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PROYECTO FINAL DE CARRERA
Curso 2007-2008
DISEÑO DE ANTENAS MINIATURA
PARA APLICACIONES DE
RADIOIDENTIFICACIÓN (RFID) A
900 MHZ
TITULACIÓN: Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones esp. en Telemática.
AUTOR: David Campiña García
DIRECTOR: Antoni Lázaro Guillén
FECHA:Abril /2008
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Índice:
1. Introducción .................................................................................................................. 5
2. RFID ............................................................................................................................. 7
2.1 Tecnología RFID .................................................................................................... 7
2.1.1 Componentes de un sistema RFID. ................................................................ 9
2.2 Historia del RFID ................................................................................................. 10
2.3 Clasificación de los Tags ...................................................................................... 11
2.3.1 Pasivos .......................................................................................................... 12
2.3.2 Activos .......................................................................................................... 13
2.3.3 Semi-activos / Semi-pasivos ......................................................................... 15
2.3.4 Solo lectura (RO) .......................................................................................... 16
2.3.5 Una Escritura / Varias lecturas (WORM) .................................................... 16
2.3.6 Lectura / Escritura Programable (RW) ........................................................ 16
2.3.7 Ondas acústicas superficiales (SAW) ........................................................... 17
2.3.8 Tags no RFID ............................................................................................... 17
2.4 Bandas de frecuencias .......................................................................................... 18
2.5 Regulación y estandarización ............................................................................... 21
2.5.1 EN 302 208 ................................................................................................... 24
2.5.2 EPC............................................................................................................... 25
2.6 Multiacceso: anticolisión ...................................................................................... 29
2.6.1 Acceso múltiple por división de espacio (SDMA) ........................................ 31
2.6.2 Acceso múltiple por división de frecuencias (FDMA).................................. 32
2.6.3 Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) ......................................... 33
2.6.4 Acceso múltiple por división de código (CDMA) ......................................... 35
2.7 Privacidad y seguridad.......................................................................................... 36
2.8 Usos más frecuentes ............................................................................................. 37
3. Circuito Integrado RFID: ........................................................................................... 43
3.1 Introducción .......................................................................................................... 43
3.2 ICs RFID Comerciales.......................................................................................... 44
4. Productos comerciales de un sistema RFID ............................................................... 45
4.1 Tags comerciales .................................................................................................. 45
4.2 Lectores comerciales ............................................................................................ 56
5. Diseño de antenas ....................................................................................................... 64
5.1 Programa ADS ...................................................................................................... 64
5.1.1 Momentum .................................................................................................... 64
5.2 Adaptación T-Match ............................................................................................. 65
5.3 Sistemas de medida .............................................................................................. 70
5.3.1 Caracterización de dispositivos diferenciales con un VNA.......................... 70
5.3.2 Teoría de las imágenes ................................................................................. 74
6. Diseño y simulación de tags RFID. ........................................................................... 76
6.1 Dipolo con adaptación en T-Match ...................................................................... 76
6.2 Dipolo inductivo cargado capacitivamente para banda europea .......................... 88
6.3 Dipolo inductivo cargado capacitivamente para banda americana. ..................... 95
6.4 Dipolo Cuadrado con adaptación T-mach .......................................................... 101
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.5 Dipolo forma triangular con adaptación T-Match: ............................................. 108
6.6 Parche simétrico ................................................................................................. 114
6.7 Parche diferencial λ/4 ......................................................................................... 121
6.8 Resumen de las antenas diseñadas...................................................................... 129
7. Medidas .................................................................................................................... 131
7.1 Medidas con Caracterización de dispositivos diferenciales con VNA ............... 131
7.1.1 Medida dipolo adaptación T-Match ........................................................... 133
7.1.2 Medida dipolo inductivo cargado capacitivamente para banda europea .. 140
7.1.3 Medida dipolo cuadrado con adaptación T-Match .................................... 142
7.1.4 Medida dipolo forma triangular con adaptación T-Match ........................ 144
7.1.5 Medida parche diferencial λ/4 .................................................................... 146
7.2 Medidas basadas en la Teoría de las imagenes ................................................. 148
7.2.1 Medida dipolo adaptación T-Match ........................................................... 149
7.2.2 Medida dipolo inductivo cargado capacitivamente para banda europea .. 152
7.2.3 Medida dipolo cuadrado con adaptación T-Match .................................... 154
7.2.4 Medida dipolo forma triangular con adaptación T-Match ........................ 156
8. Conclusión ................................................................................................................ 158
9. Referencias ............................................................................................................... 159
Anexo A........................................................................................................................ 161
Anexo B ........................................................................................................................ 162
Anexo C ........................................................................................................................ 164
Anexo D........................................................................................................................ 165
Anexo E ........................................................................................................................ 167
Anexo F ........................................................................................................................ 168
Anexo G........................................................................................................................ 169
Anexo H........................................................................................................................ 172
Anexo I ......................................................................................................................... 174
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
1. Introducción
Las comunicaciones móviles han progresado muy rápidamente durante estos últimos
años, al igual que el tamaño de los sistemas móviles (teléfonos móviles, portátiles,
PDA, GPS...). Todos estos aparatos requieren un sistema de comunicación wireless
dotado de una antena la cual cada vez por motivos obvios debe ser de dimensiones más
reducidas. Una solución cómoda y atractiva es la utilización de microstrip para la
impresión de estas antenas de superficies reducidas ya que comportan un bajo coste y
una sencilla aplicación.
Desdel 2000 hasta el día de hoy los sistemas de comunicación móviles han abarcado
una banda de frecuencias bastante amplia, empezando por los terminales móviles
(GSM: 890-960 MHz), los sistemas de comunicación digital (DCS: 1710 – 1880 MHz),
los sistemas de comunicación personal (PCS: 1850-1990 MHz), el sistema universal
móvil de comunicación (UMTS: 1920-2170 MHz), sistemas wireless de área local
(WLAN:2400-2484 MHz), etc.
El objetivo principal de este proyecto es realizar estudio de investigación sobre antenas
que abarcarán la banda de frecuencias UHF (Ultra High Frequency) de la tecnología
RFID (Radio Frequency IDentification), esta banda varía según la localización
geográfica: en la zona Europea es de 865-868 MHz y por otra parte la Americana 902928 MHz. Aunque uno de los objetivos es que las antenas comprendan las dos bandas,
para poder obtener sistemas universales para cualquier zona geográfica.
Con este estudio lo que se pretende es introducir al conocimiento de este sistema de
radioidentificación, el cual principalmente englobará todo el diseño de los receptores
que usa esta tecnología, que aunque actualmente no esté muy asentada, es muy probable
que acabe sustituyendo a su antecesor, el conocido código de barras debido a la
capacidad de identificar cada etiqueta u objeto de forma individual y a distancias
considerables sin campo de visión directa.
En la parte más práctica del proyecto, se verá desdel diseño circuital de las antenas
mediante ADS (Advanced Design System), junto a las primeras simulaciones de estas
mediante Momentum que servirán de aproximación, hasta la fabricación de estas sobre
fibra de vidrio para la posterior incorporación del microchip RFID y conseguir un
delicado análisis final de las características de estas, en la que se tendrá en cuenta la
mejora de su adaptación para toda la banda de frecuencias RFID, todo esto gracias a dos
tipos distintos de medida que se llevarán a cabo.
Otro tema que se tendrá en cuenta y se hará bastante hincapié en este proyecto será un
estudio reciente sobre la adaptación de antenas a diferentes impedancias (Adaptación en
T-Match), ya que el antedicho circuito integrado, al cual también se le ha guardado un
apartado en este estudio, atiende a un impedancia distinta a la de la antena.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Por último, también se hará una breve investigación de los productos comerciales que
existen hoy en día en el mercado orientados a esta tecnología. Reuniendo así de una
forma ordenada, según la empresa que lo comercializa, todos los dispositivos necesarios
(tags y lectores) y sus principales características para crear con destreza un sistema de
radioidentificación óptimo para cualquier necesidad.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2. RFID
2.1 Tecnología RFID
La tecnología RFID siglas de Radio Frecuency Identificación lo que vendría a ser
Identificación por Radiofrecuencia se agrupan dentro de las denominadas Auto ID
(Automatic Identification), estas son un novedoso sistema de almacenamiento y
recuperación de datos que usan los dispositivos receptores de dicha tecnología, ya sean
etiquetas, transpondedores o tags RFID.
Una etiqueta o receptor RFID es un dispositivo pequeño, en muchas ocasiones impresos
como pegatinas, que puede ser adherida o incorporada a un producto o bien inyectadas a
un animal o persona, para facilitar su identificación y realizarla de forma instantánea y a
distancia.
Una parte crucial de estas etiquetas son las antenas que contienen para permitirles
recibir y responder a peticiones por radiofrecuencia desde un emisor-receptor RFID.
Una de las ventajas del uso de radiofrecuencia en cambio de otros dispositivos es que no
se requiere un campo visión directo entre el lector y receptor o etiqueta RFID, ya que la
información viaja a través de ondas electromagnéticas que pueden penetrar la mayoría
de medios, un ejemplo de medio impermeable para estas ondas sería las jaulas de
Faraday 1 para RFID que son utilizadas en muchas ocasiones como fundas protectoras
para transportar elementos de RFID, salvando así su contenido de los campos
electromagnéticos que generaría un lector RFID.
Por otra parte, una etiqueta RFID también contiene un chip que es el encargado de
almacenar gran cantidad de datos2, entre los cuales en el caso de un centro comercial
podrían ser precios, características, localización exacta, fechas de caducidad, etc.
En la actualidad, la tecnología más extendida para la identificación de objetos es la de
los códigos de barras. Sin embargo, éstos presentan muchas desventajas respecto a la
nueva tecnología, como puede ser la escasa cantidad de datos que pueden almacenar y
la imposibilidad de ser modificados o reprogramados, cosa que con las etiquetas RFID
al usar microchips de silicio desaparece, requiere una visibilidad directa con el lector y
facilidad para el desgaste. Como contrapartida, es importante mencionar que todo y que
la tecnología RFID supone grandes ventajas, su coste supera con creces al del código de
barras.
En la Tabla 2.1, hacemos un resumen de las ventajas de la tecnología RFID frente al
código de barras.
1
Efecto que provoca que el campo electromagnético en el interior del conductor en equilibrio sea nulo,
anulando el efecto de los campos externos.
2
Actualmente, los circuitos integrados RFID esta capacitados para almacenar entre 16-64KBytes
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
•
•
•
•
•
•
•
•
•
RFID
Legible sin visibilidad directa.
Lectura automática de múltiples
etiquetas de forma simultánea.
Código único, fijado en fábrica o
escrito a distancia.
Identifican cada producto de forma
individual.
Puede
contener
información
individual.
Resistentes a la humedad y
temperatura.
Traspasa distintos materiales.
Mayor seguridad gracias a protección
de datos / Transmisión de datos
cifrada.
Forma y tamaño del transpondedor
adaptables.
•
•
•
•
•
•
Código de Barras
Es imprescindible la visión directa
para leer el código.
Requiere lecturas secuenciales, con
intervención humana.
Mismo código en todas las etiquetas.
Los códigos secuenciales suelen ser
numéricos.
Identifican cada tipo de producto, En
ocasiones identifican cajas o envases
individuales.
Sólo contiene un código.
Se degradan en ambientes húmedos o
a altas temperaturas.
Estos son algunos de los motivos principales por los cuales el sector comercial está
intentando sustituir el código de barras por la etiqueta RFID. Sería interesante destacar
las áreas y sectores potenciales para la obtención de beneficios de la tecnología RFID en
comparación al código de barras [Véase Anexo A]. También mencionar que en el sector
gubernamental, Estados Unidos ha presionado al resto de países para que incorporen
esta tecnología en los pasaportes que emiten, bajo el pretexto de mejorar la seguridad,
aunque actualmente se ha demostrado la total inseguridad que conlleva una etiqueta
RFID debido a la facilidad de ser copiada [18].
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.1.1 Componentes de un sistema RFID.
Un sistema RFID básicamente se compone por dos elementos: el lector (rearder) y una
etiqueta (transpondedor o tag), este último siempre o en numerosas ocasiones vendría
acompañado de un ordenador o PDA.
• Etiqueta: Elemento que se adhiere o incorpora un producto o bien inyectadas a
un animal o persona, para facilitar su identificación
• Lector: Dispositivo que emite señales de radio a una frecuencia predeterminada
con el fin de interrogar a la etiqueta RFID y obtener su número de identificación.
Cuando el lector obtiene una respuesta de la etiqueta RFID convierte la señal de
radio frecuencia en un código numérico que normalmente es transmitido a otros
dispositivos o sistemas en los cuales serán procesados y gestionados como
podría ser PDAs, PCs, etc.
En la Figura 2.0 de a continuación se puede ver un esquema de los componentes de un
sistema RFID:
Figura 2.0 Componentes de un sistema RFID.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.2 Historia del RFID
Aunque la historia del RFID pueda estar fechada en los años 1930, esta tecnología
encuentra sus raíces en 1897 cuando Guglielmo Marconi invento la radio. El RFID se
aplica a los mismos principios físicos que se utilizan en las emisiones de radio, donde
las ondas radio, una forma de energía electromagnética, transmite y recibe varios tipos
de información.
Este sistema halla propiamente su origen relacionado con la guerra, concretamente con
la Segunda Guerra Mundial, en la que el uso del radar permitía la detección de aviones a
kilómetros de distancia, pero no su identificación. El ejército alemán descubrió que si
los pilotos balanceaban sus aviones al volver a la base cambiaría la señal de radio
reflejada de vuelta. Este método hacía así distinguir a los aviones alemanes de los
aliados y se convirtió en el primer dispositivo de RFID pasiva.
Los sistemas de radar y de comunicaciones por radiofrecuencia avanzaron en las
décadas de los 50 y los 60 en que los científicos de los países más avanzados trabajaban
para explicar cómo identificar objetos remotamente. Las compañías pronto comenzaron
a trabajar con sistemas antirrobo que usando ondas de radio determinaban si un objeto
había sido pagado o no a la salida de las tiendas. Se utiliza con una etiqueta en la que 1
único bit decide si se ha pagado o no por el objeto en cuestión. La etiqueta pitará en los
sensores colocados a la salida si el objeto no se ha pagado.
Las primeras patentes para dispositivos RFID fueron solicitadas en Estados Unidos,
concretamente en Enero de 1973 cuando Mario W. Cardullo se presentó con una
etiqueta RFID activa que portaba una memoria reescribible. El mismo año, Charles
Walton recibió la patente para un sistema RFID pasivo que abría las puertas sin
necesidad de llaves. Una tarjeta con un transponedor comunicaba una señal al lector de
la puerta que cuando validaba la tarjeta desbloqueaba la cerradura.
El gobierno americano también trabajaba sobre esta tecnología en los años 70 y montó
sistemas parecidos para el manejo de puertas en las centrales nucleares, cuyas puertas se
abrían al paso de los camiones que portaban materiales para las mismas que iban
equipados con un transponedor. También se desarrolló un sistema para el control del
ganado que había sido vacunado insertando bajo la piel de los animales una etiqueta
RFID pasiva con la que se identificaba los animales que habían sido vacunados y los
que no.
Después han ido llegando mejoras en la capacidad de emisión y recepción, así como en
la distancia, lo cual ha llevado a extender su uso en ámbitos tanto domésticos como de
seguridad nacional, como sucede con el pasaporte expedido en la actualidad en los
EEUU que lleva asociadas etiquetas RFID.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.3 Clasificación de los Tags
Los tags o etiquetas electrónicas se pueden clasificar de maneras diferentes atendiendo a
su forma de alimentación o a su posibilidad de lectura/escritura.
Atendiendo a su forma de alimentación, se pueden clasificar en:
- Pasivos
- Activos
-Semi-activos / Semi-pasivos
Figura 2. 1 Diferentes aplicaciones de sistemas RFID.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.3.1 Pasivos
La característica principal de este tipo de tags RFID es que no tienen fuente de
alimentación (batería) integrada, con lo cual utilizan la energía emitida por el lector para
autoalimentarse y transmitir su información almacenada al lector. Las etiquetas pasivas
son más simples de construir y no tienen partes móviles. Esto hace que tengan mayor
vida y soporten condiciones ambientales extremas como elementos corrosivos, o
temperaturas de más de 200 ºC.
La comunicación entre este tipo de transponedor y el lector la inicia siempre el lector,
con lo que la presencia de este es imprescindible para que el tag transmita sus datos.
Los tags pasivos idealmente tienen un el rango de alcance es de hasta unos 9 metros3,
siempre siendo inferior que los activos y los semi-activos/semi-pasivos.
Además, son más baratos de fabricar que el resto. Un ejemplo de los tags pasivos son
las pegatinas antirrobo de los centros comerciales.
Mencionar también que aunque las antenas que se diseñen en este proyecto sean para
cualquier tipo de tag con el que se quiera trabajar en la banda de frecuencia UHF, los
tags que se elaborarán en este estudio serán los pasivos debido a que la fabricación se
resuelve con más sencillez y los materiales de lectura de los que se disponen son para
este tipo de tags.
Los componentes principales de este tipo de tag son (Fig. 2.2):
La antena como dispositivo capaz de emitir o recibir ondas de radio. El cual está
constituido por un conjunto de conductores diseñados para radiar o transmitir un campo
electromagnético cuando se le aplica una señal alterna. De manera inversa, si este
dispositivo se coloca en un campo electromagnético, genera como respuesta a éste una
señal alterna.
Y el microchip RFID como elemento inteligente del tag, el cual se explicará con más
detalle en el apartado 3.
Figura 2. 2 Estructura que compone un tag pasivo
3
Esta distancia es en un caso teórico e ideal, ya que tal y como se verá más adelante no hemos obtenidos
distancias mayores a los 5 o 6 metros con tags pasivos tanto comerciales como diseñados en este
proyecto.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En la Figura 2.3 se pueden ver varios tags pasivos insertados en diferentes objetos
como pulseras, tarjetas, llaveros... los cuales no usan batería sino que se alimentan de la
señal de radio emitida por el lector, solventando así el propósito de cada uno de ellos ya
sea identificación de personas, apertura de puertas, acceso a zonas restringidas,
seguimientos activos, etc.
Figura 2. 3 Diferentes tags pasivos.
2.3.2 Activos
Un tag activo, a diferencia del pasivo, es aquel que tiene una fuente de alimentación
incorporada, como una batería o un panel solar, y tiene una circuitería específica para
realizar una tarea en concreto. El tag activo utiliza la energía de su batería para enviar la
señal al lector, con lo que no necesita que el lector genere un campo continuo para
alimentar a la antena. La electrónica interna puede estar compuesta por sensores,
puertos de entrada y salida y por supuesto de un microchip al igual que los pasivos. En
general se puede idealizar un tag activo como un pc wireless con unas tareas y
propiedades especificas.
En la comunicación entre el tag y el lector, el tag es siempre el primero en comunicarse,
seguido de la respuesta del lector. Como el tag activo inicia siempre la comunicación
puede llegar a transmitir continuamente alguna información aunque no haya ningún
lector para recibirla, a este tipo de tag se le denomina transmisor. Existe otro tipo de tag
el cual permanecería en un estado de sueño o letargo si no existe ninguna petición del
lector, y despertaría con la recepción de un comando especial. Este último tipo consigue
ahorrar energía y tienen una vida mayor que los tags transmisores además de no saturar
con ruido de RF del entrono. A este último se le conoce como transmisor/receptor o
transpondedor, por ello que se les llame tags a todos y no transpondedores.
El rango de lectura de los tags activos ronda los 30.5 metros o incluso más, eso depende
del uso del tag.
Un tag activo está compuesto principalmente de (Fig. 2.4):
-
Circuito Integrado.
Antena (o módulo de RF).
Fuente de alimentación o batería.
Electrónica integrada.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 2. 4 Esquema de un modelo de tag activo.
Todos los tags activos llevan integrado un microchip RFID al igual que los pasivos,
aunque el de este sea de dimensiones más reducidas, también están compuestos por una
antena como elemento receptor/emisor de las ondas electromagnéticas o incluso a veces
por un módulo FR que se encarga de la transmisión RF.
Todo esto no sería posible sin la integración de una fuente de alimentación propia, como
por ejemplo una batería, para alimentar de energía todo el sistema electrónico. La vida
de un tag está relacionada directamente a la duración de la batería, pero por norma
general suele llegar a ser de entre 2 a 7 años de autonomía. Esta duración depende en
gran medida de lo grande que sea el intervalo de emisión de datos, cuando más se tarde
entre emisión y emisión más duración tendrá. Por otro lado, el consumo que hagan los
procesadores y/o sensores también repercutirá en la vida de la batería.
Cuando un tag se queda sin batería deja de emitir mensajes y el lector no puede saber si
es debido a que no está el objeto o que no tiene batería el tag, a no ser que se haya
resuelto que el tag envíe un mensaje de fin de batería.
Por último, tendríamos la parte de la electrónica integrada que permite al tag transmitir
los mensajes u opcionalmente realizar tareas específicas como cálculos, mostrar
mensajes en un display o controlar algunos sensores. Esta circuitería puede proporcionar
un interfaz para conectar el tag a sensores externos. Esto dependerá del tipo de tag y la
tarea determinada. Así este tipo de tag tiene potencialmente un rango ilimitado de
funcionalidades. Se tiene que tener en cuenta que cuanto mayor sean sus tareas o más
específicas sean es posible que el tag aumente de tamaño para poder contener la
circuitería necesaria. Esto tampoco es un problema muy importante, ya que el tamaño
máximo lo determina el objeto a ser identificado.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.3.3 Semi-activos / Semi-pasivos
El último tag que explicaremos según el tipo de alimentación, es el tag semiactivo/semi-pasivo el cual contiene una fuente de energía interna, lo que podría ser una
batería, y una electrónica específica según la tarea a realizar. La batería se limita a
proporcionar energía a la circuitería y al chip, ya que la energía para generar la
comunicación es la que recoge de las ondas de radio del lector (como los pasivos). Por
lo tanto para que se produzca la comunicación es el lector el que la tiene que iniciarla.
Las principales ventajas de los tags semi-activos/semi-pasivos frente a los pasivos es
que al no utilizar la energía del lector para hacer funcionar la circuitería pueden ser
leídos a una mayor distancia, son más rápidos de leer ya que no hace falta que el lector
mantenga tanto tiempo la señal para hacer funcionar los circuitos del tag y aunque el
objeto se mueva a altas velocidades se puede leer.
El rango de lectura de este tipo de tags es de hasta 30.5 metros en condiciones ideales y
bandas UHF o microondas.
En la Figura 2.5 se puede observar el esquema de un tag semi-activo/semi-pasivo con
todos sus componentes, junto a este también tenemos un tag de RF CODE en el que se
puede ver su circuitería alimentada por una pila (Fig. 2.6).
Figura 2. 5 Esquema de un tag semi-activo/semi-pasivo
Figura 2. 6 Tag RF CODE provisto de batería
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Por otra banda, también se pueden clasificar los tags dependiendo de su posibilidad de
escritura/lectura:
-
Sólo lectura (RO)
Una Escritura / Varias lecturas (WORM)
Lectura /Escritura programable (RW)
2.3.4 Sólo lectura (RO)
Los tags de tipo Read Only (independientemente de ser pasivos, activos o semiactivos/semi-pasivos) sólo pueden ser escritos una sola vez con una longitud fija de
caracteres y se hace en la cadena de fabricación de estos a modo de ROM. Esta escritura
se hace quemando algunos fusibles del chip con un rayo láser. Al estar fijados los datos
en el momento de fabricación el usuario final no puede modificarlos cosa que limita
bastante la utilización de este tipo de tags.
2.3.5 Una Escritura / Varias lecturas (WORM)
Este tipo de tags Write Once Read Many sólo se pueden escribir una vez por el usuario.
Aunque en realidad pueden reescribirse más veces no superando el centenar por fallos
en el diseño, pero solo algunos modelos, aunque si superan un cierto número de veces
pueden quedar inutilizables. Este tipo de memorias ofrecen una buena relación
rendimiento-precio y una gran adaptación a diferentes tipos de aplicaciones RFID.
