(902-928 MHz). - Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Transcripción

INSTITUTO POLITÉCNICONACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
“DESARROLLO 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
MÉXICO, Diciembre de 2011
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.
En esta tesis se describe el diseño, optimización y construcción de etiquetas
pasivas para los sistemas de RFID; por lo que primero se presenta una semblanza de
los sistemas de RFID para dar un marco general de la importancia del trabajo de
investigación relacionado con esta tesis. Posteriormente se presenta el análisis de las
etiquetas pasivas de RFID, haciendo énfasis en las características de impedancia del
circuito integrado para diseñar antenas con la impedancia igual o lo más cercano a la
de este dispositivo. Este proceso se lleva a cabo de tal forma que se busque no se
degradar la ganancia de la antena. Por último, se describe un proceso de optimización
i
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.
Currently, the RFID technology systems have a deeper penetration in
applications such as tracking and object identification, and control, among others.
These systems are compounded by three elementary blocks: The reader, the
propagation medium and a label. These systems can be classified as Far- and near-field
systems, as well as active and passive label systems.
ii
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.
After all these procedures, as a result, four antennas were obtained performing
at the UHF band are ready to be compared to commercial antennas and to those ones
which are described in opened literature.
iii
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.
El reto del diseño de antenas de RFID es el de mejorar el desempeño del
sistema manteniendo un tamaño reducido en donde el requerimiento de alcanzar
mayores distancias de lectura ha sido uno de los temas más importantes en
investigación en los últimos años. Para lograr aumentar este parámetro existen varias
propuestas, una de ellas es mejorar el desempeño de la antena de la etiqueta pasiva,
tanto en ganancia, ancho de banda y acoplamiento con el circuito integrado de RFID.
Esto debido a que dichos parámetros tienen una relación directa con el campo de
iv
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.
En general se plantean propuestas de antenas dipolo con técnicas de
serpenteo, que permitan obtener altos desempeños para mejorar el campo de
operación en etiquetas pasivas de RFID. Con esto se planea obtener mejores
resultados en este tipo de aplicaciones, sin elevar los costos.
v
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
2.3.6 Proceso de Caracterización. ....................................................................................... 42
vi
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
Apéndice III Cálculo de la Red de Acoplamiento con Stub en Serie y Corto Circuito............... 103
vii
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 S 11, (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 S 11 (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
Figura. 3-10 Esquema de los genes que conforman el diseño de una MLA con acoplamiento inductivo. .. 60
viii
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 S 11, (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 S 11, (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. 4-9 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
Figura III-6. Recorrido de la intercepción de la segunda solución, hacia el centro de la carta de Smith..107
ix
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
Tabla XIV Código Utilizado en Matlab Para la Generación del Código de VBS ........................................... 94
x
Abreviaturas.
CI
CW
EPC
FTDT
FEM
FIT
GA
HF
Circuito Integrado.
Onda Continua.
Código Electrónico de Productos.
Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo.
Método del Elemento Finito.
Técnica de Integración Finita.
Algoritmo Genético.
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.
VHF
Muy Altas Frecuencia.
xi
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].
Los sistemas de identificación con tecnología RFID que operan en la banda de
UHF, han alcanzado una gran popularidad debido a la identificación masiva de objetos
para distancias de entre 3 y 100 metros. Los sistemas de identificación con tecnología
RFID de mayor alcance utilizan una etiqueta activa, la cual contiene una batería para
mantener una alimentación continua, por lo que emite constantemente una señal de
RF con intervalos de tiempo cortos. La señal de RF está codificada y contiene la clave
de la identificación del objeto. Los sistemas de RFID con etiquetas activas son
adecuados para el rastreo de objetos y para la activación o desactivación remota de
sistemas. Como la etiqueta activa se alimenta con una batería, su circuito integrado
puede procesar una gran cantidad de información y puede tener sensores. El costo de
la etiqueta activa es mayor a 20 dólares estadounidenses [5].
1
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.
En el capítulo cuatro se presenta la caracterización de las antenas. Finalmente
las conclusiones y apéndices.
2
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 portadora proveniente del lector”; 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.
En la tabla I se muestran los parámetros importantes que distinguen a las
etiquetas RFID pasivas de las activas [7]. Los beneficios de no contar con una batería se
aprecian en su precio y su vida útil; pero las desventajas, en su campo de operación y
su capacidad de memoria.
3
Tabla I Comparación de las Etiquetas Pasivas y Activas
Parámetros.
Fuente de Alimentación
Pasivas
Señal de RF del lector
Activas
Interna de la Etiqueta
Batería
Costo
NO
0.20 a 0.5 dólares
SI
Más de 20 dólares
Vida Útil
Campo de Operación
Más de 20 Años
10cm a 20 m
De 2 a 5 Años
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.
Las etiquetas pasivas de RFID en la banda de UHF en la condición de campo
eléctrico lejano [8,9], bajo el principio del fenómeno de retroesparcimiento o de la
sección transversal de radar (RCS por sus siglas en inglés) [3].
4
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.
Figura. 1-4 Intercambio de datos Lector-Etiqueta [6]
5
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).
Sensibilidad del CI en W (potencia mínima que reconoce el CI)
6
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.
La ganancia de una antena se define como “razón de la intensidad de radiación
en una dirección dada respecto a la intensidad de radiación generada por una antena
isotrópica (ideal)” [14]. Para el caso de los sistemas de RFID pasivos conociendo la
potencia de transmisión del lector (establecida por la NOM-121), el campo de lectura
máximo está limitado por la ganancia de la antena de la etiqueta y la frecuencia de
operación. Si la energía de RF que recibe la etiqueta puede ser re-radiada la densidad
de potencia ( ) en la etiqueta a una distancia R se puede calcular por:
7
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
Como normalmente se conoce la potencia
, finalmente la
potencia en el lector cuando una etiqueta responde se calcula por:
8
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 antenaCI 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.
Como se puede observar en la figura 1-5 el acoplamiento óptimo se obtiene
para la máxima transferencia de energía, para lograrlo es necesario primero conocer la
impedancia de los circuitos integrados el cual en primera instancia es un dato
específico del CI. En la tabla II se muestran cuatro tipos de CI para las etiquetas de RFID
pasivas, donde se especifica el fabricante y su impedancia. Estos circuitos se
seleccionaron por tener el mismo protocolo de comunicación de acuerdo a la norma
ISO-18000-6C [15] o la IEPC Global [16].
9
Tabla II Circuitos Integrados Comerciales de RFID
Impedancia de Entrada a 915MHz (Ω)
Modelo
13.5-j60
Texas Instruments Gen 2
17.5-j332.6
Philips EPC 1.19 Gen 2
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)
impedancia de la antena. (Ω)
10
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:
Reactancia normalizada.
11
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.
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.
Para hacer un análisis de la ganancia, acoplamiento de impedancias y distancia
de lectura, para el caso de un CI Atmel ATA5590 que tiene una sensibilidad de -19.21
dBm [17], se considera una potencia PIRE de 4 W o 36 dBm (potencia máxima
12
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.
Figura. 1-8 Relación Ganancia-Coeficiente de
Transferencia de Energía, en el Campo de Lectura.
13
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
[1] K. Finkenzeller, “RFID Handbook”. Wiley & Son, Nw York, 2010.
[2] Landt J. , “History of RFID”. IEEE Potential. Octubre 2005
[3] Jari-Pascal Curty, Michel Declercq, Catherine Dehollain, y Norbert Joehl, “Design and
Optimization of Passive UHF RFID Systems”.Editorial Springer, Lausanne, Switzerland,
2006.
[4] V. Daniel Hunt, Albert Puglia, and Mike Puglia, “RFID a Guide to Radio Frequency
Identification”John Wiley & Sons, New Jersey, 2007.
[5] Smart Border Alliance, “D: RFID Technology Overview”, RFID Feasibility Study Final Report,
2008.
14
[6] ISO/IEC, Information Technology AIDC Techniques- Harmonized Vocabulary, Part 3- RadioFrequency Identification (RFID), 2007.
[7] Technologies, Savi. thetrackit. [Online]. http://www.thetrackit.com/Library.php
[8] Iliev, P., Le-Thuc, P. , Staraj, R. , Luxey, C. “Near field / far field RFID tag antenna” IEEE
Antennas and Propagation. Abril 2010
[9] L. Turner, M. H. Micjke, “Overview primer on near-field UHF versus near field HF RFID
tags” International Journal of RFID Technology and Aplications, vol ,1 pp. 291-302. 2007
[10] Tan-Phu Vuong, Vincent Beroulle Smail Tedjini, "Antennas for RFID Tags," in sOc-EUSAI
conference, Grenoble, 2005.
[11] J. Uddin, M. B. I. Reaz, M. A. Hasan, A. N. Nordin, M. I. Ibrahimy, M. A. M. Ali, “UHF RFID antenna architectures and applications”, Scientific Research and Essays, vol. 5, pp 10331051, 18 Mayo 2010
[12] K. V. Seshagiri Rao, Pavel V. Nikitin, Sander F. Lam, "Antenna Design for UHF RFID Tags: A
Review and a Practical Application," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.
53, no. 12, 2005.
[13] Comision Federal de Telecomunicaciones, “Norma Oficial Mexicana NOM-121-SCT12009,Telecomunicaciones-Radiocomunicación-Sistemas de radiocomunicación que
emplean la técnica de espectro disperso- Equipos por salto de frecuencia y por
modulación digital a operar en las bandas 902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz y 5725-5850
MHz- Espesificaciones, límites y métodos de prueba.” Diario Oficial de la Federacion, 21
de Junio de 2010.
[14] Antenna Standards Committee of the IEEE Antennas and Propagation Society, "IEEE
Estándar Definitions of Terms for Antennas," IEEE Standards Board, 1993.
[15] International organization for Standardization, “ISO/IEC 18000-6:2010 Information
technology -- Radio frequency identification for item management -- Part 6: Parameters
for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz”, .
[16] EPCGlobal “EPC Radio Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID
Protocol for Communications at 860 MHz – 960 MHz Version 1.2.0”. l 2008
[17] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/163102/ATMEL/ATA5590.html,
Consulta realizada el 14 de Abril de 2010
15
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.
