Diseño de Antenas y Caracterización de Interferencias

Diseño de Antenas y Caracterización de Interferencias
entre Lectores RFID
TITULACIÓN: Enginyeria Tècnica de Telecomunicació Especialitat Telemàtica
AUTOR: José Daniel Guzmán Guzmán .
DIRECTORES: Antonio Lázaro Guillén, David Girbau Sala .
FECHA: Abril del 2009.
Índice
1
2
Introducción ....................................................................................... 4
1.1
Objetivos........................................................................................................ 4
1.2
Organización de la Memoria ......................................................................... 5
1.3
Referencias Bibliográficas............................................................................. 5
Los Sistemas RFID ............................................................................ 6
2.1
3
2.1.1
Etiqueta RFID........................................................................................ 8
2.1.2
Lector RFID......................................................................................... 11
2.2
Regulación Internacional............................................................................. 11
2.3
Referencias Bibliográficas........................................................................... 12
Diseño de Antenas para Lectores RFID........................................ 13
3.1
Antena Parche con Polarización Circular............................................ 15
3.1.2
Simulación ........................................................................................... 16
3.1.3
Medidas ............................................................................................... 17
6
Antena Fractal. ............................................................................................ 18
3.2.1
Diseño.................................................................................................. 18
3.2.2
Simulación ........................................................................................... 21
3.2.3
Medidas ............................................................................................... 22
3.3
5
Antena Parche con Polarización Circular.................................................... 15
3.1.1
3.2
4
Componentes de un Sistema RFID................................................................ 7
Referencias bibliográficas. .......................................................................... 23
Interferencias en Sistemas RFID ................................................... 24
4.1
Introducción................................................................................................. 24
4.2
Sistema de medida ....................................................................................... 26
4.3
Medidas y comentarios................................................................................ 28
4.4
Conclusión................................................................................................... 39
4.5
Referencias Bibliográficas........................................................................... 39
Diversidad en Sistemas RFID......................................................... 40
5.1
Introducción................................................................................................. 40
5.2
Sistema de medida ....................................................................................... 40
5.3
Medidas ....................................................................................................... 41
5.4
Conclusión................................................................................................... 46
Conclusiones y líneas futuras ......................................................... 47
7
Anexo ................................................................................................ 48
7.1
Tablas de distribución de medidas............................................................... 48
7.2
Programas de MATLAB utilizados para generar todas las gráficas. .......... 51
1
Introducción
Los sistemas de Identificación por Radio Frecuencia (RFID) están experimentando
un crecimiento muy importante respecto a otros sistemas de identificación como el código
de barras ya que aporta la posibilidad de realizar una lectura sin campo visual; no es
necesario que el lector vea la etiqueta, debido a que las ondas electromagnéticas pueden
traspasar la mayoría de medios, y también debido al fenómeno de multicamino; esto y el
potencial que ofrece a las empresas en términos de eficiencia y reducción de costes hace
que sean necesarios estudios sobre varios aspectos relacionados con la tecnología RFID,
como por ejemplo, los propuestos en este proyecto: minimizar las antenas de los lectores
RFID y la caracterización de las interferencias entre lectores.
Por lo que concierne al diseño de antenas para lectores RFID, son muchos las
propuestas realizadas en la literatura, como por ejemplo en [1,2]. Dos son los objetivos
principales en estas estructuras, más allá de los parámetros típicos de una antena
(adaptación, frecuencia de operación, ganancia…). El primer objetivo es que tenga
polarización circular; esto es importante ya que las tarjetas (o tags) no siempre tendrán la
misma dirección, de forma que para una correcta lectura en cualquier dirección se requiere
esta polarización circular. El segundo objetivo es la miniaturización, especialmente cuando
se piensa en lectores para aplicaciones portátiles.
En el campo de las interferencias entre lectores, este es un aspecto clave en el buen
funcionamiento de sistemas con múltiples lectores. La fórmula que actualmente se está
empleando para solucionar esta problemática es la de trabajar en slots de tiempo distintos
cada lector, con la consiguiente limitación que puede suponer en algún sistema la
posibilidad de operación no simultánea de los lectores. De todas formas, esta problemática
está muy poco estudiada y caracterizada en la literatura [3,4], y no existe ninguna solución
propuesta a nivel de sistema, más allá de la operación en slots de tiempo distintos.
1.1
Objetivos
El primer objetivo de este proyecto es estudiar posibilidades para reducción de las
dimensiones de una antena RFID convencional para facilitar su portabilidad en lectores
portátiles. Por lo tanto se crearan diferentes antenas con el requisito de que trabajen a la
frecuencia central de RFID Europea. Dichas antenas deben ser de tipo impreso para
facilitar la producción en grandes cantidades asegurando gran repetibilidad en la
fabricación de las mismas. Además deberán utilizarse substratos de bajo coste.
El segundo objetivo es estudiar las interferencias entre lectores; en este sentido, se
tomaran medidas para calcular cuanto afecta a la señal una interferencia y para saber a qué
distancia mínima deben estar situadas 2 antenas RFID para un funcionamiento simultáneo
adecuado. Finalmente, se experimentará una técnica de diversidad angular para mitigar el
problema de las interferencias.
Estos dos objetivos, bien diferenciados, responden a la premisa inicial del proyecto
de estudiar los RFID desde dos ópticas distintas: una de sistema y otra de diseño que
permita un aprendizaje y formación más transversal.
-4-
1.2
Organización de la Memoria
La memoria está estructurada en seis apartados:
En el primer capítulo se realiza una breve introducción a los sistemas RFID, se
explican los objetivos y necesidades q se quieren cubrir con el proyecto.
En el segundo capítulo se presentan en profundidad los sistemas RFID.
En el tercer capítulo se plantea el diseño de dos antenas para lectores RFID y se
especifican todas sus características hasta su fabricación.
En el cuarto capítulo se introduce la interferencia en los sistemas RFID, y se realizan
diferentes medidas de interferencias en lectores RFID para analizar el efecto en las lecturas
que permita sacar conclusiones, analizar su impacto y abordar soluciones.
En el quinto capítulo se propone la técnica de diversidad angular en los sistemas
RFID como solución a las interferencias generadas por otras antenas.
Finalmente el sexto capítulo presenta las conclusiones del trabajo y muestran las
líneas futuras del proyecto.
1.3
Referencias Bibliográficas.
[1]
L.Ukkonen, L. Sydänheimo, M. Kivikoski, "Read Range Performance Comparison of Compact
Reader Antennas for a Handheld UHF RFID Reader", 2007 IEEE International Conference on RFID
Gaylord Texan Resort, Grapevine, TX, USA March 26-28, 2007
S.K.Lee, A.Sambell, S.F.Loch, S.F.Ooi, Y.Qin, "A Design Procedure for a Circular Polarized, Nearly
Square Patch Antenna", Microwave Journal, 7 January 2005
D.-Y. Kim, J.-G. Yook, “Interference análisis of UHF RFID Systems”, Progress in Electromagnetics
Research B, Vol. 4, 115-126, 2008.
D.-Y. Kim, B.-J. Jang, et al., “Effects of reader interference on the RFID interrogation range”,
Proceedings of the 37th European Microwave Conference, pp. 728-731. 2007.
[2]
[3]
[4]
5
2
Los Sistemas RFID
En los últimos años los sistemas de identificación automática (Auto ID) han
experimentado un rápido crecimiento en muchas industrias de servicio, venta, distribución,
seguimiento de animales, seguridad, etc. [1]. La primera revolución fue la implantación de
los sistemas de etiquetas basadas en códigos de barras. No obstante, a pesar de su bajo
coste, presentan algunos inconvenientes, como la imposibilidad de ser reprogramados,
requerir visibilidad directa con los lectores, y además se degradan con facilidad. La
solución más adecuada es almacenar la información de identificación en un chip. Esta
solución es la adoptada en las tarjetas smart card (tarjetas de bancos, de teléfonos, etc.).