2.3.6 Lectura / Escritura Programable (RW)
Estos tags Read-Write tienen una parte de la memoria, normalmente del usuario, que
se puede gravar de 10.000 hasta 100.000. Estos tags tienen la gran ventaja de poder ser
escritos por los lectores o incluso por si mismos (en el caso de los tags activos). Los
tags RW disponen de una memoria Flash o FRAM para el almacenamiento de los datos.
La fabricación de estos requiere un elevado coste lo que provoca un uso para
aplicaciones cerradas dentro de una misma empresa para la reutilización de los mismos.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Por último, tenemos dos tipos de tags más los cuales se salen de la estructura básica de
un tag RFID que conocemos:
-
Ondas acústicas superficiales (SAW)
Tags no RFID
2.3.7 Ondas acústicas superficiales (SAW)
Los tags Surface Acoustic Waves difieren del resto fundamentalmente en que no tiene
un circuito integrado.
Estos tags utilizan ondas de radio frecuencia de baja potencia en el espectro ISM
(Industrial, Scientific and Medical) 2,45GHz. En contra de los tags basados en
microchips, los SAW no necesitan una corriente continua para poder enviar una señal.
Las principales ventajas de los SAW son que utilizan muy poca energía, mayor rango de
lectura (debido a que trabajan a 2,45 GHz), utilizan ráfagas cortas de señales lo que los
hace más rápidos a la lectura, son de muy fácil diseño y no necesitan implementar
protocolos de colisión.
2.3.8 Tags no RFID
Sería interesante destacar el hecho de que la comunicación inalámbrica no solo se puede
realizar por medio de ondas electromagnéticas, como hemos visto hasta el momento,
sino que existen otros tipos de tags que se comunican mediante ultrasonidos. O con otro
rango de frecuencias como los infrarrojos, que en el caso de estos últimos utilizados de
modo radial, no en el modo de punto a punto como es habitual en los sistemas de
comunicación IR, puede acabar como sistema de detección aunque ya es conocido la
imposibilidad de que una comunicación IR sea capaz d atravesar paredes, lo que
provocaría una carencia importante respecto al sistema RFID.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.4 Bandas de frecuencias
Uno de los aspectos más importantes para tener en cuenta a la hora de configurar un
sistema de comunicación compuesto por RFID, es el rango de frecuencias en el que
trabaja tango el tag como el lector. Ya que si estos no son los mismos no podríamos
establecer comunicación, ni obtener energía entre ellos.
El espectro electromagnético para RFID opera normalmente en baja frecuencia (Low
Frecuency), alta frecuencia (High Frecuency), ultra alta frecuencia (Ultra High
Frecuency) o microondas. Los dispositivos RFID están regulados como un dispositivo
de radio debido a que emiten ondas electromagnéticas (Broadcast).
En la actualidad, el rango de frecuencias disponible está limitado a bandas ISM
(Industrial Scientific Medical), las cuales son para uso industrial, científico y médico.
Las frecuencias menores a 135 kHz no forman parte de esta banda libre pero se puede
utilizar en sistemas RFID porque utilizan el campo magnético para operar en cortos
rangos de lectura, que no interfiere a ningún otro dispositivo.
Nombre (Banda de Frecuencia)
LF (30-300kHz)
HF (330 MHz)
UHF (300 MHz – 3 GHz)
Microondas (> 3 GHz)
Frecuencias ISM
< 135 kHz
6.78 MHz, 13.56 MHz, 27.125 MHz, 40.68 MHz
433.920 MHz, 869 MHz, 915 MHz
2.45 GHz, 5.8 GHz, 24.125 GHz
Tabla 2. 1 Bandas de frecuencia y frecuencias ISM.
Según la zona geográfica y el uso, estos sistemas se rigen por unos rangos u otros, en
nuestro caso todas las antenas diseñadas están dentro de la banda UHF. Los distintos
organismos reguladores de las distintas partes del mundo han seleccionado los
diferentes rangos que más se ajustan a sus necesidades. En la zona Americana la banda
que en que se trabaja es de 902-928 MHz, mientras que en la zona Europea es de 865868 MHz, ya que la telefonía móvil ocupa la banda de 890-960 MHz e imposibilita que
la tecnología RFID en Europa y América sean las mismas, por otra parte, en Japón es de
950-956 MHz y recientemente en India han adoptado la banda entre 865-867MHz.
A continuación, podremos observar una comparación entre los distintos rangos de
frecuencia de la tecnología RFID, características principales y sus aplicaciones (Tabla
2.2)
18
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Rango de
Frecuencia
Rango
máximo
de lectura
típico
(Tags pasivos)
LF (125 kHz)
< 0,5 m
Características Relativamente
caro, aún a
generales
grandes
volúmenes. LF
requiere una
mayor y más
cara antena de
cobre.
Adicionalmente,
los tags
inductivos son
más caros que
un tag
capacitivo.
Menos
susceptible a
degradaciones
de performance
con metales y
líquidos, a
pesar de que el
rango de lectura
es corto.
HF (13.56
MHz)
UHF (868-915
MHz)
Microondas
(2.45 GHz &
5.8 GHz)
-1 m
-1 m
-3 m
Menos caro
que los tags
inductivos de
LF.
Relativamente
corto rango y
velocidades de
datos menores
comparados
con frecuencias
más altas.
Orientado a
aplicaciones
que no
requieren
lectura de más
distancia de
múltiples tags.
En volúmenes
grandes, los
tags de UHF
tienen la
ventaja de ser
más baratos
que los tags LF
y HF, debido a
recientes
avances en el
diseño del IC.
Ofrecen buen
balance entre
rango y
rendimiento,
especialmente
para leer
múltiples tags.
Características
similares a los
tags UHF, pero
con
velocidades de
lectura más
rápidas. Una
desventaja de
esta banda es
que las
transmisiones
de microondas
son las más
susceptibles a
degradaciones
de rendimiento
debido a
metales y
líquidos, entre
otros
materiales.
Ofrecen la
señal más
direccional,
ideal para
ciertas
aplicaciones.
Fuente de
alimentación
del Tag
Generalmente
pasivos
solamente,
usando
acoplamiento
inductivo.
Generalmente
pasivos
solamente,
utilizando
acoplamiento
inductivo o
capacitivo.
Tags activos
con
batería integral
o
tags pasivos
utilizando
acoplamiento
capacitivo.
Tags activos
con batería
integral o tags
pasivos
utilizando
acoplamiento
capacitivo.
Aplicaciones
Típicas
Control de
acceso,
identificación
Smart Cards
Trazabilidad a
nivel de ítem,
Trazabilidad
de
pallets
Peajes
19
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Notas
Velocidad de
datos
Habilidad
para
leer cerca del
metal o
superficies
húmedas
Tamaño del
Tag
Pasivo
de animales,
inmovilizadores
de vehículos.
Aplicaciones
comerciales
incluyendo
SpeedPass
incluyendo
manejo de
equipaje,
bibliotecas
Peajes
Manejo de
equipaje
(USA)
Mayor base
instalada debido
a la naturaleza
madura de la LF
y transponder
inductivos.
Actualmente es
la más
disponible,
debido
principalmente
a la amplia
adopción de
smart cards.
Japón no
permite
transmisiones
en esta banda.
Europa permite
868 MHz,
mientras que
US permite
operación
a 915 MHz
pero a mayor
niveles de
potencia.
Más Lenta
Más Rápida
Mejor
Peor
Mayor
Menor
Tabla 2. 2 Tabla comparativa de los distintos rangos de frecuencia para la tecnología RFID.
20
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.5 Regulación y estandarización
Actualmente, en cuanto a regulaciones y normas sobre sistemas de identificación, no
existe ninguna corporación público global que gobierne las frecuencias usadas para
RFID. En principio, cada país puede fijar sus propias reglas. Las principales
corporaciones que gobiernan la asignación de frecuencias para RFID son:
País
Estados Unidos
Canadá
Europa
Japón
China
Australia
Nueva Zelanda
México
Organismo
FCC (Federal Communications Commision)
DOC (Departamento de la Comunicación)
CEPT (Conférence européenme des administrations des postes et
des télécommunications), ETSI (European Telecommunications
Standards Institute) y administraciones nacionales. Las
administraciones nacionales tienen que ratificar el uso de una
frecuencia específica antes de que pueda ser utilizada en ese país.
MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affairs, Post
and Telecommunication)
Ministerio de la Industria de Información
Autoridad Australiana de la Comunicación (Australian
Communication Authority)
Ministerio de desarrollo económico de Nueva Zelanda (New
Zealand Ministry of Economic Development)
COFETEL (Comisión Federal de Telecomunicaciones)
Tabla 2. 3 Países junto a sus organismo encargados de la asignación de frecuencias para RFID
En lo que al uso de frecuencias respecta, dependiendo de la banda en la que queramos
trabajar, deberemos tener en cuenta que según donde nos encontremos tendremos que
guiarnos por las recomendaciones que tenemos a continuación.
Las etiquetas RFID de baja frecuencia (LF: 125 - 134 Khz. y 140 - 148.5 Khz.) y de alta
frecuencia (HF: 13.56 MHz) se pueden utilizar de forma global sin necesidad de
licencia ya que trabajan dentro de la banda ISM (Industrial Scientific Medical).
La frecuencia UHF (868 - 928 MHz) no se puede utilizar de forma global, ya que no
hay un único estándar global. En Norteamérica, la frecuencia UHF se puede utilizar sin
licencia para frecuencias entre 908 - 928 MHz, pero hay restricciones en la potencia de
transmisión. En Europa la frecuencia UHF está permitida para rangos entre 865.6 867.6 MHz. Su uso es sin licencia sólo para el rango de 869.40 - 869.65 MHz, pero
existen restricciones en la potencia de transmisión (recientemente ha aparecido la nueva
norma ETSI que permite hasta 2W de potencia de transmisión).
El estándar UHF norteamericano (908-928 MHz) no es aceptado en Francia ya que
interfiere con sus bandas militares.
En China y Japón no hay regulación para el uso de las frecuencias UHF. Cada
aplicación de frecuencia UHF en estos países necesita una licencia, que debe ser
solicitada a las autoridades locales, y puede ser revocada.
21
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En Australia y Nueva Zelanda, el rango es de 918-926 MHz para uso sin licencia, pero
hay restricciones en la potencia de transmisión.
Figura 2. 7 Frecuencias utilizadas en cada una de las bandas por los diferentes continentes y países.
Existen regulaciones adicionales relacionadas con la salud y condiciones ambientales.
Por ejemplo, en Europa, la regulación Waste of electrical and electronic equipment
("Equipos eléctricos y electrónicos inútiles"), no permite que se desechen las etiquetas
RFID. Esto significa que las etiquetas RFID que estén en cajas de cartón deber de ser
quitadas antes de deshacerse de ellas.
También hay regulaciones adicionales relativas a la salud; en el caso de Europa acaba
de publicarse (por parte de la ETSI) un estándar llamado EN 302 208 que consta de dos
partes. Una primera que describe las especificaciones técnicas y una segunda que
especifica las condiciones a cumplir en cuanto a directivas europeas se refiere para
compatibilidad electromagnética.
Las especificaciones que cumple son:
Directive 1999/5/EC of the European Parliament and of the Council of 9 March
1999 on radio equipment and telecommunications terminal equipment and the mutual
recognition of their conformity (R&TTE Directive).
CEPT/ERC/REC 70-03: "Relating to the use of Short Range Devices (SRD)".
ETSI EN 301 489-1: "Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters
(ERM); Electromagnetic Compatibility (EMC) standard for radio equipment and
services; Part 1: Common technical requirements".
ETSI TR 100 028 (all parts): "Electromagnetic compatibility and Radio spectrum
Matters (ERM); Uncertainties in the measurement of mobile radio equipment
characteristics".
ETSI EN 302 208-1: "Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters
(ERM); Radio Frequency Identification Equipment operating in the band 865 MHz to
22
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
868 MHz with power levels up to 2 W Part 1: Technical requirements and methods of
measurement".
ETSI EN 301 489-3: "Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters
(ERM); ElectroMagnetic Compatibility (EMC) standard for radio equipment and
services; Part 3: Specific conditions for Short-Range Devices (SRD) operating on
frequencies between 9 kHz and 40 GHz".
Council Directive 73/23/EEC of 19 February 1973 on the harmonization of the laws
of Member States relating to electrical equipment designed for use within certain
voltage limits (LV Directive).
Council Directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the approximation of the laws of
the Member States relating to electromagnetic compatibility (EMC Directive).
Tabla 2. 4 Especificaciones que cumple la norma EN 302 208
Asimismo, algunos estándares que se han desarrollado en relación a la tecnología RFID
son:
• ISO 10536: Mapas de Identificación
• ISO 14443: Define una tarjeta de proximidad usada para identificación
• ISO 15693: Tarjetas de Vecindad (Vicinity Cards), Tarjetas que pueden ser
leídas desde una mayor distancia que las tarjetas de proximidad.
• ISO 18000: Para las Etiquetas (Tags de RFID)
• EPC Global (Código Electrónico de Producto) Este es el estándar que tiene una
mayor probabilidad de convertirse en la base de un estándar a nivel mundial.
• EN 302 208: Métodos de medida y características técnicas para dispositivos de
datos en la banda 865 – 868 MHz, hasta una potencia de 2 W.
A continuación, se muestra la serie de normas ISO 18000- (interfaz aire) para la
mayoría de frecuencias que se utilizan en el mundo:
ISO
18000-1
18000-2
18000-3
18000-4
18000-5
18000-6
18000-7
Descripción
Parámetros de interfaz aire generalmente aceptados
Parámetros de interfaz aire para comunicaciones inferiores a 135kHz.
Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 13.56MHz.
Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 2.45GHz.
Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 5.8GHz.
Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 860 hasta 960MHz.
Parámetros de interfaz aire para comunicaciones de 433MHz.
23
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.5.1 EN 302 208
Actualmente existen limitaciones en Europa en lo que al uso de RFID, dentro de la
banda UHF, respecta ya que por el momento se encuentra limitado a frecuencias entre
los 869.4 y los 869.65 MHz debiendo cumplir así la norma EN 300 220, la cual no
contempla las necesidades de RFID en la banda UHF, con una potencia radiada
equivalente menor a 500mW y un ciclo de trabajo inferior al 10%.
La existencia de estas limitaciones dentro de la banda UHF, junto a las necesidades de
un mercado que permita la libre circulación de equipos de RFID comunes para los
países de la Unión Europea y la no armonización del espectro ha motivado que, en
mayo de 2005, la ETSI publicara un nuevo estándar llamado EN 302 208, el cual
cumple las especificaciones de la Tabla 2.4.
Este nuevo estándar aumenta la banda frecuencial en la cual pueden trabajar los
sistemas RFID hasta los 3MHz. (desde los 865 MHz. hasta los 868 MHz.), con una
potencia radiada equivalente como vemos en la Figura 2.8:
Figura 2. 8 Potencia radiada equivalente permitida por la norma EN 302 208.
Dentro de estas ventajas que proporciona la EN 302 208 también existen ciertas
condiciones para el uso general de RFID en Europa. Una de ellas es el modo de trabajo
que deben tener las etiquetas: “listen before talk”, es decir, el tag deberá permanecer en
modo ‘letargo’ hasta que el lector no le solicite ningún tipo de información. Esto se
puede considerar totalmente lógico si tenemos en cuenta que estamos tratando con
etiquetas pasivas, las cuales no tienen una fuente de alimentación propia y, por lo tanto,
deben optimizar la energía de la que disponen (campo magnético generado por el
lector).
Otras de las condiciones que se incluyen dentro de esta norma de la ETSI son:
• El uso de sub-bandas de 200kHz
• Tiempo de escucha mayor de 5ms.
• Tiempo máximo continuado de transmisión de 4 segundos
• Una pausa obligada de 100ms entre transmisiones repetidas en la misma subbanda o mover inmediatamente a otra sub-banda que esté libre la transmisión a
realizar.
24
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.5.2 EPC
El EPC, siglas de Código Electrónico de Producto (Electronic Product Code), nace de
las manos de EPCglobal, un consorcio formado por EAN International (European
Article Numbering) el cual tiene 101 organizaciones miembro, representadas en 103
países y UCC (Uniform Code Council) propietario del UPC (Universal Product Code),
presente en 140 países y ahora llamado GS1 US.
La intención de EPCglobal al crear el EPC no fue otra que la de promover la EPCglobal
Network, un concepto de tecnología que pretende cambiar la actual cadena de
suministro por otra con un estándar abierto y global, que permita la identificación en
tiempo real de cualquier producto, en cualquier empresa de cualquier parte del mundo.
La EPCglobal Network ha sido desarrollada por el Auto-Id Center, un equipo de
investigación del MIT (Massachussets Institute of Technology) que cuenta con
laboratorios por todo el mundo. Dicho desarrollo fue llevado a cabo en más de 1000
compañías de alrededor del mundo.
Así mismo, actualmente, todo estándar que desarrolla EPCglobal pasa por la
supervisión de la ISO (International Standards Organization), con la única condición
de que los estándares concretos que crea ISO sean ratificados y usados en los que cree
EPCglobal.
Una vez conocemos de donde proviene el EPC, vamos a hacer un pequeño estudio sobre
el estándar para ver qué ventajas e inconvenientes nos proporciona.
Las especificaciones del EPC se pueden dividir en:
• Especificaciones para las etiquetas, referentes a los datos almacenados en ellas, a
los protocolos de comunicación con el lector y la parte de RF que permite la
comunicación.
• Especificaciones para los lectores: protocolo para el interfaz aire y
comunicaciones lógicas con las etiquetas.
El estándar EPC divide las etiquetas usadas en seis tipos diferentes, dependiendo de su
funcionalidad:
• Clase 0: Etiquetas pasivas con 96 bits de solo lectura.
• Clase 1: Tag pasivo de una lectura y múltiples lecturas.
o Versión 1: 96 bits, EPC data de 64 bits y 32 bits reservados
o Versión 2: Nueva “GEN 2”: 256 bits, 96 bit EPC data, 32 bits reservados,
128 bits de memoria. Encriptación, kill bits. Se pueden re-escribir
múltiples veces. Compatible con clases estándar anteiores. Algoritmo
anticolisión.
• Clase 2: Pasivo de lectura/escritura múltiple.
• Clase 3: Semi-Activo/Semi-Pasivo de lectura/escritura múltiple.
• Clase 4: Activo de lectura/escritura múltiple. Comunicación entre tags de Clase
4.
• Clase 5: Lectores
25
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
EPCglobal en enero del 2005 publicó las especificaciones de la última versión de EPC,
el ECP Generation 2, versión 1.0.9.
Esta última publicación está llamada a ser el estándar adaptado a nivel mundial en el
uso de los sistemas de RFID ya que se ha realizado para cumplir con las necesidades de
los consumidores. Para poder suplir las necesidades mencionadas EPCglobal, además
de incluir especificaciones no observadas en otras regulaciones realizadas
anteriormente, ha pretendido homogeneizar los principales estándares existentes.
En la Tabla 2.5 se observa los estándares que se tienen como prerrequisito en EPC
Gen2, los más importantes existentes en la actualidad. Un dato muy importante es que
se incluye la norma EN 302 208 de la ETSI, cosa que representa un gran paso para una
estandarización única entre Europa y USA, es decir: el EN 302 208 y el EPC Generation
2 se complementan el uno al otro.
EPCglobal™: EPC™ Tag Data Standards
EPCglobal™ (2004): FMCG RFID Physical Requirements Document (draft)
EPCglobal™ (2004): Class-1 Generation-2 UHF RFID Implementation Reference
(draft)
European Telecommunications Standards Institute (ETSI), EN 302 208:
Electromagnetic compatibility and radio spectrum matters (ERM) – Radio-frequency
identification equipment operating in the band 865 MHz to 868 MHz with power levels
up to 2 W, Part 1 – Technical characteristics and test methods
European Telecommunications Standards Institute (ETSI), EN 302 208:
Electromagnetic compatibility and radio spectrum matters (ERM) – Radio-frequency
identification equipment operating in the band 865 MHz to 868 MHz with power levels
up to 2 W, Part 2 – Harmonized EN under article 3.2 of the R&TTE directive
ISO/IEC Directives, Part 2: Rules for the structure and drafting of International
Standards
ISO/IEC 3309: Information technology – Telecommunications and information
exchange between systems – High-level data link control (HDLC) procedures – Frame
structure
ISO/IEC 15961: Information technology, Automatic identification and data capture –
Radio frequency identification (RFID) for item management – Data protocol:
application interface
ISO/IEC 15962: Information technology, Automatic identification and data capture
techniques – Radio frequency identification (RFID) for item management – Data
protocol: data encoding rules and logical memory functions
26
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
ISO/IEC 15963: Information technology — Radiofrequency identification for item
management — Unique identification for RF tags
ISO/IEC 18000-1: Information technology — Radio frequency identification for item
management — Part 1: Reference architecture and definition of parameters to be
standardized
ISO/IEC 18000-6: Information technology automatic identification and data capture
techniques — Radio frequency identification for item management air interface — Part
6: Parameters for air interface communications at 860–960 MHz
ISO/IEC 19762: Information technology AIDC techniques – Harmonized vocabulary –
Part 3: radio-frequency identification (RFID)
U.S. Code of Federal Regulations (CFR), Title 47, Chapter I, Part 15:
Radiofrequency devices, U.S. Federal Communications Commission
Tabla 2. 5 Los documentos aquí listados son de obligado cumplimiento para poder aplicar la
especificación EPC Generation 2.
A continuación en la Tabla 2.6, mostraremos un ejemplo de EPC de 96 bits:
02
Cabecera
(8 bits)
EPC 96 bits
0000A68
00010D
EPC MANAGER
CLASE OBJETO
(28 bits)
(24 bits)
000113DE2
Nº SERIE
(36 bits)
Tabla 2. 6 Ejemplo EPC de 96 bits
El EPC Gen 2, dispone de 4 bancos de memoria:
• Banco 0: Memoria reservada que contiene las contraseñas de los tags:
o “Kill” contraseña (2 bits), permite silenciar un tag permanentemente,
cuando el lector manda un “kill comand”
o Contraseña de acceso (32 bits), permite que el tag pase al “estado seguro”
cuando el lector envía un comando de acceso. En el “estado seguro” el
tag se puede leer y se puede editar.
• Banco 1: EPC, control de protocolo CRC (Cyclic Redundancy Check).
• Banco 2: Número de Tag ID programado por el fabricante.
• Banco 3: Bando opcional para información del usuario.
Las especificaciones de la capa física del EPC Gen2 establecen que en las
comunicaciones del lector a la etiqueta deben usarse modulaciones de doble banda
lateral ASK (double sideband amplitude shift keying – DSB-ASK), simple banda lateral
ASK (simple sideband amplitude shift keying – SSB-ASK) o de reverso de fase ASK
(phase reversal amplitude shift keying – PR-ASK), con una codificación de
pulsointervalo (pulse-interval encoding - PIE). El lector esperará una respuesta de
backscatter (backscattering reply)
.
27
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En la comunicación de la etiqueta al lector se deberá enviar una señal no modulada
codificada con formato FM0 o código Miller. En ambos casos el método usado para
comunicarse es Half Duplex (método de envío de información bidireccional pero no
simultánea).
Para proceder a la identificación de las etiquetas que se encuentran dentro del radio de
acción del lector existen 3 operaciones básicas:
• Select. Esta operación permite al lector poder ver qué población de tags hay
disponible en su rango de acción. Se puede decir que este proceso es equivalente
a una Select realizada en una sentencia Sql para bases de datos, de ahí su
nombre.
• Inventario. Es la operación que nos permite identificar las etiquetas. El proceso
de inventario se inicia cuando el lector manda un comando Query. Entonces uno
o más tags pueden responder a esta petición. El lector detecta una única
respuesta de un tag y entonces interroga a éste para que le proporcione el código
PC (Protocol Control), el código EPC y el CRC-16. Este proceso comprende
varios comandos y se realiza en una única sesión a la vez.
• Acceso. El proceso de acceso comprende varias operaciones de comunicación
con la etiqueta (lectura y/o escritura). Una única etiqueta debe ser identificada
antes de iniciar el proceso de acceso a la misma.
