algún tipo de metalización a la antena para reducir la sensibilidad a objetos metálicos, por lo cual la eficiencia se va a ver reducida notablemente. Debido a esto, las características esperadas para la antena que se escoja tendrían que estar por encima de los requerimientos..

(21) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 21. Las dos alternativas escogidas para ser analizadas a mayor profundidad fueron la antena triangular debido a la facilidad en la minimización del tamaño de tal forma que se pueda ajustar más fácilmente a la frecuencia de operación requerida. También es importante notar que la antena ya está diseñada con una placa metálica con la cual se esperaría que la antena ya tenga poca sensibilidad al plano de tierra. La otra alternativa escogida fue la PIFA impresa sobre papel. Esta antena presenta un diseño simple al cual se le pueden aplicar técnicas de minimización de manera sencilla. Además, la antena está diseñada para funcionar sobre un sustrato no convencional de bajo costo lo cual coincide con el objetivo final del prototipo. Además el amplio ancho de banda de la antena permite que cuando sea ajustada para hacerla insensible a objetos metálicos la disminución del ancho de banda permita que se encuentre en un valor comparable con las demás antenas publicadas. Ya que la antena triangular no reportaba la ganancia, se decidió realizar su respectiva simulaciónpara verificar sus parámetros y específicamente conocer su ganancia. Para esto, se usó el software Ansoft HFSS 12.1, en el cual se modeló la antena de acuerdo a las especificaciones reportadas en [17]. Esta antena está diseñada para ser alimentada por medio de un cable coaxial, por lo que dicha alimentación tuvo que ser simulada también. En la figura 8.a se muestra la configuración de la antena mientras que en la figura 8.b se muestra la alimentación por cable coaxial ubicada cerca de una esquina de la ranura de la antena.. Figura 8.a) Configuración antena triangular modelada en HFSS, b) Alimentación por cable coaxial de la antena. LS = 53.5mm, WS = 59.7mm, S = 33mm, d = 48mm y L = 4.4mm.. De este tipo de antena es importante saber que la ranura debe estar centrada en el punto de voltaje nulo de una antena triangular común en el modo TM 10. De acuerdo a.

(22) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 22. esto, el camino efectivo de la corriente en la superficie de la antena va a ser alargado disminuyendo la frecuencia de resonancia de la antena. En la figura 9 se muestran las simulaciones correspondientes a esta antena. En la simulación del coeficiente de reflexión de la antena (Ver Figura 9.a) hay dos picos cuyas frecuencias se encuentran a 1.28GHz y 2.66GHz. Como se mencionó, la antena puede trabajar a dos frecuencias debido a la ranura dentro del triángulo. Dibujando el patrón de radiación en los planos XY y XZ se obtienen las curvas de la figura 9.b y 9.c. El patrón de radiación está direccionado mayormente hacía el eje Z debido a la presencia de la metalización en la base de la antena. La ganancia de la antena según la simulación fue de -10.05dB. Además el ancho de banda a una frecuencia de 1.28GHz medida en -10dB fue de 20MHz (1.56%).. a). b). c). Figura 9.Simulación antena triangular a) parámetro S11, b)Patrón de radiación plano XY, c)Patrón de radiación plano XZ..

