Design and fabrication of a monopulse system for RFID applications

Design and fabrication of a monopulse system for RFID applications

Actas de Ingeniería
Vol. 1, pp. 134-138, 2015
http://fundacioniai.org/actas
Design and fabrication of a monopulse system for RFID applications
Diseño y fabricación de un sistema mono-pulso para aplicaciones RFID
Carolina Alcaraz1, Juan Balbastre2, Félix Vega3
1calcarazr(AT)unal.edu.co, 2jbalbast(AT)itaca.upv.es, 3jfvegas(AT)unal.edu.co
1, 3Universidad
2Universidad
Nacional de Colombia – Colombia
Politécnica de Valencia – España
Artículo de investigación
ABSTRACT
This work is focused on implementing a monopulse system, which consists of two identical patches connected to a 180º hybrid coupler
in order to produce the sum (Σ) and difference () channels. The 180º hybrid is obtained from a standard branch-line coupler (90º
hybrid) just by adding a meander type phase shifter to introduce the additional 90º phase shift needed to get the desired 180º. The
monopulse system will be integrating into a passive RFID (Radio Frequency Identification) reader operating in the ISM (Industrial,
Scientific and Medical) band centered at 915 MHz to identify the sense of motion of RFID tags installed on vehicles.
Keywords: Hybrid coupler, mono-pulse, reader, RFID, tag
RESUMEN
Este trabajo se centra en la implementación de un sistema mono-pulso, el cual consta de dos parches idénticos conectados a un
acoplador híbrido de 180º con el fin de generar los canales suma (Σ) y diferencia (). El híbrido de 180º se obtiene de un acoplador
de línea de rama estándar (híbrido de 90º) solo añadiendo un desfasador tipo meandro para introducir los 90º de desplazamiento
de fase necesarios para obtener los 180º deseados. El sistema mono-pulso será integrado a un lector RFID (Identificación por Radio
Frecuencia) pasivo operando en la banda ISM (Industrial, Científica y Médica) centrada a 915 MHz para identificar el sentido de
movimiento de etiquetas RFID instaladas en vehículos.
Palabras clave: Acoplador híbrido, mono-pulso, lector, RFID, etiqueta
© 2015. IAI All rights reserved
1
Introducción
Las antenas mono-pulso se emplean ampliamente
en aplicaciones donde el tamaño, el peso, el rendimiento
y la facilidad de fabricación son importantes, por
ejemplo, en los satélites, misiles y sistemas de
comunicación inalámbrica. Por lo cual, recientemente se
han realizado varias propuestas de sistemas mono-pulso
para diferentes aplicaciones [1, 2], donde se proponen
antenas de bajo costo con estructuras simples de
fabricación alimentando bidireccionalmente antenas
micro-strip (parche) y lograr los patrones suma y
diferencia para aplicaciones de radar y sistemas de
comunicaciones.
Los sistemas RFID pasivos pueden detectar y
registrar el EPC (Electronic Product Code) de una
etiqueta previamente instalada en el vehículo, pero el
sentido de movimiento del vehículo no puede ser
fácilmente determinado, a menos que se implementen
dos o más lectores RFID en una misma vía, elevando los
costos del sistema. Sin embargo, con el diseño e
implementación de una antena mono-pulso que permita
identificar el vehículo a través del canal suma (∑), como
en un sistema RFID convencional, y determinar la
polaridad de la señal recibida por el canal diferencia (∆),
se establecerá la dirección de movimiento del vehículo
con respecto de la antena. Por ejemplo, el cambio de
positivo a polaridad negativa podría significar que el
vehículo está circulando de izquierda a derecha [4]. De
esta manera, al integrar la antena mono-puso al sistema
RFID se añade la posibilidad de detectar la dirección de
movimiento, sin incrementar el costo del sistema.
En este trabajo se propone el diseño e
implementación de antenas mono-pulso en aplicaciones
de sistemas RFID para el control vehicular, con la
finalidad de proveer la detección del sentido de
movimiento de los vehículos, sin incrementar el costo del
sistema. Los sistemas RFID se utilizan cada vez más en
aplicaciones de control vehicular: para la verificación
automática del cumplimiento de las normas de transito y
transporte, el recaudo automático de peajes y para la
determinación de velocidad y tiempos de recorrido de
vehículos de transporte público [3]. Además, estos
sistemas también pueden proporcionar información
sobre los flujos vehiculares que generan estadísticas de
tráfico, para apoyar las decisiones estratégicas sobre la
regulación de transito y transporte. En la sección 2 se
presenta el diseño y la fabricación de las antenas parche
y el acoplador híbrido; en la 3 se detallan los resultados
de medición de la ganancia de la antena y las pérdidas de
retorno; en la 4 se presenta un modelo determinista
basado en la ecuación de Friis para evaluar el
comportamiento del sistema, y las conclusiones del
trabajo se destacan en la sección 5.