28
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.6 Multiacceso: anticolisión
En numerosas ocasiones dentro de la zona de alcance de un lector pueden encontrarse
varias etiquetas RFID. En este tipo de situación se puede diferenciar entre dos tipos de
comunicación.
La primera es usada para transmitir datos desde el lector a la etiqueta (Figura 2.9). El
flujo de datos enviados por el lector es recibido por todos los tags simultáneamente.
Este tipo de comunicación es la que conocemos como broadcast.
Figura 2. 9 Modo broadcast: el flujo de datos transmitido por el lector es recibido simultáneamente por
todas las etiquetas que se encuentran en la zona de interrogación.
La segunda forma de comunicación supone la transmisión de datos desde muchas
etiquetas, que se encuentran en la zona de interrogación, hacia el lector. Esta forma de
comunicación es llamada multiacceso.
Figura 2. 10 Modo multiacceso: múltiples tags se comunican a la vez con el lector.
29
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Cada canal de comunicación tiene definida la capacidad de canal, la cual es determinada
por el ratio máximo de transferencia de dicho canal de comunicación y el tiempo que
está disponible.
La capacidad de canal disponible debe ser dividida entre cada etiqueta y el resultado
será la cantidad que puede transmitir cada tag al mismo lector sin que sufran
interferencias unos por culpa de los otros (colisión).
El problema del multiacceso ha existido desde hace mucho tiempo en la tecnología
radio. Como ejemplo podemos fijarnos en los satélites o en las redes de telefonía móvil
donde un gran número de participantes intenta acceder a un mismo satélite o estación
base.
Por este motivo han sido desarrollados numerosos métodos con el objetivo de separar la
señal de cada participante individual de la de otro cualquiera. En concreto, existen
cuatro métodos diferentes:
• Acceso múltiple por división de espacio (Space División Multiple Access)
• Acceso múltiple por división de frecuencia (Frequency Domain Multiple Access)
• Acceso múltiple por división de tiempo (Time Domain Multiple Access)
• Acceso múltiple por división de código (Code Division Multiple Access); esta
última también conocida como técnica del espectro ensanchado (spread
spectrum)
Figura 2. 11 División de los métodos de multiacceso.
De todos modos, estos métodos clásicos están basados en la suposición de un flujo de
datos continuo e interrumpido desde y hacia los participantes. En el momento que se
dedica una capacidad de canal, dicha capacidad permanece dedicada hasta que termina
la comunicación.
Por otro lado las etiquetas de un sistema RFID se caracterizan por periodos de actividad,
intercalados con periodos de inactividad de distinta duración. La capacidad del canal tan
sólo se dedica durante el tiempo justo y necesario para establecer un intercambio de
datos.
En el contexto de los sistemas RFID, el proceso técnico (protocolo de acceso) que
facilita el manejo de múltiples accesos, evitando así las interferencias, es llamado
sistema anticolisión.
Por motivos de competencia, los fabricantes de sistemas no ofrecen al público los
sistemas anticolisión que usan. A continuación vamos a describir los métodos
multiacceso que son frecuentemente usados con el fin de ayudar a comprender los
métodos anticolisión.
30
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.6.1 Acceso múltiple por división de espacio (SDMA)
El término acceso múltiple por división de espacio se refiere a técnicas que rehúsan un
cierto recurso (capacidad de canal) en áreas espaciales separadas.
Una opción es reducir significativamente el área de lectura de un único lector, pero para
compensarlo entonces se tiene que situar un gran número de lectores y antenas en forma
de array4 de manera que cubran toda el área que antes cubría el lector cuando tenía más
alcance.
Otra opción es usar una antena direccionable eléctricamente en el lector. De este modo
se puede apuntar a los tags directamente (SDMA adaptativo). De este modo varias
etiquetas pueden ser diferenciadas por su posición angular en la zona de interrogación
del lector (si el ángulo entre dos transponders es mayor que el ancho de haz de la antena
direccional usada, un mismo canal puede ser usado varias veces).
Esto consiste en un grupo de dipolos que forman la antena; por esto mismo el SDMA
adaptativo sólo se puede usar en aplicaciones RFID con frecuencias por encima de los
850MHz. Si se usaran frecuencias menores el tamaño de los dipolos sería
excesivamente grande. Cada uno de los dipolos está colocado de manera que tiene una
fase independiente de los demás dipolos.
El diagrama de radiación de la antena se halla mediante la superposición de los
diferentes diagramas de radiación de los dipolos situados en diferentes direcciones.
Para fijar la dirección, los dipolos están alimentados por una señal de alta frecuencia de
fase variable, regulada por unos controladores de fase.
Con la intención de cubrir todo el espacio, se deberá escanear el área de interrogación
usando la antena direccional hasta que una etiqueta sea hallada dentro del ‘foco de
búsqueda’ del lector (Figura 2.12).
Figura 2. 12 SDMA adaptativo con una antena direccionable eléctricamente. El ancho de haz es
diseccionado a varias etiquetas; una tras la otra.
4
Array: Conjunto de elementos iguales que produce un campo de radiación que es la combinación
coherente de todos sus componentes.
31
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Un inconveniente del SDMA es el relativamente alto coste de implementación debido al
complicado sistema de la antena. El uso de este tipo de técnica anticolisión queda
restringida a unas pocas aplicaciones especializadas.
2.6.2 Acceso múltiple por división de frecuencias
(FDMA)
El término acceso múltiple por división de frecuencias se refiere a las técnicas en las
cuales varios canales de transmisión con varias frecuencias portadoras, están
disponibles para los participantes en la comunicación (Figura 2.13).
Figura 2. 13 En FDMA se tiene varios canales frecuenciales en el mismo instante de tiempo.
En los sistemas RFID esto puede ser logrado una frecuencia de transmisión no
harmónica y ajustable libremente. Pueden ser usados varios canales dentro de los rangos
de frecuencia definidos por las especificaciones para realizar la transmisión. Esto puede
conseguirse usando varias subportadoras de diferente frecuencia cada una (Figura 2.14).
Una de los inconvenientes de los sistemas que usan FDMA es el coste relativamente
elevado que supone para realizar los lectores ya que desde un receptor dedicado tiene
que ser posible la recepción para cada canal.
32
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 2. 14 En los sistemas que usan FDMA existen varios canales frecuenciales para la transmisión de
datos desde las etiquetas al lector.
2.6.3 Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)
El término acceso múltiple por división de tiempo se refiere a las técnicas de
multiacceso en las cuales un canal disponible es dividido cronológicamente entre todos
los participantes de la comunicación (Figura 2.15). El uso de TDMA está
particularmente extendido en el campo de los sistemas digitales de radiocomunicaciones
móviles.
En los sistemas RFID, TDMA es con creces el método más usado como técnicas
anticolisión.
Figura 2. 15 En TDMA se usa todo el ancho de banda disponible del canal, repartiéndolo
cronológicamente entre todos los usuarios.
33
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Los procedimientos que utilizan las etiquetas son asíncronos, por lo que no existe un
control de la transferencia de datos desde el lector. Este es el caso, por ejemplo, del
procedimiento ALOHA5.
Estos procedimientos que controlan la etiqueta son, naturalmente, muy lentos e
inflexibles. La mayoría de aplicaciones usan procesos que son controlados por el lector,
tomando éste el papel de ‘master’. Estos métodos pueden ser considerados como
síncronos, ya que todos los tags son controlados y comprobados por el lector
simultáneamente.
Un único tag es seleccionado primer de entre un gran grupo de etiquetas situadas en la
zona de interrogación del lector usando un algoritmo concreto y entonces la
comunicación tiene lugar entre la etiqueta seleccionada y el lector. Una vez acaba la
comunicación, ésta se da por finalizada y entonces el lector selecciona otro tag. Sólo
una única comunicación puede ser iniciada a la vez, pero los transpondedores trabajan
en una rápida sucesión y parece que todo ocurre en el mismo instante de tiempo. Esta es
la finalidad de los métodos TDMA.
Los procedimientos controlados por el lector (síncronos) se pueden subdividir en
‘polling’ y búsqueda binaria. Todos estos métodos están basados en el principio de que
todos los tags están identificados por un único ‘número de serie’.
Figura 2. 16 Clasificación de los métodos anticolisión TDMA según Hawkes (1997).
El método de ‘polling’ requiere una lista de todos los ‘números de serie’ de las etiquetas
que pueden encontrarse en todo momento dentro del área de lectura en una aplicación.
Todos los códigos de los tags son interrogados por el lector uno a uno hasta que uno de
los tags preguntados responde. Este proceso puede ser muy lento dependiendo del
posible número de tags que pueda haber en la aplicación; por este motivo este método
5
ALOHA: Método anticolisión TDMA, desarrollado en los años 70 por ALOHANET (red de
radiocomunicaciones de datos de Hawai), usado con tags RO ya que sólo transmiten una pequeña
cantidad de datos.
34
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
sólo es aplicable a sistemas que tengan un número pequeño de individuos/objetos a
identificar.
El método de la búsqueda binaria es mucho más flexible además de ser uno de los
procedimientos más comunes. Consiste en que el lector provoca, intencionadamente,
una colisión con una etiqueta cualquiera, elegida al azar. Si el proceso tiene éxito, es
imprescindible que el lector sea capaz de detectar en que precisa posición de todos los
bits se ha producido la colisión.
2.6.4 Acceso múltiple por división de código (CDMA)
El término de acceso múltiple por división de código se refiere a las técnicas de
multiacceso en las que se comparte todo el espectro de frecuencia, pero se usan
diferentes secuencias de código para separar las comunicaciones (Figura 2.17).
Figura 2. 17 En CDMA se usa todo el ancho de banda del canal, usando distintas secuencias de código.
El método de anticolisión CDMA es utilizado en numerosas aplicaciones donde se
utiliza asociada a modulaciones digitales, aunque en aplicaciones RFID no se ha
aplicado, partiendo de que los fabricantes no ofrecen al público los sistemas que usa y
este sería un método costoso y lento.
35
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.7 Privacidad y seguridad
El uso de RFID está suscitando serias preocupaciones respecto de la protección de la
vida privada de los ciudadanos por los nuevos riesgos que plantea para el ejercicio de
sus derechos y libertades.
Es cierto que la utilización de esta nueva tecnología puede interferir en el ámbito de las
libertades humanas más elementales como la libertad de movimiento, de acción, la
dignidad y el libre desarrollo de la personalidad si no se tienen en cuenta, a la hora de
implementar los sistemas, la legislación existente en materia de protección de datos.
La mayor preocupación que existe es el del uso de esta tecnología con fines de
identificación, interpretación fraudulenta de datos, y uso de técnicas de rastreo que
permiten localizar en cada momento a los individuos que lo llevan en su ropa, coche,
etc. permitiendo la vigilancia constante
La implantación de RFID en personas, que se está dando actualmente en el ámbito de la
salud, tiene implicaciones éticas importantes. Por todo ello se hace necesario delimitar
de forma precisa su uso, de acuerdo con los principios de protección de datos
implementados tanto por la Directiva 95/46/CE como por la Directiva 2002/58/CE de la
Unión Europea.
Por otra parte, existe una falta en cuanto a la seguridad esto es debido a que a se ejerce
una presión por los fabricantes para reducir el precio unitario de las etiquetas hasta más
allá de los cinco centavos en su fabricación masiva ha eliminado la mayor parte de las
prestaciones y algoritmos de seguridad, algo que compromete el uso de ese tipo de chips
en cuestiones como los documentos de identificación, dispositivos de acceso y otros
usos relacionados. Evidentemente, no tiene la misma gravedad el que alguien vaya por
el supermercado “escuchando” las etiquetas de los productos, que el que una persona en
la misma sala de espera que tú pueda ver tus datos personales en su teléfono móvil, sin
ir más lejos. Obviamente, algo que tendrá que ser tenido en cuenta de cara al desarrollo
de las próximas generaciones de chips, en la que exista etiquetas para la privacidad no
comprometida y orientados a un coste lo más bajo posible, y otros destinadas a usos
más sensibles y dotadas de otros condicionantes en su desarrollo.
Actualmente, se ha demostrado la posibilidad de clonación de un chip RFID
subcutáneo (o a su vez pasaportes con RFID), lo que provocaría una alarmante
preocupación a la hora de usurpación de identidad e interpretación fraudulenta de datos.
[18]
A todo esto, añadirle la facilidad de inutilización de las etiquetas (por ejemplo en un
centro comercial para evitar la facturación), y la sustitución o modificación de estas con
distintos fines. [19]
36
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
2.8 Usos más frecuentes
La tecnología RFID tiene una gran cantidad de aplicaciones, soluciones y ámbitos de
uso. La sencillez que presenta en el manejo, así como los múltiples campos de
aplicación hacen de esta tecnología una de las de mayor potencial en un futuro no muy
lejano. Sólo se tiene que pensar en que puede solucionar esta tecnología para remediar
un problema existente en nuestra empresa/hogar o como esta puede mejorar nuestros
procesos. También dejar claro que no todas las aplicaciones tienen como mejor opción
la tecnología RFID. A continuación os mostramos una serie de aplicaciones.
Control de acceso
Una de las aplicaciones más conocidas de la tecnología RFID, es la de permitir el
acceso o no a las personas a una zona determinada, un ejemplo de esto sería el RFID
Digital Door Lock (Figura 2.18), una cerradura electrónica que se abre al acercar el
chip RFID implantado en el individuo con acceso o bien en una tarjeta que llevase, en
su defecto, en caso de pérdida, con una clave secreta. De un modo similar funcionaría el
sistema de alumbramiento de una casa que se encendería al paso de la persona sin
utilizar sensores de movimiento o de presencia. La banda utilizada en estas soluciones
ha sido la LF, pero actualmente se está empezando a utilizar la frecuencia HF (13,56
MHz) en soluciones más complejas como pueden ser edificios inteligentes, que
controlan luces, aires acondicionados, etc. según las personas que se encuentren en él.
Un sistema que ya implantado que solucionaría estos casos sería la biometría.
Figura 2. 18 Cerradura electrónica (RFID Digital Door Lock)
Otra aplicación posible del uso de RFID en el hogar como control de acceso es un
sistema de apertura automática de la puerta del garaje al acercarse nuestro vehículo,
similar al sistema de apertura de puertas en las centrales nucleares americanas de la
década de los 70 [15].
37
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Gestión de activos
Los activos de las empresas son recursos muy valiosos para proporcionar el servicio al
cliente o para garantizar el perfecto funcionamiento de nuestra empresa. La tecnología
RFID permite tener una mejor gestión de ellos, reportando una mejor explotación.
La aplicación consiste en matricular mediante un tag cada uno de los activos,
obteniendo un mejor control, disponibilidad de históricos para cada uno, poder analizar
en detalle su uso para poder trasladar de manera precisa los datos al análisis financiero,
reducción de trabajo administrativo mediante automatización de procesos, etc.
Cadena de suministro
En esta aplicación es donde se centra la tecnología RFID, con el objetivo de identificar
y controlar a cada uno de los productos y sustituir al código de barras. El tag se situará
en cada uno de los productos desde el inicio de su manufacturación hasta su venta. Se
realizan investigaciones entorno a RFID para su implantación masiva.
Además se pueden encontrar otros muchos usos para RFID como inventariar los objetos
de centros comerciales y grandes almacenes. Aunque sí que esta clara una cosa, y es que
aún queda tiempo para que sea implantado en cada uno de los agentes.
Logística del frío
Este es un caso particular, donde entran en acción los tags semi-activos/semi-pasivos,
en este caso etiquetas con sensores de temperatura incorporados, gracias a que soportan
temperaturas bastante extremas. Su aplicación básica seria el controlar que el transporte
de la mercancía sea el correcto y que no se rompa la cadena de frío del producto. Este
detalle puede ahorrar mucho dinero a las empresas. Puede pasar que un producto no se
sepa si el transportista ha cumplido o no las condiciones, en ese caso el producto debe
tirarse, con la pérdida que conlleva. Además, permite controlar a la empresa que sucede
en transporte porque el tag registra las variaciones de temperatura en el tiempo, así
cuando y como ha salido de los márgenes establecidos. Esta aplicación con productos
alimentarios la está llevando a cabo Icnita electrónica una empresa situada en Girona
[20].
Peaje automático
Esta aplicación es la más popular, un claro y conocidísimo ejemplo sería el TeleTag o
ViaT (Figura 2.19), pues este servicio consiste en una solución de RFID activa muy
sencilla. El cliente que tiene contratado el servicio tiene una etiqueta, que realmente es
un tag activo de RFID, que cuando pasa por el peaje pertinente, que contiene una antena
conectada a un lector y este a las aplicaciones, es leída de manera automática, el sistema
cobra y abre las puertas, sin la necesidad de parar. Estos sistemas también son utilizados
para el control de entradas de parking.
38
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 2. 19 ViaT, aplicación RFID para peajes.
Control de producción o calidad
Muchas empresas, sobretodo en el sector automoción, han encontrado en la tecnología
RFID como una solución de control a sus complejos procesos. Otros sectores solo lo
utilizan para gestionar sus etapas de producción o para su control de calidad.
En el caso de una empresa que tiene una línea de producción con varias etapas hasta el
producto finalizado y un programa de gestión de producción. En esta cadena puede
fabricarse varios productos diferentes. Si cada uno de los productos se etiqueta con un
tag y en cada etapa se instala un lector, el sistema de gestión puede captar la
información en tiempo real y se puede saber la situación actual en la planta. Además de
tener mayor eficacia y eficiencia, una vez el vehículo está terminado, se puede verificar
si todo el equipamiento es el correcto. Esto puede extenderse a la hora de la venta, para
que el cliente pueda verificar que el coche tiene todo lo que quería.
Esta aplicación puede extenderse a cualquier solución o empresa que quiera controlar o
realizar enrutamiento automático en sus procesos o etiquetar sus productos de valor
añadido.
Librerías y servicios de alquiler
Algunas librerías han encontrado en RFID la nueva codificación de sus libros, cd’s, etc.
gracias a su capacidad de incorporar código único, información adicional y bit de
seguridad en un único sistema. A esto hay que añadir los beneficios que se encuentran
en la automatización de los procesos actuales que tiene una librería.
Esta solución es muy parecida para empresas de servicios de alquiler (equipamiento
para construcción, DVDs, videojuegos, etc) que mediante las soluciones RFID
gestionan con mayor eficacia y eficiencia.
Servicios postales
Algunas empresas de servicios postales están viendo la tecnología RFID como solución
para automatizar sus procesos de gestión de envíos. La utilización de RFID tiene como
objetivo el mejorar los procesos mediante la automatización que aportaría mayor
rapidez, seguridad y precisión, características que impactan directamente con el servicio
al cliente.
Ticketing y pasaporte
Las empresas de transporte utilizan billetes con tecnología RFID para ahorrar costes,
automatizar procesos y sobretodo mejorar la facilidad de acceso con mayor rapidez al
no tener que comprobar el billete pasándolo por banda magnética.
39
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
La tecnología RFID también es utilizada por gobiernos en aplicaciones civiles y
militares, en asuntos de seguridad nacional como en el caso de pasaportes con
tecnología RFID (Figura 2.20).
Figura 2. 20 Pasaporte con etiqueta RFID insertada
Últimamente se ha planteado usos oscuro de la tecnología RFID, la posibilidad de si el
pasaporte RFID pudiese detonar un explosivo, y una empresa de seguridad de Los
Ángeles ha elaborado una demostración de que esto es cierto, en la que con un
dispositivo electrónico al pasar con un vehículo al lado de un cubo de basura, gracias a
la lectura a distancia del chip RFID incorporado al pasaporte del conductor, sería
detonada en el momento exacto. [21]
Cocina y hogar
En la cocina se podría hacer uso de esta tecnología con nuevas sartenes, cacerolas y
placas de vitrocerámica que se sirven de esta tecnología para ayudar a las personas a
cocinar. Este nuevo invento conocido como ROBOTICcookware hace uso de los chips
de las sartenes, las cacerolas y las placas de vitrocerámica para comunicarse con un
libro de recetas para respetar y cumplir los tiempos y temperatura del cocinado (Figura
2.21).
Figura 2. 21 ROBOTICcookware, aplicación RFID en sartenes y vitrocerámicas.
Otra utilidad que tiene el uso de etiquetas RFID que portarían la ropa sería el uso de
lavadoras capaces de leer dichas etiquetas y seleccionar el mejor programa de lavado
para no dañar las prendas. También tendríamos controlados a los individuos,
especialmente a los más pequeños, dentro del hogar o en el caso de que salieran del
mismo sin el consentimiento paterno. Esto evitaría implantar los chips en personas o
que tuviesen que llevar la tarjeta siempre encima.
También sería especialmente útil para localizar dónde tenemos las cosas, pero además
conocer las reservas del hogar, lo cual nos ayuda a saber qué es lo que tenemos que
comprar sin tener que mirar la despensa.
40
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Control productos farmacéuticos y ámbito hospitalario
En cuanto a farmacias gracias a la tecnología RFID lo que se pretende es tener un mayor
y más exhaustivo control sobre los productos farmacéuticos.
Otro tema importante en cuanto a aplicaciones del RFID es el ámbito hospitalario, como
sería la identificación de pacientes, tratamiento, personal hospitalario, medicamentos,
etc.
Figura 2. 22 Aplicación RFID para identificación de pacientes y control de su tratamiento
El constante incremento en los costos del sistema de salud demanda una simplificación
y optimización, con la cual el cuidado del paciente no se vea afectado.
Los sistemas electrónicos de documentación e identificación de pacientes basados en
RFID reducirán los trabajos administrativos y mejoran la seguridad del paciente en
hospitales modernos (Figura 2.22).
Figura 2. 23 Pulseras con etiquta RFID integrada para servicio sanitario
Un ejemplo de aplicaciones en los hospitales son las pulseras RFID, que permiten a los
doctores acceder rápidamente a la información sobre los pacientes (Figura 2.23).
Con solo una aproximación de la muñeca del paciente, la información puede ser leída en
PDAs, Tablet PCs, etc. durante el tratamiento.
En algunos casos y según el fabricante, la pulsera se destruye cuando se retira de la
muñeca. Esto es importante para asegurar la privacidad del paciente. La tecnología
RFID puede convertirse en una necesidad de todo hospital, para solucionar un problema
de gestión que para el personal puede suponer un error en un momento dado.
-
Estaríamos hablando de un sistema de administración y gestión eficaz.
41
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Los experimentos e investigaciones que se quieren realizar consisten en identificar los
medicamentos y los pacientes mediante chips RFID, y verificar con el programa de
prescripción electrónica, a través de redes inalámbricas, que ambos son correctos.
-
En el momento de la administración, el/la enfermero/a lleva una PDA o un
Tablet PC provisto de lectores RFID y Wi-Fi, y valida ambos parámetros de
forma on-line.
También se plantea la posibilidad de desarrollar el control de los movimientos de los
pacientes en el hospital. Lo que supondría antenas en los pasillos para seguir la ruta del
paciente por el hospital, e inspeccionar los accesos a zonas seguras (Figura 2.24).
De esta manera, se podría llegar a prevenir los contagios de enfermedades infecciosas,
controlando con qué profesionales y con qué otros pacientes entran en contacto los
enfermos.
Figura 2. 24 Simulación de la localización en un hospital
42
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
3. Circuito Integrado RFID:
3.1 Introducción
El microchip RFID es un circuito integrado (IC) parecido a una pastilla muy delgada en
la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos
microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de
componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de un tamaño muy
reducido tal y como se puede observar en la Figura 3.1.
Figura 3. 1 Chip RFID
El IC contiene un control/rectificador de potencia que convierte la corriente alterna
emitida por el lector a corriente continua, suministrando así la energía a los demás
componentes de la circuitería. El clock extractor saca las señales de reloj de la señal de
la antena. El modulador modula la señal enviada por el lector. La respuesta del tag está
incluida en la señal modulada que será transmitida de nuevo al lector. La unidad lógica
es la responsable de implementar el protocolo de comunicación entre el tag y el lector.
La memoria del microchip se usa para almacenar la información y puede incluir además
métodos de detección de errores como el CRC (Fig. 3.2).