(23) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 23. Las simulaciones permitieron ver que la ganancia era un problema adicional de esta antena. La baja ganancia estaría relacionada con el plano de tierra y las esquinas del triángulo que provocarían el almacenamiento de campos en el campo cercano de la antena disminuyendo la radiación. Además, hay que tener en cuenta que el tamaño de la antena deberá ser disminuido más para poder cumplir con las restricciones de tamaño. Debido a esto, se esperaría que la antena disminuyera más su ganancia lo cual es indeseado ya que su valor haría que el rango de lectura debido a la antena se vea reducido enormemente. Otro problema con esta antena es la alimentación a la cual fue diseñada. El cable coaxial usado dificultaría un posterior ajuste de la alimentación para poder conectar fácilmente un chip RFID.. 7. TRABAJO REALIZADO Debido a los inconvenientes presentes en la antena triangular estudiada, el siguiente paso consistió en validar el diseño de una PIFA y ver sus características principales. Para esto se realizó un diseño sobre un sustrato FR4 (εr = 4.4, tanδ = 0.02) de espesor 1.575mm a 2.45GHz. Pensando en un posterior diseño en el cual se pudiera integrar fácilmente un chip RFID, se decidió usar una alimentación CPW. Lo anterior, aprovechando que las tierras y la línea de alimentación se encontrasen en el plano superior del sustrato de tal forma que la integración chip-Antena se pudiera realizar casi directamente. El elemento radiante de la PIFA tendría una longitud λ/4 sobre el sustrato descrito, por lo tanto su longitud inicial sería:. Adicionalmente se realizaron los cálculos del ancho de la línea de alimentación de la CPW y el gap entre dicha línea y cada una de las tierras. Inicialmente es necesario encontrar el valor de la constante dieléctrica efectiva debida al aire y al sustrato. Su ecuación se muestra a continuación:. En donde h es la altura del sustrato, G es el gap entre la alimentación y las tierras, W es el ancho de la línea de la CPW y εr es la constante dieléctrica del sustrato. En esta ecuación, es importante saber que se tienen 2 variables, W y G, ya que h y εr son conocidas del sustrato. Debido a esto, es necesario escoger un valor para alguna de las.

(24) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 24. dos para obtener la constante dieléctrica efectiva en términos de alguna variable. Para este caso se prefirió fijar el valor de W en 1mm. Por lo tanto el valor de la constante dieléctrica efectiva queda en términos de G. Luego es necesario usar la ecuación para la impedancia característica de la alimentación CPW.. Realizando los reemplazos respectivosy sabiendo que la impedancia característica de entrada debe ser igual a 50Ω, de las ecuaciones anteriores se obtuvo un valor para el gap entre la línea de alimentación y las tierras de 0.114mm. Usando el software Ansoft Designer 5 se verificaron los cálculos realizados para las longitudes de la alimentación CPW. Para esto fue necesario definir todos los parámetros del sustrato y asumir un espesor del cobre de las metalizaciones de 17μm. Al realizar estos cálculos, los resultados fueron los siguientes:. Figura 10. Parámetros de la alimentación CPW.. Como se puede ver, en el software también se fijó el valor de Wen 1mm para poder encontrar el valor de G. El error entre ambos valores corresponde principalmente a las aproximaciones tenidas en cuenta en el cálculo manual de estos parámetros, como por ejemplo, el despreciar el espesor del cobre de la alimentación. La estructura de la antena se muestra en la figura 11. Como se puede observar, la antena tiene una configuración bastante parecida a aquella mostrada en [18]. La principal diferencia es el sustrato usado lo cual obliga a cambiar el diseño. De igual forma, así se podrán evaluar con mayor certeza las características de la antena..

(25) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 25. Figura 11. Configuración PIFA a 2.45GHz.. Esta antena tiene unas dimensiones totales de 43.05x36.5mm. Luego de realizar la primera simulación se ajustaron valores como la distancia entre el elemento radiante y la tierra, separación entre la línea de CPW y el brazo de acople de la PIFA. Además se ajustó mejor los 14.6mm a 13mm para centrar mejor a la antena en la frecuencia deseada. Después de realizar estos ajustes, la simulación mostró los siguientes resultados:. Figura 12.Simulación PIFAa)Parámetro S11, b)Patrón de radiación plano XY, c)Patrón de radiación plano XZ.. Como se puede observar en la figura 12, la antena está bien adaptada en la frecuencia deseada. Además tiene un ancho de banda de 350MHz (14.3%) medidos en -10dB. Los patrones de radiación muestran que la antena emite radiación en la dirección –X (ver Figura 11).La ganancia de la antena es de -2.75dB. Debido al buen.