134
2
Metodología de diseño y fabricación de una
antena tipo parche y el acoplador híbrido de
180°
El sistema mono-pulso consta de dos antenas de
parche rectangular, que se utilizan comúnmente en los
lectores de RFID debido a su portabilidad y fácil
fabricación. Para implementar el sistema mono-pulso, se
conectan dos parches simétricos a un acoplador híbrido
de 180º con el fin de producir los canales suma (Σ) y
diferencia (∆). Este sistema se diseñó por separado en
CST Studio Suite 2014, sobre un sustrato FR4 de 1.6 mm
de grosor, con permitividad relativa de 4.16, y simulando
en primer lugar una antena tipo parche resonante en 915
MHz y después el híbrido de 180°. Se analizaron los
resultados y se realizó una simulación final conectando
las antenas parche simétricas por medio del acoplador
híbrido.
La antena parche consiste de un metal situado sobre
un sustrato dieléctrico con su parte inferior sobre un
plano referenciado a tierra. Estas antenas tienen
diferentes tipos de alimentación, y una de las más
comunes es por línea de transmisión. Para obtener
mejores resultados la línea se conecta a un adaptador de
impedancia. El diseño en CST se muestra en la Figura 1 y
los resultados de simulación en la Figura 2. Se pueden
observar las pérdidas por retorno a 915 MHz de -10.72
dB.
Los valores medidos de parámetros de dispersión
significativos se presentan en las Figura 4 a 9. Se muestra
un comportamiento razonablemente bueno para la
aplicación mono-pulso: error de menos de 4% en
desplazamiento de fase Figura 4 y menos de 0.15%
Figura 6, y 0.19% Figura 8 de asimetría entre los puertos
acoplados.
Figura 4: Pérdidas por retorno del híbrido de 180°
Figura 5: Isolación del híbrido de 180°
Figura 1: Diseño de antena tipo parche resonante en 915 MHz
Figura 6: Pérdidas por inserción en canales 13 y 14
Figura 2: Perdidas por retorno de antena parche
El híbrido de 180° se obtuvo diseñando un
acoplador estándar branch-line (híbrido de 90°) y
añadiendo un desfasador tipo meandro, para sumar los
90° de desplazamiento de fase necesarios para obtener
los 180° deseados. El diseño se muestra en la Figura 3.
Figura 7: Fase de pérdidas por inserción en canales 13 y 14
Figura 3: Diseño de acoplador híbrido de 180°
Figura 8: Pérdidas por inserción en canales 23 y 24
135
Figura 9: Pérdidas por inserción en canales 23 y 24
Figura 11: Pérdidas por retorno en el canal ∑
Después de obtener los resultados de la antena y el
acoplador híbrido por separado se unieron en un único
diseño, se hizo una simulación final y se fabricó el
prototipo por el proceso de fotolitografía. Para realizar
este proceso se sensibilizó el sustrato por medio de una
película fotosensible [5], la cual se adhiere al sustrato y
reacciona al contacto con la luz formando una imagen
latente, luego se somete la placa sensibilizada a un
proceso de calentamiento para que la película se adhiera
completamente a la lámina. En un equipo Photoplotter se
imprime el diseño de la antena en negativo para crear la
máscara fotográfica, después de tener el circuito impreso
se somete a un proceso químico de revelado. Al transferir
la máscara fotográfica al cobre se coloca la máscara sobre
la superficie de la lámina sensibilizada y se ingresa en la
máquina insoladora. Al retirarla de la insoladora se
sumerge en una mezcla de agua con químico revelador
photoresist y se talla para ir revelando el diseño de la
antena en la lámina. El resultado de fabricación del
prototipo se puede observar en la Figura 10.
Figura 12: Pérdidas por retorno en el canal ∆
Los diagramas de radiación medidos se muestran en
las Figuras 13 y 14, junto con los simulados, mostrando
una buena concordancia. Por el canal ∑ se obtuvo 2.44 dB
en simulación y 3.54 dB en medición. Por el canal ∆ se
obtuvo 2.23 dB en simulación y 2.77 dB en medición.