Figura 3. 2 Esquema de un chip RFID
43
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
3.2 ICs RFID Comerciales
Actualmente, hay varias empresas dedicadas al diseño y creación de microchips para la
tecnología RFID, aunque estas no faciliten muchos datos técnicos sobre sus productos
en este apartado se intentará reunir en forma de tabla las principales compañías que
producen este material, junto a los distintos modelos de microchips y las características
más notables.
IMPINJ
ZONA
MODELO
RANGO DE
TEMPERATURA
PROTECCIÓN
CAPACIDAD
EU,
USA
& Asia
-40ºC a +65ºC
Contraseña de
32 bits
Reprogramable
campo EPC de
96 bits
EU,
USA
& Asia
-40ºC a +65ºC
Campo especial
ID de 64 bits par
anti-clonación.
Reprogramable
campo EPC de
96 bits
-40ºC a +65ºC
Reprogramable
campo EPC de
96 bits.
Memoria
adicional de 64
bits
EU,
USA
& Asia
MODELO
ZONA
SL3ICS10
EU,
USA &
OTROS
RANGO DE
PROTECCIÓN CAPACIDAD
TEMPERATURA
Contraseña de
32 bits
16 bits CRC
512 bits R/W
96 bits EPC
64 bits UID
PROTECCIÓN
CAPACIDAD
Control de
bloqueo de 16
bits
Reprogramable
campo EPC de
96 bits
MOTOROLA
MODELO
ZONA
SYMBOL /MATRICS
EU,
USA &
OTROS
RANGO DE
TEMPERATURA
44
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
4. Productos comerciales de un sistema RFID
La adopción de las tecnologías de identificación por radiofrecuencia (RFID) se está
generalizando en las empresas de distribución y logística en España, según indican los
datos del informe “Estado actual de RFID en España” elaborado por IDtrack (asociación
europea para la identificación segura), junto a IBM [22]
Al igual que en España, en todo el mundo esta tecnología se está implantando de una
forma rápida y satisfactoria lo que provoca que cada vez haya más empresas dedicadas a
la elaboración y producción de esta.
En este apartado, se intentará dar a conocer los productos (tags y lectores) que ofrecen
las principales empresas dedicadas a este sector actualmente.
4.1 Tags comerciales
ALIEN TECNOLOGY
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
860-960 / 100
Impinj
ALN-9540 Squieggle
EPC Class 1
Gen 2
97x11 mm
Solución para la mayoría
de embalajes.
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
23x23 mm
Solución ideal para
envases de plástico.
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
70x19 mm
Solución ideal para
etiqueta de 75 mm
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
94x42 mm
Alta ganancia y
rendimiento.
Ideal para plásticos
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
47x42 mm
Omnidireccional, ideal
para equipajes y
prendas de vestir
ALN-9529 Squieggle-SQ
ALN-9562 Squieggle-SH
ALN-9554 “M”
ALN-9534 “2x2”
45
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
AVERY DENNISON
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
95x7.67 mm
Solución para amplia
variedad de
aplicaciones
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
95.5x23.3 mm
Gran rendimiento en
amplia variedad de
contenidos de cartón
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
85x95.2mm
Alta fiabilidad en
lectura desde
cualquier orientación
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
865-868
902-928 / 29
Impinj
25.4x25.4 mm
Especial mejora del
rendimiento,
especialmente en la
proximidad con otros
elementos con
etiquetas.
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
865-868
902-928 / 29
Impinj
72.1x30 mm
Gran rendimiento en
materiales metálicos.
902-928/ 26
Impinj
AD-900
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
190.3x27.9x5.3 mm
Duradero y resistente
gracias a la carátula de
PVC. Ideal para
superficies metálicas.
860-960 / 100
Impinj
AD-908
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
128.4x25.5x13.3 mm
Resistente y duradero
especialmente para
zonas al aire libre y
para aplicaciones
reutilizables.
AD-222
AD-431
AD-622
AD-812
AD-811
AD-820
AD-821
46
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
UPM RAFLATAC
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
30x50 mm
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
68x68 mm
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
93x11 mm
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
93x23 mm
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
76.5x23 mm
WEB
FROG
SHORTDIPOLE
DOGBONE
HAMMER
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
Impinj
95x7.67 mm
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
Impinj
88.9x25.4 mm
Diseño impreso con
aluminio.
RI-UHF-STRAP-08
RI-UHF-00C02-04
47
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
MOTOROLA
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
Symbol /
Matrics
152.4x152.4x36.46 mm
Gran eficiencia en
superficies planas de
metal, plástico y
madera.
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class 1
Gen 2
902-928
952-955 /
29
Impinj
Monza
28x28 mm
Solución ideal para
envases de plástico
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
Impinj
Monza
70x68 mm
Comportamiento hostil
en materiales metálicos
y con alto grado de
humedad.
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
RFID CARGO TAG
OMRON
PRODUCTO
GEN2 NINJA V750D22M03-IM-US
GEN2 LOOP V750D22M02-IM
INTERMEC
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
ISO 1800-6B
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
31x79 mm
Solución para
superficies de metal,
plástico y madera.
ISO 1800-6B
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
325x155 mm
Solución para
superficies de metal,
plástico y madera.
SMALL RIGID TAG
LARGE RIGID TAG
48
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
863-870
902-928 /
33
54.1x85.9 mm
Reutilizables y
solución para
múltiples aplicaciones
ISO 1800-6B
902-928 /
26
Alto rendimiento en
una amplia variedad
de materiales
ISO 1800-6B
902-928 /
26
Aplicaciones de
seguridad y control de
accesos
ISO 1800-6B
902-928 /
26
Aplicaciones en
vehículos,
estacionamientos y
peajes.
ISO 1800-6B
902-928 /
26
Aplicaciones en
vehículos,
estacionamientos y
peajes.
IT32A GEN2 ID CARD
CONTAINER TAG
ID TAG
RPC TAG
WINDSHIELD TAG
Se puede observar el rango de lectura de los distintos tags de INTERMEC adheridos a
varios materiales (metal, madera, plástico...) en toda la banda de frecuencias [Véase
Anexo B]
HEI
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
900
Tarjetas en blanco,
impresas o listas para
imprimir.
900
Alto rendimiento en
aplicaciones metálicas
o con alto contenido
líquido.
CLAMSHELL CARDS
FOAM BACKED
STICKERS
49
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
900
Alto rendimiento en
aplicaciones metálicas
o con alto contenido
líquido.
VACUUM FORMED
STICKERS
RFID SHOP
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
ISO 1800-6B
870
915
120x265x6 mm
Rango lectura para
50mW ERP:
3m @ 870MHz
2m @ 915MHz
ISO 1800-6B
870
235x15x8 mm
Alto rendimiento en
aplicaciones metálicas o
de cristal.
ISO 1800-6C
865-869
902-928 /
30
180x43x15 mm
Muy resistente y
duradera a sustancias
químicas, exposición
humedad, frío...
ISO 1800-6A
EM4122
EPC Class1
Gen 2
860-960 /
100
CAEN A927
CAEN 918
ENDURATAG
MT-TAG GEN2 W
UCode
Philips
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
138x21x16 mm
Alta funcionalidad en
aplicaciones con metal.
INGENIERIA ELECTRÓNICA RFID
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
EPC Class 1
Gen 2
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
Aplicación sobre
superficies de cartón,
metal, plástico...
LABEL
EPC Class 1
Gen 2
UHF
50
180x43x15 mm
Solución ideal para
contenedores metálicos
con un rango de lectura
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
ONMETAL-CASE
máximo de 3m.
EPC Class 1
Gen 2
865
Aplicación directa
sobre superficies
metálicas.
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class1
Gen 2
UHF
Impinj
Monza
32x17 mm
Solución ideal para
prendas, productos
farmacéuticos y rastreo.
EPC Class1
Gen 2
UHF
Impinj
Monza
80x40 mm
Multiorientación para
largo alcance, ideal para
cartón, equipaje y
prendas.
EPC Class1
Gen 2
UHF
Impinj
Monza
80x80 mm
Multiorientación para
largo alcance, ideal para
cartón, equipaje y
prendas.
EPC Class1
Gen 2
UHF
Impinj
Monza
95x8 mm
Alta funcionalidad en
superficies de cartón.
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class1
Gen 2
UHF
MXP
Ucode
95x19.05 mm
Solución ideal para
aplicaciones de plástico
FLAG-ONMETALABEL
PRODUCTO
IMPINJ SATELLITE
IMPINJ JUMPING
JACK
IMPINJ BAJO
IMPINJ THIN
PROPELLER
PRODUCTO
THE SPYDER
51
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
y cartón.
EPC Class1
Gen 2
UHF
MXP
Ucode
76.2x15.9 mm
Solución ideal para
aplicaciones de plástico
y cartón.
EPC Class1
Gen 2
UHF
MXP
Ucode
76.2x76.2 mm
Insensible a la
orientación, muy
funcional en superficies
de plástico y cartón.
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
THE PULSE
RYPARIAN
EURO ID
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
868
Impinj
UL 2797 G2I
EPC Class1
Gen 2
EPC Class1
Gen 2
860-960 /
100
Impinj
152x101 mm
EPC Class1
Gen 2
868
UCode
Gen2,
Philips
15x97 mm
868
UCode
HSL,
Philips
12x180 mm
EPC Class1
Gen 2
868
UCode
Gen2,
Philips
15x230x15 mm
Recubrimiento de
plástico consiguiendo
gran resistencia.
EPC Class1
Gen 2
868
Impinj
Monza
23x23x8 mm
Recubrimiento de
plástico consiguiendo
gran resistencia.
27x97 mm
UL 101-152 G2I
UL 1597 G2P
UL 12180-P
ULS 15230 G2P
ULC 23230 G2I
52
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
SYNOMETRIX
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
UHF
Ucode
Philips
20x150 mm
Solución ideal para
superficies de cristal.
902-928 / 26
Ucode
Philips
205x180x6.3 mm
Solución ideal para
superficies de metal.
915
Ucode
Philips
85.6x54x1.8 mm
Rango de lectura de 5 a
6 metros.
SM-1019 UHF
SM-1018 UHF
UHF ISO CARDS
MESHED SYSTEM
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class1
Gen 2
868
133x30x8 mm
Recubrimiento de ABS
muy resistente a los
impactos
EPC Class1
Gen 2
868
124x26x8 mm
Recubrimiento de ABS
muy resistente a los
impactos
TYP 132 UHF
TYP 127 UHF
CONTAINER TAG
868
UHF ETIKETT
53
Ucode
Philips
180x12 mm
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class 1
Gen 2
865-928 / 63
Impinj
Monza
30x130 mm
Adhesivo con rango de
lectura de hasta 3m
EPC Class 1
Gen 2
865-928 / 63
Impinj
Monza
16x74 mm
Utilización para
seguimiento de
neumáticos.
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
Monza
75x14 mm
Diseñado
específicamente para
objetos de madera
EPC Class 1
Gen 2
865-868
902-928 / 29
Impinj
Monza
52x46x10 mm
Rango de lectura de 4 a
6 metros.
EPC Class 1
Gen 2
860-960 / 100
Impinj
Monza
224x24x8 mm
Rango de lectura de 5 a
7 metros.
EPC Class 1
Gen 2
865-868
902-928 / 29
Impinj
Monza
60x14x11.7 mm
Rango de lectura de 4 a
5 metros. Recubrimiento
de ABS e ideal para
contenedores, bolsas,
pales...
CORONA
CRUISER
PINO
IRONSIDE
SURVIVOR
HALO
APPLIED WIRELESS ID
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ /
BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
902-928
/ 26
TagiduATA5590
63x40 mm
Diseñado para montaje
sobre vidrio
PROX-LINC WS (APL
1216)
54
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
902-928
/ 26
TagiduATA5590
205x25x4 mm
Diseñado para montaje
sobre metal.
FRQ /
BW
(MHz)
IC’s
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
869
TagiduATA5590
110x30x0.6 mm
Rango de lectura de 2.5
metros. Diseñado para
superficies de cristal.
869
TagiduATA5590
180x14x8 mm
Rango de lectura de 3
metros. Diseñado para
superficies de metal.
PROX-LINC MT (APT
1014)
PRODUCTO
ESTÁNDAR
WTAG2
MTAG2
55
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
4.2 Lectores comerciales
En el siguiente apartado se encontrará una gran variedad de lectores para la tecnología
RFID y sus características principales:
ALIEN TECNOLOGY
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
902.75927.75 / 25
Max. 4W
EIRP
20.3x21x4.6 cm
1.5 kg
4 puertos de antena
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
902.75927.75 / 25
Max. 4W
EIRP
28x22.9x5.6 cm
2 kg
4 puertos de antena
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
902.75927.75 / 25
Max. 4W
EIRP
23.2x22.9x5 cm
1kg
2 puertos de antena
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
865.6867.6 / 2
2 W ERP
28x22.9x5.6 cm
2 kg
4 puertos de antena
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
902-928 /
26
Max. 4W
EIRP
1.95x0.14x0.38 m
De 2 a 4 antenas según
configuración.
ALR-9900
ALR-9800
ALR-9650
ALR-8800
ALX-9010
PORTAL
56
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
EURO ID
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6A
EPC Class 1
Gen 2
869.525
Max. 4W
EIRP
2W ERP
(0.5W ERP)
180x320x110 mm
1.5 kg
4 puertos de antena
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
FRE 4400
LONG RANGE
READER
865.6867.6
902-928 /
28
SENSORMATIC
PRODUCTO
SENSORMATI
C AGILE 2
READER
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
ISO 1800-6B
EPC Class 0
Gen 1
EPC Class 1
Gen 1/2
865-868
902-928 /
29
26.6x30.5x3.8 cm
1.4 kg
4-8 puertos de antena
FEIG ELECTRONIC
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Gen 2
865-868
902-928 /
29
100mW-3W
180x320x110 mm
4 puertos de antena
ID
ISC.LRU2000
57
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
INTERMEC
PRODUCTO
IP30
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
865-868
902-928 /
29
1.16 kg con batería.
Resistente hasta 26 caídas
a una altura de 1.2 m
contra hormigón.
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
1.72 kg con batería
Resistente hasta 26 caídas
a una altura de 1.2 m
contra hormigón.
Habilitado con WiFi.
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
Configurab
le en las
bandas de:
865, 869,
915 o 950
19.1x6.6x13.5 cm
ISO 1800-6B
EPC Class 1
Gen 2
Configurab
le en las
bandas de:
865, 869,
915 o 950
35.6x23.1x9.53 cm
Habilitado con WiFi.
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
Configurab
le en las
bandas:
865, 869,
915
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
Configurab
le en las
bandas:
865, 869,
915
IP4
IF4
IF5
IF30
IF61
De 30 a
10dBm
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
32.35x22.6x8.25 cm
3.06 kg
4 puertos de antena.
32.4x22.6x10.8 cm
2.55 kg
Habilitado con WiFi.
PSION TEKLOGIX
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
ISO 1800-6
EPC Class 0/1
Gen 2
860-960 /
100
RD 7950
58
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
Resistente hasta 26 caídas
a una altura de 1.2 m
contra hormigón.
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
OMRON RFID
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
EPC Class 1
Gen 2
856.6867.6
902.75927.75
952-954
246x215x43.5 mm
4 puertos de antena
EPC Class 0/1
Gen 2
902-928 /
26
308x286x40 mm
1.5 kg
4 puertos de antena
V750-BA50C04
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
V740BA50C22A
MOTOROLA
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Gen 2
902-928 /
26
EPC Gen 2
902-928 /
26
30 dBm
22x30x5 cm
2.27 kg
4 puertos de antena.
EPC Gen 2
869.5
902-928
4W EIRP
Europa 0.5W
27.3x11.9x19.5 cm
1 kg con batería y escáner
30 dBm
22x30x5 cm
2.27 kg
8 puertos de antena
17.78x22.86x5.08 cm
1.64 kg.
Resistente a caída de 76
cm.
RD5000
XR440
MC9090-G
EPC Gen 2
UHF
XR480
59
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
SIRIT RFID
PRODUCTO
INFINITY 510
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
860-960 /
100
+30dBm
22x30x5.6 cm
3kg
4 puertos de antena.
865-868
902-928 /
29
30.5x25.4x10.2
5.4 kg
912.5920.5 / 8
24.1x22.9x6.4 cm
8.5 kg
4 puertos de antena
IDENTITY
MAX
IDENTITY ZIP
916.25
24.1x22.9x3.2 cm
8 kg
4 puertos de antena
IDENTITY
FLEX
EPC Class 0/1
Gen 2
902-928 /
26
30dBm
85.8x54.8x13 mm
88 g.
1 puerto de antena.
ISO 18006A/B
EPC Class 0/1
Gen 2
865-955 /
90
2mW (EU)
0.6W (USA)
69.6x95x17 mm
127.6 g
INFINITY 210
INFINITY 9311
60
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
IMPINJ
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
865-868
902-928
952-954/
31
30 dBm
22.7x32.4x5.7 cm
2.7 kg
4 puertos de antena
SPEEDWAY
SAVR COMMUNITACIONS
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class 0/1
Gen 2
902-928 /
26
30 dBm
3 horas de duración de
batería.
Microsoft Windows
Mobile OS
SAVR SCAN
900
INGENIERÍA ELECTRONICA RFID
PRODUCTO
ISMC-MRU200A&E
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6B/C
EPC Gen 2
869.525
865.6867.6
902-928 /
28
100mW o
500mW
200x110x60 mm
Distancia de alcance entre
1 y 3 metros.
2 puertos de antena
61
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
SKYETEK
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
862-955 /
93
Ajustable de
9-24 dBm
53x36x9 mm
Rango de distancia entre 1
y2m
ISO 18006C/A/B
EPC Class 1
Gen 1/2
862-955 /
93
Ajustable de
10-27 dBm
66x36x5 mm
Rango de distancia entre 1
y 3.5 m
SKYEMODULE
M7
SKYEMODULE
M9
WJ COMUNICATIONS
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6C
ISO 1800-6B*
EPC Class 1
Gen 2
869.525*
902-928 /
26
Ajustable de
18-30 dBm
2 puertos de antena
ISO 1800-6B
ISO 1800-6C
EPC Class 1
Gen 2
902-928 /
26
Ajustable de
10-24 dBm
18-30 dBm*
2 puertos de antena
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
EPC Class 0/1
902-928 /
26
1W
203x152x44.5 mm
1.082 kg
Batería de 8 horas
WJR7000 /
WJR7080*
WJM1000 /
WJM3000*
LXE
PRODUCTO
MX3
62
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
EPC Class 0/1
Gen 2
902-928 /
26
1W
285x419x79 mm
8.62 kg
RX2
THINGMAGIC
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6B
EPC Class 0/1
Gen 2
902-928 /
26
30 dBm
25.4x25.4x3.8 cm
1.6 kg
ISO 1800-6C
EPC Gen 2
865.6867.6
902-928
910-914
De 10 a 23
dBm
56x36x5 mm
ISO 1800-6B
EPC Class 0/1
Gen 2
909-928
868-870
950-956 /
27
30 dBm
25.4x25.4x3.8 cm
1.6 kg
4 puertos de antena
MERCURY 5
`
MERCURY 5ECOMPACT
MERCURY 4
ELATEC
PRODUCTO
ESTÁNDAR
FRQ / BW
(MHz)
POTENCIA
RF
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ISO 1800-6B
EPC Class 1
Gen 2
865.6867.6
902-928 /
28
15-30 dBm
200x150x28 mm
4 puertos de antena
SR112
63
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
5. Diseño de antenas
5.1 Programa ADS
Para realizar el diseño y simulación de todas las antenas que se han fabricado en este
proyecto, se ha necesitado la ayuda de un simulador: ADS.
Advanced Desing System es un potente software de diseño y simulación de alta
frecuencia, con un sistema de soporte que contiene una infinidad de diseñadores de
radiofrecuencia, módulos de microondas y circuitos en general, producido por Agilent
EEsof EDA.
Este programa soporta cada paso del proceso de diseño (captura esquemática, layout,
simulación de circuitos en dominio frecuencial y temporal, simulación de campos
electromagnéticos).
Para conseguir la simulación en el dominio frecuencial de las antenas, se ha utilizado
Momentum un componente que viene integrado con Advanced Design System (ADS)
5.1.1 Momentum
Momentum es una aplicación que viene integrada con el software ADS, gracias a esta se
puede simular y hacer análisis de circuitos pasivos. Este componente acepta formas
geométricas arbitrarias (incluyendo estructuras de múltiples capas), simulando así
efectos complicados como acoplamientos y efectos parasitarios, lo que conlleva a una
simulación electromagnética muy precisa basada en el método de Momentos de la parte
pasiva del circuito.
64
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
5.2 Adaptación T-Match
Se propone un método como solución al problema que se plantea el tener que adaptar la
antena al circuito integrado RFID debido a la divergencia entre sus impedancias.
Este método de adaptación es la técnica de adaptación conocida como en T-Match [3].
Esta técnica se utiliza frecuentemente en aplicaciones radio para adaptación de dipolos o
antenas cilíndricas. Cuando la sección de la antena no es cilíndrica, como en nuestro
caso ya que se realizarán sobre circuito impreso, puede utilizarse las equivalencias que
se muestran en la Tabla 5.1. La siguiente tabla contiene las equivalencias
correspondientes entre conductores de diferentes formas geométricas.
Forma geométrica
Radio eléctrico equivalente
a e = 0.25a
a e ≈ 0 .2 ( a + b )
a e = 0.59a
ae =
65
1
( a + b)
2
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
S12 ln a1 + S 22 ln a 2 + 2 S1 S 2 ln s
ln a e ≈
( S1 + S 2 ) 2
S1, S2 = Periferias del conductor C1, C2
a1, a2 = Radio equi. del conductor C1, C2
Tabla 5. 1 Radio equivalente entre conductores de formas geométricas diferentes
Con este método, el dipolo de la Figura 5.1 de largada l y radio a esta conectado a la
línea de transmisión por otro dipolo de largada l' la cual tiene que ser siempre menor
que la del anterior (l'<l) y radio a'. Habitualmente el dipolo más pequeño está centrado
respecto al más largo con una distancia l'/2 desde el centro y los dos están separados
por una pequeña distancia s. La línea de transmisión está conectada al dipolo más
pequeño en el centro de éste.
En la siguiente figura se puede observar el diseño de un dipolo redondo con antedicha
adaptación.
Figura 5. 1 T-Match y sus equivalencias asociadas.
66
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
La conexión T-Match puede analizarse como una forma general de un dipolo doblado,
ya que las dos partes (inferior o conexión T-Match y superior o dipolo) no suelen ser de
la misma longitud o diámetro. Ya que el T-Match es un sistema simétrico y equilibrado,
por lo tanto es apropiado para el uso con líneas de transmisión paralelo-conductoras.
Las líneas coaxiales, las cuales son asimétricas y no equilibradas, deberían estar
conectadas a dipolos que usen la gamma match6
El procedimiento de diseño para el T-Match se desarrolla similar a un dipolo doblado
(Figura 5.2).
Figura 5. 2 Dipolo doblado y equivalencias asociadas.
El T-Match está diseñado por líneas de transmisión y por modos de antena, como refleja
la figura anterior para el dipolo doblado. La corriente total en los terminales de entrada
está dividida entre los dos conductores de una manera que depende en los radios
relativos de los dos conductores y del espacio que los separa. Ya que los dos
conductores no son, por lo general, del mismo radio, provocará que la división de
corriente de la antena no sea unitaria. En vez de esto, el factor de división de corriente
está asignado, el cual también se aplica a la división de voltaje en modo de línea de
transmisión.