Pero estas requieren contacto para pasar por los lectores de tarjetas. Los sistemas de
identificación que no requieren contacto son más útiles, especialmente porque permiten
identificar un número de usuarios más grande de forma prácticamente simultánea a
distancia. Generalmente estos sistemas transfieren la energía y los datos del lector al
sistema a identificar o etiqueta mediante señales de radiofrecuencia, por esto reciben el
nombre de sistemas RFID (Radio Frecuency IDentification). El crecimiento de las
aplicaciones con RFID está continuamente aumentando a medida que aparecen nuevas
tecnologías de menor coste mejorando las prestaciones [2].
Una de las principales razones de este crecimiento, es el potencial que el RFID
ofrece a las empresas en términos de eficiencia y capacidad de reducir costes. Muchas
empresas consideran el RFID como una inversión de futuro, que provee ventajas como la
reducción de coste para mantener los niveles exactos de stocks, reducción de la falta de
productos por falta de stocks (out-of-stock), protección contra falsificaciones, y la
posibilidad de poder hacer un seguimiento en tiempo real de las mercaderías.
Además, recientes normas y recomendaciones de varias empresas y agencias de
gobierno como en el caso del Departamento de Defensa norteamericano, están requiriendo
a sus suministradores el uso de RFID. También otras organizaciones norteamericanas
como la Administración de Comida y Drogas (FDA Food and Drug Administration) está
encorajando las compañías farmacéuticas a utilizar RFID. Estas recientes normas y
recomendaciones han causado que en los Estados Unidos, el RFID se haya convertido en
importante para una gran cantidad de personas las cuales no estaban familiarizadas con
esta tecnología, posibilitando un rápido desarrollo de la misma y haciendo que en el
mercado norteamericano el RFID esté mucho mas implantado que en el resto del mundo.
RFID implica una reestructuración de procesos teniendo en cuenta las posibilidades que
abre la tecnología, más que una tecnología sustitutiva.
En la tabla 2.1 se comparan las ventajas y desventajas de algunos de estos sistemas
de identificación: código de barras, Reconocimiento óptico (OCR), reconocimiento de voz,
biometría (huellas u otras características), Smart Card, RFID.
6
Parámetros
Código
de barres
OCR
Reconocimiento
de voz
Biometría
Smart Card
RFID
systems
Cantidad de 1-100
datos (bytes)
1-100
-
-
16-64k
16-64k
Densidad
datos
Baja
Alta
Alta
Muy alta
Muy alta
Buena
Cara
Cara
Buena
buena
Simple
Simple
Difícil
Imposible
Imposible
Influencia de Muy alta
la suciedad
Muy alta
-
-
Posible
(contactes)
No influye
Influencia de Fallo
la luz y el total
entorno
Fallo
total
-
Posible
-
No influye
Influencia de Baja
la dirección y
posición
Baja
-
-
Unidireccional
No
influencia
Degradación
Limitada
Limitada
-
-
Contactes
No influye
Costos lector
Muy
bajo
Medio
Muy alto
Muy alto
Bajo
Media
Bajo
Ninguno
Ninguno
Media
Ninguno
Copia
o Sensible
modificación
no autorizada
Sensible
Posible
Imposible
Imposible
Imposible
Velocidad de Baja (4s)
lectura
Baja (3s)
Muy Baja(>5s)
Muy
Baja(>510s)
Baja (4s)
Muy rápida
(<0.5s)
Máxima
distancia
lectura
<1cm
Scanner
0-50cm
Contacte
directo
Contacte
directo
0-5
m
(activos)
de Baja
Lectura
automática
Lectura
persones
Costes
operación
Buena
por Limitada
de Bajo
0-50cm
de
Tabla 2.1 Comparación entre diferentes sistemas RFID
2.1
Componentes de un Sistema RFID
Los principales componentes de un sistema RFID son los siguientes (Figura 2.1).
Etiquetas RFID (tags), las cuales son incorporadas físicamente a los objetos por tal
de identificarlos, y están formadas por una antena y un chip con capacidad de almacenar
datos.
Lector RFID (reader), que dependiendo del diseño y la tecnología utilizada, puede
ser de solo lectura o de lectura / escritura. El lector RFID convierte las ondas de radio
7
reflejadas por las etiquetas en datos digitales que son enviadas a la aplicación del
ordenador.
Ordenador (o PDA), que contendrá la base de datos y la aplicación que gestionara los
datos obtenidos por el lector.
Figura 2.1 Sistema RFID
Los sistemas RFID se pueden clasificar según el tipo de comunicación:
unidireccional de tranponder o tag (etiqueta) al lector (half duplex), y bidireccional (full
duplex), así como la cantidad de datos transmitidos (desde pocos bits a varios kBytes). Así
se distinguen los transponders RFID de 1 bit (1D RFID) que únicamente indican la
presencia del transponder con la proximidad del lector, por lo que en general se utilizan
para sistemas de seguridad. La cantidad de bytes a transmitir por el transponder influye en
la memoria disponible. Existen tres tipos de memorias en sistemas acoplados
inductivamente EEPROM (eléctricamente programables), si bien su consumo es elevado
en la fase de escritura, las FRAMs (Ferromagnetic Random Acces Memor) que se
caracterizan por el menor consumo que las anteriores. En sistemas de microondas activos
(con bateria), se utilizan en ocasiones SRAM (Static Random Acces Memory) por su
capacidad de almacenaje [1].
2.1.1 Etiqueta RFID
La etiqueta RFID o Tag (transponder) está formada por una antena y un chip que
contiene la memoria donde se registran los datos. La frecuencia de resonancia de la antena,
que determina la frecuencia de operación de esta, depende de la configuración de la antena.
Esta antena está formada por un circuito resonante, con unas líneas de transmisión que
simulan un circuito LC (una bobina y un condensador) ajustados para que trabaje a la
frecuencia de resonancia deseada fR. Esta está conectada al circuito integrado. Dicha antena
debe estar adaptada a la impedancia compleja conjugada del circuito integrado con tal de
aprovechar al máximo la potencia de radiofrecuencia. Dicha potencia captada por el
circuito integrado se rectifica para obtener una pequeña tensión de alimentación gracias a
un circuito convertidor DC. Esta tensión se utiliza bien para despertar el circuito integrado
en etiquetas semipasivas o activas o bien para alimentar el circuito integrado durante la
transmisión de los datos.
8
Las etiquetas pueden presentar diferentes formatos (rígido, flexible, adhesivo, etc.),
diferentes medidas, diferentes funcionalidades, diferentes estándares y por tanto diferentes
precios. En cuanto a las dimensiones de la etiqueta, existe una amplia gama de ofertas y
posibilidades en el mercado que van desde unos pocos milímetros hasta decenas de
centímetros dependiendo de la aplicación a la que estén destinadas y bandas de frecuencias
utilizadas.
Una característica importante en las etiquetas es su alimentación, con la cual se
pueden distinguir tres tipos de diferentes tags: pasivos, semi activos y activos.
La etiqueta puede ser pasiva, es decir, que no es capaz de generar energía, por lo que
necesitaría la energía proporcionada por un lector. La mínima corriente eléctrica inducida
en la antena por la señal de radiofrecuencia generada por el lector proporciona suficiente
energía al circuito integrado de la etiqueta para poder transmitir una respuesta. Debido a la
escasa energía disponible en una etiqueta pasiva la respuesta tiene que ser necesariamente
breve. La carencia de una fuente de alimentación propia hace que sea un dispositivo
bastante pequeño. Las etiquetas pasivas tienen distancia de lectura pueden llegar a los 6
metros, dependiendo del tamaño de la etiqueta, de la frecuencia y de la potencia a la que
opera el lector.