El proceso del diseño de antenas parte de tomar un diseño ya conocido y
manipular sus dimensiones físicas (tipo de material o tamaño) y a partir de estas
modificaciones optimizar algún parámetro en particular (ganancia, ancho de banda,
patrón de radiación, etc.). Este proceso muchas veces es intuitivo y empírico lo que
puede generar antenas con bajo desempeño [4]. Por ello existen métodos de
optimización (Algoritmos Genéticos, Mínimos Cuadrados, Redes Neuronales) que
realizan la búsqueda del diseño más adecuado para cada aplicación.
16
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:
“n” número de vueltas.
Longitud de los segmentos verticales (h) y horizontales (w).
Figura. 2-1 Parámetros Físicos de una MLA.
17
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.
Algunas de las propuestas realizadas utilizando esta técnica se muestran en la
figura 2-3.
18
(a)
(b)
(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
La antena de la figura 2-3 (c) es una antena compuesta por un bucle y un
reflector serpenteado [13]. La variación del tamaño del bucle permite ajustar el
intervalo de operación de esta antena. Sus dimensiones son de 1.57 x 7.4 cm y reporta
una ganancia de 1 dB a una frecuencia de 915 MHz.
19
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.
Una de las variantes de este diseño son las PIFA o antenas de F invertida planas,
donde el elemento radiador es remplazado por un plano más grande (Figura 2-5) para
incrementar el ancho de banda de la antena [4]. En la figura 2-5, la variación en L1, L2,
H y W permiten obtener una antena con la impedancia requerida para un circuito
integrado.
20
Figura. 2-5 Esquema General de una PIFA.
Las dimensiones de una antena PIFA de
Cuando
y Cuando
se determina por medio de (2.1):
:
:
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].
En la figura 2-6 (a) se muestra un ejemplo de una IFA [15], la cual tiene unas
dimensiones de 2.95 x 5.9 cm lo que representa un 18 % de la longitud de onda, para
esta antena se reporta una ganancia de 1 dB. La PIFA de la figura 2-6 (b), es una
21
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].
(b)
(a)
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].
El contorno de la ranura puede ser visto como un transformador de
impedancia. Por medio del incremento de las ranuras, se incrementan los grados de
libertad; con la posibilidad de miniaturizar la antena y agregar características multibanda (operar en diferentes bandas de frecuencia con una sola antena) [19]. Los
parámetros de la antena de ranura pueden ser ajustados por medio de sus
dimensiones. Por ejemplo en la figura 2-7 los lados “L” determinan en gran parte la 22
ganancia máxima de la antena, mientras que “a” y “b” permiten ajustar la impedancia de entrada.
Figura. 2-7 Configuración de una Antena de Ranura
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
Se consideran un subgénero de las MLA [21]; la utilización de texto en las
etiquetas no sigue las reglas de construcción básica de las MLA, por lo que existen más
elementos que afectan la impedancia de la antena [21]. Existen razones comerciales
para el uso de texto, como puede ser el logo o nombre de las compañía en las
etiquetas de RFID que identifiquen de manera visual los productos.
23
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.
En la tabla III, se comparan los parámetros de las antenas, sus ventajas y
desventajas. Como podemos observar cada una está diseñada para resonar a una
frecuencia diferente pero todas, a excepción de la antena tipo texto, operan dentro del
ancho de banda determinado por la norma EPC (Electronic Product Code) de 860 a los
960 MHz [22]. La ganancia de la antena es directamente proporcional al tamaño de la
antena respecto a la longitud de onda [23], por lo que la mayor ganancia se presenta
en la antena de ranura (figura 2-8) y la de menor ganancia es la MLA de la figura 2-3
(a). De la tabla III podemos tomar en consideración, como las MLA con una menor área
presentan una mejor ganancia que las IFA, esto puede deberse a un mal acoplamiento
o a otros problemas derivados de la miniaturización de la antena, por ejemplo: la
reducción de la eficiencia relacionada directamente con el tamaño de la antena.
24
Tabla III Comparación de Diseños de Antenas para
RFID
Tipo de
Antena
Frecuencia
Ganancia
de Operación
(dB)
Alto (cm)
Largo(cm)
Área
Total
(cm2)
(MHz)
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.
Los tipos de diseño de antenas, antes descritos, permiten por medio de
variaciones en sus estructuras físicas el acoplamiento con los circuitos integrados. En
algunos de ellos se utilizan las técnicas de acoplamiento que se explican a
continuación.
25
2.2.1 Acoplamiento T
El acoplamiento T, consta de un dipolo con un largo
y ancho
conectado al Circuito Integrado por medio de otro dipolo de largo
separados a una distancia
que es
y ancho
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)
Reactancia de entrada. (Ω)
26
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
y
representa la constante de Euler, representa el ancho del conductor,
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.
Para el cálculo del modelo de línea de transmisión, se utilizan expresiones ya
definidas para la impedancia característica en conductores planos [25] donde
tenemos:
27
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.
De la figura 2-12, podemos deducir el comportamiento de la impedancia de
entrada de la antena al hacer variaciones
y s. La resistencia se incrementa conforme
crece la longitud
tenga un efecto significativo. En cambio, la
sin que la separación
reactancia cambia conforme crece
pero la separación
si tiene efectos en el
comportamiento de la impedancia.
28
(a)
(cm)
(cm)
(b)
(cm)
(cm)
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.
29
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)
En donde la impedancia del aro (
), se calcula por medio de (2.9):
30
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
.
w
b
a
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.
31
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.
De las gráficas de la figura 2-16 observamos la influencia de la separación s y de
las dimensiones a y b del bucle. El incremento de la separación aumenta directamente
la resistencia pero tiene un efecto mínimo en la reactancia. Las dimensiones del bucle
tienen un efecto directo sobre la reactancia incrementando o disminuyendo su valor.
32
(a)
(cm)
(cm)
(b)
(cm)
(cm)
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.
33
Figura. 2-17 Evolución de las Antenas de RFID.
2.3
Proceso de Diseño de las Antenas de RFID.
Una metodología general es la propuesta de Pavel V. Nikitin que tiene serie de
pasos para el diseño de antenas de RFID [12], en la cual consideramos el tipo de
aplicación, los requerimientos, tipo de diseño, optimización y caracterización.
Basándose en esta metodología general, se propone un proceso de diseño para este
trabajo de tesis, el cual se muestra en la figura 2-18 en la cual observamos que se sigue
una serie de pasos similares pero enfocados en el acoplamiento de impedancias de la
antena con el CI.
34
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.
3. Coeficiente de transferencia de energía: Este requerimiento se da en función
de cuan eficiente queremos que sea nuestro sistema.
35
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.
Figura. 2-19 Método de Calibración Utilizando
Conectores SMA de 50
36
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].
Debido a la complejidad del análisis de estas estructuras, en los últimos años,
se ha hecho uso de herramientas computacionales precisas, basadas en métodos
numéricos. En esta familia de métodos numéricos se incluyen: el Método de
Momentos (MoM), el método del elemento finito (FEM), técnica de integración finita
(FIT) y el método de las diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), a partir de
los cuales se han generado múltiples herramientas de simulación, cada una utilizada
para diferentes tipos de problemas de diseño. Por ejemplo el MoM se utiliza para
hacer un cálculo rápido y preciso del desempeño
de antenas, en especial de
estructuras de gran tamaño. En lo que respecta a los métodos de FEM y FDTD pueden
utilizarse directamente para analizar el desempeño de las antenas.
37
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.
La construcción de estos bloques permite al HFSS generar mallas que se
adapten a las estructuras de modo que se obtengan mejores resultados. Un ejemplo
de esto, se aprecia en la figura 2-21, donde se muestra una antena de parche, la cual al
inicio los bloques (tetraedros) no se adaptan al contorno de la antena, pero al hacer u
ajuste (por medio de un proceso adaptativo) se observa como los bloques se adaptan
al contorno haciendo bloques cada vez más pequeños en las áreas que conforman la
antena.
38
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.
Una de las ventajas del simulador CST Microwave Studio, es que dispone de un
sistema de aceleración de Hardware, que permite que se hagan simulaciones en un
tiempo más corto.
39
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).
La aplicación de GA en la tecnología RFID aparece por primera vez en el trabajo
de Gaetano Marroco, Alessandro Fonte y Fernando Bardati [35], en el cual aplican el
algoritmo genético a MLAs, que analizan por medio del método de los momentos
(MoM) para mejorar la ganancia de las antenas, dejando a un lado el acoplamiento
entre el CI y la antena.
40
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.
Normalmente opera en función de un grupo de parámetros (Cromosomas)
41
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.
Uno de los aspectos más importantes de la caracterización, es la medición de la
impedancia. Tener un método preciso, que mida este parámetro, ha sido un tema
recurrente en los últimos años; en muchos casos se debe a que las antenas de RFID no
siempre son simétricas, lo que genera errores al hacer mediciones directas con los
analizadores de redes vectoriales [39].
42
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
tierra “virtual” 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].
De estas tres opciones, en el proceso de diseño de este trabajo de tesis, se optó
por el método diferencial, el cual se describe a continuación:
43
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 tierra “virtual”. En 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:
Tierra
(d)
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:
44
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.
En este capítulo se mostró el estado del arte del diseño de antenas de RFID en
la banda de UHF, señalando las estructuras más básicas para la realización de estos
dispositivos. Se hizo un estudio de las técnicas de miniaturización más empleadas, de
tal forma que la antena en cuestión presente dimensiones pequeñas, pero sin
modificar considerablemente sus características principales como patrón de radiación,
ancho de banda, ganancia y eficiencia. De las técnicas de miniaturización utilizadas una
de las que tiene más ventajas es la denominada MLA, ya que ofrece un alto grado de
miniaturización a costa de reducir muy poco la eficiencia del dispositivo. Debido a esto,
la tesis se enfocará en el desarrollo de antenas en microcinta basadas en esta técnica
de reducción.
45
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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49
Capítulo 3
Propuestas de Diseño de Antenas
de RFID.