6
Método de adaptación para líneas asimétricas y inestables el cual no será empleado en este proyecto
67
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
A continuación se incluirá únicamente los pasos necesarios para aplicar el diseño TMatch:
•
En primer lugar se necesitará calcular el factor de división de corriente α:
 v2 − u2 + 1 

cosh -1 
2v
ln(v)

≈
α=
2
2
 v + u − 1  ln(v) − ln(u )

cosh -1 
 2vu 
u =
v=
•
a
(5.1)
(5.2)
a'
s
a'
(5.3)
A partir de la Tabla 5.1, se obtendrá el radio equivalente ae:
ln(ae ) ≈
1
[a '⋅ ln(a ' ) + a ⋅ ln(a ) + 2a ' a ⋅ ln(s )]
(a '+ a ) 2
(5.4)
S1 = 2πa'
S2 = 2πa
ln(ae ) ≈ ln a'+
•
1
(u 2 ln(u ) + 2u ⋅ ln(v))
2
(1 + u )
(5.5)
A continuación se calculará la impedancia en la entrada del terminal para el
modo de transmisión lineal [dos cables de línea de transmisión
cortocircuitados de longitud l'/2 con radios a, a' y separación s mostrada en
la Figura 5.1 (b)].
 l' 
Z t = jZ o tan  k 
 2
(5.6)
Donde
 s 2 − a 2 − a '2 
 s 
 ≈ 276 log10 
Z o = 60 cosh −1 

2
aa
'
aa
'




(5.7)
Z0 es la impedancia característica de los dos cables de una línea de transmisión
con radios a, a' y separación s, como vemos en la Figura 5.1 (c).
68
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
•
La impedancia total de entrada, la cual es una combinación de la radiación
de la antena y la de la línea de transmisión no radiante, puede escribirse
como:
Z in = Rin + jX in =
2 ⋅ Z t [(1 + α ) 2 Z a ]
2 ⋅ Z t + (1 + α ) 2 Z a
(5.8)
Por otra parte también se puede calcular la admitancia de entrada como:
Yin =
1
Ya
1
=
+
2
Z in (1 + α )
2Zt
(5.9)
Siendo:
Za =
1
Ya
(5.10)
Como el punto central de la impedancia de entrada libre de la antena en ausencia de la
conexión T-Match.
Basándose en (5.8) o (5.11), la red T-Match se comporta como el circuito equivalente
de la Figura 5.1 (d) en el cual la impedancia de la antena está incrementado por un radio
de 1+ α, y está en paralelo con dos veces la impedancia del modo no radiante (línea de
transmisión).
Cuando el factor de división de corriente es la unidad (α=1), el equivalente T-Match de
la Figura 8.19 (d) se reduce al de la Figura 5.2 (a) para el dipolo doblado.
Para l’≈λ/2, la impedancia de la línea de transmisión Zt es mucho mayor que (1+α)2·Za y
la impedancia de entrada (5.8) se ve reducida a:
Z in ≈ (1 + α ) 2 ⋅ Z a
69
(5.11)
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
5.3 Sistemas de medida
5.3.1 Caracterización de dispositivos diferenciales con
un VNA
Las topologías diferenciales (simétricas) se usan normalmente en circuitos RF y de
microondas y también particularmente en circuitos integrados (ICs), como los MMIC y
los receptores de un solo chip. Estos circuitos son normalmente de una impedancia
relacionada a la entrada a un solo carrier o a una frecuencia de oscilador local (FO).
Desafortunadamente, los data sheets no siempre disponen de la impedancia de entrada
diferencial requerida del dispositivo para la frecuencia de interés.
En este caso, es necesario caracterizar la admitancia de entrada diferencial o impedancia
del dispositivo equilibrado anterior a la combinación de impedancias. Debido que los
analizadores de redes comerciales de bajo coste (VNAs, Vector Network Analyzer) para
medir parámetros S7, están, generalmente equipados con dos puertos, se necesita un
acceso efectivo para caracterizar los dispositivos diferenciales con un doble puerto
VNA. [4]
Para resolver este problema existen varios métodos.
1. Usar un ‘balun’ para convertir un par equilibrado en un puerto ‘single-ended’
que parece ideal, pero los baluns introducen términos de error que limitan la
medida
2. Usar un doble puerto o multipuerto VNA para medir un conjunto de parámetrosS para los dos pares de entradas y salidas de un sistema diferencial. Este método
permite la construcción de una matriz de 4x4 de parámetros-S. Sin embargo son
equipos muy caros y deben eliminarse de las medidas los efectos de los accesos.
3. Usar un sistema de prueba multipuerto para medir un conjunto de diferenciales
4x4 y un modo común de parámetros-S. Este conjunto de 16 parámetros se
conoce como “modo-mixto de parámetros S”. Este sistema es similar a aquel
que describe las cuatro ganancias de transferencia de un amplificador diferencial
clásico, y consecuentemente, está bien adaptado para caracterizar un dispositivo
diferencial. Además, los sistemas de test de prueba multipuerto completo y
software asociado están disponibles comercialmente. Con los que se puede
probar los mecanismos, de cuatro puertos y deliberar los 16 modos-mixtos
parámetros-S.
Entre estos tres métodos, el tercero es, naturalmente, el más recio. Sin embargo, para el
diseño de ingeniero sólo ocasionalmente confrontado con la caracterización de la
impedancia de entrada diferencial de los dispositivos en aplicaciones RF de banda
estrecha, un sistema de prueba multipuerto proporciona capacidad de medida y coste
innecesarios.
Para estos casos, es posible utilizar una solución menos cara basada en un doble puerto
VNA, unos pocos componentes adicionales, y el enfoque clásico para caracterizar un
7
Parámetros S: Relación entre la onda reflejada y la transmitida, donde para una red de dos puertos
(S11=coeficiente reflexión del puerto de entrada, S12=ganancia de la tensión de reserva, S21=ganancia de la
tensión de reserva, S22=coeficiente reflexión del puerto de salida )
70
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
amplificador diferencial. Esta solución de coste bajo sólo requiere un puerto VNA con
la capacidad de exponer parámetros S11 o S22 en la admitancia de la Carta de Smith.
Originalmente, este método se desarrolló para medir la impedancia de entrada
diferencial del puerto de entrada RF equilibrado del mezclador del modelo UAA2080T
single-chip de Philips Semiconductors (Figura 5. 3). [5]
Figura 5. 3 Diagrama eléctrico para el mezclador en el UAA2080T receptor IC
El circuito de entrada equivalente más clásico de un amplificador diferencial, es el π,
red de entrada que se muestra en la Figura 5.4
Figura 5. 4 Esquema que muestra el equivalente circuito de entrada π de un amplificador diferencial.
Para simplificar los cálculos, es prudente considerar las admitancias de los tres
elementos en la Figura 5.4. Estas admitancia incluyen Yic = Yn + Yp la cual es la
admitancia de entrada en modo común. Para un buen dispositivo equilibrado como el
mezclador in Figura 5.3, Yn ≈ Yp = Yc y consecuentemente:
Yic = 2 ⋅ Yc
(5.12)
Donde:
Yd es la admitancia de entrada diferencial, cuando Yc = 0.
71
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En referencia a la Figura 5.4, en el caso general (cuando Yc ≠ 0), la admitancia de
entrada diferencial que debe considerarse para llevar a cabo una combinación de
impedancia equilibrada es:
Yid = Yd +
Yc
2
(5.13)
Un single-ended VNA no puede medir directamente Yid (admitancia de entrada
diferencial); sin embargo, un método indirecto de medida permite que se pueda usar un
instrumento como ese. Este método consiste en determinar primero las admitancias Yd y
Yd con un proceso de medida en dos pasos.
El primer paso, el puerto 1 del VNA es conectado, a través de un condensador para
evitar el cortocircuito en continua (en caso de dispositivos activos), a las dos entradas
diferenciales (Figura 5.5). El parámetro S’11 resultante produce la admitancia de entrada
en modo común (Yic).
Figura 5. 5 Circuito test usado para mediciones en modo común de la admitancia de entrada.
S '11 =
Y0 − Yic
Y0 + Yic
(5.14)
Y consecuentemente,
1 − S '11
1 + S '11
(5.15)
1
= 20 ⋅ 10 −3 S
50Ω
(5.16)
Yic = 2 ⋅ Yc = Y0
Donde:
Yo =
Y0 es tanto la admitancia de salida del VNA como la admitancia característica de las
líneas de transmisión entre la salida del VNA y el plano de referencia de calibración.
72
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En el segundo paso, el puerto 1 del VNA está conectado a una entrada diferencial,
mientras que la otra esta AC cortocircuitada a masa. (Figura 5.6). Del parámetro S’’11
resultante se obtiene Yis:
Figura 5. 6 Circuito test usado para mediciones de admitancia de entrada en modo diferencial
S ' '11 =
Y0 − Yis
Y0 + Yis
(5.17)
Y consecuentemente,
1 − S ' '11
1 + S ' '11
La (5.15) y (5.18) dan los valores de los elementos en la Figura 5.4:
Yis = Yd + Yc = Y0
Yc =
Yic
2
Yd = Yis −
(5.18)
(5.19)
Yic
2
(5.20)
Después de la substituciones de las (5.19) y (5.20) en (5.13), puede hallarse la expresión
final de admitancia de entrada diferencial como:
Yid = Yis −
Yic
4
73
(5.21)
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
5.3.2 Teoría de las imágenes
La teoría de las imágenes aparece por la aparición de una antena imagen o imagen
especular de una antena real, en substitución del plano de masa. Esta se sitúa por debajo
del plano de tierra a la misma distancia a la que se encuentra la antena real.
Donde las direcciones de flujo de corriente son diferentes (como si estuviese en frente
de un espejo) y donde además su polarización eléctrica instantánea (carga) es de signo
opuesto (Figura 5.7). [6]
ρ

ρ i = − ρ
r
 J = J x xˆ + J y yˆ + J z zˆ
r
 J = − J x xˆ − J y yˆ + J z zˆ
Figura 5. 7 Teoría de las imagenes
Cuando la antena está colocada horizontal al plano de tierra se entiende que la fase es de
180º respecto a su antena imagen. Mientras que cuando está perpendicular al plano de
tierra las dos antenas están en fase.
Esto sucede con el dipolo vertical (monopolo) (Figura 5.8), provocando así que la carga
eléctrica imaginaria sea igual pero de signo contrario, la corriente vaya en el mismo
sentido (por estar en dirección perpendicular al plano de masa) y la impedancia de
entrada del monopolo sea la mitad que la del dipolo que se crea.
74
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 5. 8 Monopolo vertical sobre a plano de masa
Gracias a la utilización de la teoría de las imágenes, podremos obtener otro método de
medida ya que los tags diseñados son simétricos y en modo diferencial, con lo que se
cortarán por el centro y se les añadirá un plano de masa, provocando así este efecto.
Midiendo la impedancia del monopolo (mitad de la antena tag) se podrá obtener la
impedancia diferencial del dipolo o antena tag.
75
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6. Diseño y simulación de tags RFID.
En este apartado, se aplicarán los conocimientos teóricos expuestos anteriormente, para
poder llegar a un correcto desarrollo y diseño de las antenas. Se inicia la exposición con
la utilización de la técnica T-Match para el diseño de antenas RFID. Como substrato se
utilizará fibra de vidrio.
6.1 Dipolo con adaptación en T-Match
La primera antena que se diseñará es un dipolo simple con adaptación T-Match, tanto en
esta como en todas las antenas, nos vemos obligados a fijar unos parámetros, debido a
que hay demasiadas variables para tener que ir modificándolas todas (longitud del
dipolo superior, longitud del dipolo inferior, ancho de estos, separación entre ellos, etc).
Por otra parte, siempre se realizarán equivalencias de proporcionalidad en las
dimensiones de las antenas para que con el simulador ADS introduciendo 2 o 3
variables, se modifique automáticamente todas las longitudes de las antenas.
Para construir este dipolo se tendrá que empezar realizando todos los respectivos
cálculos para conseguir una correcta adaptación con la que permitiremos una
transmisión de la máxima potencia, para ello se fijarán algunas dimensiones como la
anchura del dipolo, la distancia entre el superior y el inferior para que así podamos
hacer los respectivos cálculos para la adaptación a la impedancia de chip: 40-j·100 Ω
(medida anteriormente con técnica de calibración OSL con el analizador de redes).
En definitiva se parte, de un dipolo de longitud 138 mm creado con líneas de
transmisión de 1 mm de ancho y una separación de 1 mm entre la parte superior e
inferior de este. Con estos datos deberemos obtener la longitud de la parte inferior para
conseguir una adaptación por debajo de -9dB centrada en la frecuencia deseada.
En la Figura 6.1 se pueden ver las medidas que tendrá nuestro dipolo plano:
Figura 6. 1 Esquema con medidas de un dipolo plano con adaptación T-Match
Para realizar los cálculos, cuando estemos trabajando con medidas referentes al ancho
del dipolo plano deberemos hacer una pequeña conversión a lo que sería el ancho
equivalente a un dipolo redondo.
76
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
A continuación, se especificarán los cálculos más significativos para realizar la
adaptación en T-Match, aunque también se ha realizado una pequeña aplicación con el
Matlab para simplificar y agilizar estas operaciones [Véase Anexo C].
En primer lugar, se tendrá que encontrar el factor de división de corriente α, este se
obtendrá de (5.1) la cual tiene una dependencia directa con el ancho plano del dipolo y
la distancia plana entre sus dos partes como se puede observar en las (5.2) y (5.3),
obteniendo así como factor de división de corriente:
0.25 ⋅ 1 ⋅ 10−3
u=
=1
0.25 ⋅ 1 ⋅ 10− 3
2(0.25 ⋅ 1 ⋅ 10 −3 ) + 1 ⋅ 10−3 + 2(1 ⋅ 10 −3 − 0.25 ⋅ 1 ⋅ 10 −3 )
3 ⋅ 10−3
=
v=
= 12
0.25 ⋅ 1 ⋅ 10 − 3
0.25 ⋅ 1 ⋅ 10− 3
ln(12)
α≈
=1
ln(12) − ln(1)
Una vez obtenido el factor de división de corriente, deberemos hallar la impedancia
característica de una línea de transmisión doble (Zo) mediante (5.7).
−3



3 ⋅ 10−3
 = 276 log  3 ⋅ 10
 = 276 log10 (12) = 297.854Ω
Z o ≈ 276 log10 
10 
−3 
3
2
−
 (0.25 ⋅ 1 ⋅ 10 ) 
0
.
25
⋅
1
⋅
10




Tras calcular la impedancia característica de la línea, mediante (5.6), encontraremos la
impedancia de la entrada de los terminales (Zt)
V=
c
εr
=
3 ⋅ 10 8
1
= 3 ⋅ 10 8 m / s
2πf 2 ⋅ π ⋅ 867 ⋅ 10 6
=
= 18.158
V
3 ⋅ 10 8

30 ⋅ 10 −3
Z t = j ⋅ 297.854 tan 18.158
2

k=

 = j ⋅ 83.196Ω

Para saber la impedancia total de entrada se utilizará (5.8), en la que se combina la
antena como elemento radiante y los modos de transmisión. Para obtener esta
impedancia total, necesitaremos saber que impedancia tiene el dipolo que hemos
diseñado sin tener en cuenta la parte de la adaptación en T-Match. Para ello, haremos
una simulación en el ADS (Advanced Desing System) mediante el momentum con el
dipolo simple para hallar su impedancia.
77
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Empezaremos haciendo un schematic del dipolo o lo que vendría a ser el esquema
circuital con las mismas medidas que nuestro dipolo adaptado.
Figura 6. 2 Schematic del dipolo simple
Una vez obtenido el esquema de la antena con líneas de transmisión o microstrips,
realizaremos el layout o pistas del circuito donde se aprecia el resultado final de la
antena.
Figura 6. 3 Layout del dipolo simple en ADS.
Una vez realizado el layout introduciremos las características principales sobre el
substrato y la composición o metalización de las capas de la antena (Fig. 6.4).
78
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 4 Pantalla para la configuración de la metalización y el substrato de las capas.
Con todos los datos correctos introducidos en el momentum se puede dar paso a la
simulación de esta en la que podremos observar los Parámetros S y la carta de Smith
(Fig. 6.5).
79
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 5 Simulación parámetros S11 y impedancia del dipolo simple.
Como era de esperar, este dipolo no resuena a la frecuencia deseada, debido a que le
falta la red de adaptación. Para hallar la impedancia del dipolo deberemos hacer una
pequeña red con un schematic nuevo en la que analizaremos los Parámetros S
añadiéndole como entrada 50Ω (Fig. 6.6).
Figura 6. 6 Schematic para forzar la entrada de la antena a 50Ω.
Simulado la antena haciéndola pasar por esta pequeña red que fuerza a que la entrada
sea de 50Ω se obtendrá la impedancia final de nuestro dipolo sin la red de adaptación,
que es el dato que nos requería la Eq. (5.8).
80
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 7 Pérdidas de retorno e impedancia del dipolo simple.
En esta última simulación (Fig. 6.7), se puede observar la adaptación que en este caso
no está centrada a la frecuencia ya que el dipolo simulado no es el completo y también
la impedancia (59.373+j·39.487Ω) de este en la frecuencia deseada (867.5 MHz). Con la
impedancia del dipolo, que se requería en la Eq. (5.8) se puede continuar los cálculos
para conseguir la impedancia total de la entrada del dipolo completo con adaptación TMatch.
Z in = Rin + jX in =
2 ⋅ j ⋅ 83.196[(1 + 1) 2 ⋅ (59.373 + j ⋅ 39.487)]
= 40.68 + j ⋅ 110.82Ω
2 ⋅ j ⋅ 83.196 + (1 + 1) 2 ⋅ (59.373 + j ⋅ 39.487)
81
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Como se puede observar la impedancia total de la entrada de la antena es
aproximadamente el conjugado de la impedancia del chip, esto nos confirma que habrá
un máximo de transferencia de potencia, ya que no habrá ningún tipo de reflexión, lo
que nos asegura que la adaptación de la antena al circuito integrado es correcta
Z chip = Z t
40 – j·100 Ω ≈ (40.68 + j·110.82)* Ω
*
Una vez ya se tienen hechos todos los cálculos y se puede afirmar que con las medidas
de la antena su adaptación en T-Match es correcta, se puede pasar al diseño en el ADS
(Advanced Design System), para la creación y simulación de todos sus parámetros del
dipolo completo.
Empezaremos realizando un schematic del dipolo por mediante líneas de microstrips
Figura 6. 8 Schematic del dipolo con adaptación T-Match.
Como se puede observar en la Figura 6.8 creamos una pequeña dependencia de
proporcionalidad para que modificando dos parámetros (L, Ltot) varíe todas las medidas
del dipolo. Una vez realizado el schematic se generarán las pistas del circuito con el
layout
82
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 9 Layout del dipolo con adaptación en T-Match.
En la Figura 6.9 se puede observar el resultado final del layout, una vez aquí
introduciremos todos los datos respectivos al substrato, metalización de las capas y
edición de los puertos.
Respecto a las características del substrato y la metalización de las capas resultarían
iguales a las del dipolo sin la adaptación (Figura 6.4). En cuanto a los puertos,
tendríamos que acceder al menú de Port Editor... (Figura 6.10), en el que tendríamos
que ponerlos en modo diferencial y la polarización uno Normal y el otro en Reservado y
obviamente uno haciendo referencia a otro. También nos surgió la posibilidad de poner
directamente la impedancia del puerto (40-j·100Ω), pero al cabo de varias pruebas nos
dimos cuenta que al poner los puertos en modo diferencial, al hacer la simulación no la
realizaba de forma correcta, con lo que optamos por realizar la simulación con 50Ω y
posteriormente realizar la red (al igual que en el dipolo simple) con un nuevo schematic
para forzar la entrada a la impedancia deseada.
Figura 6. 10 Configuraicón de los puertos de entrada
83
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Una vez todo correctamente configurado, se realizará la simulación con la impedancia
de entrada aparentemente a 50Ω. En la que se podrá apreciar lógicamente que está
totalmente desadaptada, ya que no se tiene como entrada la impedancia del chip.
Figura 6. 11 Grafica S11 y Carta de Smith de la antena.
Para poder realizar la simulación correctamente, se deberá crear un pequeño schematic
en el que se forzará la entrada de la antena a la impedancia del chip, así sí que se estará
simulando de forma completa la antena (Fig. 6.12).
Figura 6. 12 Schematic para forzar la entrada a la impedancia del chip (40-j·100Ω)
84
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 13 Gráfica S11 i impedancia del dipolo con adaptación T-Match.
Este es el resultado obtenido tras adaptar el dipolo al chip de 40-j100Ω, en el que se
observa que para la banda de frecuencias que se quiere abarcar está por debajo del
mínimo (-9dB) necesario para tener una buena adaptación, en nuestro caso en el rango
de frecuencias está por debajo de -45dB. La banda de frecuencias que comprende es de
los 836MHz hasta los 920MHz (84MHz de ancho de banda) lo que significa que
serviría tanto para la banda Europea (865MHz-868MHz) como para la Americana
(902MHz-928MHz).
Por otra parte se puede observar, tanto en la Carta de Smith8 como en la gráfica de la
impedancia (Z11), como la antena está bien adaptada a la frecuencia resonante con una
impedancia muy próxima a la conjugada del IC (Figura 6.13).
8
Carta de Smith: gráfica donde se muestra la impedancia de la antena, si la gráfica se concentra en la
parte izquierda se trataría de un cortocircuito, en la derecha un circuito abierto y en el punto medio esta la
impedancia de referencia a Zo.
85
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 14 Gráfica de la ganancia, directividad y eficiencia de la antena con impedancia de entrada la
del chip RFID
En la Figura 6.14, se puede observar por una parte la ganancia9 y la directividad10, las
cuales no son iguales lo que significa que no toda la potencia radiada es entregada.
Por lo tanto, tenemos un índice de pérdidas lo que conlleva a que su eficiencia11 sea del
84.91%
Figura 6. 15 Distribución de corriente del dipolo con adaptación T.Match
La distribución de corrientes, es mínima en las puntas de los brazos del dipolo, mientras
que en el centro es el punto con mayor corriente (Figura 6.15).
9
La ganancia es la relación entre la potencia entregada y la densidad de potencia de una antena isotrópica
(antena que radia igual en todas las direcciones) con la misma potencia.
10
La directividad es la relación entre la densidad potencia radiada y la densidad de potencia que radiaría
con la misma potencia una antena isotrópica
11
La eficiencia es la relación entre la potencia radiada y la entregada.
86
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Una vez asegurados que los parámetros y las simulaciones son correctas, se enviará un
archivo de AutoCAD12 (extensión .dxf) al departamento técnico de la universidad para
que puedan realizar la elaboración de la antena sobre la fibra de vidrio (Figura 6.16).
Figura 6. 16 Dipolo con adaptación T-Match fabricada sobre fibra de vidrio
12
AutoCAD es un programa de diseño asistido por ordenador para dibujo en 2D y 3D. Actualmente es
desarrollado y comercializado por la empresa Autodesk.
87
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.2 Dipolo inductivo cargado capacitivamente para
banda europea
La siguiente antena que se diseñará, consistirá en un dipolo con adaptación T-Match
pero esta vez le añadiremos una pequeña inducción en los brazos del dipolo (haciendo
una especie de serpentina) y el final de estos los realizaremos en forma de condensador.
Con estas nuevas formas lo que intentaremos es mejorar la longitud efectiva aunque
para ello bajemos el rendimiento de la adaptación y el ancho de banda.
A continuación, en la Figura 6.17 podremos observar las medidas finales más
características utilizadas para el desarrollo y elaboración de la antena.
Figura 6. 17 Esquema con las medidas del dipolo con forma de inductor y capacitor.
Empezaremos realizando el schematic con las medidas y parámetros correspondientes:
Figura 6. 18 Esquema circuital del dipolo para la banda Europea
Para poder establecer estas medidas, hemos fijado unos parámetros (ancho de la línea,
separación entre líneas...), para que a prueba de error poder fijar la antena a la
frecuencia resonante deseada. Para facilitar esto, igual que en la anterior hemos creado
88
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
unas pequeñas relaciones de proporcionalidad para que modificando algunas variables
consigamos la variación completa de la antena.
Una vez realizado el schematic, se generará el layout en el que podremos ver las pistas
del circuito como resultado final de la antena (Fig. 6.19).
Figura 6. 19 Layout del dipolo con forma de bobina y condensador.
El layout es donde introduciremos los datos referentes a metalización y edición de
puertos del dipolo. En cuanto a estos datos serán exactamente iguales a los del dipolo
anterior.