También pueden ser etiquetas semi activas, las cuales disponen de una batería interna
capaz de alimentar constantemente el chip, no obstante la comunicación la inicia el lector
como si se tratara de una etiqueta pasiva. Este tipo de configuración permite sobretodo la
utilización de chips de más funcionalidades y consumo, pueden tener más memoria
disponible o permiten realizar funciones más complejas de criptografía.
Por último, tendríamos las etiquetas activas, las cuales también disponen de una
batería interna pero que, a diferencia de las semi activas, esta alimentaria tanto el chip
como la transmisión. Pudiendo enviar la etiqueta una señal al lector y establecer
comunicación y pudiendo obtener rangos de lectura mucho más grandes. De todas formas,
estas son menos atractivas que las etiquetas pasivas o semi activas, debido al hecho de
tener un mayor tamaño y coste delante las anteriores, al tiempo que una limitación de vida
en las baterías.
9
Espectro de frecuencias
Rango
de Rango de
Aplicaciones
frecuencia
lectura
Control de acceso
Low
(LF)
Frequency
Identificación de animales
125 kHz
< 0.5 m
Inmovilización de vehículos
Aplicaciones
ExxonMobil)
POS
(SpeedPass
de
Control de acceso, Smart cards
High
(HF)
Frequency
Ultra
Frequency
(UHF)*
Microwave
Frequency
High
Estantería inteligente
13.56 MHz
860 MHz
930 MHz
≥ 1.0 m
–
≥ 3.0 m
2.45 GHz/5.8
≥ 10.0 m
GHz
Seguimiento a nivel de articulo (equipaje en
aeropuertos, préstamo de libros en biblioteca,
etc.)
Seguimiento a nivel de paleta i caja
Electronic Toll Collection
*Europa 865-868 MHz – USA Canadá 915 MHz – Japón 950-956 MHz
Tabla 2.2 Etiquetas según su frecuencia de trabajo
Por otra parte, las etiquetas también se pueden clasificar por el tipo de chip de
memoria que utilizan, estas pueden ser:
- De lectura/escritura, en los cuales se podrá modificar actualizar la información
almacenada en la etiqueta, o añadir una nueva a la existente.
- WORM (Write Once/Read Many), que son chips que se pueden escribir una vez y
se pueden leer muchas veces. Se puede solicitar que la memora sea pre programada
durante el proceso de fabricación, o bien, el propio usuario la puede programar.
- Solo de lectura, las cuales solo la información es almacenada durante el proceso de
fabricación y no se podrá modificar posteriormente.
- La frecuencia de operación determina generalmente el abasto (juntamente con el
carácter pasivo o activo del tag) y el modo/método de transmisión. Las diferentes
frecuencias de transmisión se pueden clasificar en tres tipos básicos Tabla 2.2.
Existen diferentes procedimientos de transmisión de datos de la etiqueta al lector,
utilizando la reflexión o backscatter (la frecuencia de la onda reflejada es la misma que la
incidente) o modulación de carga (load modulation), donde el campo o impedancia del
lector es influenciado por el transponder, la utilización de sub harmónicos o la generación
de harmónicos.
10
2.1.2 Lector RFID
El lector es un dispositivo que emite ondas de radio a una frecuencia predeterminada,
con la finalidad de interrogar los transponders (o tags) y obtener respuesta.
Está compuesto por una antena, un modulo de radiofrecuencia (transmisor y
receptor) y de una unidad de control, en muchos lectores suelen también incorporar
interficies adicionales (RS 232, RS 485, RJ45, LAN, WLAN, etc.) para permitir enviar los
datos recibidos a otro sistema (PC, PDA, base de datos, etc.)
Los lectores pueden variar en tamaño, funcionalidad y coste. El nivel de complejidad
y sofisticación viene dado por el volumen de etiquetas que puede gestionar y controlar. En
el caso de las etiquetas pasivas, el lector genera un campo de radiofrecuencia que activa la
etiqueta alimentando el chip para que pueda transmitir los datos almacenados. En el casi de
las etiquetas activas (batería propia), las propias etiquetas pueden iniciar la comunicación
ya que no necesitan la energía del lector.
2.2
Regulación Internacional
La banda utilizada en UHF son las antiguas bandas ISM en banda UHF. En la banda
UHF no existe una única banda de frecuencia ISM universal dedicada a RFID, esta
depende de cada país. No obstante, se agrupan en tres regiones, tal como e muestra en el
mapa de la figura 2.2.
Figura 2.2 Mapa de regiones según sus regulaciones.
Las regulaciones se imponen casi en todos los países (agrupados en 3 regiones) para
controlar emisiones y para prevenir interferencias con otro equipo industrial, científico y
medico (ISM):
11
ƒ
Región 1: Europa, CEPT
o Para UHF se aplica ERC REC 70-73
o Banda UHF asignada 865-868 MHz
o La potencia (PIRE) está limitada a 2W
o Los lectores tienen que operar con ciclos de trabajo del 10%, sin Frequency
hopping
ƒ
Región 2: En USA, the Federal Communications Commission (FCC)
o Para UHF se aplica FCC-Part 15 (15.249)
o Banda UHF permitida 902-928 MHZ
o Máxima potencia de emisión (PIRE) es de 4W utilizando Frequency
hopping
ƒ
Región 3: Japón, (MPHPT) Ministery of Public Management, Home Affairs, Post and
Telecommunication
o Regulación: Japanese Radio Law. ARIB (Standards Association of Radio
Industries and business )
o Banda 950 MHz
2.3
Referencias Bibliográficas.
[1]
Klaus Finkenzeller, RFID Handbook Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and
Identification, Wiley, 1999, ISBN: 0-470-84402-7, pag. 427.
D. Engels, “The Use of the Electronic Product Code™,” MIT Auto-ID Center Technical Report MITTR007, February 2003, http://www.autoidcenter.org/publishedresearch/mit-autoid-tr009.pdf.
Karthik Moncombu Ramakrishnan and Daniel D. Deavours, Performance Benchmarks for Passive
UHF RFID Tags, Information and Telecommunications Technology Center, pag. 18.
[2]
[3]
12
3
Diseño de Antenas para Lectores RFID
Un lector es un transmisor y receptor de radio frecuencia (RF), controlado por un
microprocesador. El lector, mediante la antena, captura datos provenientes de los tags para
después pasar los datos a un computador para procesarlos.
En este capítulo se han diseñado dos antenas para el lector RFID, una de topología
parche con polarización circular y otra de topología fractal, que permite reducir las
dimensiones a costa de ser de polarización lineal.
Para el diseño de las antenas se ha utilizado el software ADS 2006A (Advanced
Design System). Esta aplicación permite trabajar a partir de dos modos, el primero de
ellos, el modo esquemático permite hacer diseños a partir de librerías que la misma
aplicación posee, figura 3.1.
Figura 3.1 Modo esquemático de la aplicación ADS
Como el diseño de antenas requiere simulación electromagnética y análisis de
radiación, el modo esquemático solo se ha utilizado para realizar pasos previos de diseño
para simplificar la edición de los layouts y para realizar comparaciones entre medidas y
simulaciones mediante data ítems.
La segunda manera o modo de trabajo con esta aplicación es el modo diseño o trazo
(layout), este modo permite realizar el diseño a partir de trazos con las herramientas de
dibujo o trazo que posee la aplicación, figura 3.2.
13
Figura 3.2 Modo Layout de la aplicación ADS
El modo en el que se trabajara para el diseño de las antenas será el modo Layout ya
que además de permitir modificar directamente el diseño, permite la utilización de una
segunda aplicación llamada Momentum que permite la simulación electromagnética de los
diseños (o layouts), así como un post-procesado de la distribución de corrientes y
parámetros de radiación. Esta aplicación viene integrada al programa ADS, figura 3.3.