Figura 13. Patrón de radiación de ganancia por el canal ∑
Figura 10: Sistema mono-pulso
3
Resultados y análisis del sistema mono-pulso
El sistema mono-pulso de la Figura 10 consta de la
conexión de dos parches cuadrados resonantes (λ/2 ×
λ/2 a 915 MHz) acoplados a los puertos del híbrido. La
separación de los parches de centro a centro es de 20.35
cm. El prototipo se fabricó sobre sustrato FR4 de 1.6 mm
de espesor con medidas de 40 x 30 cm; se caracterizó en
la cámara anecoica de la Universidad de los Andes,
usando un Agilent Modelo HP E5062A VNA) y una antena
de referencia ETS-Lindgren (LPDA) Modelo 3148B [6]. La
medición se realizó colocando una carga de 50 Ω en un
canal y por el otro se tomaron los datos de pérdidas por
retorno y patrones de radiación.
Los resultados de medición y simulación de las
pérdidas por retorno se muestran en las Figuras 11 y 12,
donde se observa un ligero cambio de fase. Este cambio
se debe a la incertidumbre en los datos de permitividad
relativa y es común de las estructuras resonantes como
la considerada en este trabajo. Aunque este efecto se
puede eliminar mediante antenas de banda ancha, se
prefiere esta forma en aras de la simplicidad y el costo,
por lo que el rendimiento del sistema conseguido con
esta antena es aceptable.
Figura 14: Patrón de radiación de ganancia por el canal ∆
4
Modelo determinista basado en la ecuación de
Friis
Se diseñó un modelo con el fin de evaluar el
comportamiento del sistema de recepción mono-pulso
integrado en un sistema RFID. Este es un modelo simple
basado en las respuestas de una etiqueta a la señal
radiada por el lector, en función de los parámetros de
funcionamiento y utilizando la ecuación de Friis de
espacio libre. El modelo asume que un vehículo pasa a
una velocidad constante en una trayectoria paralela al eje
x y separado a una distancia y de la antena que se
encuentra en el origen de coordenadas, como se indica en
136
la Figura 15. Para un tiempo inicial t=0 el vehículo se
encuentra en la posición de trayectoria x=-20 m.
Figura 15: Escenario de simulación del modelo
determinista
Figura 17: Resultados del modelo determinista en el canal ∆
Usando este modelo la potencia recibida por el tag
en cada punto de la trayectoria se calcula usando la
ecuación (1) y la potencia recibida por el lector se calcula
utilizando las ecuaciones (2) y (3), donde 𝐺𝛴 [𝜃, 𝜑(𝑡)] es
la ganancia medida correspondiente al canal suma y
𝐺∆ [𝜃, 𝜑(𝑡)] es la ganancia medida en el canal diferencia.
𝐺𝑡𝑎𝑔 es la ganancia del tag, que se asume como un monopolo elemental ideal con 𝐺𝑡𝑎𝑔 = 3.
𝑃𝑟,𝑡𝑎𝑔 = 𝑃𝑡,𝑟𝑒𝑎𝑑𝑒𝑟 𝛴[𝜃, 𝜑(𝑡)]𝐺𝑡𝑎𝑔 (
𝑃𝑟,Σ
= 𝑃𝑡,𝑡𝑎𝑔 𝐺𝛴 [𝜃, 𝜑(𝑡)]𝐺𝑡𝑎𝑔 (
𝜆
)
2
𝜆
4𝜋𝑟(𝑡)
)
𝑉∆ (𝑡) = √𝑍𝑖𝑛 𝑃𝑟,∆ (𝑡)𝑠𝑔𝑛 {∆ [ , 𝜑(𝑡)]}
2
)
2
(1)
(2)
4𝜋𝑟(𝑡)
𝑃𝑟,Δ = 𝑃𝑡,𝑡𝑎𝑔 𝐺𝛥 [𝜃, 𝜑(𝑡)]𝐺𝑡𝑎𝑔 (
𝜋
𝜆
4𝜋𝑟(𝑡)
2
Figura 18: Resultados del modelo con separación constante y
diferentes para el canal ∆
(3)
(4)
La tensión recibida en el canal Δ se calcula
utilizando (4), donde 𝑍𝑖𝑛 = 50 Ω . Aunque este valor no
es crítico debido a que la magnitud relevante es la
polaridad de la tensión y no su amplitud.
Por medio de la potencia recibida en el canal Σ se
decodifica la respuesta, como se realiza comúnmente en
un sistema RFID, mientras que la tensión recibida en el
canal Δ se utiliza para identificar el signo del voltaje. Los
cambios en la polaridad de voltaje indican el sentido del
movimiento del vehículo (por ejemplo, un cambio de
positivo a negativo indica un desplazamiento a +𝑥̂). Las
Figuras 16 y 17 muestran la potencia recibida en el lector,
por lo que se observa que el tag siempre emite una
respuesta a las interrogaciones del lector. Estos
resultados son para una velocidad constante y varias
separaciones transversales entre los vehículos que llevan
la etiqueta y el lector, y los resultados de las Figuras 18 y
19 representan el modelo para una separación
transversal constante entre los vehículos y el lector a
diferentes velocidades.
