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.

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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.

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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. 4-7 Impedancia Medida de la Antena 3, (a) Reactancia y (b).Resistencia. .................................... 81 Figura. 4-8 Impedancia Medida de la Antena 4, (a) Reactancia y (b).Resistencia. .................................... 82 Figura. 4-9 Antena con Stub Calculado para acoplar 50 con 6.45+j206 ............................................. 83 Figura. 4-10 Prototipo de Antena con Stub. ............................................................................................... 84 Figura. 4-11 Parámetro S11 de la Antena con el Stub. ................................................................................ 84 Figura 4-12 Esquema de medición del patrón de radiación. ...................................................................... 85 Figura. 4-13 Medición del Patrón de Radiación y Ganancia. (a) y (b) Antenas Separadas por a 1.5 metros, (c) Antena colocada para girar, (d) Generador de Funciones y Radiorreceptor ........................................ 86 Figura. 4-14 Patrón de Radiación Normalizado.......................................................................................... 87 Figura III-1. Impedancia normalizada en la carta de Smith. .................................................................... 103 Figura III-2 Circulo SWR y admitancia normalizada en la carta de Smith. ............................................... 104 Figura III-3. Cálculo para la separación entre la antena y el Stub ............................................................ 105 Figura III-4. Cálculo de la dimensión del Stub. . ........................................................................................ 105 Figura III-5 Cálculo de la separación entre la antena y el Stub (segunda solución) ................................. 106 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.

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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

Intervalo de Operación

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

Intervalo de Operación

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 Algoritmo Genético.

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

Intervalo de Operación

894-930 MHz

Ganancia

1.048 dB

Coeficiente de Transferencia de 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

Intervalo de Operación

900-934 MHz

Ganancia

1.051 dB

Coeficiente de Transferencia de

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

Intervalo de Operación

815-934 MHz

Ganancia

1.021 dB

Coeficiente de Transferencia de

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) Reactancia y (b).Resistencia.

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) Reactancia y (b).Resistencia.

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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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 CreateRectangle , Array("NAME:RectangleParameters", "XStart:=", , "YStart:=", , "ZStart:=", , "Width:=", , "Height:=", , "WhichAxis:=", )

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:

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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.

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Apéndice II Configuración del Programa del Algoritmo Genético. 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;

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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.

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% 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');

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% 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