Figura 3.3 Menu de Momentum y opciones de diseño.
14
3.1
Antena Parche con Polarización Circular
3.1.1 Antena Parche con Polarización Circular
La primera antena diseñada es de tipo parche con la la característica particular de
poseer dos cortes en dos de las cuatro esquinas con el objetivo de obtener una polarización
circular. El diseño está basado en el propuesto en [1]. El sustrato utilizado en los diseños
tiene los parámetros que se muestran en la Tabla 3.1
Sustrato
Grosor (mm)
Er
tgd
Grosor metalización (µm)
Fibra
1.6mm
4.7
0.02
34 µm
Tabla 3.1 Parámetros del sustrato utilizado en la antena.
La geometría del diseño final y las dimensiones de la antena optimizadas mediante
simulaciones realizadas en Momentum, se muestran en las figuras 3.4, 3.5. Cabe destacar
que para llegar a este diseño han sido necesarios un buen número de pasos de simulación y
optimización de la estructura.
Figura 3.4 Dimensiones del diseño de la antena RFID
15
Figura 3.5 Dimensiones del acceso de la antena RFID (ampliación).
En la figura 3.6 se muestra el modelo finalizado de la antena parche con polarización
circular así como una fotografía del prototipo de la antena fabricada.
Figura 3.6 Modelo final de la antena y fotografía del prototipo fabricado.
3.1.2 Simulación
Una vez diseñada la antena, se pasa al siguiente paso comprobar que la antena esté
centrada en la banda de la frecuencia Europea, se realiza la simulación de la antena y como
resultado de esta simulación, fig. 3.7, se comprueba que la antena esté centrada a la
frecuencia interesada (865 MHz). El siguiente punto a ver es si la antena está realmente
adaptada; si la antena tiene una adaptación inferior a -10dB se considera que está mal
adaptada. El resultado de la simulación nos muestra que su adaptación es de -22.103 dB, lo
que significa una buena adaptación.
16
Figura 3.7. Simulación de la adaptación de la antena (S11).
En la figura 3.8 se muestra el diagrama de radiación simulado de la antena. Se
observa radiación solamente en el hemisferio superior, tal como era de esperar debido al
plano de masa presente debajo la antena.
Figura 3.8. Diagrama de radiación 3D de la antena
3.1.3 Medidas
Finalmente, en la figura 3.9 se muestra una comparación entre la adaptación
simulada y medida. Las medidas se han obtenido conectando la antena al puerto 1 del
analizador de redes y midiendo el parámetro S11. Se observa que el prototipo funciona
perfectamente, excepto un ligero desplazamiento de frecuencia. Mientras el diseño estaba
centrado a 865.6 MHz, la medida está centrada a 883 MHz. Esto no es debido a ningún
error de diseño sino simplemente a que la permitividad relativa considerada en la
simulación difiere ligeramente de la real del sustrato utilizado, debido a
inhomogeneidades. Una segunda causa probable es la tolerancia del proceso de atacado
químico en la fabricación. Este fenómeno de desplazamiento frecuencial es habitual en
17
diseños de alta frecuencia y con una simple segunda iteración de fabricación (a partir de la
caracterización del sustrato con esta primera iteración) se resuelve el desplazamiento.
0
dB(S(2,2))
dB(S(1,1))
-5
-10
-15
m1 m2
-20
m1
freq= 865.6MHz
dB(S(2,2))=-22.059
m2
freq= 883.0MHz
dB(S(1,1))=-21.558
-25
0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00
freq, GHz
Figura 3.9. Comparación de la adaptación simulada (azul) y medida (rojo).
3.2
Antena Fractal.
3.2.1 Diseño.
La técnica fractal fue usada también en este estudio para la miniaturización de la
antena. Los fractales son contornos de espacios rellenados, queriendo decir que a
características eléctricamente grandes pueden estar eficazmente colocados en áreas
pequeñas. Las geometrías fractal son generadas de un modo iterativo, conduciendo a
estructuras similares a ellas mismas. Esta técnica iterativa de generación es mostrada en la
figura.
Cuadrado básico
Primera iteración
fractal
Segunda iteración
fractal
Figura 3.10 La técnica de generación fractal.
18
Al empezar la antena, geométricamente es un cuadrado Euclidiano. Cada uno de los
cuatro segmentos rectilíneos de la estructura inicial es reemplazado con el generador
iterativo. Este procedimiento de generación iterativa puede ser continuado un infinito
número de veces.
A partir de esta idea y basándose en el diseño propuesto en [2], se procede al diseño
de la antena fractal, para el cual se utiliza el mismo sustrato anterior, cuyos parámetros
están en la Tabla 3.2. En la figuras 3.11 Y 3.12 se muestra el diseño final de la antena y
del acceso, con sus dimensiones respectivas.
Figura 3.11 Dimensiones del diseño de la antena fractal
19
Figura 3.12 Dimensiones del acceso a la antena fractal
Sustrato
Grosor (mm)
Er
tgd
Grosor metalización (µm)
Fibra
1.6mm
4.7
0.02
34 µm
Tabla 3.2 Parámetros del sustrato utilizado en la antena.
En la figura 3.13 se muestra el modelo finalizado de la antena fractal así como una
fotografía del prototipo de la antena fabricada.
Figura 3.13 Modelo final de la antena y fotografía del prototipo fabricado.
20
3.2.2 Simulación
Idénticamente a como se han presentado las simulaciones de la anterior antena, aquí
se muestran los resultados de la antena fractal. En primer lugar se muestra en la figura 3.14
la adaptación, que se observa perfectamente centrada en la banda UHF europea y un valor
cercano a 19 dB.
Figura 3.14. Simulación de la adaptación de la antena (S11).
En la figura 3.15 se muestra el diagrama de radiación simulado de la antena. Se
observa también radiación solamente en el hemisferio superior, tal como era de esperar
debido al plano de masa presente debajo la antena.
Figura 3.15. Diagrama de radiación 3D de la antena
21
3.2.3 Medidas
Finalmente, en la figura 3.16 se muestra una comparación entre la adaptación
simulada y medida. Se observa de nuevo que el prototipo funciona perfectamente, excepto
un ligero desplazamiento de frecuencia debido a las causas expuestas anteriormente. En
este caso, mientras el diseño estaba centrado a 867.2 MHz, la medida está centrada a 906
MHz.
0
dB(S(2,2))
dB(S(1,1))
-5
m1
freq=867.3MHz
dB(S(2,2))=-18.936
m2
freq=906.0MHz
m2 dB(S(1,1))=-19.134
-10
-15
m1
-20
0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00
freq, GHz
Figura 3.16. Comparación de la adaptación simulada (azul) y medida (roja).
Finalmente, en la figura 3.17 se muestra una fotografía con las dos antenas
diseñadas, donde se pueden comparar cualitativamente las dimensiones de ambas.
22
Figura 3.17. Fotografía de las dos antenas diseñadas.
3.3
Referencias bibliográficas.
[1]
L.Ukkonen,
L.
Sydänheimo,
M.