En este capítulo se presentan cuatro antenas, su diseño se enfoca en la
geometría asociada y al acoplamiento de impedancias antena-CI. Los diseños se
realizan con auxilio de simuladores electromagnéticos, una antena se simulo con el
Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST Studio) y las otras tres con
el simulador electromagnético ANSYS HFSS. Tres de las antenas que se presentan se
optimizaron utilizando algoritmos genéticos cuyos datos se obtuvieron de los
resultados del simulador HFSS.
Tres de las antenas que se presentan son del tipo MLA, una cuarta antena es de
tipo texto, donde se utiliza la palabra México, que se propone como una opción para el
reconocimiento de un producto manufacturado en el país, ya que las actuales tienen
un mayor costo por la cantidad de metal que utilizan y el proceso de holografía
impreso. Esta antena es más difícil de diseñarse se puede ajustar a una resonancia o
tener un ancho de banda amplio como es el caso que se presenta aquí.
La característica critica que se está analizando en el diseño de las antenas es el
acoplamiento antena-CI ya que con esto se consigue la máxima transferencia de
energía. Esta característica se cuantifica con el parámetro de dispersión
el cual
indica que tan eficiente es la antena como radiador, el valor óptimo es de -10 dB.
50
3.1 Requerimientos para las Antenas.
Los requerimientos que deben cumplir las antenas son los siguientes:
Frecuencia de Operación: En el intervalo de 902 a 928 MHz,
especificado en la NOM121 [1].
Distancia máxima de lectura: Mínimo de 16 metros.
Coeficiente de transferencia de energía: mayor de 0.7
Impedancia del CI:
= 6.7-j206
y
=6.7-j198
. Estas impedancias
corresponden a los CI Atmel ATA5590 y el ST XRA00 respectivamente.
Dimensiones Máximas: 1.5 x 10 cm (medida estándar de las etiquetas
típicas comerciales).
Material: para la fabricación de la antena se utilizará cobre de 0.034 mm
de espesor, sobre FR4 (con una
), el cual tiene 1.6 mm de
espesor (material muy utilizado en la fabricación de circuitos impresos).
3.2 Propuestas de Diseño.
Antena 1.La configuración propuesta para esta antena se basa en la que se muestra en la
figura 2.3 (c). Esta antena se forma por elemento serpenteado (reflector) y un bucle
rectangular (elemento principal de la antena donde se conecta el CI). Para que la
antena se acople con el circuito integrado su impedancia debe ser de 6.7+j198
.
Como parte del diseño primero se ajustan las dimensiones de la cinta rectangular que
nos proporciona la parte reactiva de la impedancia total y la separación del reflector y
la cinta rectangular nos proporciona la parte resistiva.
La reactancia de la impedancia de la cinta rectangular se obtiene haciendo uso
de las ecuaciones (2.10) y (2.11) modificando las dimensiones de la cinta rectangular
manteniendo un ancho de 1 mm. Los resultados se muestran en la figura 3-1, donde la
reactancia de la impedancia de la cinta rectangular se muestra en el eje “Y”; la base
51
del rectángulo (a) corresponde al eje “X” superior y la altura (b) al eje “X” inferior. El
comportamiento que se tiene es lineal ya que la longitud de la base es del doble del
tamaño de la altura.
Figura. 3-1 Reactancia Teórica al Variar los
Parámetros de un Bucle Rectangular.
Después de un proceso de entonación (en el cual se hacen ajustes en la
estructura para lograr la resonancia en la frecuencia deseada) se obtiene la antena de
la figura 3-2. Por medio de las variaciones de la estructura de la antena se consigue un
coeficiente de transferencia de energía ( ) de 0.95 a la frecuencia de 915 MHz. El
resultado se muestra en la figura 3-3 (a) con el parámetro
, donde se puede
observar que la resonancia está en 915 MHz, con una magnitud de -14.75 dB. Lo que
implica que en esta frecuencia la antena obtiene su óptimo desempeño. En la figura 33 (b) se muestra el patrón de radiación, el cual muestra un comportamiento de una
antena dipolo. En la tabla IV se especifican los parámetros de la antena. Con el
coeficiente de transferencia de energía ( ) de 0.95, se obtiene una la ganancia de 1.85
dB, y de acuerdo con la ecuación de Friis para una potencia isotrópica de 4 W, la
distancia de lectura máxima de la etiqueta es de 18 m.
52
Figura. 3-2 Diseño de la Antena 1, Obtenido al variar
sus dimensiones.
(b)
(a)
Figura. 3-3 Resultados de Simulación de la Antena 1,
(a) Parámetro S11, (b) Patrón de Radiación.
Tabla IV Parámetros Obtenidos por Simulación de la
Antena 1.
Parámetros
Valor Obtenido.
Ancho de Banda
13 MHz
Intervalo de Operación
909-922 MHz
Ganancia
1.85 dB
Coeficiente de
Transferencia de
0.95
Energía
53
Antena 2.En la antena 2 se utiliza el acoplamiento T, su configuración se muestra en la
figura 3-4, como se puede observar es de tipo MLA con disminución de tamaño en sus
extremos (Tapering). Esta configuración aún no se reporta en la literatura
Figura. 3-4 Antena 2. Propuesta de Diseño.
La respuesta de la antena 2 se muestra en la figura 3-5 (a). El punto de
resonancia se presenta a los 914 MHz con un ancho de banda (considerando -10 dB)
de 60 MHz, manteniéndose dentro de lo establecido por la norma EPC (860-960
Mhz)[2], por lo que podría aprovecharse para utilizarse en regiones que operen en
esos intervalos. La ganancia obtenida es de 1.04 dB, y el coeficiente de transferencia
de energía ( ) es de 0.79 para una frecuencia de 912 MHz. Con estos datos la distancia
de lectura máxima es de 15.09 m. El patrón de radiación (figura 3-5 (b)) es el esperado
de una antena dipolo. En la tabla V se muestran los resultados de la simulación:
(a)
(b)
Figura. 3-5 Resultados de Simulación de la Antena 2, (a)
Parámetro S11 (b) Patrón de Radiación
54
Tabla V Parámetros Obtenidos de la Simulación de la
Antena 2
Parámetros
Valor Obtenido.
Ancho de Banda
60 MHz
881-941 MHz
Ganancia
1.04 dB
Coeficiente de Transferencia
de Energía
0.79
Antena 3.La tercera propuesta de diseño es la de una antena tipo texto con el logotipo
“México”. Las razones de utilizar este tipo de antenas son de tipo comercial. Una
característica de reconocimiento visual puede generar un distintivo sobre los objetos a
los que se adhiere. Una desventaja de utilizar este tipo de antenas es que se pierde la
simetría por lo que se presentan muchos efectos de segundo orden de líneas de
transmisión (inductancias y capacitancias parasitas) y no se anulan como se logra en
las MLA simétricas.
En la figura 3-6 se muestra la antena con el logotipo MEXICO, en la cual
podemos ver como las letras se unen por la parte inferior y se aprovecha la letra X para
formar un bucle. El tipo de acoplamiento de impedancia es diferente a los propuestos
anteriormente pero tiene un efecto similar.
Figura. 3-6 Antena 3. Propuesta con Logotipo México
55
En la figura 3-7 se muestra el comportamiento de la antena, en el cual se puede
observar que su resonancia está en 894 MHz su intervalo de operación es de 820 a
942 MHz. En la tabla VI se muestran los parámetros de la antena. Con estos datos se
determina la distancia de lectura máxima que es de 14 m.
Figura. 3-7 Parámetro S11 de la Antena "México"
Tabla VI Parámetros Obtenidos de la Simulación de la
Antena 4.
Parámetros
Valor
Obtenido.
Ancho de Banda
122 MHz
820-942 MHz
Ganancia
0.9 dB
Coeficiente de Transferencia de
Energía
0.71
56
3.3 Optimización.
El siguiente paso en el proceso de diseño es la optimización de las antenas. Para
llevar a cabo este proceso, se utiliza un programa generado en Matlab que realiza las
operaciones del algoritmo genético (GA) [3].El diagrama de flujo se muestra en la
figura 3-8:
Inicio
Generar la Población
Evaluación de Cada Individuo
Programa de Simulación HFSS
Selección
Cruza, Mutación
Comparación
¿Converge?
Fin
Figura. 3-8 Diagrama de Flujo del Programa del
Siguiendo los pasos del diagrama de flujo de la figura 3-8, se tiene que el primer
paso es darle forma a las antenas (Individuos) con segmentos (Genes) que varían
aleatoriamente para generar una población inicial.
57
Este proceso se controla con las siguientes variables:
ocal = [0 0 0 0 0
8
6 ;
15 15 15 15 2 12 10 ];
%Valores máximos y mínimos de
% los Genes
resv = [0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1]; % Resolución
En la primera variable se considera la primer fila como los valores mínimos y los
de la segunda fila los valores máximos (en este ejemplo, están dados en milímetros)
que pueden tomar cada Gen. La segunda variable controla la resolución, es decir la
cantidad mínima en que pueden variar los genes. A partir de estos genes se crean los
individuos.
Los siguientes parámetros que se seleccionan son:
fobj = 'FOS11';
sFO = str2func(fobj);
FO = 1e-3;
gn = 50;
crz = 0.85;
fcrz = 4/nvmtn = 0.1;
fmtn = 2/nv;
mtn=0.1;
eli = 2/ni;
mig = 0.1;
sta = 0.50*gn;
ncd = 1;
%Valor de la FO esperado
%Número de generaciones
%Probabilidad de cruza
%Fracción de cruza
%Probabilidad de mutación
%Fracción de mutación
%Fracción de Elitismo
%Migración
%Estancamiento
%Número de corridas
La Función Objetivo (FO) se utiliza dos variables “fobj” y “FO”, la primera toma el
nombre de una función creada en MATLAB (FOS11), en la cual se obtendrán los
resultados de la simulación de las antenas y se harán los cálculos para determinar el
valor de la Función Objetivo. La variable “FO” nos permite determinar el valor mínimo
que consideraremos como óptimo, es decir por debajo de que valor consideramos que
se tiene un resultado satisfactorio.
La función objetivo se propone para mejorar el acoplamiento entre la antena y
el CI, ya que los parámetros como ganancia y ancho de banda se mejoran. En este
58
proceso se busca que la diferencia tanto en la resistencia como en la reactancia sean
mínimas en la frecuencia de resonancia de la antena.