(26) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 26. desempeño de esta antena, verificado a través de las simulaciones se decidió continuar los diseños usando la PIFA. Teniendo en cuenta que el resultado final debería ser una antena con baja sensibilidad a objetos metálicos que se encuentren debajo de ella, el siguiente paso a seguir fue realizar una segunda revisión bibliográfica en la cual se hiciera énfasis en antenas RFID inmunes a planos metálicos. De esta forma se podrían ver las técnicas usadas en antenas de este tipo para insensibilizar a la antena de planos metálicos, buscando apropiar estas técnicas a la PIFA de tal forma que se pueda obtener una antena compacta, pero a su vez inmune a los efectos de metalizaciones detrás de ella. De la segunda revisión bibliográfica realizada, en la tabla III se muestran 4 antenas investigadas. A estas antenas se les analizó la configuración usada, sus dimensiones, frecuencia de operación y ancho de banda. Ver la configuración de cada antena se consideró importante para poder entender las metodologías usadas para montar la antena sobre objetos metálicos. TABLA III. PRINCIPALES ANTENAS MONTABLES SOBRE OBJETOS METÁLICOS REVISADAS. Frecuencia Ancho de Estructura Dimensiones de Banda Operación Low-Profile PIFA Array Antennas [2]. 127x52mm2. 917MHz. 38 MHz (-10dB). ForkShaped RFID Antenna [7]. 120x30mm2. 915MHz. 33 MHz (-10dB). Broadband RFID tag Antenna [8]. 96x50mm2. 910MHz. ≈ 25MHz (-10dB). 925MHz. ≈ 15MHz (-10dB). Slim RFID Tag Antenna [10]. 65x20mm. 2.

(27) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 27. Como se puede ver, una de las características en común de las antenas diseñadas para montar sobre objetos metálicoses su gran tamaño, en comparación con la especificación de tamaño necesaria para este proyecto definido con un área no mayor a 5x5 cm2. Debido a esto, se hace necesario aplicar técnicas de minimización de tal forma que se puedan lograr tamaños de antenas reducidos. Es importante notar que estas antenas investigadas ya aplican algunas técnicas. Por ejemplo, la antena [2] usa un serpenteo en la línea de microcintas para disminuir el espacio ocupado horizontalmente. Además la adición de cargas capacitivas e inductivas como [7] permite que la antena opere a frecuencias más bajas reduciendo finalmente el tamaño de la antena. Esta técnica también les permite tener otra alternativa para acoplar mejor a la antena modificando su impedancia por medio de cargas parásitas. Por otra parte, se puede ver que estas antenas también tienen problemas de ancho de banda, en comparación con las antenas investigadas en la primera revisión bibliográfica. Para contrarrestar este problema, en [8] se adicionan dos ranuras en formas de U para excitar otra frecuencia de resonancia cercana a la inicial de tal forma que ambas sumen frecuencias de operación hasta obtener un ancho de banda más amplio. Otra característica en común, encargada de volver a la antena insensible a metalizaciones debajo de ella, corresponde a la adición de una metalización en la base del sustrato común en todas las antenas investigadas, de tal forma que las líneas de campo de la antena se cierren en dicha metalización haciendo que el efecto recaiga sobre ella únicamente. Esto permite poder prever el efecto de una metalización detrás de la antena, permitiendo sintonizarla en la frecuencia de operación deseada bajo las condiciones parecidas a la presencia de una gran metalización. Otra alternativa para disminuir la sensibilidad de la antena ante objetos metálicos, no usada por las antenas investigadas, consiste en diseñar la antena usando un sustrato con una alta constante dieléctrica de tal forma que los campos se concentren en el sustrato y no alcancen a interactuar con la metalización. El problema de esta alternativa de solución consiste principalmente en que un sustrato con una alta constante dieléctrica concentraría fuertemente los campos dentro del mismo disminuyendo la potencia radiada. Debido a esto, la adición de una metalización en la base del sustrato se considera mejor alternativa para este proyecto. Como ya se ha mencionado, la aplicación de estas técnicas de minimización afecta directamente el compromiso entre tamaño, ancho de banda y eficiencia por lo cual este tipo de antenas tienen problemas especialmente en estos tres aspectos..