Figura 16: Resultados del modelo determinista en el canal Σ
Figura 19: Resultados del modelo con velocidades separación
constante y diferentes velocidades para el canal Σ
Debido al comportamiento aleatorio de las
etiquetas reales debido al ruido y al desvanecimiento, la
potencia recibida por la etiqueta se calcula teniendo en
cuenta que esta potencia sigue una distribución
exponencial con el valor medio dado por (1), y que
corresponde a un desvanecimiento Rayleigh, y el modelo
de ruido Gaussiano de media cero [3]. Si la potencia está
por encima del umbral correspondiente se asume una
respuesta válida para ser emitida. La potencia recibida
por el lector en los canales Σ y ∆, se calcula utilizando (2)
y (3), teniendo en cuenta el lector como un detector ideal.
La probabilidad de detección para una sola respuesta se
calcula utilizando el método de Monte Carlo con 100.000
ensayos. La Figura 20 muestra la probabilidad de
detección para un auto que pasa 2 m de distancia del
lector, a lo largo del eje de la calle a 50 km/h, y para
diversos umbrales que van desde -10 dBm a 0 dBm, que
corresponden a los valores de umbral reportados en la
literatura [7, 8].
Como era de esperar, la Figura 20 muestra que
cuanto menor sea el umbral, mayor será la probabilidad
de detección. Para obtener una probabilidad de
detección superior al 90% con un solo interrogatorio, se
necesitan umbrales más bajos que -10 dBm. Sin embargo,
teniendo en cuenta el hecho de que cuando la etiqueta
137
está pasando delante del lector que va a recibir una serie
de interrogatorios dados por:
𝑛 = 𝑡𝑜𝑏 𝑁𝑠
(5)
100
Probability of detection (%)
90
0 dBm
-2dBm
-4 dBm
-6 dBm
-8 dBm
-10 dBm
80
70
60
50
X: 1.37
Y: 40.51
40
X: 1.51
Y: 39.91
30
20
10
0
0.5
1
1.5
2
Time (s)
2.5
3
Figura 20: Probabilidad de detección para un tag pasando a
una distancia de separación ‘y’ de 2m a 50 km/h y para varios
valores de umbrales de etiquetas
Donde tob es el tiempo de observación para el cual la
probabilidad individual de detección es mayor que un
valor dado (es decir, 𝑃𝑑,0 ) y 𝑁𝑠 es la tasa de interrogación,
la probabilidad acumulada de detección 𝑃𝑑,𝐶 se puede
calcular con:
𝑃𝑑,𝐶 ≥ 1 − ∏𝑛𝑖=1(1 − 𝑃𝑑,0 )
(6)
Por lo tanto, un buen rendimiento de detección se
puede obtener usando umbrales moderados. Por
ejemplo, usando los valores proporcionados por la
Figura 20, para 0dBm un umbral 𝑃𝑑,0 = 40%, el tiempo
de observación es 𝑡𝑜𝑏 = 140 ms; asumiendo una tasa de
interrogatorio de 𝑁𝑠 = 100 interrogaciones por segundo,
se logra una probabilidad acumulada de detección de
𝑃𝑑,𝐶 ≥ 99.92%.
5
Conclusiones
Para mejorar los resultados del sistema mono-pulso
se deben realizar técnicas de optimización para las
antenas parche, en aras de aumentar el ancho de banda,
mejorar la adaptación y disminuir su tamaño, y evitar el
ligero cambio de fase que se obtuvo en la caracterización.
Los valores medidos de ganancia se han utilizado para
desarrollar un sencillo simulador del sistema de
procesamiento RFID con un sistema mono-pulso
integrado, tanto la amplitud de la señal recibida (a través
del canal Σ) y su polaridad (a través del canal ∆),
permitiendo de este modo no solamente detectar e
identificar la etiqueta sino también el sentido de
movimiento del vehículo.
El rendimiento a nivel del sistema se ha evaluado
mediante el método de Monte Carlo, con datos de la
sensibilidad de la etiqueta obtenidos de la literatura. En
trabajos futuros, se considerarán algunas mejoras en el
receptor mono-pulso (usando antenas de banda ancha
para reducir el efecto de la incertidumbre del sustrato y
antenas de polarización circular para reducir el efecto de
desvanecimiento). También son necesarios una
caracterización de la etiqueta y el lector más precisas en
entornos reales para una mejor evaluación del
rendimiento del sistema.
Referencias
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