Los otros parámetros controlan los valores de los operadores básicos del GA
permitiendo determinar la probabilidad del cruzamiento y de mutación, el porcentaje
de modificación de los individuos, es decir la cantidad de genes que se intercambiaran
y mutaran. La ventaja de este programa, es que podemos determinar cada uno de
estos parámetros para que se ajusten a nuestras necesidades.
Una vez generada la población se procede a la evaluación de los individuos, para
ello en la función de FOS11 tenemos:
simu=S11HFSS2(As1,As2,As3,As4,sep,lp1,lp2,rm);
Esta función se encarga de la conexión con el simulador HFSS, los parámetros
que se envían dependen del número de genes que se desea modificar.
En la función “simu” se generan los comandos para la operación del simulador
electromagnético los cuales crean el código de Visual Basic Script (VBS) (que permiten
la manipulación del simulador electromagnético HFSS). Para ello se tomaron los
comandos obtenidos del manual de control de VBS en HFSS [4] y algunas herramientas
creadas por Vijay Ramasami [5].
59
El esquema general de como opera el algoritmo genético se muestra en la figura
3-9:
(a)
(b)
Matlab
GA
Función
Objetivo
(c)
Individuo
HFSS
Simulador
Procesamiento
de los Datos
(d)
S
Resultados
Figura. 3-9 Diagrama Esquemático de la Operación
del Algoritmo Genético
Para el caso específico de la optimización de una antena se deben seguís los
siguientes pasos:
a) Al inicio del programa seleccionamos si se construye una antena por medio
de comandos o se carga un archivo existente de HFSS.
En caso de seleccionar la construcción por medio de código de Matlab se
tiene que tener una función que construya la antena y haga las variaciones
en sus dimensiones dentro del propio código. La cantidad de genes
dependerá del número de variables a modificar. Por ejemplo tenemos en la
figura 3-10 un cuadro con los genes de una antena de prueba:
Serpenteo 1
Serpenteo 2
Serpenteo 3
Serpenteo 4
Separación
Alto del
Ancho del
Bucle
Bucle
Figura. 3-10 Esquema de los genes que conforman el
diseño de una MLA con acoplamiento inductivo.
60
b) Una vez que se ha generado un individuo, se crea el archivo de VBScript, que
contienen las instrucciones necesarias para la manipulación del simulador
HFSS.
c) El simulador utiliza los datos para la construcción y simulación de la antena:
En la figura 3-11, se observa la antena sin ningún tipo de sustrato detrás de
ella, pero esto no quiere decir que el programa no los pueda generar, existe
una sección dedicada a la construcción del sustrato, la cual se muestra a
continuación:
%Sustrato
hfssBox(fid, 'Sustrato', [-40, -10, 0], [80, 30, 0.2], 'mm');
%hfssAssignMaterial(fid, 'Sustrato', 'polyethylene');
hfssAssignMaterial(fid, 'Sustrato', 'FR4_epoxy');
En esta sección del programa se pueden agregar diferentes tipos de sustrato,
aunque respetando el nombre dado, dentro del simulador HFSS para cada
uno de ellos.
Figura. 3-11 Simulación de una Antena con Valores
Dados por el Algoritmo Genético.
d) El procesamiento de los datos se da una vez que se cierra el simulador y se
genera el archivo Matlab, estos datos contienen el coeficiente de reflexión,
en formato complejo como se muestra en la figura 3-12 siguiente:
61
S(1,:,:) = [
S(2,:,:) = [
S(3,:,:) = [
S(4,:,:) = [
S(5,:,:) = [
7.233705E-001
7.253752E-001
7.273667E-001
7.293450E-001
7.313103E-001
+
+
+
+
+
6.848071E-001i];
6.826126E-001i];
6.804182E-001i];
6.782240E-001i];
6.760299E-001i];
Figura. 3-12 Datos Exportados por el Simulador.
Con estos datos, utilizamos (3.2) para obtener la impedancia de la antena [6]:
Donde:
- Impedancia de la Antena (Ω)
- Coeficiente de Reflexión. (adimensional)
- Impedancia Característica. (Ω) Con esta ecuación podemos obtener, tanto la parte real como la imaginaria de
la impedancia de la antena.
La función objetivo propuesta para este sistema es la siguiente:
Donde:
- Resistencia de la Antena. (Ω)
- Resistencia del Circuito Integrado. (Ω)
- Reactancia de la Antena. (Ω)
-Reactancia del Circuito Integrado (Ω)
- Frecuencia donde el producto de las resistencias es más próximo a
cero (Hz)
- Frecuencia donde el producto de las reactancias es más próximo a
cero(Hz)
62
3.2.1 Prueba del Algoritmo Genético.
Con el fin de comprobar el funcionamiento del GA, se propone el diseño de una
antena la cual para este trabajo de tesis la identificaremos como la antena 4, con
características similares a la antena 1 (acoplamiento inductivo y serpenteo en el
reflector). En este caso permitiendo una variación más amplia, tanto en el tamaño del
bucle, como de los serpenteos.
Se realizaron 3 pruebas diferentes, en las cuales se busca acoplar al circuito con
impedancia de 6.7-j206
, cada una con parámetros del GA distintos que se muestran
en la tabla VII.
De la tabla VII podemos concluir, que un mayor número de individuos, nos
permite obtener mejores resultados, esto se debe a que existe más diversidad genética
por lo que hay más probabilidades que entre la población existan individuos que por sí
solos o al combinarse con otros logren evolucionar a un punto que se acerquen a los
valores óptimos de la función objetivo.
Tabla VII Pruebas Realizadas con el Algoritmo Genético.
Parámetros
Genético 1
Genético 2
Genético 3
Número de
40
80
100
Generaciones
10
20
40
Mutación
0.08
0.08
.1
Fracción de
0.28
0.28
0.3
9
19
25
0.02
0.015
0.0067
Individuos
Mutación
Estancamiento
Función Objetivo
La antena que se obtuvo, del algoritmo genético, con la FO de 0.0067 se
muestra en la figura 3.13.
63
Figura. 3-13 Antena 4. Generada por el Algoritmo
Genético
La estructura de la antena que se muestra en la figura 3-13 sus medidas están
dadas en milímetros y es el resultado de de muchas posibles soluciones. Ya que los
algoritmos genéticos se pueden tomar diferentes caminos en el proceso de evolución,
en este caso en especial, los serpenteos son distintos unos de otros y el bucle se hizo
más largo en comparación al de la Antena 1. Del proceso de simulación, la impedancia
de entrada que se obtuvo se muestra en la figura 3-14:
Figura. 3-14 Impedancia de Entrada de la Antena 4.
En la gráfica de la figura 3-14, la línea roja representa la reactancia y la negra la
resistencia, en la cual se puede ver que la separación entre la resistencia deseada y la
reactancia deseada es de 2 MHz.
64
Por medio de (1.2) calculamos el coeficiente de transferencia de energía,
tomando como base la frecuencia de 912 MHz, donde se acopla perfectamente la
reactancia y en ese mismo punto tomamos la resistencia, que tiene un valor de 6.45
,
obteniendo:
De acuerdo al resultado de la ecuación (3.2) el acoplamiento se puede
considerar como “1” (ideal).
En la figura 3-15 (a), podemos observar como el acoplamiento se da en los 912
MHz, que es la frecuencia donde la parte reactiva de la antena se acopla con la
reactiva del circuito integrado. Otro parámetro importante que se cubre es el ancho de
banda, que abarca el intervalo de frecuencias requerido. En la figura 3.15 (b)
observamos el patrón de radiación de la antena, el cual representa una patrón de una
antena dipolo, teniendo nulos en los extremos de la antena. Los parámetros obtenidos
por simulación se muestran en la tabla VIII, mostrando el ancho de banda, la ganancia
y el coeficiente de transferencia de energía, calculado anteriormente.
65
(b)
(a)
Figura. 3-15Resultados de Simulación de la Antena
4, (a) Parámetro S11, (b) Patrón de Radiación.
Tabla VIII Parámetros de la Antena 4.
Valor
Parámetros
Obtenido.
Ancho de Banda
36 MHz
894-930 MHz
Ganancia
1.048 dB
Energía
0.99
3.2.2 Optimización de las Antenas Propuestas.
Una vez que se ha probado el funcionamiento del programa del algoritmo
genético se procese a la optimización de las antenas 2 y 3.
Optimización de la Antena 2.La optimización de la antena 2 se realiza por medio de la manipulación del
archivo del simulador existente de está. Esta propiedad del GA nos permite tomar un
archivo creado con anterioridad y realizar la optimización.
66
La geometría obtenida después del proceso de optimización se muestra en la
figura 3-16. Los resultados de la antena después del proceso de optimización se
muestran en la figura 3-17 (a), se observa que la frecuencia de resonancia se presenta
a los 917 MHz y el intervalo de operación es de los 900 a los 932 MHz. Los parámetros
de esta antena se muestran en la tabla IX; se tiene una ganancia de 1.051 dB y un
coeficiente de transferencia de energía de 0.86, por lo que se tiene una distancia de
lectura máxima es de 15.77 m. El patrón de radiación de la antena se muestra en la
figura 3-17 (b).
Figura. 3-16 Antena 2 Optimizada.
(a)
(b)
Figura. 3-17Resultados de Simulación de la Antena 2
optimizada, (a) Parámetro S11, (b) Patrón de
Radiación.
67
Tabla IX Parámetros de la Antena 2 Optimizada.
Parámetros
Valor
Obtenido.
Ancho de Banda
34 MHz
900-934 MHz
Ganancia
1.051 dB
0.86
Energía
Los resultados obtenidos se consiguieron utilizando los parámetros del GA
mostrados en la tabla X, con los que se obtuvo una función objetivo de 0.062.
Tabla X Parámetros Utilizados en la Optimización de la
Antena 2.
Parámetros
Individuos
Probabilidad de
Mutación
100
0.1
Porcentaje de Cruza
0.3
F.O
0.062
Optimización de la Antena 3.La optimización de la antena 3, se da bajo el enfoque de mantener lo más
posible la forma de la palabra México, lo que limita la cantidad de genes que pueden
modificarse. La antena después del proceso de simulación se muestra en la figura 1-18.