(28) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 28. 7.1 Descripción del Resultado Final Una vez verificadas las ventajas de la PIFA por medio de simulaciones, y también habiendo analizado las técnicas de reducción de la sensibilidad de las antenas investigadas a placas metálicas, se inició el proceso de diseño de la antena. Teniendo en cuenta que la antena va a operar en la banda de radiofrecuencia ISM correspondiente a las frecuencias de 902-928 MHz, el primer paso consistió en escoger el sustrato sobre el cual se va a diseñar y fabricar la antena. Para esto, se escogió como sustrato el Rogers RT/ duroid 5880 debido a su fácil disponibilidad para la fabricación, baja constante dieléctrica y baja tangente de pérdidas. Sus características son εr = 2.2 y tanδ = 0.0009. La combinación de estas características permitiría tener una antena con mayor eficiencia y potencia radiada. El espesor del sustrato disponible para fabricación fue de 1.575mm, el cual fue considerado apropiado para la obtención de un buen diseño. Pensando en tener en un solo plano la línea de alimentación y la tierra de la antena para poder ubicar y conectar más fácilmente el chip RFID, se decidió alimentarla por medio de GCPW, agregando la tierra en la base para insensibilizarlaa las metalizaciones.Para obtener los parámetros W y G (ancho de la línea de alimentación y separación entre alimentación-tierra) se usó nuevamente el software Ansoft Designer 5 para ajustar la impedancia característica de la antena a 50Ω. Los parámetros obtenidos por la solución fueron W = 1.5mm y G = 0.091mm. El valor de G fue aproximado a 0.1mm para alcanzar la mínima resolución disponible en el proceso de fabricación. La longitud de la línea de alimentación fue tomada como 19mm, en el cual se aseguró que se hubiera establecido el modo quasi-TEM antes de alcanzar al elemento radiante. La siguiente etapa consistió en diseñar una PIFA común que opere a una frecuencia fo= 915MHz cuyo elemento radiante esté conectado a la tierra de la CPW por un brazo adicional.Como ya se mencionó, este brazo adicional actúa como una carga inductiva que compensa el acoplamiento capacitivo del elemento radiante. Este acoplamiento, también ayuda a ajustar la impedancia característica de la antena Zo a 50Ω. Inicialmente, se determina la longitud λ/4 del elemento radiante.. Para minimizar la longitud del elemento radiante, se realizó un serpenteo al final del mismo buscando principalmente dos objetivos. El primero consiste en reducir espacio.

(29) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 29. físico dentro del sustrato aprovechando mejor los espacios libres. Mientras que el segundo y más importante se basó en que mediante el serpenteo se puede cargar magnéticamente al elemento radiante de tal forma que su frecuencia de resonancia disminuya obteniendo finalmente una antena más pequeña cuando su frecuencia fosea compensada. Debido a esto, el serpenteo del elemento radiante actúa más como una carga inductiva por lo que su diseño está más relacionado con la carga total que este le aporta al elemento radiante que su longitud sumada para obtener una frecuencia de resonancia determinada. En la figura 13 se muestra la geometría final de la antena, mientras que en la tabla IV se encuentran las dimensiones de la misma.. Figura 13. Geometría de la antena propuesta. TABLA IV. DIMENSIONES DE LA ANTENA PROPUESTA. Dimensiones Variables Longitudes [mm] Ws 51 Hs 40 W 1.5 Wr 2 L 37 L2 9.5 L3 15.5 Hl 4.5 Hg 19 Ha 6 G 0.1.

(30) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 30. El ancho del elemento radiante, permite tener un ligero aumento en el ancho de banda, debido a esto, su longitud fue escogida en el punto en el que el ancho de banda no aumentaba considerablemente. Su ancho está directamente relacionado con el ancho de banda debido a las pérdidas insertadas cada vez que es ensanchado, lo cual reduce el factor de calidad de la antena aumentando a su vez su ancho de banda. Adicionalmente se agregó una tira metálica en frente del elemento radiante, el cual reduce la potencia radiada en la dirección –X, lo cual favorece la concentración de la radiación en la dirección +Z. Esta característica es importante, ya que para reducir la sensibilidad de la antena a metalizaciones ubicadas en la dirección –Z de la antena (debajo de ella), es necesario orientar la radiación en sentido contrario a la ubicación de dicha metalización. Es notable la reducción de tamaño de la antena, en la cual se pasó un valor de L de 55.2mm a 37mm. Teniendo en cuenta la relación conλo (longitud de onda en espacio libre), se obtuvo que L = 0.1128λo y h = 0.0048λo, dando como resultado que y para un λo = 32.79cm a 915MHz.. 7.2 Trabajo computacional Las simulaciones de la antena mostrada en la figura 13 fueron realizadas en Ansoft HFSS 12. Este software soluciona estructuras electromagnéticas por medio del método de elementos finitos (FEM). El FEM ha sido ampliamente usado para encontrar soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales parciales y ecuaciones integrales aprovechando las ventajas de solución para problemas que involucran fronteras irregulares y propiedades de los materiales heterogéneas. De acuerdo a esto, en HFSS se definió la estructura mostrada en la figura 13 en donde fueron establecidas las fronteras de la antena. Inicialmente fue agregado un bloque de aire que contiene a la antena completa. A este bloque se le asignó una frontera de radiación, la cual es usada para simular problemas que le permitan a las ondas ser radiadas infinitamente lejos en el espacio, tal como diseños de antenas. Dentro de HFSS, la frontera de radiación absorbe en el límite de la estructura las ondas radiadas. Otra definición importante de la estructura es el puerto de excitación. Este puerto debe permitir excitar el modo de la CPW de tal forma que se esté simulando la forma en la cual va a ser alimentado durante la caracterización de la antena. Para lograr este fin es necesario tener en cuenta cómo van a ser excitadas las líneas de campo eléctrico en el puerto para podérselo indicar a HFSS. Es importante observar la simulación del.