Substrato de fibra de vidrio: Permitividad εr=4.7 altura hs=1.6 mm, tangente de
perdidas tanδ =0.002, grosor metalización t=35 µm
Figura 6. 20 Propiedades del substrato y metalización de las capas.
89
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Edición de puertos: 2 puertos en modo diferencial, el puerto 1 con polaridad Normal y
el 2 con Reservado y los dos con una impedancia de 50Ω (Fig. 6.21).
Figura 6. 21 Propiedades de los puertos de entrada del dipolo.
Con todos los datos correctamente introducidos, mediante el momentum iremos
realizando las respectivas simulaciones con la impedancia de entrada de 50Ω hasta
conseguir sintonizar la antena a la frecuencia deseada. En esta simulación lógicamente
no se podrá observar como la antena está adaptada, ya que no tenemos como entrada la
impedancia del chip (Fig. 6.22).
90
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 22 Simulación con impedancia de entrada no correspondiente a la del chip RFID.
Para poder realizar la simulación correctamente, deberemos crear un pequeño schematic
en el que forzaremos la entrada de la antena a la impedancia del chip (40-j100), así sí
que se estará simulando de forma completa nuestra antena (Fig. 6.23).
Figura 6. 23 Schematic para forzar la entrada de la antena a 40-j·100Ω.
91
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 24 Gráfica S11, impedancia y Carta de Smith de la antena.
Este es el resultado de la simulación obtenido tras adaptar el dipolo al chip de 40-j100Ω,
en el que se observa que para la banda de frecuencias europeas que se quiere abarcar
está por debajo el mínimo (para buena adaptación, pérdidas de retorno13 <-9dB). La
banda de frecuencias que comprende es de los 860MHz hasta los 885MHz (25MHz de
ancho de banda) lo que significa que serviría únicamente para la banda Europea
(865MHz-868MHz), la frecuencia nominal está centrada en 872.5MHz con unas
pérdidas de retorno de -41.1dB.
Por otra parte, tanto en la carta de Smith como en la gráfica de la impedancia (Z11), nos
resalta como la antena está bien adaptada a la frecuencia resonante indicándonos la
impedancia (39.45+j·100.44Ω), muy cercana a la conjugada del chip RFID (Fig. 6.24).
13
Pérdidas de retorno: Relación en dB entre la onda reflejada y la onda incidente
92
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 25 Gráficas con la directividad, ganancia y eficiencia de la antena.
En la Figura 6.25, se puede observar tanto la ganancia (0.365dB) y la directividad
(2.115dB) como la eficiencia en función de θ (ángulo respecto de la antena), al
comparar las dos primeras para θ =0 (máximo valor) se puede deducir que no toda la
potencia radiada es entregada. Lo que conlleva a que su eficiencia sea del 66.83%,
Si comparamos este resultado con el del dipolo simple, se puede observar que la
eficiencia ha bajado debido a que al aumentar la longitud del hilo aumentan las perdidas
óhmicas, pero lo que aumenta es la longitud efectiva, con lo cual debería aumentar la
directividad ya que la distribución de corriente en el dipolo es más
uniforme (Figura 6.26). Sin embargo la ganancia disminuye debido a que el mínimo
aumento de directividad no compensa la disminución de eficiencia.
Respecto a la distribución de corrientes como se puede ver en la Figura 6.26, la
distribución es máxima en la parte superior de la red d adaptación y al principio de la
parte inductora de la antena, mientras que es cero en la parte final (parte capacitiva), lo
que en definitiva queda más equilibrado que no en el dipolo simple.
Figura 6. 26 Distribución de corriente del dipolo con parta de inductor y capacitor.
93
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En la Figura 6.27 se puede ver el diagrama de radiación tridimensional.
Figura 6. 27 Diagrama de radiación tridimensional simulado con el momentum del ADS.
Una vez asegurados que los parámetros y las simulaciones son correctas, se enviará un
archivo de AutoCAD (extensión .dxf) al departamento técnico de la universidad para
que puedan realizar la fabricación de la antena sobre la fibra de vidrio (Figura 6.28).
Figura 6. 28 Antena propia impresa sobre fibra de vidrio
94
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.3 Dipolo inductivo cargado capacitivamente para
banda americana.
La próxima antena que diseñaremos, será una modificación de la anterior para que
abarque el rango Americano, ya que al tener la forma de inductor y capacitador
reducimos considerablemente el ancho de banda y no es posible alcanzar las dos bandas.
Empezaremos creando el schematic (Figura 6.29) de la misma forma que en la banda
Europea, pero reduciendo las dimensiones del inductor a 19.9 mm (Figura 6.30) para
aumentar la frecuencia nominal.
Figura 6. 29 Schematic del dipolo inductor y capacitor para la banda Americana
Figura 6. 30 Esquema con las medidas más características de la antena
Una vez realizado el schematic con las dimensiones modificadas, se generará el layout
en el que podremos ver las pistas del circuito como resultado final de la antena (Fig.
6.31).
95
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 31 Layout de la antena en ADS
Con el layout generado la configuración el substrato de vidrio y la metalización de las
capas quedará de la siguiente manera:
Figura 6. 32 Características del substrato y metalización de las capas.
96
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
El siguiente paso será editar los dos puertos del dipolo en modo diferencial a 50 Ω, uno
con polaridad normal y el otro reservado. Una vez conformados todos estos datos se
puede proseguir con la simulación (Fig. 6.33).
Figura 6. 33 Gráficas S11 y impedancia de la antena para una impedancia distinta a la del chip
En la primera simulación se puede observar, como está totalmente desadaptada debido a
que tiene aparentemente como impedancia de entrada 50Ω y no la real del chip. Para
forzar la entrada, necesitaremos crear un schematic (Figura 6.34) con un término que
simule los 40-j·100Ω.
Figura 6. 34 Esquema circuital para forzar la entrada a la impedancia del chip RFID ( 40-j·100Ω).
97
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Se puede observar como en la banda de 900-928MHz (ancho de banda de 28MHz) está
bien adaptada (por debajo de -9dB) y con una frecuencia nominal centrada en 915MHz
con -24.9dB. También se puede distinguir la impedancia de 43.4+j·100Ω en la
frecuencia nominal, que se asemeja bastante al conjugado del chip, con la que se
obtendrá una transferencia de potencia máxima. Al igual que en la Carta de Smith se
puede ver cómo está bien adaptada a la impedancia de referencia Zo (Fig. 6.35).
Figura 6. 35 Gráficas S11 e impedancia de la antena propia.
La distribución de corriente se concentra principalmente en el centro mientras que se va
anulando conforme llega al final de los brazos del dipolo, comportando una distribución
más uniforme (Fig. 6.36).
Figura 6. 36 Simulación de la distribución de corriente que sufriría la antena a 915MHz.
98
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Si generamos los gráfico de ganancia y directividad podremos observar cómo han
aumentado significativamente respecto al dipolo europeo anterior, sobretodo la ganancia
(0.654dB), lo que provoca que aumente la eficiencia considerablemente hasta el 71.24%
(Fig. 6.37).
Al igual que el anterior, comparándolo con el primer dipolo simple, al aumentar la
longitud del hilo para realizar la forma del inductor y el condensador aumentamos las
perdidas óhmicas, lo que provoca que disminuya la eficiencia.
Figura 6. 37 Gráficas de la ganacia, directividad y eficiencia del dipolo.
El diagrama de radiación tridimensional (Fig. 6.38) del dipolo visto horizontalmente
nos muestra algunas sombras en las que no irradia y a su vez toda la zona que abarcaría
con sus dos lóbulos.
99
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 38 Diagrama de radiación tridimensional de la antena propia.
Con todas las simulaciones verificadas, se puede generar el fichero de AutoCAD con el
que se imprimirá sobre fibra de vidrio la antena. En la Figura 6.39 se puede ver el
resultado final del dipolo impreso con el chip adherido.
Figura 6. 39 Antena fabricada con cobre sobre fibra de vidrio.
100
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.4 Dipolo cuadrado con adaptación T-mach
La siguiente antena que se diseñará, es un elemento simétrico con dos bases cuadradas
en los extremos, para poder realizar esto se han fijado las medidas centrales y se ha ido
variando el tamaño de los dos cuadrados. A prueba de error, se ha ido simulando las
diferentes antenas, llegando a la conclusión que la más acertada para nuestra necesidad
es una con 34 mm de lado del cuadrado (Fig. 6.40).
Figura 6. 40 Esquema con las medidas del dipolo cuadrado.
Teniendo claro el dimensionado de la antena, pasaremos a realizar el schematic con la
forma deseada (Fig. 6.41).
Figura 6. 41 Schematic del dipolo cuadrado con ADS
101
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Ahora se generarán las pistas del circuito o layout, en la que podremos intuir el
resultado final de la antena (Fig. 6.42).
Figura 6. 42 Pistas del circuito generadas con ADS.
En la pantalla del layout, en la pestaña de momentum configuraremos los dos puertos en
modo diferencial, uno con polaridad normal y el otro reservado a 50Ω ambos (Fig.
6.43). Por otra parte, modificaremos las características de las capas, el substrato y la
metalización (Fig. 6.44).
Figura 6. 43 Propiedades de los dos puertos de entrada.
102
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 44 Características de la metalización y substrato de las capas.
Con todos los datos introducidos correctamente, iniciaremos la simulación con
aparentemente 50Ω de entrada, con un barrido adaptativo de 0.6 GHz hasta 1.2GHz
(Fig. 6.45). Cabe de esperar que el resultado no esté adaptado pues se tendrá que forzar
la impedancia de entrada a la del chip.
Figura 6. 45 Gráficas S11 e impedancia de la antena con impedancia entrada diferente a la del chip
103
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Para poder simular correctamente la antena, tenemos que hacer pasar el resultado por un
pequeño esquema en el que forzaremos la entrada a 40-j·100Ω (Fig. 6.46).
Figura 6. 46 Schematic para forzar la impedancia entrada de la antena con ADS.
Figura 6. 47 Gráficas S11 e impedancia de la antena con entrada de 40-j·100Ω.
En la Figura 6.47 se puede observar es el resultado obtenido tras adaptar la antena al
chip, en la que se puede ver que tanto para la banda de frecuencias Europea como
Americana está bien adaptada (por debajo de -9dB). El ancho de banda conseguido es
de 130MHz que va de los 840 MHz hasta los 970MHz, con una frecuencia nominal de
905MHz a -35.401 dB. En antedicha frecuencia se puede comprobar que la impedancia
a la que está adaptada es la correcta (40.77 + j·100.796Ω), muy aproximada a la
conjugada del chip lo que provocará una optima transmisión de potencia. Por otra parte,
en la Carta de Smith vemos como en la banda que deseamos la impedancia está muy
cerca de la impedancia de referencia.
104
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
A continuación, visualizaremos las gráficas correspondientes a ganancia, directividad y
eficiencia, para ello se tendrá que configurar el Radiation Pattern del momentum (Fig.
6.48).
Figura 6. 48 Configuración para simular las gráficas de ganancia, directividad y diagramas de radiación
Figura 6. 49 Gráfica de la ganancia, directividad y eficiencia de la antena propia.
En la Figura. 7.49 se puede ver como la eficiencia es bastante buena (del 86.038%),
resultado de la relación entre la ganancia y la directividad en escala lineal mostradas en
la gráfica superior.
105
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
η=
G 1.427
=
= 0.8603
D 1.658
La eficiencia ha aumentado algo más respecto a las antenas diseñadas anteriormente
debido a que la diferencia entre ganancia y directividad es menor, lo que conlleva que la
potencia que se recibe respecto a la que se radia es mayor que en las anteriores.
Figura 6. 50 Distribución de corriente del dipolo cuadrado
Respecto a la distribución de corriente se concentra en el centro principalmente y se va
anulando en los extremos tal y como se puede ver en la Figura 6.50.
En la Fig. 6.51, tenemos el diagrama de radiación polar donde se muestra toda la zona
donde irradiaría la antena.
Figura 6. 51 Diagrama de radiación polar de la antena.
106
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Una vez finalizadas todas las simulaciones de la antena y verificadas conforme sería
correcta la aplicación de esta en un sistema de RFID para la banda Americana y
Europea, crearemos un archivo con extensión de AutoCAD para poder imprimir el
layout y fabricar la antena encima de substrato de vidrio (Fig. 6.52).
Figura 6. 52 Antena fabricada sobre substrato de fibra de vidrio
107
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.5 Dipolo forma triangular con adaptación T-Match:
El siguiente diseño estará compuesto por un dipolo con forma triangular en los
extremos, esta última parte tendrá una dimensión de 34 mm de lado con una abertura de
70º, manteniendo intacta la parte central.
Después de varias simulaciones llegamos a la conclusión que el dimensionado óptimo
de la antena para la banda deseada es:
Figura 6. 53 Medidas de la antena triangular
Con estas dimensiones realizaremos el schematic o esquema del circuito (Fig. 6.54)
Figura 6. 54 Schematic de la antena elaborado con ADS.
Con el esquema circuital acabado se generará el layout, donde podremos ver las pistas
del circuito tal y como quedarían impresas sobre la fibra de vidrio (Fig. 6.55)
108
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 55 Layout de la antena propia
Al igual que en las otras antenas, configuraremos la metalización de las capas y el
substrato que las compone. Para ello iremos a la opción de Substrate / Create/Modify...
del momentum (Fig. 6.56).
Figura 6. 56 Configuración del substrato y metalización de las capas.
A continuación, editaremos los dos puertos en modo diferencial, uno con polaridad
normal y el otro en modo reservado y ambos asociados entre ellos. Una vez
109
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
configurados todos estos parámetros pasaremos a la simulación de la antena con una
impedancia aparentemente de entrada a 50Ω, para realizar la simulación se entrará en la
opción Simulation del momentum donde se definirá el rango de frecuencias que se
quiere simular (de 0.6 hasta 1.2GHz de forma adaptativa) y donde se desea guardar
(Fig. 6.57).
Figura 6. 57 Características de la simulación.
Una vez seleccionado las frecuencias y el modo de simulación, dándole a Simulate se
obtendrá:
Figura 6. 58 Gráficas S11 e impedancia simuladas con momentum.
110
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En estas tres gráficas superiores podremos comprobar que está totalmente desadaptado,
ya que es la primera simulación con la impedancia incorrecta. Para poder simular de
manera correcta la antena a la impedancia correspondiente necesitaremos hacerla pasar
por el circuito de a continuación (Fig. 6.59)
Figura 6. 59 Esquema del circuito que provocarà que la entrada sea de 40-j·100Ω.
Mediante este circuito conseguimos simular la antena como si tuviese incorporado el
chip de RFID.
Figura 6. 60 Gráficas S11 e impedancia de la antena simuladas con momentum.
En la Figura 6.60 se puede ver el resultado obtenido tras la simulación del dipolo con
forma triangular, viendo la primera gráfica se observa como la antena está
perfectamente adaptado a la banda que deseábamos, en concreto de los 843MHz hasta
los 955MHz (ancho de banda de 112MHz) con una frecuencia nominal de 899MHz en
la que hemos obtenido -22.704dB. Por otra parte vemos como a esta frecuencia la
impedancia que obtenemos es de 45+j·100Ω, que se aproxima bastante a la conjugada
del chip. Al igual que en la Carta de Smith donde se comprueba que tanto en la banda
Americana (902-928MHz) y en la banda Europea (865-868MHz) la adaptación es
buena.
111
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 61 Gráficas con la ganancia, directividad y eficiencia.
En la Figura 6.61 se puede ver como la eficiencia ha aumentado mínimamente respecto
al dipolo con forma cuadrada esto es debido a que el aumento de la ganancia ha sido
más considerable que el de la directividad provocando este crecimiento de la eficiencia
llegando al 86.451%, aunque para esto hemos visto reducido en ancho de banda de la
antena. Por otra parte se puede observar como la distribución de corriente, al igual que
en todas las antenas diferenciales que hemos simulado hasta el momento, se concentra
en el centro y va disminuyendo conforme se acerca a los extremos, generando una
distribución bastante uniforme (Fig. 6.62).
Figura 6. 62 Distribución de corriente del dipolo triangular
112
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 63 Diagrama de radiación tridimensional de la antena
Una vez finalizadas todas las simulaciones para comprobar que la antena es correcta,
pasaremos a la creación de esta sobre el substrato de fibra de vidrio tal y como se puede
observar en la Figura 6.64.
Figura 6. 64 Antena de fabricada sobre fibra de vidrio.
113
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.6 Parche simétrico
Hasta el momento todas las antenas diseñadas eran variaciones de dipolos diferenciales
en los que se le había aplicado una adaptación en T-Match con distintas formas, a
continuación se elaborará un parche simétrico con un plano de masa separado a 8 mm
que actuará como reflector.
Esta vez para conseguir adaptar el parche a la frecuencia y a la impedancia deseada se
han diseñado unos pequeños cortes u oberturas a los lados de cada puerto. Para poder
diseñar esta antena se ha fijado unos parámetros como el espacio de las oberturas que es
de 1mm y el ancho del parche a 35 mm, y se ha ido modificando el resto hasta
conseguir que resonase a la frecuencia deseada y tuviese una buena adaptación en toda
la banda, tanto Americana como Europea. En la Figura 6.65, tenemos un esquema con
las medias más características de la antena.
Figura 6. 65 Medidas del parche.
En la Figura 6.66 tenemos la vista en alzado del parche, donde se pueden ver las
medidas y la separación de la antena con el plano de masa.
Figura 6. 66 Vista del alzado del parche
Creamos el schematic en el que insertaremos todos los componentes que compondrán la
antena y sus dimensiones, para que la poder diseñar la antena correctamente y de la
forma más simplificada posible hemos creado unas dependencias en las medidas para
que al modificar dos parámetros (AmpleMig y Ample) se modifique toda la estructura
sin perder su forma original (Fig. 6.67).
114
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 67 Esquema circuital del parche simétrico.
Cuando ya hemos creado el schematic correctamente, generamos el layout donde se
verán las pistas de circuito (Fig. 6.68).
Figura 6. 68 Layout de la antena generado con ADS.
Una vez generado el layout, sólo queda configurar los puertos, la metalización de las
capas y su substrato. En cuanto a los puertos, en el caso de un parche se configurarán de
manera Single y con impedancia de 50Ω para hacer posible la simulación de manera
correcta, ya que si se hiciera con la impedancia del chip y luego no se forzase con el
schematic el resultado sería incorrecto, esto es debido a que en el Port Editor del ADS
no es seguro asignarle una impedancia concreta a los puertos ya que la simulación la
realizaría de manera errónea (Fig. 6.69).
115
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 69 Propiedades de los puertos de entrada del parche.
Una vez editado los puertos, se configurará la metalización de las capas y el substrato de
esta, en la que asignaremos el grosor del substrato (8 mm), la permitividad del substrato
y sus pérdidas (εr≈4.7, tanδ=0.002) y se añadirá un plano de masa al final de la fibra de
vidrio (Fig. 6.70).
Figura 6. 70 Características de la metalización y el substrato de las capas del parche.
116
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Con todos estos parámetros introducidos correctamente, se puede dar paso a una
primera simulación con una impedancia de 50Ω (Fig. 6.71), la que lógicamente saldrá
totalmente desadaptada pero es imprescindible para luego poder forzar la entrada del
circuito a la impedancia correcta del chip RFID.
Figura 6. 71 Gráficas S11 e impedancia del parche con entrada distinta a la del chip RFID.
Con la simulación a 50Ω realizada, gracias al circuito de la Figura 6.72 donde creamos
un término de entrada con impedancia de 40-j·100Ω, podremos realizar la simulación
correcta.
Figura 6. 72 Esquema del circuito que forzará la entrada a la impedancia del chip.
En la Figura 6.73, se puede observar como el parche tiene dos picos importantes en los
que resuena uno a 741.5 MHz y el otro a 864MHz con -24.303dB. Este último es el que
nos interesaría porque es el que cae en la banda Europea (865-868MHz), las frecuencias
que se consideraría una correcta adaptación para la lectura de esta antena serían de los
846.5MHz hasta los 878MHz, dejando un ancho de banda bastante reducido, respecto a
117
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
las antenas anteriores, de 31.5MHz. Por otra parte si se observa la Carta de Smith se
puede apreciar como el parche está bien adaptado para la franja en la que trabajamos.
Figura 6. 73 Gráfica S11 y impedancia del parche simuladas con momentum
Cuando se simula la directividad y la ganancia se puede apreciar que han aumentado
significativamente respecto a las anteriores antenas, prácticamente el doble con una
ganancia de 3.111dB y una directividad de 4.768 dB, pero la diferencia entre estas es
mayor lo que provoca una disminución clara de la eficiencia (68.283%). Esto era de
esperar, ya que un parche de estas dimensiones tiene muchas más pérdidas óhmicas que
cualquier antena diferencial que hemos diseñado hasta el momento (Fig. 6.74).
118
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 74 Gráficas de la ganacia, directividad y eficiencia simuladas con momentum
En la Figura 6.75 se puede ver la distribución de corrientes, como se anula en la mayor
parte del parche y se concentra en las partes más débiles de este. También se observa
como en el diagrama de radiación (Fig. 6.76), la antena radia en una sola dirección
debido al plano de masa que la limita, pero de esta forma conseguimos una mayor
directividad.
Figura 6. 75 Distribución de corriente del parche.
119
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 76 Diagrama de radiación tridimensional del parche
Una vez obtenidos todos lo resultado del parche y verificados que sean correcto, se
enviará la antena en un archivo de AutoCAD para que se imprima sobre fibra de vidrio
obteniendo como resultado:
Figura 6. 77 Diferentes vistas del parche impreso sobre fibra de vidrio.
120
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.7 Parche diferencial λ/4
El último tag que se diseñará en este proyecto, es un parche diferencial asimétrico con
plano de tierra separado a 1.6mm, esto se conseguirá debido a que se hará medio parche
(sólo una banda en el caso de uno simétrico) que se cortocircuitará por el extremos
exterior a tierra con dos resistencias mediante un vía, con las cuales según su valor se
podrá aumentar o disminuir el ancho de banda, y en el otro extremo se diseñará una
línea de transmisión de λ/4 creando así un cortocircuito virtual en el centro de las
entradas (Figura 6.78.). Con esto, lo que se pretende conseguir principalmente es el
mismo efecto de un parche pero reduciendo las dimensiones a prácticamente la mitad,
factor que para según qué aplicación es de agradecer.
Figura 6. 78 Esquema del parche con dimensiones definitivas.
Al igual que con el otro parche, a cada los lados del puerto de entrada se han realizado
dos cortes o oberturas para conseguir adaptar este a la frecuencia e impedancia
deseadas. Se tiene que tener en cuenta que al introducir un vía y dos resistencias para
optimizar el ancho de banda también se está insertando parásitos que pueden provocar
efectos no deseados (como el desplazamiento de la frecuencia) en el resultado final del
parche. Para evitar y tener en cuenta este problema, a la hora de forzar la entrada a la
impedancia del chip (40-j·100Ω) en la red de adaptación se añadirá el vía y la
resistencias correspondientes para conseguir así una simulación lo más real posible.
Destacar también, que al igual que en todas las antenas diseñadas en este proyecto se
han realizado equivalencias de proporcionalidad para poder mantener la forma original
de la antena al modificar las variables que lo conforman, de entre las cuales se han
fijado algunas y otras se han ido modificando hasta conseguir el resultado deseado.
Se crea el schematic o esquema circuital de la antena introduciendo todas dimensiones
correspondientes (Figura 6.79).
121
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 79 Schematic de la antena con ADS
Una vez creado el esquema circuital, se generará el layout dejando ver así las pistas del
circuito y a su vez el resultado final de la antena (Figura 6.80).
Figura 6. 80 Layout de la antena generado con ADS
Con el layout ya formado, se configurará tanto la metalización de las capas y su
substrato como los puertos. En cuanto a los puertos, se establecerán del tipo Internal y
con impedancia de 50Ω (Fig. 6.81).
122
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 81 Propiedades de los puertos del parche
Una vez editado los puertos, se configurará la metalización de las capas y el substrato de
esta, en la que asignaremos: el grosor del substrato (1.6 mm) que será la separación del
parche con el plano de masa, la permitividad del substrato y sus pérdidas (εr≈4.7,
tanδ=0.002) (Figura 6.82).