El parámetro
se muestra en la figura 3-19 (a) en el cual se observa que la
68
resonancia se presenta a los 892 MHz y tiene un intervalo de operación de los 813 a
los 937 MHz, al igual que las anteriores antenas su patrón de radiación es el de un
dipolo (figura 3-19 (b)). Los resultados de la antena se muestran en la tabla XI y los
parámetros utilizados en el GA en la tabla XII. La ganancia 1.021 dB y el coeficiente de
transferencia de energía de 0.73 nos proporcionan una distancia de lectura máxima de
14.4 m.
Figura. 3-18 Antena 3 Después del Proceso de
Optimización
(a)
(b)
Figura. 3-19Resultados de Simulación de la Antena 3
después de la Optimización, (a) Parámetro S11, (b)
Patrón de Radiación.
69
Tabla XI Parámetros Obtenidos de la Antena 3,
Después del Proceso de Optimización.
Parámetros
Valor
Obtenido.
Ancho de Banda
119 MHz
815-934 MHz
Ganancia
1.021 dB
0.73
Energía
Tabla XII Parámetros para la Optimización de la
Antena 3.
Parámetros
Individuos
Probabilidad de
Mutación
100
0.1
Porcentaje de Cruza
0.3
F.O
0.092
70
La tabla XIII resume las antenas diseñadas y sus características principales.
Tabla XIII Parámetros de las Antenas Diseñadas.
Intervalo de
Operación (MHz)
Ganancia (dB)
Coeficiente de
Impedancia en la
Transferencia de
frecuencia de
Energía.
resonancia (Ω)
Antena 1
909-922
1.85
0.95
10+j200
Antena 2
881-941
1.04
0.79
19+j206
Antena 3
820-942
0.9
0.71
29+j203
Antena 4 *
894-930
1.04
0.999
6.45+j206
900-934
1.051
0.85
14+j204
815-934
1.021
0.73
20+j204
Antena 2
Optimizada
Antena 3
Optimizada
3.4 Conclusiones.
En este capítulo se diseñaron cuatro antenas basadas en la técnica de
miniaturización MLA o de serpenteo. La antena número uno presenta un ancho de
banda de 13 MHz, una ganancia de 1.85 dB. Esta antena se diseñó en base a prueba y
error, lo que no es recomendable ya que consume mucho tiempo y sus características
podrían no estar totalmente optimizadas.
La antena número 2 se inició con un diseño aproximado que resultó en una
ganancia de 1.04 dB y un coeficiente de transferencia de energía menor al solicitado
en las condiciones iníciales de diseño, por lo que se sometió a un procedimiento de
optimización basado en el algoritmo genético. Como resultado de esta operación la
antena obtuvo una ganancia de 1.05 dB, un coeficiente de transferencia de energía de
0.84 y un ancho de banda de 34 MHz, con lo que se puede observar una mejora en el
desempeño.
71
La antena número 3 es la antena con el logotipo “MEXICO”. El diseño inicial presenta un ancho de banda de 122 MHz y una ganancia de 0.9 dB, así como un
coeficiente de transferencia de energía de 0.71. La antena se sometió al proceso de
optimización obteniéndose los siguientes resultados: ancho de banda de 119 MHz,
ganancia de 1.02 dB y un coeficiente de transferencia de energía de 0.73. Las
características de esta antena no se mejoraron significativamente debido a que las
variables del algoritmo fueron limitadas para que se mantuviera las características del
logotipo, por lo que sus dimensiones estuvieron restringidas, lo que no permitió que se
obtuviera una optimización eficiente. Sin embargo, la antena cumple con los
requerimientos mínimos para su aplicación en etiquetas de RFID pasivas, donde la
identificación de un producto mexicano puede ser necesaria.
Por último, se diseño una antena serpenteada basada enteramente en la
optimización con el algoritmo genético, donde las variables de diseño no fueron
limitadas. Como resultado de esta operación se obtuvo una antena la cual presenta
características muy aceptables y que resumen de la siguiente forma: ganancia 1.04 dB,
ancho de banda de 36 MHz y un coeficiente de transferencia de energía de 0.999.
Estos resultados nos permiten asegurar que si no se tiene una restricción en cuanto a
las dimensiones y forma de la antena, el algoritmo empleado puede generar resultados
deseables en cuanto a acoplamiento de impedancias así como de ganancia.
72
Referencias.
[1] Comision Federal de Telecomunicaciones, Norma Oficial Mexicana NOM-121-SCT12009,Telecomunicaciones-Radiocomunicación-Sistemas de radiocomunicación que
emplean la técnica de espectro disperso- Equipos por salto de frecuencia y por modulación
digital a operar en las bandas 902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz y 5725-5850 MHzEspesificaciones, límites y métodos de prueba., June 21, 2010.
[2] EPCGlobal Inc.“EPCglobalTag Data Standards” Princeton Pike Corporate Center Version 1.3,
18 de Marzo 2006.
[3] A. Rangel-Merino, J. L. López-Bonilla, R. Linares y Miranda, "Optimization Meted Based on
Genetic Algorithms," APEIRON Vol.12, No. 4, pp 293-408 Revista Electrónica ISSN 08436061, http://redshift.vif.com/journal_archives.htm. Oct. 2005.
[4] "Introduction to Scripting in HFSS”, Ansoft Corporation,Diciembre 2007
[5] Vijay Ramasami, “HFSS-MATLAB-API”, Free Software Foundation, Inc. 2004.
[6] Sophocles J. Orfanidis,“Electromagnetic Waves and Antennas”, ECE DepartmentRutgers University, 2008.
73
Capítulo 4
Construcción y Caracterización de
las Antenas.
En el capítulo anterior se dieron los primeros pasos del proceso de diseño de
cuatro antenas de RFID. La caracterización es el último de estos pasos y nos permite
comprobar si los valores obtenidos en las mediciones se aproximan a los valores de
simulación.
El primer parámetro a medir es la impedancia de las antenas, parámetro que
debe ser lo más próximo al del circuito integrado que se desea utilizar. Para realizar
estas mediciones se utiliza el método diferencial (presentado en el capítulo 2). Los
resultados de esta medición son presentados, analizados y justificados en los casos
donde se presenten diferencias con los valores esperados.
Los parámetros del patrón de radiación y ganancia se realizan sobre la antena
4, antena que presento los mejores resultados tanto en simulación y medición de
impedancia. Esta medición se realiza dentro de una cámara anecoica (cuarto
especialmente diseñado para simular las condiciones de espacio libre) que elimina las
interferencias que pueden afectar en los resultados.
4.1 Construcción de los Prototipos.
Cualquier modificación en la geometría o sustrato de una antena cambia sus
características (frecuencia de operación, impedancia y ganancia), por lo que para
desarrollar una antena con una geometría dada en primera instancia se deben conocer
las características dieléctricas del sustrato y las del conductor que forman la antena.
74
Para el caso de las antenas que se construyeron el material que se utilizo es un
FR4 con depósito de cobre de un espesor de 0.034 mm en una sola cara. Este tipo de
sustratos tiene una
dato importante utilizado en el proceso de simulación.
Para construir las antenas, se utiliza una maquina de fresado, disponible en el
laboratorio de compatibilidad electromagnética, con una resolución de 0.1mm.
Las antenas construidas se muestran en la figura 4.1
Figura. 4-1 Antenas Construidas sobre FR4.
4.2 Proceso de Medición de la Impedancia.
La medición de la impedancia de las antenas utiliza el método de la medición
diferencial (descrito previamente en el tema 2.3.6). Una de las ventajas que
obtenemos al emplear este método es el poder medir la impedancia de antenas no
simétricas [1], como es el caso de la antena con el logotipo de “México”, así como
reducir los efectos de los cables por medio de la compensación que se realiza en el
proceso de calibración.
75
4.2.1 Calibración del Sistema de Medición.
El primer paso para la medición es construir un arreglo de cables semirrígidos,
los cuales se soldán uno con otro por medio de la malla que los recubre. Este arreglo
se muestra en la figura 4.2. El arreglo cuenta con conectores SMA para poder
proporcionar una mejor calidad en la medición (estos conectores están diseñados para
presentar una impedancia característica de 50
).
Figura. 4-2 Cable Semirrígido Utilizado en la Técnica
de Medición Diferencial
El siguiente paso es el de la calibración del sistema. Un esquema se muestra en
la figura 4-3, en el cual se tienen dos planos de calibración, uno antes del arreglo de los
cables y el segundo después de este. En la parte derecha del esquema, se muestra la
foto del arreglo conectado al analizador de redes Agilent PNA-X N5244A.
Para realizar la calibración del analizador de redes se siguen los siguientes
pasos:
1. Realizar la calibración normal del equipo en sus dos puertos utilizando
Abierto, Corto y Carga.
2. Para eliminar los efectos del arreglo de cables, se realiza la “extensión de puerto”, un proceso de calibración integrado en el analizador de redes PNA-X. En el manual del equipo [2], se explican los pasos a seguir
para una calibración manual o una calibración automática. En este caso
76
se utiliza la calibración automática, que se realiza poniendo en abierto o
en corto los cables del arreglo.
(a)
(b)
Figura. 4-3 Método de Calibración, (a) Diagrama de
Calibración del Sistema, (b) Arreglo conectado al
Analizador de Redes.
Una vez realizado estos pasos, el analizador de redes, compensa los elementos
parásitos de este arreglo de cables.
4.2.2 Medición de la Impedancia.
Una vez reducidos los elementos parásitos del arreglo de cables semirrígidos se
procede a conectar las antenas. Esto se hace soldando los extremos del arreglo a las
terminales de la antena. Este proceso se muestra en la figura 4-4.
Una vez conectada la antena al analizador se obtienen los datos de los
parámetros S (en formato real/imaginario).
77
Figura. 4-4 Conexión de las Antenas al Arreglo
4.2.3 Análisis y Discusión de los Resultados.
De la figura 4-5 a la figura 4-8, se muestran los resultados obtenidos al procesar
los datos del analizador de redes PNA-X, en las cuales se muestran por separado, su
parte resistiva y su parte reactiva.