Kivikoski,
"Read
Range
Performance
Comparison of Compact Reader Antennas for a Handheld UHF RFID Reader",
2007
IEEE
International
Conference
on
RFID
Gaylord
Texan
Resort,
Grapevine, TX, USA March 26-28, 2007
S.K.Lee, A.Sambell, S.F.Loch, S.F.Ooi, Y.Qin, "A Design Procedure for a
Circular
Polarized,
Nearly
Square
Patch
Antenna",
Microwave
Journal,
7
January 2005
[2]
23
4
Interferencias en Sistemas RFID
4.1
Introducción
En este apartado se estudia el efecto que hace una señal de interferencia sobre una
lectura realizada. Debido a la elevada potencia requerida para despertar y alimentar a los
tags pasivos, las señales procedentes de otros lectores suponen una interferencia para el
lector, figura 4.1. Como consecuencia la probabilidad de error de bit aumenta
considerablemente. Por lo tanto en este apartado se desarrollara el segundo objetivo de
este trabajo, estudiar los efectos de interferencia para luego poder evaluar los valores de
potencia que afectarían a la señal del lector o a qué distancia mínima deben estar situados
dos antenas entre ellas.
Figura 4.1 Interferencia entre lectores próximos
Aunque el tag reciba una potencia superior al umbral y responda modulando la
sección recta, el lector debe recibir la señal con calidad suficiente para que la tasa de error
sea pequeña. La sensibilidad del receptor Smin se puede determinar a partir del factor de
ruido F del receptor (incluyendo los cables) y del ancho de banda del receptor B
(aproximadamente igual a la velocidad de transmisión Rb, del orden de 40KHz)
S min ( dBm ) = 10 log kT0 B + F ( dB ) + S / N ( dB )
Donde k es la constante de Boltzman, T0 la temperatura ambiente (290K) y S/N la
relación señal a ruido de la señal recibida. En la mayoría de lectores comerciales la
sensibilidad para una recepción óptima suele ser del orden de -70 dBm. Destacar que
además del ruido del receptor influyen otras fuentes de ruido. En particular como se trata
de un sistema radar es muy importante la contribución del ruido de fase procedente de la
falta de aislamiento perfecto del circulador del lector (ver figura 4.2). Así parte de la señal
de transmisor pasa al receptor, y la contribución del ruido de fase del oscilador puede ser a
frecuencias offset pequeñas (del orden del la tasa de bit) mucho mayor que el ruido del
receptor (figura 4.3) [1].
24
Figura 4.2. Diagrama de bloques de la sección de RF de un lector RFID típico (WJ6000)
Ruido de fase del oscilador
dBc/Hz
S/N
Ruido receptor
frecuencia
Figura 4.3. Empeoramiento de la relación señal a ruido debido al ruido de fase del
oscilador procedente de señales reflejadas en objetos y aislamiento finito del circulador.
Dado que la tasa de error de bit depende de la relación señal a ruido S/N, en entornos
multicamino (como los escenarios típicos RFID en interiores) se debe considerar su valor
medio ya que la potencia fluctúa rápidamente según una distribución Rayleigh (fading
rápidos) [referencia]. Las interferencias de otros lectores u otras señales en la banda de
RFID, al estar incorreladas, son consideradas por el lector como si aumentase el nivel de
ruido. La relación señal a ruido efectiva media se puede determinar a partir de la relación
entre la potencia media de la señal y la potencia de ruido S/N y la relación señal a
interferencia (CIR o SIR) como [2]:
γ =
S
=
N+I
1
1
1
+
S / N CIR
25
En el caso de canal sin interferencia la calidad está únicamente limitada por el ruido
(canal gausiano), mientras que en presencia de interferencias en la banda depende de dicho
nivel a través de la relación CIR. La presencia de lectores RFID próximos suponen una
interferencia para otros lectores. Debido a su elevada potencia, es fundamental reducir al
máximo las señales interferentes. Por ello la normativa americana utiliza técnicas de salto
de frecuencias para evitar las frecuencias interferentes, y la europea selecciona el canal tras
examinar los canales ocupados. En ambos casos, la señal interferente se reduce por los
obstáculos en la propagación y la selectividad del filtro de banda base del lector
(frecuentemente se utiliza un receptor homodino como el del la figura 4.2). La única forma
de reducir la interferencia y por tanto aumentar la relación señal a interferencia CIR
consiste en aumentar la atenuación en el camino de la señal interferente y con el filtrado de
la señal con el filtro en banda base. La selectividad de dicho filtro depende de la separación
de frecuencia del canal. En cualquier caso dicha selectividad es difícil que supere los 30 dB
para el canal adyacente.
Canal
Canal interferente
Selectividad
frecuencia
Figura 4.4. Aumento de la relación canal a interferencia CIR debido a la supresión de la
interferencia debido a la selectividad del filtro en banda base.
4.2
Sistema de medida
Para realizar el estudio de interferencias se utiliza el siguiente montaje experimental
(Figura 4.5). Dicho sistema de medidas esta formado por una antena lectora emite energía
para poder buscar tags, un tag pasivo se recarga a partir de dicha energía y responde a la
antena lectora, cuando la señal de lectura está llegando al lector se acopla una señal de
interferencia generada con el generador SMU300 mediante un acoplador realizado con
líneas acopladas con un acoplamiento medido de 15.5 dB, la cual se controlara la potencia,
por lo tanto se podrá realizar diferentes estudios ya que sabemos con potencia de
interferencia se está trabajando. Para cada nivel de potencia se realizan 100 lecturas con
elector, y se obtiene la tasa de lecturas correctas.
26
Figura 4.5 Esquema del sistema de medidas de Interferencias
Para poder observar a mayor escala en cómo afecta la señal de interferencia a la señal
de lectura, trabajaremos en diferentes frecuencias, de esta manera se establece una
frecuencia de interferencia cocanal, una frecuencia de interferencial de canal adyacente y
finalmente una frecuencia de interferencia canal que trabaje a otra frecuencia alejada de la
frecuencia en la que trabaja RFID (Figura 4.5).
27
Figura 4.5 (a) Interferencia Cocanal, (b) Interferencia canal adyacente, (c) Interferencia
canal fuera del rango.
4.3
Medidas y comentarios
Se han realizado medidas en función de la distancia de la antena respecto al tag,
como también la altura a la que se trabajaba, por lo tanto los resultados de estas medidas se
encentran plasmados en tres gráficos que representan el porcentaje de acierto de una
lectura en relación a la potencia de interferencia, la relación señal e interferencia (CIR) y
finalmente la relación distancia de interferencia a porcentaje de lecturas. Se han estudiado
dos alturas por polarización del tag y dos distancias entre tag y antena. La antena utilizada
es una antena con polarización circular modelo FEIG ANT 250EU y el lector el lector
FEIG LRU2000. La antena opera entre 865 MHz y 868 MHz con unas pérdidas de retorno
inferiores a 10 dB y una ganancia de 9dB. La comunicación entre el ordenador de control y
el lector se ha realizado mediante LAN y el software utilizado fue desarrollado en el marco
de un proyecto final de carrera anterior [3]. El tag utilizado es un tag para superficies
metálicas y se ha adherido a un plano de masa de 40 cmx30 cm. A continuación, en las
figuras siguientes se muestran unas imágenes de la antena, el lector y el tag utilizados en la
caracterización experimental.
Figura 4.6. Antena utilizada en las medidas Feig ANT250EU
28
Figura 4.7. Lector utilizado en banda europea Feig LRU2000
Figura 4.8: OnMetal tag UHF clase 1 Generación 2 de 96 bits de Schreider utilizado en las
medidas
La distribución de las medidas obtenidas y la nomenclatura utilizada en las pruebas
de laboratorio, se encuentran en el anexo.
29
Figura
Distancia (m)
Altura (m)
Polarización
Figura 4.9
1.5
1.5
Horizontal
Figura 4.10
1.5
1
Horizontal
Figura 4.11
2
1.5
Horizontal
Figura 4.12
2
1
Horizontal
Figura 4.13
1.25
1.5
Vertical
Figura 4.14
1.25
1
Vertical
Figura 4.15
1
1.5
Vertical
Figura 4.16
1
1
Vertical
Tabla 4.1. Casos estudiados en las medidas
30
Figura 4.9. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación
CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización horizontal,
distancia entre lector y tag de 1.5m y altura de antena del lector 1.5m.