Figura 6. 82 Características del substrato y capas.
123
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Con todos estos parámetros introducidos correctamente, se puede dar paso a una
primera simulación con una impedancia de entrada de 50Ω (Fig. 6.84), la que
lógicamente saldrá totalmente desadaptada pero es imprescindible para luego poder
forzar la entrada del circuito a la impedancia correcta del IC RFID. Esta simulación, se
hará de forma adaptativa de los 600 hasta los 1200MHz (Figura 6.83) mediante la
aplicación momentum del ADS.
Figura 6. 83 Parámetros de simulación introducidos en momentum
Figura 6. 84 Simulación con momentum a 50Ω
124
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Con la simulación a 50Ω realizada, gracias al circuito de la Figura 6.85 se podrá
realizar una simulación bastante cercana a la que se obtendría de la medida real de la
antena, ya que tenemos en cuenta los parásitos (elementos externos) que pueden afectar
de manera negativa al resultado que se desea obtener. En este circuito se crea un
término de entrada con impedancia de 40-j·100Ω para forzar esta y se introduce el vía
con las dos resistencias en paralelo de 1.8Ω (impedancias que se insertarán una vez
fabricada) que cortocircuitarán con el plano de masa, corrigiendo así el efecto que se ha
comentado anteriormente.
Figura 6. 85 Circuito para simular el parche a la impedancia correcta.
En la Figura 6.86 se puede observar como el parche en toda la frecuencia deseada está
bien adaptado (perdidas de retorno <-9dB), provocando así un ancho de banda de
59.7MHz que va de los 860.6MHz hasta los 920.3 englobando de esta manera tanto la
banda Europea como Americana. La frecuencia nominal de resonancia es de 891.6MHz
alcanzando los -28.2dB. Por otra parte, también se puede comprobar cómo la
impedancia a esa frecuencia es muy próxima a la conjugada del circuito integrado de
RFID (38.25 + j·102.5Ω) consiguiendo de esta manera una mayor transmisión de
potencia. En la Carta de Smith se puede ver como en toda la banda deseada la
adaptación es buena.
125
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 6. 86 Simulación con impedancia de entrada 40-j·100Ω
En la Figura 6.87, se puede ver la gráfica con la directividad (5.88dB), ya que la
ganancia y eficiencia no es posible simularlas correctamente ya que con el momentum al
no pasar por la red de adaptación no sé contempla las resistencias ni el vía y esto
provoca que este muy desadaptada. Por este motivo sólo se simula la directivdad ya que
no depende ni de la adaptación y la impedancia o coeficiente de adaptación
Figura 6. 87 Gráfica con la directividad del parche
126
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En cuanto a la distribución de corrientes, se puede observar como es máxima en el
puerto de entrada del parche y prácticamente nula en el resto, incluyendo la línea de
transmisión de λ/4 (Figura 6.88).
Figura 6. 88 Distribución de corriente del parche con momentum
Por otra parte, al simular el diagrama de radiación se puede observar como el lóbulo de
radiación únicamente aparece en la parte opuesta al plano de masa, efecto lógico ya que
este actúa como reflector del parche impidiendo la radiación por ambos lados (Figura
6.89)
Figura 6. 89 Diagrama de radiación tridimensional del parche.
127
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Una vez obtenidos todos lo resultado del parche y verificados que sean correcto, se
enviará la antena en un archivo de AutoCAD (extensión .dxf) para que sea posible la
fabricación del tag sobre fibra de vidrio.
Con la antena fabricada sólo faltará insertar las resistencias (cortocircuitando con el
plano de masa) y el chip RFID para completar la antena (Figura 6.90).
Figura 6. 90 Parche fabricado sobre fibra de vidrio
128
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
6.8 Resumen de las antenas diseñadas
Una vez todas las antenas diseñadas y simuladas, se procede a la fabricación de estas
sobre fibra de vidrio. Con estas ya impresas, se procede a la inserción de chips RFID
(Impinj) en cada una de ellas para poder comprobar que el resultado ha sido correcto,
intentando leerlas con el reader y calculando que rango de lectura se ha conseguido.
Figura 6. 91 Lector FEIG ISC.LRU 1000 y antena MAXRAD MP9026CPRXFPT
En la Tabla 6.1 de a continuación, se puede observar un resumen de las características
principales de los tags diseñados.
Tag
Rango de Frq (MHz) /
BW (MHz) /
Pérd. Retorno (dB)
G (dB) /
D (dB) /
η
Dimensiones
(mm)
Rango de
lectura
(m)
836-920 / 84 / -45
1.6 /
2.32 /
84.91%
138x3.5
3.2
860-885 / 25 / -41.1
0.37 /
2.12 /
66.84%
65x23.5
1
900-928 / 28 / -24.9
0.65 /
2.13 /
71.24%
65x21.9
2
1.54 /
2.2 /
86.03%
101x34
1
843-955 / 112 /-22.7
1.56 /
2.2 /
86.45%
101x40
2.6
846.5-878 / 31.5 /
-24.3
3.11 /
4.77 /
68.28%
151.7x35x8
5
840-970 / 130 / -35.4
129
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
860.6-920.3 / 59.7 /
-28.2
D = 5.88
54x18.4x1.6
0
Tabla 6. 1 Cuadro resumen de las antenas diseñadas
Sería interesante destacar que el rango de lectura es algo inferior o incluso nulo en
alguna ocasión, ya que como se verá en el apartado 7 algunas de las antenas salieron
desplazadas a una frecuencia inferior lo provoca que la distancia disminuya. Algunas
una vez ya fabricadas, se retocaron (por norma recortando los extremos, para aumentar
la frecuencia) para conseguir centrarlas y así un mayor rango de lectura.
130
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7. Medidas
7. 1 Medidas con Caracterización de dispositivos
diferenciales con VNA
Para poder llevar este tipo de medida, como se vio en el apartado 5.3.1 consta de dos
pasos, el primero en el que el puerto 1 del VNA se conecta mediante un condensador
del tipo DielectricLabs modelo C06 [Véase Anexo D] a las dos entradas diferenciales
para lo que es necesario añadirle a todas las antenas una pequeña línea de transmisión, y
el segundo paso en el que el puerto 1 del VNA se conecta a una entrada diferencial,
mientras la segunda se AC cortocircuita a tierra, para lo que se necesitará una base al
lado de la línea para poder realizar esto (Figura 7.1).
Figura 7. 1 Esquema de un tag con líneas añadidas para medida de dispositivos diferenciales
Una vez añadido, todas las partes adicionales a los tags, se necesitará un kit de
calibración para el VNA ignorando la línea de transmisión que se le ha añadido para la
medida (Figura 7.2). Pero cómo es posible que la línea y los conectores SMA14 no sean
siempre iguales, se verá como en alguna ocasión se corregirá la fase indicándole
únicamente el retraso eléctrico que podría provocar esta línea de 50Ω.
14
Conector SMA: siglas de SubMiniature versión A es un conector roscado para cable coaxial utilizado
principalmente en microondas, con una impedancia característica de 50 Ω
131
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 2 Kit de calibraicón calibrar el VNA despreciando la línea de transmisión (Open, Shorted,
Load)
Con todo preparado, lo único que será necesario es crear una aplicación con el Matlab
en la que se generen las gráficas parámetros S automáticamente mediante los cálculos
correspondientes del apartado 5.3.1. [Véase Anexo E y F]
Sería interesante destacar que todas las mediciones se realizarán con un analizador de
campo de Agilent Technologies modelo E5062A con un rango de operación de 300kHz
hasta los 3GHz (Figura 7.3).
Figura 7. 3 Analizador de campo Agilent con caja de calibración OSL encima.
132
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.1.1 Medida dipolo adaptación T-Match
Para realizar la caracterización del dipolo se necesitará insertar la línea de transmissión
y las dos bases que irán unidas al plano de masa mediante vías (Figura 7.4).
Figura 7. 4 Dipolo preparado para medida
Con estos elementos introducidos en el tag, realizaremos los dos pasos necesarios para
obtener los parámetros S’11 y S’’11 con los cuales se obtendrá la admitancia de entrada
diferencial como se vió en el apartado 5.3.1, todos estos cálculos se realizarán como se
ha comentado anteriormente, automáticamente con una aplicación realizada con Matlab
en la que se generarán las gráficas correspondientes [Véase Anexo F].
Tras realizar várias mediciones (con condensador de 47pF, con OSL, con delay...) , se
he llegado a la conclusión que la medida más óptima (mejor adaptada y más aproximada
a la simulación) es la que se tenien en cuenta el retraso de 370 ps que aporta a la antena
la línea de transmisión añadida (cálculado anteriormente mediante la Carta Smith
cortocircuitando el extremos de la línea).
A continuación se puede observar el resultado de antedicha medida, donde ser aprecia
como en la banda deseada la antena está bien adaptada, aunque se ha desplazado en
frecuancia unos 20MHz menor (Figura 7.5).
S11
0
-2
Return Loss(dB)
-4
-6
-8
X: 900.2
Y: -10.15
X: 750.3
Y: -9.036
-10
-12
-14
500
600
700
800
f(MHz)
900
1000
Figura 7. 5 Pérdidas de retorno del dipolo
133
1100
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Por otra parte, en la Figura 7.6 se puede observar como la impedancia también ha
variado respecto a la simulación, alcanzando el valor de 59.9+j·100Ω.
S11
Real
Imag
200
Impedancia (Ohmios)
150
X: 877.7
Y: 102.8
100
50
X: 877.7
Y: 59.98
0
740
760
780
800
820 840
f(MHz)
860
880
900
920
Figura 7. 6 Impedancia de la antena
Para apreciar mejor las diferencias entre la simulación y la medida real,
superpondremos ambas gráficas en el ADS, para ello se ha creado una aplicación con
Matlab que permite exportar los datos de frecuencia y parámetros S11 a un fichero con
extensión .tch [Véase Anexo G].
Después se creará un schematic donde se insertará este fichero y se podrán generar las
gráficas deseadas en ADS, obteniendo así una clara visión de la simulación y la medida
superpuestas en un mismo gráfico para poder comparar ambas con mayor facilidad y
precisión (Figura 7.7).
134
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 7 Gráfica S11 y Carta de Smith de la simulación y medida real.
Como se puede observar en la Figura 7.7 está más desadaptada y desplazada que la
simulación, efecto que era de esperar ya que con este tipo de caracterización se insertan
demasiados parásitos (elementos externos) que pueden perjudicar las características de
la antena. Aunque de todas formas, está lo suficiente bién adaptada como para conseguir
un rango de lectura de 3.2m.
A continuación, se volverá a simular el dipolo, pero insertando los elementos externos
que se han añadido para realizar la medida (línea de transmisión, bases, plano de masa,
soldaduras, condensadores...) en los dos modos (común y diferencial), con esto lo que
se pretende demostrar es que la introducción de todos estos componentes pueden
perjudicar a la hora de caracterizar la antena. Para asegurarnos que está simulación sea
correcta antes realizaremos la simulación de una red en π con los dos pasos (modo
común y diferencial), la cual será sencilla de comprovar (Figura 7.8).
Figura 7. 8 Red en π
Sabiendo que:
Vd
2
V
V1 = Vc − d
2
V1 = Vc +
135
(7.1)
(7.2)
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Siendo Vc y Vd las tensiones en modo común y diferencial respectivamente.
Modo Común:
Figura 7. 9 Red π en modo común
Deduciendo que:
Zinc = Z 2
(7.3)
Modo Diferencial:
Figura 7. 10 Red π en modo diferencial
Donde Zd será el doble de la resistencia equivalente de las impedancias que están en
paralelo:
2
Zd =
(7.4)
1
2
+
Z 2 Z1
A continuación simularemos con ADS, una red π con las tres impedancias del mismo
valor (100Ω) y dos condensadores de (47 pF) (Figura 7.11).
136
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 11 Esquema de la red π en modo común y diferencial.
Al simular el esquema obtenemos la lista con las frecuencias y sus impedancias
diferenciales (Zd) correspondientes (Tabla 7.1):
Tabla 7. 1 Listado con las frecuencias y impedancias diferenciales
Como se puede observar, en la Tabla 7.1 obtenida con la simulación de ADS, la
impedancia ronda sobre los 66.67Ω aproximadamente. Este resultado se puede
comprovar utilizando (7.4):
137
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Zd =
2
1
2
+
Z 2 Z1
=
2
1
2
+
100 100
=
)
2
200
=
= 66.6Ω
3
3
100
Con esta comprobación, se puede afirmar que la simulación de la caracterización del tag
(modo común y diferencial), se realizará correctamente.
Una vez se tiene claro esto, se puede pasar a simular el tag en los dos modos con los
elementos externos (parásitos) que se añadieron para poder realizar la caracterización de
sistemas diferenciales (Figura 7.12).
Figura 7. 12 Esquema para la simulación del tag real.
Como se puede observar en la figura anterior, a la configuración del método de
caracterización se le ha añadido los condensadores C17 de 47pF, los cuales són muy
parecidos a los C06 que se utilizan en realidad, que se encargarán de conectar las
entradas diferenciales con el puerto de 50Ω (puerto del VNA) en el modo común y en el
modo diferencial conectarán una entrada diferencial con el puerto y la otra
conrtocircuitada con el plano de tierra. También se le ha añadido una pequeña línea de
transmisión delante de cada puerto, del mismo ancho (2.9mm) y de 1mm de largo ya
que la línea tampoco tendría que ser igual. Para simular las soldaduras realizadas en la
medida, se han añadido dos condensadores uno de 0.2 pF y el otro de 0.1pF. Y para
finalizar se ha añadido un vía que es el que une el plano de masa con el condensador
que cortocircuita la entrada en el modo diferencial.
Con todos estos elementos introducidos schematic, se simula obteniendo:
138
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 13 Simulación con elementos añadidos para la caracterización
Se puede observar como en la Figura 7.13 la adaptación se parece más a la obtenida por
el método de caracterización utilizado, para comparar con más detalle las gráficas
obtenidas de la simulación (con los elementos parásitos, para simular la caracterización)
y las de la medida en la Figura 7.14 se superponen.
Figura 7. 14 Gráficas S11 superpuestas
Si se observa la Figura 7.14 se puede deducir que el sistema utilizado para caracterizar
las antenas diferenciales, al tener la necesidad de integrar otros elementos agenos al tag
se crean demasiados parásitos los cuales provocan la desadaptación de esta. Este
método una de las ventajas que tiene es que se pueden caracterizar dispositivos no
simétricos lo que nos lleva a necesitarlo para medir uno de los parches.
Debido a la gran diferencia entre la simulación de la antena y la medición (Figura 7.7),
se utilizará también otro sistema de medida basado en la teoría de las imágenes
explicada anteriormente en el apartado 5.3.2
139
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.1.2 Medida dipolo inductivo cargado
capacitivamente para banda europea
En este apartado se aplicará el método de caracterización para dispostivos diferenciales
al dipolo inductivo cargado capacitivamente para la banda europea. Para ello, al igual
que en el dipolo, será necesario insertar una línea de transimisión y dos bases que irán
unidas al plano de masa mediante vías (Figura 7.15).
Figura 7. 15 Tag con línea de transmisión y bases conectadas a GND mediante vías
Con estos elementos introducidos en el tag, se realizará los dos pasos necesarios para
obtener los parámetros S’11 y S’’11 con los cuales se obtendrá la admitancia de entreda
diferencial como se vió en el apartado 5.3.1, todos estos cálculos se realizarán
automáticamente con la aplicación realizada con Matlab.
Tras realizar várias mediciones, se ha llegado a la conclusión que la medida más óptima
es es la que se tenien en cuenta el retraso de 370 ps que aporta la línea de transmisión
añadida [Véase Anexo F]., en cambio de la calibración con OSL para despreciar la línea.
A continuación se puede observar el resultado de antedicha medida (Figura 7.16).
140
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 16 Pérdidas de retorno e impendacia del la antena.
Como se puede ver en la Figura7.16, la medida ha salido bastante desplazada y a su vez
en la banda deseada (EU: 865-868MHz) se ha desadaptado considerablemente. Por otra
parte, vemos que la impedancia que debería tener resuena en frecuencias por debajo de
800MHz. Esto es debido a que se ha insertado elementos externos al tag para realizar la
medida y provoca este desplazamiento (como se demostró en el apartado 7.1.1)
141
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.1.3 Medida dipolo cuadrado con adaptación T-Match
En este apartado se medirá el dipolo cuadrado con adaptación T-Match, para ello igual
que en los tags anteriores se necesitará configurar de la siguiente manera:
Figura 7. 17 Configuración del tag para la medida.
Con estos elementos introducidos en el tag, se realizará la medida y mediante la
aplicación realizada con Matlab se generarán automáticamente las gráficas deseadas.
En este caso a diferencia de los otros, tras realizar várias mediciones, se ha llegado a la
conclusión que la medida más óptima es es la que se utiliza el kit de calibración con
OSL con el que se desprecia la línea de transimisión (Figura 7.2).
En las siguientes figuras se puede observar el resultado obtenido tras la caracterización
del tag y la ejecución de la aplicación del Matlab [Véase Anexo E]:
Figura 7. 18 Pérdidas de retorno con 50Ω
142
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 19 Impedancia del tag con la caracterízación
Figura 7. 20 Pérdidas de retorno con impedancia de 40-j·100Ω
En Figura 7.18 se puede observar la medida de la antena con una impedancia de 50Ω la
cual esta bien adaptada aunque no es a la impedancia de entrada del IC, por otra parte se
puede ver en la Figura 7.19 y 7.20 la impedancia del tag y las pérdidas de retorno de
este respectivamente, estas estan desplazadas a una frecuencia superior efecto que es
provocado por los elementos introducidos en la caracterización de la antena.
143
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.1.4 Medida dipolo forma triangular con adaptación
T-Match
En este apartado se medirán los parámetros del tag con forma triangular adaptado con la
técnica T-Match. A este se le a añadido una línea de transmisión y un plano de masa
para poder realizar correctamente la caracterización como se puede observar en la
Figura 7.21
Figura 7. 21 Tag preparado para el sistema de caracterización utilizado
Con los elementos del sistema que se utiliza insetados en el tag, se realizará los dos
pasos necesarios para obtener los parámetros S’11 y S’’11 con los cuales se obtendrá la
admitancia de entreda diferencial como se vió en el apartado 5.3.1, todos estos cálculos
se realizarán automáticamente con la aplicación realizada con Matlab
Al igual que en el dipolo con forma cuadrada, tras realizar várias mediciones, se ha
llegado a la conclusión que la medida más óptima es es la que se utiliza el kit de
calibración con OSL con el que se desprecia la línea de transimisión.
En las siguientes figuras se puede observar el resultado obtenido tras la caracterización
del tag con el VNA y la ejecución de la aplicación creada con Matlab encargada realizar
los cálculos y generar las gráficas correspondientes a los parámetros S [Véase Anexo E]:
144
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
S11
-1
Pérdidas de retorno (dB)
-2
-3
X: 975
Y: -4.007
X: 1083
Y: -4.239
-4
-5
-6
-7
-8
X: 1029
Y: -9.229
-9
850
900
950
1000
1050
freq (MHz)
1100
1150
1200
Figura 7. 22 Pérdidas de retorno obtenidas con la medida del tag triangular
S11
180
Real
Imag
160
140
Impedancia (Ohmios)
120
X: 1029
Y: 95.04
100
80
60
40
X: 1029
Y: 19.85
20
0
-20
1000
1050
1100
1150
freq (MHz)
1200
1250
1300
Figura 7. 23 Impedancia del tag triangular
En la Figura 7.22, se puede observar la gráfica S11 donde se muestra como el tag se ha
desplazado a 1029MHz como frecuencial nominal, desadaptandose en la banda que se
deseaba. Por otra parta, en la Figura 7.23 se puede ver como en esa frecuencia la
impedancia es algo aproximada a la conjugada del chip (40-j·100Ω), con lo que se
puede llegar a la conclusión que en esa frecuencia estaría bien adaptada.
Esto es debido al efecto que provoca los elementos que se han añadido el cual se ha
comentado y demostrado en el apartado 7.1.4. Aparte, de la demostración este tag al
insertarse el IC se pudo leer con el reader a una distancia de 3.2m lo que vuelve a
demostrar que al añadir los elementos parásitos para la medida lo que se provoca es un
desplazamiento frecuencial en esta.
145
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.1.5 Medida parche diferencial λ/4
El último tag, que se medirá con este método de caracterización es el parche diferencial
λ/4, por otra parte destacar que el parche simétrico que se diseño en el apartado 6.6 no
se ha podido medir con este método debido a su forma, la cual impedía la inserción de
la línea de transmisión y los elementos necesarios para realizar la medida.
Como se puede observar en la Figura 7.24 también se han insertado estos antedichos
elementos externos para hacer posible la medida, en este caso por su configuración sólo
se ha insertado una base que está conectada a masa mediante vías:
Figura 7. 24 Tag configurado para ser medido con el sistema de caracterización de dispositivos
diferenciales mediante un VNA.
Con los elementos del sistema que se utiliza insetados en el tag, se realizará los dos
pasos necesarios para obtener los parámetros S’11 y S’’11 con los cuales se obtendrá la
admitancia de entreda diferencial como se vió en el apartado 5.3.1, todos estos cálculos
se realizarán automáticamente con la aplicación realizada con Matlab, en este tag se
insertarán DC Blocks C06 en cambio de los condensadores C06 normales ya que esto
insertan muchas menos pérdidas (hasta los 30GHz <-0.9) [Véase Anexo H],
Tras realizar várias mediciones (cambiando la resistencias del extremo del parche (1Ω y
1.8Ω), corrigiendo el retraso de la línea y despreciandola con el kit de calibración OSL),
se ha llegado a la conclusión que la medida más óptima es es la que se utilizan dos
resistencia en paralelo de 1.8Ω y se corrige el retraso de 362.5 ps provocado por la línea
de transimisión.
En las siguientes figuras se puede observar el resultado obtenido tras la caracterización
del tag con el VNA y la ejecución de la aplicación creada con Matlab encargada realizar
los cálculos y generar las gráficas correspondientes a los parámetros S
146
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
S11
0
-1
Pérdidas de retorno (dB)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
X: 330.4
Y: -9.304
-9
150
200
250
300
350
400
freq (MHz)
450
500
550
Figura 7. 25 Pérdidas de retorno obtenidas de la medida del parche diferencial
S11
Real
Imag
160
Impedancia (Ohmios)
140
120
X: 330.4
Y: 87.08
100
80
X: 330.4
Y: 78.88
60
40
20
260
280
300
320
freq (MHz)
340
360
380
Figura 7. 26 Impedancia del parche a la frecuencia nominal
En la Figura 7.25, se puede observar la gráfica S11 donde se muestra como el tag se ha
desplazado a 330.4MHz como frecuencial nominal, desadaptandose en la banda que se
deseaba. Por otra parta, en la Figura 7.26 se puede ver como en esa frecuencia la
impedancia (78.9+j·87Ω)es muy distinta a la conjugada del chip (40-j·100Ω), con lo que
se puede llegar a la conclusión que se ha desadaptado y desplazado frecuencialmente.
Esto aparte de ser debido al efecto que provoca los elementos que se han añadido el cual
se ha comentado y demostrado en el apartado 7.1.4, también se debe que el efecto de
insertar las dos resistencias de 1.8Ω es muy crítico pudiendo desplazar y desadaptar el
tag de esa manera. Debido a esta desadaptación este no pudo ser leído.
147
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.2 Medidas basadas en la Teoría de las imágenes
En este apartado se llevará a cabo otro tipo de medida que se basa en la teoría de
imágenes, como se vio en el apartado 5.3.2, este nuevo sistema surge de la necesidad de
medir los parámetros de las antenas sin insertar elementos externos a estas como se
hacía en el método anterior, provocando el efecto no deseado que se ha comentado en
anteriores veces. La desventaja de este tipo de medida es que sólo se podrá aplicar en
antenas simétricas, lo que excluya a una de las diseñadas en este proyecto,
concretamente al parche diferencial λ/4.