Antena 1.Los resultados de medición de la antena 1 se muestran en la figura 4-5 (a)
reactancia y (b) resistencia, en el intervalo de frecuencia de los 600 MHz a los 1.2 GHz.
La impedancia medida más cercana a los valores obtenidos por medio de simulación
(Tabla XIII) se presenta a los 930 MHz.
La diferencia puede deberse a diversos factores como pueden ser: el proceso
de construcción, interferencias, error en el proceso de calibración.
78
Los errores de construcción en esta antena se dan en función de la resolución
de la herramienta de fresado. La separación bucle-reflector es de 0.4 mm y el diámetro
de la herramienta de fresado en condiciones ideales es de 0.406, por lo que la parte
resistiva asociada a la separación del bucle-reflector puede verse afectada.
a)
(b)
Figura. 4-5 Impedancia Medida de la Antena 1, (a)
Reactancia y (b).Resistencia
79
Antena 2.Los resultados de la antena 2 se muestran en la figura 4-6 (a) y (b). La
resistencia y la reactancia obtenidas que se acercan a los valores de simulación a los
912 MHz, se encuentran a los 885 MHz lo que es una diferencia de 27 MHZ.
a)
(b)
Figura. 4-6Impedancia Medida de la Antena 2, (a)
Reactancia y (b).Resistencia.
80
Antena 3.Los valores de impedancia medidos de la antena 3 se presentan en la figura 4-7
(a) y (b), la diferencia entre los valores medidos y simulados (tabla XIII) es de casi 100
MHz. La diferencia puede darse en función de la complejidad del diseño para la
máquina de fresado utilizada, aunque se deben de analizar otros procesos de
fabricación, hay que considerar que las mediciones pueden verse afectadas debido a
que se realizaron fuera de un ambiente libre de interferencias.
(a)
(b)
Figura. 4-7 Impedancia Medida de la Antena 3, (a)
81
Antena 4.Los datos de la medición de la antena 4 se muestran en la figura 4-8 (a) y (ab).
Los valores obtenidos de esta antena tienen una cercanía de aproximadamente 4 MHz
en la parte reactiva y unos 5 MHz en la resistiva respecto a los valores obtenidos en
simulación. Por lo que de las 4 antenas esta se aproximo más a los valores esperados,
se puede considerar que al ser un diseño con ángulos rectos y que la separación buclereflector es mayor al diámetro de la fresa utilizada, no se presentaron errores en la
fabricación de esta antena.
(a)
(b)
Figura. 4-8Impedancia Medida de la Antena 4, (a)
82
4.3 Medición del Patrón de Radiación y Ganancia.
Una vez que se ha medido la impedancia de las antenas, se procede a medir el
patrón de radiación y la ganancia de la antena 4, la cual obtuvo los mejores resultados
de medición.
Para realizar las mediciones se requiere un acoplamiento entre la antena y el
equipo de medición, por lo que de las alternativas estudiadas, se plantea el uso de un
stub en serie, el cual se calcula para acoplar los 6.45+j206
del diseño con los 50
de
los instrumentos de medición.
Las dimensiones calculadas para el stub (Apéndice III) de la figura 4-9, dan una
separación entre la antena y el stub de 5.6 mm y un largo de 33.4 mm. El stub se forma
por líneas separadas a una distancia de 1.8 mm con un ancho de 2.8 mm. La
separación de las pistas de cobre así como el ancho se dan en función de obtener una
impedancia característica de 50
.
Figura. 4-9 Antena con Stub Calculado para acoplar 50
con 6.45+j206
Una vez obtenida las dimensiones, se procede a fabricar la antena con el stub,
sobre una placa de FR4, prototipo que se muestra en la figura 4-10.
83
Figura. 4-10 Prototipo de Antena con Stub.
En la figura 4-11 se muestra la respuesta obtenida del parámetro
en el
analizador de redes PNA-X. Se observa que existe un acoplamiento de los 707 MHz a
los 925 MHz. Estos resultados son diferentes a los de la antena si estuviera conectada
a un CI debido a los efectos del stub.
Figura. 4-11Parámetro S11 de la Antena con el Stub.
84
Las mediciones del patrón de radiación y de la ganancia se realizan a los 915
MHz (frecuencia central del intervalo de frecuencia marcado por la NOM-121). Una vez
verificado el funcionamiento del acoplador, se procede a la fabricación de una antena
de iguales dimensiones.
Un esquema de cómo se mide el patrón de radiación se muestra en la figura 412.Para medir el patrón de radiación de la antena, se colocan dos antenas idénticas
dentro de la cámara anecoica (Figura 4-13 (a) y (b)) a una distancia que al menos
sobrepase la condición de campo lejano [3]. Para la medición de estas antenas se
colocaron a 1.5 m. El siguiente paso es conectar una de las antenas a un generador de
funciones (figura 4-13 (c)), a una frecuencia de 915 MHz con una potencia de salida de
10 dBm. La segunda antena se conecta a un radiorreceptor al cual se ajusta a una
frecuencia central de 915 MHz con un Spam de 10 MHz (Figura 4-12 (d)).
4-12 Esquema de medición del patrón de radiación.
85
(a)
(b)
(c)
(d)
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
Una vez alineadas las antenas, se gira una de ellas en azimut (ángulo de
apertura) cada 5 grados por movimiento, y se mide la potencia recibida en cada
ángulo de giro, hasta dar una vuelta de 360°.
Al finalizar las mediciones, se normalizan los datos y se obtiene el patrón de
radiación (figura 4-14), en la cual se observa que se comporta como una antena dipolo,
teniendo dos nulos. El hecho de que la potencia se concentre del lado izquierdo,
puede deberse a la posición del Stub y del plano de reflector que este tiene detrás.
86
Figura. 4-14 Patrón de Radiación Normalizado.
De las mediciones realizadas, para obtener la ganancia, se requiere de la
(Potencia transmitida) y de
(potencia recibida). Y por medio de (4.1) obtenemos el
valor [4]:
En donde D es la longitud máxima de la antena, en este caso de 0.076 m, es la
longitud de onda que a los 915 MHz es 0.327 m y Sustituyendo PT=10 dBm=0.01 mW y
PR=-45 dBm =0.315 µW
obtenemos una ganancia de 0.2 dB. Que es baja en
comparación en la obtenida en el simulador de 1, esto puede deberse a diversos
factores, el primero de ellos, es que no tiene la misma resonancia, que en el caso de la
simulación, se da a los 912 MHz, con el stub se presenta a los 888MHz, lo que indica
que el acoplamiento ésta en esa frecuencia, pero dicha frecuencia se encuentra fuera
87
de nuestra área de interés (902-928 MHz).También se deben considerar las perdidas
por conductor generadas en el stub.
4.4 Conclusiones.
En este capítulo se procedió a caracterizar la impedancia de los cuatro diseños
de antenas serpenteadas para lo cual se utilizó un analizador de redes vectorial. Los
resultados obtenidos son muy convergentes a los obtenidos en el proceso de
simulación. Las diferencias presentadas en estos resultados se deben principalmente a
las incertidumbres del proceso de construcción y de medición inherentes. Cabe
destacar que para realizar la medición de impedancias de los cuatro prototipos se
debió recurrir a una técnica denominada diferencial.
De los cuatro prototipos analizados se procedió a caracterizar el patrón de
radiación de uno de ellos. Este prototipo es la antena número 4 ya que presenta las
mejores características en cuanto al acoplamiento. Sin embargo, para poder realizar
las mediciones de patrón de radiación fue necesario llevar a cabo una técnica de
acoplamiento de impedancias, ya que la antena presenta una impedancia
característica compleja y los equipos de medición tienen una impedancia característica
estandarizada de 50 Ω. El método de acoplamiento empleado se desarrollo en base a
un stub en serie en corto circuito, ya que se adecua perfectamente al tipo de
estructura de la antena. Como resultado de esta medición, se obtuvo un patrón de
radiación cuasi-omnidireccional, cuyas diferencias en comparación con el teórico se
deben principalmente al empleo de la red de acoplamiento, ya que esta estructura es
metálica y está cercana a la antena. La reducción presentada en la ganancia, se debe
principalmente a las atenuaciones introducidas por el stub y los cables y las pérdidas
por dieléctrico.
88
Referencias
[1] Xianming Qing, Chean Khan Gah, Zhi Ning Chen, “Measurement of UHF RFID Tag Antenna Impedance.” IEEE Antenna Technology, 2009
[2] “Agilent Technologies N5244/45AS Option H85 User Manual”, Agilent Technologies, Inc.
2009
[3] Constantine A. Balanis,“Antenna Theory Analysis and Design”,Wiley, Tercera Edición, 2005.
[4] Sophocles J. Orfanidis,“Electromagnetic Waves and Antennas”, ECE DepartmentRutgers
University, 2008.
89
Conclusiones Generales.
Los sistemas de RFID se componen principalmente por tres bloques: el lector, el
medio de propagación y la etiqueta. El primero y el tercero están delimitados por
normas nacionales e internacionales, mientras que el segundo no se tiene control
sobre él. Debido a esto, una de las metas principales para mejorar el desempeño de
estos sistemas es optimizar el funcionamiento de la etiqueta, sin sobrepasar los
requerimientos establecidos por dichas normas.
A lo largo de este trabajo de tesis se ha comprendido la importancia que tienen
las antenas de las etiquetas de RFID en el desempeño global del sistema. Las
características principales de estas antenas ejercen un efecto directo en el
comportamiento de la etiqueta los cuales a su vez tienen una relación directa con la
distancia de lectura máxima que alcanza el sistema de RFID. Las antenas permiten
optimizar la respuesta del sistema en general al no estar limitados sus parámetros por
las normas nacionales o internacionales vigentes para esta tecnología.
Por medio del estudio de los tipos de antenas de RFID se concluyó utilizar las
MLA por las ventajas que presentan al permitir una miniaturización sin afectar en gran
medida los parámetros de ganancia, ancho de banda y eficiencia. Otro punto
importante es el método de optimización seleccionado, que por medio de algoritmos
genéticos (que no requiere de grandes cantidades de datos como es el caso de las
redes neuronales) se puede mejorar el acoplamiento de impedancias entre la antena y
el CI, o si se desea algún otro parámetro de la antena.