31
Figura 4.10. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación
CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización horizontal,
distancia entre lector y tag de 1.5m y altura de antena del lector 1 m.
32
Figura 4.11. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación
CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización horizontal,
distancia entre lector y tag de 2 m y altura de antena del lector 1.5 m.
33
Figura 4.12. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación
CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización horizontal,
distancia entre lector y tag de 2 m y altura de antena del lector 1 m.
34
Figura 4.13. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación
CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización vertical,
distancia entre lector y tag de 1.25 m y altura de antena del lector 1.5 m.
35
Figura 4.14. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación
CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización vertical,
distancia entre lector y tag de 1.25 m y altura de antena del lector 1 m.
36
Figura 4.15. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la
relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización
vertical, distancia entre lector y tag de 1m y altura de antena del lector 1.5 m.
37
Figura 4.16. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la
relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización
vertical, distancia entre lector y tag de 1m y altura de antena del lector 1 m.
38
4.4
Conclusión
De los resultados experimentales anteriores se desprenden las siguientes
conclusiones:
El efecto de las interferencias aumenta la tasa de errores en la identificación de los
tags. El lector tolera niveles de relación señal a interferencia de hasta -12 dB. Para niveles
mas bajos la tasa de lecturas baja hasta en torno al 80-90% hasta llegar un punto donde la
interferencia es demasiado intensa y el porcentaje de lecturas correctas cae muy rápido
hasta el 0%.
El nivel de relación señal a interferencia umbral es muy similar para el caso de
interferencia cocanal y canal adyacente y es en torno a -15 dB y -16 dB, respectivamente,
en el peor caso. Para la interferencia fuera de banda el nivel umbral es de en torno a -18
dB, en el peor caso. Esas diferencia tan pequeñas muestran que la selectividad del filtro de
entrada no es suficiente a 870 MHz para filtrar las interferencias, y únicamente filtraría
interferencias muy alejadas, por ejemplo de la banda GSM de móviles.
Aunque existe muy poca diferencia entre la relación señal a interferencia umbral a
partir de la cual deja de leer correctamente los tags, si se aprecia que en el caso de canal
adyacente la tasa de lectura se empieza a degradar unos 2 dB más tarde.
En el caso de interferencias en bandas dicha interferencia debería estar a mas de 15
m para que no degradase la tasa de lecturas. Es imposible leer con dos lectores separados
menos de 8 m en espacio libre.
Como en las medidas la interferencia se aplica directamente al lector a través del
acoplador la altura de las antenas, polarización del tag y distancia del tag no influye en el
nivel de interferencias. No obstante debido a la propagación multicamino influye en el
nivel de señal que recibe el tag y en el nivel de señal que recibe el lector procedente del
tag. Se observa como para polarización vertical las interferencias afectas mucho mas que
en el caso de polarización horizontal. Esto es debido a que en el escenario medido existe
mayor atenuación para la polarización vertical. Se observa como existen diferencias
también con la distancia del tag, debido a que la atenuación se separa de la atenuación
media predecida por el modelo de atenuación en espacio libre, que es el que se utiliza para
estimar el nivel de señal. Estas diferencias pueden ser de incluso 8 dB en función de la
distancia y polarización.
4.5
Referencias Bibliográficas
[1]
J. H. Bae, J. C. Kim, B. W. Jeon, J. W. Jung, J. S. Park, B. J. Jang, H. R. Oh, Y. J. Moon, and Y. R.
Seong, “Analysis of Phase Noise Requirements on Local Oscillator for RFID System Considering
Range Correlation,” in the 2007 European Conference on Wireless Technology(EcWT’07), October
2007, pp. 385-388.
A.Lázaro, D.Girbau, “Estudio de técnicas de diversidad en entornos RFID”, 2as Jornadas Científicas
sobre RFID, Cuenca 5 a 7 de Noviembre de 2008.
D.Salinas, Estudi de sistemes d’identificació per radiofreqüència (RFID) en bandes UHF”, Projecte
Final de Carrera, URV, 2007.
[2]
[3]
39
5
Diversidad en Sistemas RFID
5.1
Introducción
Para mitigar los efectos de las ráfagas de errores debido a propagación muticamino y
los efectos de las interferencias entre lectores, este trabajo propone utilizar técnicas de
diversidad espacial, similares a las utilizadas en otros campos de aplicación Clarke (1968),
Lee (1971). Estas consisten en seleccionar o combinar las señales procedentes de varias
antenas que reciben señales incorreladas, de forma que aunque en alguna de ellas esté
presente un desvanecimiento de señal, este desvanecimiento no afecte a todas las señales
de las antenas. Las señales de salida de cada antena se combinan utilizando dos técnicas
básicas: selección (figura 5.1.a) y combinación (figura 5.1.b). En la primera se conmuta
entre las antenas y se escoge la mejor señal. Esta técnica es la que mejor se adapta en
sistemas RFID. La segunda técnica se basa en combinar con unos pesos las señales de cada
antena. Según los pesos utilizados se clasifican en Equal-gain combining (EGC), cuando se
utilizan los mismos pesos, an=1, y Maximal ratio combining (MRC), cuando se utilizan los
pesos óptimos, an. Esta última ofrece mejores prestaciones pero es difícil de aplicar en
entornos RFID sin modificar el lector, mientras que la técnica EGC se puede aplicar
utilizando un combinador conectado a la salida de las antenas. La tabla 2 muestra la
probabilidad de error de bit media para el caso de canal gausiano, canal multicamino
Rayleigh, y canal Rayleigh con diversidad por selección y combinación EGC.
Antena 1
Antena 1
...
...
LECTOR
Antena M
a1
LECTOR
Antena M
aM
(a)
(b)
Figura 5.1 Técnicas de diversidad espacial: a) por selección, b) por combinación de las
señales de cada antena.
5.2
Sistema de medida
Para las pruebas de diversidad planteamos la siguiente situación, dos antenas lectoras
que estarán posicionadas a 45º grados entre ellas, en el mismo escenario habrá otra antena
que generara la señal de interferencia e impedirá una mejor lectura a una de las antenas
más que a otra de ellas, por lo tanto el sistema de diversidad empleado para las medidas es
la técnica de diversidad por selección. Figura 5.2.
40
Figura 5.2 Esquema del sistema de medidas de Interferencias
5.3
Medidas
Las medidas realizadas para comprobar la interferencia que existe en la lectura de
señal por el lector, no han variado respecto al anterior apartado, se realizan a partir de la
variación de la potencia de la antena de interferencia y se estudian los resultados sobre el
porcentaje de lectura sobre la antena A (antena que se encuentra situada frontalmente con
la antena de interferencia) y antena B que esta desviada 45º de la antena A para evitar
dicha interferencia. Se busca mitigar una interferencia producida por una antena directiva
como sería la de otro lector del cual se conoce su situación. Debido a propagación
multicamino ambas antenas recibirían interferencias procedentes de rebotes en otras
direcciones.
En estas medidas, cabe recalcar que el estudio fue realizado solo en la frecuencia de
865.5 MHz.
De los resultados obtenemos el porcentaje de lectura por cada potencia de señal de
interferencia de la antena de interferencia para cada antena A y B, y utilizamos el mismo
método que en el apartado de interferencias para obtener el resto de gráficos.