(31) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 31. puerto de entrada en la cual se deben ver cómo las líneas de campo eléctrico salen de la línea de alimentación y se cierran en cada una de las tierras, incluyendo aquella ubicada en la base del sustrato. Al ver que en los bordes del puerto, las líneas de la excitación son más débiles se puede asegurar que el tamaño del puerto es suficiente para que la antena se pueda excitar correctamente. Los resultados importantes para determinar el correcto funcionamiento de la antena son el coeficiente de reflexión S11, en el cual se observa la frecuencia de resonancia foy el ancho de banda de la antena. Por otra parte, la observación de los patrones de radiación permite ver hacía que dirección está radiando la antena y además permite conocer su ganancia. Ya que es importante determinar el efecto que tiene ubicar una metalización debajo de la antena, fue necesario simular estas condiciones. Por lo tanto, es necesario evaluar la antena bajo distintas situaciones. El factor determinante para el desempeño de la antena es la distancia de separación entre la antena y la metalización. Debido a que el proyecto está orientado a sellos de seguridad, todo el sistema va a estar contenido dentro de dicho sello y por lo tanto nunca va a estar en contacto directo con la metalización. Teniendo en cuenta esto, la antena fue evaluada por medio de simulación bajo distintas separaciones antena-metalización partiendo desde 1mm. La metalización fue simulada usando un bloque de mayor tamaño que la antena cuyo material es acero inoxidable. El grosor de este bloque se definió como 1.2mm. En la figura 14 se puede observar la estructura completa simulada en Ansoft HFSS.. Figura 14. Estructura de la antena simulada.. En la figura 15 se muestran las simulaciones del parámetro S11 de la antena ante varias condiciones de operación en las cuales como se mencionó, fue variada la separación entre la antena y la metalización. Las separaciones simuladas fueron de 1, 3, 6 y 9mm. La antena fue sintonizada en 915MHz para una separación antena-.

(32) Diseño de antena compacta montable sobre objetos metálicos para aplicaciones RFID-SAW. 32. metalización de 1mm, por lo cual se toma como referencia esta condición de operación sobre la cual se van a observar los cambios al variar esta distancia.. a). b) Figura 15. Parámetro S11 simulado para diferentes separaciones entre la antena y una metalización externa detrás. a) Para separaciones d = 1mm y 3mm, b) Para separaciones d = 6mm y 9mm.. En la figura 15.a se puede ver como ocurre un pequeño corrimiento en frecuencia debido a los cambios en la separación de la antena y la metalización. Cuando detrás de la antena no está la metalización, la frecuencia central de operación se encuentra en 910MHz. Por otra parte cuando se adiciona la metalización a una separación de 1mm, fo se corre hasta 915MHz. Luego en 3, 6 y 9mm la frecuencia de operación se mantiene en aproximadamente 912MHz. Este comportamiento indica que a medida que la separación antena-metalización se va alejando de 1mm, el comportamiento de la antena tiende hacía la frecuencia de operación correspondiente a la condición en la cual no se encuentra la metalización. Lo anterior debido a que a medida que la.