En el capítulo 3 se diseñaron cuatro antenas utilizando un proceso de diseño
propuesto, que por medio del programa de optimización basado en los algoritmos
genéticos permite una mejora en el coeficiente de transferencia de energía. Un
ejemplo de esto se da con la antena 4 que obtiene un acoplamiento casi ideal. En el
caso de las antenas 2 y 3, debido a que se requería mantener la forma de la antena, el
proceso de optimización no alcanzó un acoplamiento óptimo.
90
Por último se realizó la caracterización de la impedancia de las antenas, de lo
cual se observó una convergencia con los datos de simulación, aunque con diferencias
debido a la incertidumbre del proceso de construcción y medición. De estas cuatro
antenas, se seleccionó la número 4 para caracterizar sus parámetros de patrón de
radiación y ganancia. Las diferencias de éstos últimos con respecto a simulación se
deben a que se agregó una red de acoplamiento (stub) que al ser una pista metálica
tuvo efectos en el comportamiento de la antena, así como agregar efectos de
atenuación que disminuyeron la ganancia.
De este trabajo de tesis se puede concluir que la eficiencia del sistema depende
directamente del desempeño de las antenas empleadas. Para el caso de las etiquetas
pasivas se busca que el tamaño de la antena sea lo más pequeño posible, por lo que
una técnica de miniaturización es necesaria cuando se trabaja a frecuencias
relativamente bajas (menores a 1 GHz). Sin embargo, cuando se reduce el tamaño de
una antena, inherentemente se reduce la eficiencia del dispositivo, reflejándose en la
disminución de la ganancia y/o el ancho de banda. Debido a esto, se debe llegar a un
compromiso entre el desempeño de la antena y el factor de miniaturización, por tal
motivo se seleccionó la técnica MLA para llevar a cabo las metas propuestas en este
trabajo.
Con el diseño de antenas de microcinta con MLA y con un proceso de
optimización adecuado, en este caso basado en algoritmos genéticos, se obtuvieron
cuatro prototipos de antenas con características tales que pueden ser comparables
con dispositivos comerciales y con elementos descritos en la literatura actual.
Trabajo Futuro.
Agregar la ganancia en la función objetivo del algoritmo genético, para optimizar más
la distancia de lectura máxima que puede tener la etiqueta.
Generar un modelo matemático que permita calcular la impedancia de este tipo de
antenas, para agilizar el proceso de optimización, reduciendo los tiempos que toma el
análisis por medio de simuladores electromagnéticos.
91
Construir las antenas sobre diferentes sustratos, y verificar su comportamiento sobre
diferentes objetos
Conectar las antenas a los CI para verificar el parámetro de distancia de lectura
máxima, utilizando el lector de RFID a la potencia fijada en la NOM-121.
Utilizar el algoritmo genético en antenas que empleen otro tipo de técnica de
reducción de dimensiones.
92
Bibliografía.
Libros.
K. Finkenzeller, “RFID Handbook”. Wiley & Son, Nw York, 2000.
Jari-Pascal Curty, Michel Declercq, Catherine Dehollain, and Norbert Joehl, “Design and
Optimization of Passive UHF RFID Systems”. Editorial Springer, Lausanne, Switzerland,
2006.
V. Daniel Hunt, Albert Puglia, and Mike Puglia, “RFID a Guide to Radio Frequency
Identification”John Wiley & Sons, New Jersey, 2007.
Constantine A. Balanis,“Antenna Theory Analysis and Design”,Wiley, Tercera Edicion,
2005.
John L. Volakis, Chi-Chih Chen, Kyohei Fujimoto, “Small Antennas: Miniaturization Techniques & Applications”, McGraw-Hill, 2010
Publicaciones.
Fernando Eliseo Solares Zavala, Roberto Linares y Miranda. “Técnicas y Parámetros de Diseño de Antenas de RFID”, Vigesimoprimera Reunión Internacional de Otoño de
Comunicaciones, Computación, Electrónica y Exposición Industrial ROC&C 2010.
Diciembre de 2010.
93
Apéndice I.
Como Crear Funciones Para la
Manipulación de HFSS con Matlab.
Para manipular el HFSS por medio del Matlab, se requiere de un archivo de VBS
(Visual Basic Script).
Un ejemplo para la creación de un archivo de VBS, en matlab se muestra a
continuación.
fid=fopen([‘Ejemplo.vbs'], 'wt');
La función “fopen” permite la creación de cualquier tipo de archivo, en este caso la extensión seria “.vbs” y las propiedades “w,t” permiten la modificación de este archivo una vez creado. Cuando se tiene creado el archivo “vbs”, se puede agregar el código que permite el control de HFSS.
Las primeras líneas que se deben agregar al código, basados en el manual
“Introduction to Scripting in HFSS”, son para la creación de las variables de control. En la tabla XIII se muestra un ejemplo de cómo se escribe el código de matlab que
permite la generación del programa de VBS, este código genera las variables
Tabla XIV Código Utilizado en Matlab Para la
Generación del Código de VBS
Matlab
Visual Basic Script
fprintf(fid, 'Dim oHfssApp\n');
fprintf(fid, 'Dim oDesktop\n');
fprintf(fid, 'Dim oProject\n');
fprintf(fid, 'Dim oDesign\n');
fprintf(fid, 'Dim oEditor\n');
fprintf(fid, 'Dim oModule\n')
Dim oHfssApp
Dim oDesktop
Dim oProject
Dim oDesign
Dim oEditor
Dim oModule
94
Las variables declaradas al inicio del código, nos van a permitir ejecutar las
funciones que se requieran. Un ejemplo de una función creada para manipular HFSS
por medio de Matlab, es la que permite crear un rectángulo. El código que muestra el
manual para la creación de un rectángulo, es el siguiente:
Set oEditor = oDesign.SetActiveEditor("3D Modeler")
oEditor.CommandName <args>
CreateRectangle <RectangleParametersArray>, <AttributesArray>
<RectangleParametersArray>
Array("NAME:RectangleParameters",
"XStart:=", <value>,
"YStart:=", <value>,
"ZStart:=", <value>,
"Width:=", <value>,
"Height:=", <value>,
"WhichAxis:=", <string>)
Este código representa, lo que en HFSS seria la creación de un rectángulo,
donde se seleccionan los valores de posición en los ejes “x”, “y” y “z”, el ancho, el nombre que se le será asignado, entre otros parámetros. En la primer línea vemos
como para operar los comandos de creación de figuras, se tiene primero que llamar a
la variable “oEditor”, la cual nos coloca en las herramientas de creación y edición de objetos.
Una vez que conocemos el código necesario de VBS se crea la función de
Matlab.
function hfssRectangle(fid, Name, Axis, Start, Width, Height, Units)
Transparency = 0.5;
fprintf(fid, '\n');
fprintf(fid, 'oEditor.CreateRectangle _\n');
% Parámetros del Rectángulo:
95
fprintf(fid, 'Array("NAME:RectangleParameters", _\n');
fprintf(fid, '"IsCovered:=", true, _\n');
fprintf(fid, '"XStart:=", "%f%s", _\n', Start(1), Units);
fprintf(fid, '"YStart:=", "%f%s", _\n', Start(2), Units);
fprintf(fid, '"ZStart:=", "%f%s", _\n', Start(3), Units);
fprintf(fid, '"Width:=", "%f%s", _\n', Width, Units);
fprintf(fid, '"Height:=", "%f%s", _\n', Height, Units);
fprintf(fid, '"WhichAxis:=", "%s"), _\n', upper(Axis));
% Atributos.
fprintf(fid, 'Array("NAME:Attributes", _\n');
fprintf(fid, '"Name:=", "%s", _\n', Name);
fprintf(fid, '"Flags:=", "", _\n');
fprintf(fid, '"Color:=", "(132 132 193)", _\n');
fprintf(fid, '"Transparency:=", %d, _\n', Transparency);
fprintf(fid, '"PartCoordinateSystem:=", "Global", _\n');
fprintf(fid, '"MaterialName:=", "vacuum", _\n');
fprintf(fid, '"SolveInside:=", true)\n');
En esta función, se agregan otros elementos, como es el color, la transparencia,
etc. Los nombres de cada parámetro se deben mantener en ingles y con el mismo
formato que marca en el manual, para evitar los errores.
De este modo se crean las funciones, agregándole los elementos que uno
desee, ya sea dejando abierta la función para asignar valores o hacer una función
cerrada donde, al invocarse genere una forma con dimensiones ya definidas.
96
Apéndice II
Configuración del Programa del
Para realizar la optimización de una antena en el programa propuesto, existen
dos métodos, uno es crear la antena por medio de las funciones generadas en Matlab
o por medio de la manipulación de un archivo existente. A continuación se muestra
como seleccionar el método y en general las funciones más importantes del programa
del algoritmo genético.
Al inicio se seleccionan los parámetros del GA, mostrados en el tema 3.3, en
donde se considera, el número de individuos, generaciones, mutación, así como las
variables y la resolución con la cual se hará la búsqueda. Una vez que se determinan
todos estos parámetros se determina la impedancia que deseamos alcanzar:
CIR=6.7;
%Impedancia Resistiva
CII=206;
%Impedancia Reactiva
Ya con todos los datos que requerimos, el programa se sitúa en la función de la
“función objetivo”, de la cual tomamos las partes más importantes:
function fo = FOS11(pob);
As1=pob(rm,1);
% Asignando el valor aleatorio a la variable 1.
As2=pob(rm,2);
% Asignando el valor aleatorio a la variable 2.
if método=1;
Simu=S11HFSS;
%Construcción de Antena por Código
else
Simu=S11HFSS2;
% Manipulación de Archivo Existente
end;
97
Z11=((1 + simu(:,2))./(1-simu(:,2))).* 50;
%Calculo de la Impedancia a Partir
% del S11
FoR=CZ11(freq,Z11,CIR,CII);
fo=[fo;FoR];
%Búsqueda de los valores deseados.
% Almacena la FO obtenida de cada
%individuo
En el caso de las antenas creadas por medio del código generado en matlab, se
tiene la función S11HFSS, la cual se resumen a continuación y en el cual se da el
ejemplo de como se construye la antena:
%Parámetros de Simulación.
fC = 915e6;
%Frecuencia central
Wv = 3e8/fC;
%Longitud de Onda
L = Wv/2;
%Media longitud de Onda
fB = 700e6;
%Frecuencia Inicial
fA = 1100e6;
%Frecuencia Final
nMuestra = 201;
%Numero de Muestras
% Condiciones de condiciones de Frontera.