Para conseguir realizar este tipo de medida de forma correcta, se tendrán que cortar
todas las antenas por su eje de simetría y posteriormente soldarlas verticalmente a un
plano de masa en el cual irá insertado un conector SMA (Figura 7.27).
Figura 7. 27 Esquema general que seguirá la medida basándose en la Teoría de imágenes
Con este tipo de medida, basándose en que gracias a la teoría de imágenes aparecerá una
antena imagen o imagen especular del tag en substitución del plano de masa. Esta se
sitúa por debajo del plano de tierra a la misma distancia a la que se encuentra la antena
real. Por este motivo los tags se soldarán verticalmente, ya que así el tag y su imagen
estarán en fase. Provocando así que la carga eléctrica imaginaria sea igual pero de signo
contrario, la corriente vaya en el mismo sentido y la impedancia de entrada del tag
cortado sea la mitad que la del tag completo que se crea.
Para realizar los cálculos de este sistema de caracterización se ha creado una aplicación
con el Matlab, la cual automáticamente hará los cálculos y generará la gráfica S11
indicando así las pérdidas de retorno [Véase Anexo I]
148
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.2.1 Medida dipolo adaptación T-Match
La primera antena que se medirá con este sistema es el dipolo con adaptación T-Match,
para ello este se ha cortado por su eje de simetría y se ha soldado al conector SMA
(Figura 7.28) para posteriormente insertar ambos en el plano de masa (Figura 7.29).
Figura 7. 28 Dipolo cortado (monopolo) y soldado al SMA
Figura 7. 29 Dipolo cortado con plano de masa
Con el dipolo cortado insertado en el plano de masa, se puede ejecutar la aplicación de
Matlab para que genere la gráfia S11 con las pérdidas de retorno. Destacar también que
como se puede observar en la Figura 7.29 que una pequeña separación entre el tag y el
plano de masa, cosa que podría perfudicar la medida, esto se intentará resolver
añadiendo una cantidad de papel de aluminio (haciendo de GND) para aumentar el
plano de tierra que se tiene.
149
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 30 Gráfica S11 obtenida con sistema de medida basada en teoría de imágenes
En la Figura 7.30 se puede observar el resultado obtenido del sistema de caracterización
de la antena mediante la teoría de imágenes, en este se observa como en la banda de 850
hasta 895.5MHz (con un ancho de banda de 45.5MHz) está bien adaptado y con una
frecuencia nominal de 871MHz donde las pérdidas de retono son de -11.66dB.
Si comparamos este resultado con los obtenidos en el apartado 7.1.1 (concretamente
con la Figura 7.5) se puede observar como este sistema al no tener que aplicar
elementos parásitos que puedan perjudiar, tiene un resultado bastante mejorado. Aunque
este dipolo tendría que abarcar ambas bandas de frecuencias como se obtuvo en la
simulación con ADS (Figura 7.31)
Figura 7. 31 Simulación pérdidas de retorno en ADS
150
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Para conseguir que el dipolo abarque las dos frecuencias se necesitará desplazar este a
mayor frecuencia lo que se logrará reduciendo la longitud de este (λ).
f =
c
λ
Se reduce 1 mm aproximadamente el dipolo obteniendo:
Figura 7. 32 Gráfica S11 con dipolo recortado 1mm
Como se puede observar en la Figura 7.32 se ha conseguido desplazar a mayor
frecuencia el tag obteniendo como frecuencia nominal 892MHz y un ancho de banda
aproximadamente de 49MHz que van de los 864 hasta 913MHz, logrando una buena
adaptación en tanto la banda Europera como la Americana.
También se realiza la prueba quitando el plano de masa e improvisando uno con papel
de aluminio con el cual se obtienen los mismos resultados, concluyendo que el tamaño
del plano de masa no influia demasiado o que era suficientemente grande el utilizado.
151
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.2.2 Medida dipolo inductivo cargado
capacitivamente para banda europea
En este apartado se aplicará el sistema de medida basado en la teoría de las imágenes al
dipolo inductivo cargado capacitivamente para la banda europea. Para ello, al igual que
en apartado anterior, se necesitará cortar el tag por su eje de simetría, para
posteriormente soldarlo a un conector SMA y añadir un plano de masa obteniendo
como resultado:
Figura 7. 33 Dipolo inductivo cargado capacitivamente cortado con plano de masa
Con el tag cortado e insertado en el plano de masa, se puede ejecutar la aplicación de
Matlab para que genere la gráfia S11 con las pérdidas de retorno (Figura 7.34).
Figura 7. 34 Gráfica S11 de dipolo inductivo cargado capacitivamente
152
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Como se puede observar en la Figura 7.34, el tag ha salido bien adaptado para la banda
de frecuencia de 837.5-958.5MHz con una frecuencia nominal de 984MHz (-15.94dB),
lo que quiere decir que se ha desplazado a frecuencias mayores ya que este estába
diseñado para la banda Europea (Figura 7.35).
Figura 7. 35 Simulación con ADS de las pérdidas de retorno del dipolo inductivo cargado
capacitivamente para la banda Europea
Este desplazamiento se intentará corregir añadiendo papel de aluminio para crear un
plano de masa mayor obteniendo como resultado:
Figura 7. 36 Pérdidas de retorno con plano de masa mayor
Como se puede observar en la Figura 7.36 se ha conseguido desplazar
aproximadamente 4MHz hacia la banda Europea aunque todo y esto no estaría dentro de
antedicho rango.
153
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.2.3 Medida dipolo cuadrado con adaptación T-Match
En este apartado se medirá el tag con forma cuadrada que comprendía las dos bandas de
frecuencia (Europea y Americana), para ello se necesitará cortar el tag por su eje de
simetría y soldando los puertos a un conector SMA, todo esto se insertará a un plano de
masa perpendicularmente obteniendo como resultado la Figura 7.37.
Figura 7. 37 Tag cuadrado con plano de masa
Con el tag cortado e insertado en el plano de masa, se puede ejecutar la aplicación de
Matlab para que genere la gráfia S11 con las pérdidas de retorno (Figura 7.39) para
comprobar si está bien adaptado en la banda de frecuencia para la que se diseño (Figura
7.38).
Figura 7. 38 Simulación con Momentum del tag cuadrado.
154
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 7. 39 Gráfica S11 de la medida del tag cuadrado
En la Figura 7.38 se puede observar la simulación que se hizo con Momentum donde se
aprecia un ancho de banda de 130MHz que va de los 84 hata los 970MHz, con una
frecuencia nominal de 905MHz (-35.4dB), abarcando de esta manera tanto la banda de
865-868MHz (EU) como la de 902-928MHz (US). Esto no ocurre en la medida
obtenida, como se puede ver en la Figura 7.39 ya que el ancho de banda de esta es de
56MHz (846.5-902.5MHz) con una frecuencia nominal de 867.5MHz con pérdidas de
retorno de -14.56dB. Este tag en la banda Europea esta bien adaptado teniendo un rango
de lectura de hasta 1m.
155
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
7.2.4 Medida dipolo forma triangular con adaptación
T-Match
En este apartado se medirá el tag triangular con adaptación T-Match, para poder utilizar
el sistema de medida basado en la teoría de imágenes (apartado 5.3.2) es necesario
cortar el tag por su eje de simetría y soldar los puertos a un conector SMA, todo esto se
insertará a un plano de masa perpendicularmente obteniendo como resultado la Figura
7.40.
Figura 7. 40 Tag triangular con adaptación T-Match con plano de masa para medir mediante sistema de
teoría de imágenes
Con el tag cortado e insertado en el plano de masa, se puede ejecutar la aplicación de
Matlab con la que se generará la gráfia S11 con las pérdidas de retorno (Figura 7.42.)
Figura 7. 41 Simulación con Momentum del tag triangular
156
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
En la Figura 7.38 se puede observar la simulación que se hizo con Momentum donde se
aprecia un ancho de banda de 112MHz (de 843 hata 955MHz), con una frecuencia
nominal de 899MHz (-22.7dB), abarcando de esta manera tanto la banda Europea como
la Americana. Por otra parte, en la Figura 7.42 se aprecia el resultado a la medida del
tag triangular con el sistema de caracterización basado en la teoría de imágenes, donde
se observa como la antena está bien adaptada en toda la banda deseada, que va de los
867.5 hasta los 920MHz (BW=52.5MHz), alcanzando así los dos rangos con una
frecuencia nominal centrada en 892MHz con unas pérdidas de retorno de -21.63.
Permitiendo así, la lectura de este tag a una distancia de 2.6 metros.
Figura 7. 42 Gráfica S11 obtenida de la medida del tag triangular
157
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
8. Conclusión
Al finalizar este proyecto se puede llegar a la conclusión que se han conseguido los
objetivos propuestos inicialmente, empezando por la introducción al conocimiento e
investigación de la tecnología RFID la cual cada vez será más aplicable para resolver
necesidades del día a día, llegando así a conseguir substituir a su antecesor, el código de
barras, lo cual se logrará en un futuro cercano gracias a la reducción de costes que está
sufriendo esta tecnología.
Por otra parte, se ha conseguido realizar un estudio sobre todos los dispositivos
comerciales referentes a esta tecnología facilitando así la elección de los componentes
para elaboración de un sistema de radioidentificación que solucione la necesidad
requerida.
También destacar, que una de las principales metas de este proyecto era conseguir un
diseño lo más óptimo y adecuado posible de antenas para aplicaciones RFID para las
diferentes bandas de frecuencias, dando la posibilidad de ser utilizadas en diferentes
zonas geográficas donde la normativa es diferente, consiguiendo así una unificación en
cuanto a receptores. Este último objetivo ha abarcado una gran área de trabajo la cual ha
ido desde el diseño de las diferentes formas y tamaños que debían tener las antenas,
junto a las primeras aproximaciones de estas mediante simulaciones, para lo que ha sido
necesario poner en práctica toda la teoría adquirida con anterioridad, hasta la
fabricación de estas.
Una vez comprobadas las primeras aproximaciones, se daría paso a la parte más práctica
del proyecto en la que una vez elaborados los distintos tags, se procedería a la
caracterización de estas con dos sistemas diferentes de medida y a la posterior fase de
pruebas en la que se ensayaría con los distintos dispositivos para comprobar su correcta
funcionalidad y comparación entre estos.
Respecto a los dos sistemas de medida utilizados en el proyecto (caracterización de
dispositivos diferenciales y medida basada en teoría de las imágenes) sería interesante
destacar que el último ha resultado mucho más óptimo y realista que el primero, el cual
tenía como ventaja la indiferencia de simetría de las antenas para hacer posible su
medida, cosa que no pasaba con el sistema basado en la creación de una imagen
especular.
Para finalizar, remarcar que para conseguir finalizar este proyecto satisfactoriamente se
ha tenido que resolver varios aspectos, como el estudio de una nueva tecnología, con
todo lo que conlleva esto, análisis de su estructura, reconocimiento de sus componentes,
usos, aplicaciones, diseño y creación de diferentes dispositivos pasivos para una eficaz
solución en distintos medios y por último conseguir una visión general del estado actual
de esta tecnología.
158
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
9. Referencias
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Inc
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Slotlines”, Artech House Inc, segunda edición, 1996
[3] Constantine A.Balanis, “Antenna theory analysis and design”, tercera edición, John
Wiley & Sons, Inc, 2005
[4] Olivier Chavalerias, Philippe Lourenco De Oliveira y Elaine Garnier, “Characterize
Balanced Devices With A VNA”, Penton Media, Inc, 2007
[5] Philips Semiconductors, “AN3B Pager Application handbook”, Philips
Semiconductors, 1995
[6] A. Lázaro, “Sistemes de Comunicacions sense Fils”, Asignatura de Ingeniería
Técnica de Telecomunicaciones esp. Telemática, Universitat Rovira i Virgili, 2005
[7] RFIDmagazime.com, “Conozcamos el tag RFID”, 2006
[8] Klaus Finkenzeller, “RFID Handbook: Fundamentals and Applications in
Contactless Smart Cards and Identificación”, segunda edición, John Wiley & Sons,
Ltd.
[9] S.Basat, K. Lim, I. Kim, M.M Tentzeris, J. Laskar, “Design and Development of a
Miniaturized Embedded UHF RFID Tag for Automotive Tire Applications”,
School of ECE, Georgia Institute of Technology
[10] J.R. Sanford, “Antenna Design Considerations for RFID applications”,
Cushcraft Corporation
[11] Y.-C. Lin y K.-J. Hung, “Desing of dual-band slot antenna with double T-match
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Technology Centre, University of Kansas
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integrated match for CPW-FED slot antennas” Wiley Periodicals, Inc, 2004
[15] Luis Miguel Blázquez del Toro, “Sistemas de identificación por
radiofrecuencia”
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http://www.laflecha.net/articulos/ciencia/fraude_con_rfid/
http://www.icnita.com/cat/cas.php?id=7&area=1
http://www.kriptopolis.org/puede-el-pasaporte-rfid-detonar-una-bomba
http://www.rfid-magazine.com/noticias/detalle.php?id=1211
http://www.epcglobalsp.org/
http://www.thingmagic.com
http://www.lxe.com
http://www.impinj.com
http://www.savrcom.com
http://www.elatecworld.com
http://www.fqingenieria.es
http://www.wj.com
http://www.skyetek.com
http://www.sirit.com
http://www.symbol.com
http://www.psionteklogix.com
http://www.omronrfid.com
http://www.intermec.com
http://www.feig.com
http://www.euroid.com
http://www.alientechnology.com
http://www.sensormatic.com
http://www.therfidshop.com
http://www.awid.com
http://www.idesco.fi
http://www.confidex.fi
http://www.rfidusa.com
http://www.meshedsystems.com
http://www.synometrix.com
http://www.rsiidtech.com
http://www.heii.com
http://www.upmraflatac.com
http://www.ti.com
http://www.rfid.averydennison.com
http://www.rfidentics.com
160
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo A
En la siguiente tabla (fuente de FKI Logistex) se puede observar las áreas potenciales
para el beneficio del RFID frente al código de barras, junto a la reducción de costos que
supondría.
Tabla 1 Áreas potenciales para beneficio de RFID
Como se puede observar en la Tabla 1 hay una gran cantidad de áreas donde con RFID
se conseguiría una reducción de costes considerable.
161
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo B
En las siguientes gráficas se puede observar el rango de lectura de los diferentes tags de
INTERMEC ante diferentes materiales en toda la banda de frecuencias.
Figura 1 Gráfica del rango de lectura del tag Large Gen2 Rigid
Figura 2 Gráfica del rango de lectura del tag Large ISO 6B Rigid
162
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Figura 3 Gráfica del rango de lectura del tag Small Gen2 Rigid.
Figura 4 Gráfica del rango de lectura del UHF Gen2 Identification Card
163
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo C
Aplicación de Matlab para cálculo de adaptación T-Match:
%Cálculos Adaptación T-match
Aplano=1e-3;
aplano=1e-3;
d=1e-3;
L=30e-3;
Za=59.37+39.5*sqrt(-1); %Impedancia del dipolo
f=867e6; %Frecuencia
c=3e8; %Velocidad de la luz
Er=1; %Permitividad del medio
A=0.25*Aplano; %Cambio a dipolo redondo.
a=0.25*aplano; %Cambio a dipolo redondo.
S= Aplano+aplano+d); %Cambio de la distancia entre centro de dipolos redondos.
u=A/a;
v=S/a;
Alfa=log(v)/(log(v)-log(u)); %Factor división de corriente
%Impedancia característica de dos líneas de transmisión de radio a, A y separación S.
Zo=276*log10(S/sqrt(A*a))
V=c/sqrt(Er); %Velocidad de propagación
k=(2*pi*f)/V;
Zt=sqrt(-1)*Zo*tan(k*(L/2)); %Impedancia de entrada de los terminales
Zin=(2*Zt*(Za*(1+Alfa)^2))/(2*Zt+(Za*(1+Alfa)^2)) %Impedancia total de la antena
164
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo D
Hoja de especificaciones de condesador de Dielectric Laboratories modelo C06 0603
utilizado en la medida de las antenas.
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
166
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo E
Aplicación creada con Matlab para el cálculo correspondiente a la caracterización de
dispositivos diferenciales con VNA despreciando la línea de transmisión con kit de la
calibración OSL:
%Lectura Puerto 1 VNA (conectado a entradas diferenciales)
S11=readport1;
save sdutdipe1.mat S11 freq
%Lectura Puerto 1 VNA (conectado a una entrada diferencial y la otra CC a masa)
S11=readport1;
save sdutdipe2.mat S11 freq
load dutdipe1.mat
Y0=1/50; %Admitancia salida del VNA
Y1=Y0*(1-Sdut)./(1+Sdut); %Admitancia de entrada modo común
load dutdipe2.mat
Y0=1/50;
Y2=Y0*(1-Sdut)./(1+Sdut); %Admitancia de entrada con una entrada CC a masa
Yd=Y2-(Y1/4); %Admitancia de entrada diferencial
Zd=1./Yd; %Impedancia de entrada diferencial
rho=(Y0-Yd)./(Yd+Y0); %Coeficiente reflexión con referencia a 50Ω
figure(1);
plot(freq/1e6,20*log10(abs(rho))); %Pérdidas de retorno a 50Ω
figure(2);
plot(freq/1e6,real(Zd),'--',freq/1e6,imag(Zd)); %Impedancia antena
Zchip=40-j*100;
rhochip=(Zd-Zchip')./(Zd+Zchip); %Coeficiente reflexión referencia a 40-j·100 Ω
figure(3);
plot(freq/1e6,20*log10(abs(rhochip))); %Pérdidas de retorno con impedancia chip
167
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo F
Aplicación creada con Matlab para el cálculo correspondiente a la caracterización de
dispositivos diferenciales con VNA corrigiendo retraso producido por la línea de
transmisión:
%Lectura Puerto 1 VNA (conectado a entradas diferenciales)
S11=readport1;
save sdutdipb1.mat S11 freq
%Lectura Puerto 1 VNA (conectado a una entrada diferencial y la otra CC a masa)
S11=readport1;
save sdutdipb2.mat S11 freq
load sdutdipb1.mat
tau=370.6e-12; %Retraso de la línea de transmisión
fi=2*pi*freq*tau; %Corrección del término
Sdut=S11.*exp(-sqrt(-1)*2*fi); %Corrección de la fase en S11
Y0=1/50;
Y1=Y0*(1-Sdut)./(1+Sdut); %Admitancia de entrada modo común
load sdutdipb2.mat
tau=370.6e-12; %Retraso de la línea de transmisión
fi=2*pi*freq*tau; %Corrección del término
Sdut=S11.*exp(-sqrt(-1)*2*fi); %Corrección de la fase en S11
Y0=1/50;
Y2=Y0*(1-Sdut)./(1+Sdut); %Admitancia con una entrada CC a masa
Yd=Y2-Y1/4; %Admitancia de entrada modo diferencial
Zd=1./Yd; %Impedancia de entrada modo diferencial
rho=(Y0-Yd)./(Yd+Y0); %Coeficiente reflexión con referencia 50 Ω
figure(1);
plot(freq/1e6,20*log10(abs(rho))); %Gráfica de las pérdidas de retorno a 50Ω
figure(2);
plot(freq/1e6,real(Zd),'--',freq/1e6,imag(Zd)); %Gráfica impedancia tag
xlabel('f(MHz)');ylabel('Impedancia)');
Zchip=40-j*100;
rhochip=(Zd-Zchip')./(Zd+Zchip); %Coeficiente reflexión referencia a impedancia chip
figure(3);
plot(freq/1e6,20*log10(abs(rhochip))); %Gráfica de pérdidas de retorno Imp=40-j·100Ω
title(‘S11’);xlabel('f(MHz)');ylabel('Return Loss (dB)');
168
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo G
Aplicación creada con Matlab para la extracción de los datos obtenidos de la medida a
un fichero con extensión .tch compatible con ADS para poder superponer gráficas y de
esta manera poder hacer una mejor comparación entre simulaciones y medidas.
%Extraer datos a fichero archivo.tch compatible con ADS
for i=1:length(freq), %Creación matriz parámetros S
S(i,1)=rhochip(i);
S(i,2)=0;
S(i,3)=0;
S(i,4)=0;
end;
wrtstone(S,freq,pwd,'nombre_archivo.tch','nombre');
Esta aplicación llama a una función wrtstone ya creada que no es de Matlab encargada
de coger una matriz y exportarla a un archivo Touchstone:
function []=wrtstone(S,freq,datapath,filename,comment,dsp);
% WRTSTONE takes as input a matrix and export it as a Touchtone file
%
% The file can be imported into a commercial circuit simulator.
% The function will check if the data matrix S has 1 or 4 coloms
% and depending on the result, a 1-port or a 2-port Touchstone
% file will be produced.
%
% Input Parameters:
%
% S
Matrix containg S-parameters
% freq
Vector containing the frequency values (unit must be Hz)
% datapath Define the path to the directory in which the data is saved
% filename file to be generated (string)
% comment Name of the dependent variable (string)
% dsp
Causes the function to echo the name and path of the file
%
that was created by the function. This parameter is
%
optional and its default value = 0. This suppresses output
%
to the screen.
%
% format: wrtstone(S,freq,datapath,filename,comment,dsp);
%
% Check for unspecified parameters and provide the default values
if (nargin < 6), dsp = 0; end;
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
% Open the specified file for writing. Any existing file with
% this name will be over written.
fullfilename = fullfile(datapath,filename);
fid=fopen(fullfilename,'w');
% Create the Touschtone file header.
fprintf(fid,['! ',comment,'\n']);
fprintf(fid,'! FILENAME ');fprintf(fid,filename);fprintf(fid,'\n');
fprintf(fid,'# Hz S RI R 50\n');
% Get the dimensions of the data matrix. This will determine if a 1 port
% or two port file format should be produced
[a,b]=size(S);
% Produce a 2-port Touchstone file
if (b == 4),
% Create the matrix of frequency and S-parameter data that is to be written to
% Touchstone text file.
s11(:,1)=real(S(:,1));
s11(:,2)=imag(S(:,1));
s21(:,1)=real(S(:,2));
s21(:,2)=imag(S(:,2));
s12(:,1)=real(S(:,3));
s12(:,2)=imag(S(:,3));
s22(:,1)=real(S(:,4));
s22(:,2)=imag(S(:,4));
f=freq;
A=num2str([f s11(:,1) s11(:,2) s21(:,1) s21(:,2) s12(:,1) s12(:,2) s22(:,1) s22(:,2)],'%
20.10g\t');
end;
% Produce a 1-port Touchstone file
if (b == 1),
% Create the matrix of frequency and S-parameter data that is to be written to
% Touchstone text file.
s11(:,1)=real(S(:,1));
s11(:,2)=imag(S(:,1));
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
f=freq;
A=num2str([f s11(:,1) s11(:,2)],'% 20.10g\t');
end;
% Write the data to file.
col_number=size(A,2);
row_number=size(A,1);
for i=1:row_number
line = [(A(i,:))];
fprintf(fid,[line,'\n']);
end;
% Close the text file and exit the function
fclose(fid);
% Print the filename and data path on the screen for the user
if (dsp > 0),
disp(' ')
disp('S-Parameter Touchstone file created')
disp(' ')
disp(['File: ',fullfilename])
disp(' ')
end;
171
Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo H
Hoja de especificaciones del DC Block C06 utilizado para la medida del parche
diferencial λ/4:
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
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Diseño de antenas miniatura para aplicaciones de radioidentificación a 900 MHz
Anexo I
Aplicación creada con Matlab para el cálculo correspondiente a la medida de tags
basada en la teoría de imágenes:
freq=linspace(500e6,1200e6,201); %Marcar límites frecuencia
S11=readport1; %Función lectura parámetros S
load planomasadip1.mat
Z=50*(1+S11)./(1-S11); %Impedancia tag cortado
Zd=2*Z; %Impedancia tag total (tag cortado y tag imagen)
Zchip=40-j*100; %Impedancia IC
rhochip=(Zd-Zchip')./(Zd+Zchip); %Coeficiente de reflexión
plot(freq/1e6,20*log10(abs(rhochip)));grid %Gráfica pérdidas de retorno
title(‘S11’);xlabel('f(MHz)');ylabel('Return Loss (dB)');
save planomasadip1.mat
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