Los gráficos de los resultados están ordenados según la tabla 5.1:
Figura
Distancia (m)
Diferencia º
Polarización
Figura 5.3.1
1.25
0º
Horizontal
Figura 5.3.2
1.25
45º
Horizontal
Figura 5.3.3
1.25
0º
Vertical
Figura 5.3.4
1.25
45º
Vertical
Tabla 5.1. Casos estudiados en las medidas de diversidad angular
41
Figura 5.3.1 Diversidad horizontal 0º
42
Figura 5.3.2 Diversidad horizontal 45º
43
Figura 5.3.3 Diversidad vertical 0º
44
Figura 5.3.3 Diversidad vertical 45º
45
5.4
Conclusión
El comportamiento frente a interferencias radiadas es similar al obtenido cuando la
interferencia se inyectaba a través del acoplador direccional. Se observa a partir de los
resultados anteriores que la diversidad angular funciona en ambas polarizaciones. Para
inclinación de 0º, las dos antenas reciben el mismo nivel de interferencia no existen mucha
diferencia en el nivel de relación señal a interferencia umbral (en torno a 0.5-1 dB). Sin
embargo se observan diferencias en el nivel de 4-5 dB en el nivel de CIR umbral cuando
se desorientan 45º. Se obtiene que se puede prácticamente duplicar la distancia entre
lectores utilizando el concepto de diversidad angular. Generalmente en los lectores se
utiliza diversidad espacial donde las antenas están separadas una distancia tal que las
señales recibidas están incorreladas. En el caso de diversidad espacial no se utiliza para
mitigar las interferencias sino únicamente para aumentar la región de cobertura o evitar
zonas donde no existe visibilidad directa entre tag y lector, generalmente por
obstacularización por el propio objeto donde esta adherido el tag (caja, palet, etc).
Sin embargo podría utilizarse también para mitigar las interferencias. Por ejemplo,
dos antenas a la misma altura pero separadas una cierta distancia, o bien antenas a varias
alturas. En este caso de diversidad se obtendrían diferencias entre polarizaciones ya que el
camino recorrido por la señal no es el mimo en ambas polarizaciones. A partir de
distancias superiores a media longitud de onda (unos 18 cm) las antenas están incorreladas.
Se consideran que dos antenas están incorreladas si cuando una de ellas recibe un nivel
elevado la otra recibe unible más bajo. Como debido a la propagación multicamino y
reflexiones se supone que las señales recibidas llegan uniformemente en todas direcciones.
Esta situación no es del todo cierta, en el caso de las interferencias debido a un lector
interferente orientado con nuestro lector. Por ello, deberían separarse en torno a 1 m para
evitar interferencias de lectores en la línea directa, así al menos una de las antenas vería el
lector interferente con un ángulo tal que cayese fuera del ancho de haz del diagrama de la
antena del lector interferente. Otra solución para evitar interferencias en línea directa, si
bien no siempre va a ser posible, consistiría en aumentar la atenuación intercalando una
rejilla o cabina metálica entre el lector y el lector interferente. Con ella no se evitarían las
interferencias multicamino pero si el rayo directo. Esta solución puede sir embargo
provocar la modificación del canal por lo que pueden aparecer atenuaciones selectivas en
al algunos puntos dentro de la región de lectura. En ese caso la utilización de diversidad
aumenta también la tasa de lectura.
46
6
Conclusiones y líneas futuras
Con la realización de este proyecto se pueden extraer diferentes conclusiones. La
primera es ver que el diseño de las antenas se ha llevado a cabo con resultados
satisfactorios. Tanto la antena parche con polarización circular como la antena fractal, para
las medidas de antena ya fabricada han sufrido un desplazamiento de frecuencia respecto al
diseño, debido a que la permitividad relativa considerada en la simulación varia
ligeramente de la real del sustrato utilizado, debido a inhomogeneidades. Por lo tanto para
diseños de alta frecuencia este fenómeno de desplazamiento frecuencial se considera
habitual.
Como futura ampliación de este proyecto, para corregir el desplazamiento
frecuencial se propone una segunda iteración de fabricación, a partir de la caracterización
del sustrato con esta primera iteración.
Para el estudio de interferencias el efecto de las interferencias se pudo comprobar
que el lector tolera niveles de relación señal a interferencia de hasta -12 dB; para niveles
bajos la tasa de lectura baja hasta en 80-90% hasta llegar un punto donde la interferencia
afecta demasiado y el porcentaje de lectura cae al 0%. Según la polarización se pudo
afirmar que la polarización vertical es afectada mucho más por las interferencias.
También se pudo evitar una degradación por interferencias en la tasa de lecturas la
distancia entre dos lectores debería ser de más de 15m.
Como solución al problema que generaban las interferencias se planteo un método de
diversidad angular, los resultados para la inclinación de 0º no obtuvieron mayor diferencia
en el nivel de relación señal a interferencia umbral que fue entorno a 0.5 – 1 dB; sin
embargo el problema tuvo mejor solución para la inclinación de 45º con un resultado de 4
– 5 dB en el nivel de CIR, permitiendo obtener los resultados que se querían.
Como ampliación del estudio de interferencias, se propone introducir nuevos
parámetros y sistemas de medida para poder afirmar los resultados obtenidos;
implementando también nuevos métodos de diversidad para un mejor estudio de estos.
47
7
Anexo
7.1
Tablas de distribución de medidas.
Distribución de medidas según los parámetros de frecuencia, polarización, distancia
y altura tabla 7.1.
INTERFERENCIAS
Nombre fichero
Polarizaci
ón
Ahord1m_5h1m*.txt
Horizontal 0:1:7
7.5:0.5:8
8.2:0.2:10
1m
1.5m
865.5MHz
Ahord2mh1m*.txt
Horizontal 0:1:6
6.5:0.5:9.5
9.6:0.1:10
1m
2m
865.5MHz
Ahor1m_5h1_5m*.txt
Horizontal 0:1:4
4.5:0.5:8
8.2:0.2:9.4
1.5m
1.5m
865.5MHz
Ahord2mh1_5m*.txt
Horizontal 0:1:4
4.5:0.5:8
8.2:0.2:9.4
1.5m
2m
865.5MHz
Aver_d1mh1m*.txt
Vertical
0:1:5
.5:0.5:9
9.2:0.2:10.2
1m
1m
865.5MHz
Aver_d1_25mh1m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:9.8*(9.9)
1m
1.25
m
865.5MHz
Aver_d1mh1_5m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:10
1.5m
1m
865.5MHz
Aver_d1_25mh1_5m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:10*(10.1)
1.5m
1.25
m
865.5MHz
Bhord1m_5h1m*.txt
Horizontal 0:1:8
8.5:0.5:9.5
9.6:0.1:10.3
1m
1.5m
866.5MHz
Bhord2mh1m*.txt
Horizontal 0:1:7
7.5:0.5:8
8.2:0.2:10
1m
2m
866.5MHz
Bhor1m_5h1_5m*.txt
Horizontal 0:1:4
4.5:0.5:9
9.2:0.2:9.6
1.5m
1.5m
866.5MHz
Bhord2mh1_5m*t.t
Horizontal 0:1:5
5.5:0.5:8
8.2:0.2:9.6
1.5m
2m
866.5MHz
Bver_d1mh1m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:10*(10.1) 1m
1m
866.5MHz
Bver_d1_25mh1m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:10.2
1m
1.25
m
866.5MHz
Bver_d1mh1_5m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:10.2
1.5m
1m
866.5MHz
Bver_d1_25mh1_5m*.txt
Vertical
0:1:5
5.5:0.5:9
9.2:0.2:10
1.5m
1.25
m
866.5MHz
Chord1m_5h1m*.txt
Horizontal 0:1:7
7.5:0.5:12.5 12.6:0.1:13
1m
1.5m
870.0MHz
Chord2h1m*.txt
Horizontal 0:1:7
7.5:0.5:12
1m
2m
870.0MHz
Rango potencias Generador dBm
12.2:0.2:12.4
48
Altura
antena
Distanc Frecuenci
ia tag
a
Chor1m_5h1_5m*.txt
Horizontal 0:1:8
8.5:0.5:11
11.2:0.2:12.2
1.5m
1.5m
870.0MHz
Chor2mh1_5m*.txt
Horizontal 0:1:8
8.5:0.5:11
11.2:0.2:12.2
1.5m
2m
870.0MHz
Cver_d1mh1m*.txt
Vertical
0:1:8
8.5:0.5:12
12.2:0.2:12.6
1m
1m
870.0MHz
Cver_d1_25mh1m*.txt
Vertical
0:1:8
8.5:0.5:12
12.2:0.2:12.6
1m
1.25
m
870.0MHz
Cver_d1mh1_5m*.txt
Vertical
0:1:8
8.5:0.5:11
11.2:0.2:12.2
1.5m
1m
870.0MHz
Cver_d1_25mh1_5m*.txt
Vertical
0:1:8
8.5:0.5:11
11.2:0.2:12.4
1.5m
1.25
m
870.0MHz
Tabla 7.1 Organización de las medidas de Interferencias
49
Distribución de las medidas de Diversidad según el ángulo de la antena y la
polarización. Tabla 7.2.