AireX = Wv/2.5;
AireY = Wv/2.5;
AireZ = Wv/2.5;
%Ubicacion del HFSS en el disco duro
hfssExePath = 'C:\"Archivos de Programa"\Ansoft\HFSS12\hfss.exe';
fid = fopen(['C:\P-AG\Construccion\TEMP\gen' num2str(cgn) 'dipole' num2str(ind)
'.vbs'], 'wt');
%Crea el archivo del VBS
fopen(['C:\P-AG\Construccion\TEMP\gen' num2str(cgn) 'tmpData' num2str(ind) '.m'],
'wt');
%Crea el archivo a donde se exportaran los resultados
hfssNewProject(fid);
%Crea un Nuevo Proyecto
hfssInsertDesign(fid, 'RFID_Loop_Reflector');
%Se crea un nuevo diseño.
98
% Generación de la Antena
%Construccion del Loop
hfssRectangle(fid, 'Loop1','Z', [ 0.5, 0.5+lp2+sep,0],lp1-2, 1, 'mm');
hfssRectangle(fid, 'Loop2','Z', [-0.5, 0.5+lp2+sep,0],-lp1+2, 1, 'mm');
hfssRectangle(fid, 'Loop3','Z', [ lp1-(gapL/2)-1,1.5+sep,0], 1,lp2, 'mm');
hfssRectangle(fid, 'Loop4','Z', [-lp1+(gapL/2)+1,1.5+sep,0],-1,lp2, 'mm');
hfssRectangle(fid, 'Loop5','Z', [ 0, 0.5+sep,0], lp1-0.5,aA, 'mm');
hfssRectangle(fid, 'Loop6','Z', [ 0, 0.5+sep,0],-lp1+0.5,aA, 'mm');
%Construccion del Reflector
hfssRectangle(fid, 'Refrec1','Z', [0, -1, 0], cr, aA, 'mm');
hfssRectangle(fid, 'Refrec2','Z', [0, -1, 0], -cr, aA, 'mm');
%Colocacion de Fuente
hfssRectangle(fid, 'GapSource', 'Z', [-0.5, 0.5+lp2+sep, 0], aA, gapL, 'mm');
hfssAssignLumpedPort(fid, 'LumpedPort', 'GapSource', [-0.5, 0.5+lp2+sep+0.5, 0],
[0.5,0.5+lp2+sep+0.5, 0], 'mm',50);
% Condiciones de Frontera
hfssBox(fid, 'AirBox', [-AireX-0.0185, -AireY, -AireZ]/2, [AireX+0.0185, AireY, AireZ],
'meter');
hfssAssignRadiation(fid, 'ABC', 'AirBox');
%Parámetros de analisis
hfssInsertSolution(fid, 'Setup915MHz', fC/1e9,0.02,15);
hfssInterpolatingSweep(fid, 'Sweep700to1100MHz', 'Setup915MHz', fB/1e9, fA/1e9,
nMuestra);
%Guardar el Archivo para resolver
hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile, true);
hfssSolveSetup(fid, 'Setup915MHz');
99
% Exportar datos del HFSS a matlab
hfssExportNetworkData2(fid, ['C:\Construccion2\gen' num2str(Ngen) 'tmpData'
num2str(ind) '.m'], 'Setup915MHz', 'Sweep700to1100MHz');
fclose(fid); % Finaliza archivo VBS
% Inicia simulación
disp('Simulacion con HFSS ..');
hfssExecuteScript(hfssExePath, ['C:\Construccion2\gen' num2str(Ngen) 'dipole'
num2str(ind) '.vbs']);
% Cargar los datos de simulacion.
run(['C:\Construccion2\gen' num2str(Ngen) 'tmpData' num2str(ind) '.m']);
simu=[f',S]; %Se guardan los resultados de simulación para su procesamiento
Como se aprecia en el código, se construye el archivo de VBS en varios bloques,
entre los que se encuentra el de la creación de la antena, la fuente de la misma, las
condiciones de frontera, así como los intervalos para el análisis y su posterior
exportación. Este código ejemplo, construye una antena con acoplamiento inductivo,
el cual es la base con la que se construyo la antena 4 de este trabajo de tesis.
Para el caso de utilizar un archivo existente, se tiene la función S11HFSS2 en la
cual se mantiene la estructura general, pero se agregan funciones las cuales se
muestran a continuación:
hfssOpenProject(fid, ['C:\Construccion\Mexico.hfss']); %Abre el archivo existente
hfssSetDesign(fid, 'HFSSDesign1');
%Dentro de la simulación es el nombre del
proyecto
%Variación de los parámetros:
hfssVariableChange(fid, 'loop2', Lp2, 'mm') %Modifica las variables del diseño
hfssVariableChange(fid, 'loop1', Lp1, 'mm')
100
hfssVariableChange(fid, 'B', Bant, 'mm')
hfssVariableChange(fid, 'M', Mant, 'mm')
Al utilizar este método, se reduce la cantidad de código, porque no se
construyen uno a uno los componentes de la estructura que conforma la antena,
aunque hay que recordar que se deben de crear las variables dentro del simulador
para que se puedan modificar.
Una vez que se obtienen los resultados y se hace el procesamiento para
obtener la impedancia de la antena a partir del S11, se tiene la función “CZ11”, en la cual se aplica (3.1) para obtener el valor de la función objetivo, el código se muestra a
continuación:
function FoR=CZ11(freq,Z11,CIR,CII)
Rop=[];
Xop=[];
Z11real=real(Z11); %Resistencia de la Antena
Z11imag=imag(Z11); %Reactancia de la Antena
for i=200 :215
%Búsqueda de los 900 a los 915 MHz
Rop=[Rop;abs((Z11real(i)-CIR)/CIR),i];
end
for i=200 :215
Xop=[Xop;abs((Z11imag(i)-CII)/CII),i];
end
[MinRop,K]=min(Rop(:,1));
[MinXop,T]=min(Xop(:,1));
Freal=Rop(K,2);
Fimag=Xop(T,2);
Freal=freq(Freal)/100000000;
Fimag=freq(Fimag)/100000000;
If Freal<Fimag;
101
freqop=abs(Freal-Fimag/Fimag);
else
freqop=abs(Freal-Fimag/Freal);
end
FoR=MinRop+MinXop+freqop; %Ecuación de FO
return;
En esta función se hacen los cambios si se requiere de otra función objetivo o si
se quiere buscar en otro intervalo de frecuencia.
Otros elementos importante que conforman el programa son las funciones de cruza,
mutación, población y selección, las cuales no requieren ser modificadas por lo que
solo se hace mención de ellas. Al final el resultado se mostrara cuando se interrumpa
el programa ya sea por estancamiento (que no exista mejora después de un cierto
número de generaciones) o por que se logro llegar al objetivo planteado.
Para comodidad, al final del proceso se tiene la función:
mailme(cputime-tpi,fo(1),cgn);
La cual nos envía un correo con la información de la función objetivo obtenida,
el tiempo que tardo en finalizar y las generaciones que se requirieron. Como trabajo
futuro se plantea la posibilidad de enviar una gráfica con la evolución que se registro
en el proceso de optimización.
102
Apéndice III
Cálculo de la Red de Acoplamiento
con Stub en Serie y Corto Circuito.
Para la conexión de la antena presentada en este trabajo de tesis con los
instrumentos de medición se requirió de una red de acoplamiento, que consta de un
Stub en serie en corto circuito.
Para realizar el cálculo de las dimensiones del Stub, por medio de la carta de
Smith, se realizan los siguientes pasos:
1.- Normalizar la impedancia de la antena y marcarlas en la carta de Smith.
En la carta de Smith de la figura III-1 se marca el centro la impedancia de 50 y el
punto rojo representa la impedancia normalizada obtenida en (III.1)
Figura III-1. Impedancia normalizada en la carta de Smith.
103
2.- Una vez marcada la impedancia, se dibuja el círculo de la relación de la onda
estacionaria (SWR) que se muestra en color rosa en la figura III-2. Una vez dibujado se
calcula la admitancia normalizada y se marca en color rojo en la carta de admitancia
de la figura III-2:
Figura III-2 Circulo SWR y admitancia normalizada en la carta de Smith.
3.-
La primera posible solución se obtiene al seguir el circulo SWR a la
intercepción de éste con el circulo unitario de la carta de Smith.
La distancia recorrida, considerando que una vuelta completa equivale a
es
de:
Donde
es la distancia de la carga al Stub.
104
Figura III-3. Cálculo para la separación entre la antena y el Stub
4.- Para contrarrestar la parte reactiva, las dimensiones del Stub se obtienen a
partir del recorrido desde la intercepción del círculo SWR y el círculo unitario, hacia la
resistencia normalizada de 1 (representado en el centro de la carta de Smith).
Figura III-4. Cálculo de la dimensión del Stub.
105
La longitud del stub nos da:
5. La segunda solución, se obtiene del otro punto de intercepción entre el
círculo SWR y el círculo unitario, como se muestra en la figura III-5, la línea con puntos
rojos es el recorrido que se hace desde la impedancia normalizada hacia el círculo
unitario:
Figura III-5 Cálculo de la separación entre la antena y el Stub (segunda solución)
La segunda solución para la separación entre la antena y el Stub es::
6.- Siguiendo el mismo paso de la primera solución, se hace un recorrido sobre
el círculo unitario, para obtener la longitud del Stub que nos permita contrarrestar la
reactancia. El procedimiento se muestra en la figura III-6, en donde se hace el
recorrido desde la intercepción de la segunda solución y el centro de la carta de Smith.
106
Figura III-6. Recorrido de la intercepción de la segunda solución, hacia el centro
de la carta de Smith.
La longitud del stub es de:
7.- Los resultados son los siguientes:
Primera solución:
Segunda Solución:
Se pueden seleccionar cualquiera de las dos soluciones y ajustar por medio de
simulación.
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(902-928 MHz). - Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

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