ANGULO
45º
ANGULO
0º
FREQ.
865.5MHz
FREQ.
865.5MHz
POLARIZACION HORIZONTAL
Fichero
Potencia
(dBm)
Fichero
Potencia
(dBm)
Fichero
Potencia
Fichero
(dBm)
Potencia
(dBm)
diver_A_1
7
diver_B_1
13
diver_A_1
11
diver_B_1
11
diver_A_2
8
diver_B_2
14
diver_A_2
12
diver_B_2
12
diver_A_3
9
diver_B_3
14,2
diver_A_3
12,5
diver_B_3
12,5
diver_A_4
9,5
diver_B_4
14,4
diver_A_4
13
diver_B_4
13
diver_A_5
9,6
diver_B_5
14,6
diver_A_5
13,1
diver_B_5
13,2
diver_A_6
9,7
diver_B_6
14,8
diver_A_6
13,2
diver_B_6
13,4
diver_A_7
9,8
diver_B_7
15
diver_A_7
13,3
diver_B_7
13,6
diver_A_8
9,9
diver_B_8
15,1
diver_A_8
13,4
diver_B_8
13,8
diver_A_9
10
diver_B_9
15,2
diver_A_9
13,5
diver_B_9
14
diver_A_10
10,1
diver_B_10
15,3
diver_A_10
13,6
diver_B_10
14,1
diver_A_11
10,2
diver_B_11
15,4
diver_A_11
13,7
diver_B_11
14,2
diver_A_12
10,3
diver_B_12
15,5
diver_A_12
13,8
diver_B_12
14,3
POLARIZACION VERTICAL
Fichero
Potencia
(dBm)
Fichero
Potencia
(dBm)
Fichero
Potencia
Fichero
(dBm)
Potencia
(dBm)
diver_A_1
8
diver_B_1
12
diver_A_1
11
diver_B_1
11
diver_A_2
9
diver_B_2
13
diver_A_2
11,5
diver_B_2
12
diver_A_3
9,5
diver_B_3
13,5
diver_A_3
12
diver_B_3
12,5
diver_A_4
10
diver_B_4
14
diver_A_4
12,5
diver_B_4
13
diver_A_5
10,1
diver_B_5
14,2
diver_A_5
13
diver_B_5
13,2
diver_A_6
10,2
diver_B_6
14,4
diver_A_6
13,1
diver_B_6
13,4
diver_A_7
10,3
diver_B_7
14,5
diver_A_7
13,2
diver_B_7
13,5
diver_A_8
10,4
diver_B_8
14,6
diver_A_8
13,3
diver_B_8
13,6
diver_A_9
10,5
diver_B_9
14,7
diver_A_9
13,4
diver_B_9
13,7
diver_A_10
10,6
diver_B_10
14,8
diver_A_10
13,5
diver_B_10
13,8
diver_A_11
10,7
diver_B_11
14,9
diver_A_11
13,6
diver_B_11
13,9
diver_A_12
10,8
diver_B_12
15
diver_A_12
13,7
diver_B_12
14
diver_B_13
14,1
50
Tabla 7.2 Organización de las medidas de Diversidad.
7.2
Programas de MATLAB utilizados para generar todas las gráficas.
Para generar las graficas de las lecturas de los tags se han utilizado dos programas,
uno que convierte los datos del fichero de texto a tablas enteras para poder trabajar con
ellas convert.m, otro que trata los datos para obtener las graficas graf.m. Y diferentes
programas para mostrar las medidas obtenidas utilizando formulas teóricas.
convert.m
function [Data,DataTag]=convert(filename)
DataTag=[];
%% Open the file and extract data (save data in the variable Data)
fid=fopen(filename);
contador=0;
while 1
tline = fgetl(fid);
if ~ischar(tline), break, end
%disp(tline)
d=sscanf(tline,'%i').';
tline = fgetl(fid);
contador=contador+1;
Data(contador,:)=d;
if d(3)>0,
for i=1:d(3),
tline = fgetl(fid);
d=sscanf(tline,'%x');
tend=dec2hex(d(end));
DataTag(contador).clase{i}=tend;
tline = fgetl(fid);
end;
end;
end
fclose(fid);
graf.m
%Fitxer de mesures
filename='Ahor1_5mh1m'; %Nom fitxers
Nmesures=100;
%Nombre de tags per fitxer
%Nombre fitxers
Nfiles=20;%Tants com potencies
%vector potencies
%Pintv=linspace(8,13,Nfiles);
Pintv=[0,1,2,3,4,5,6,7,7.5,8,8.2,8.4,8.6,8.8,9,9.2,9.4,9.6,9.8,10];
51
%Vectors de potencies
Pv=30;%Potencia Reader en W
%Captura lectures
for k=1:Nfiles,
filename0=[filename,int2str(k),'.txt'];
%lectura del fitxer
[Data,DataTag]=convert(filename0);
I=find(Data(:,2)==Pv);
Porcentatge(k)=sum(Data(I,3))/length(I);
end; %end k
%Grafiques
t1='-o';
plot(Pintv,Porcentatge*100,t1)
xlabel('Pint (dBm)');
ylabel('% Lecturas');
Cabe destacar que el programa grafica.m genera el CIR de cada medida y la función
de distancia interferente.
grafica.m
%Distancia entre tag i reader
d=2;%2m
Vmes=Pintv;
Pormes=Porcentatge/max(Porcentatge)*100;
%% Caso EU
PT=(10^(28/10))*1e-3; %W
GT=9; %dBi
Gtag=0; %dBi
rho1=0.1; %en Rx
rho2=0.9; %en Tx
f=866e6; l=3e8/f;
R0=1000; %m
alfa=4; %factor atenuacio
n1=1.6; %factor atenuacio en zona 1
n1=2;
Acoplament=15.5;%Acoplamiento del acoplador
L=-20*log10(l/(4*pi))+n1*10*log10(d)+(alfa-n1)*10*log10(1+d/R0);
Prup=10*log10(PT)+30+Gtag+GT+10*log10(1-rho1^2)-L;
Prdown=10*log10(PT)+30+2*Gtag+2*GT+10*log10(rho2^2)-2*L;
CIRmes=Prdown-(Vmes-Acoplament);
52
Lint=-(Vmes-Acoplament)-(GT+GT+20*log10(l/(4*pi)));
rintmes=10.^(Lint/20);
figure
plot(CIRmes,Pormes,'-o')
xlabel('CIR(dB)'); ylabel('% Lecturas');
figure
plot(rintmes,Pormes,'-o')
xlabel('Distancia interferente(m)'); ylabel('% Lecturas');
53