-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
1
Disseny i optimització d’antenes UWB per aplicacions Chipless
RFID
Titulació: Enginyeria Tècnica en Telecomunicacions, Especialitat
en Telemàtica
Autor: Adrià Patino Alfara Directors: David Girbau Sala
DATA: Juny de 2012
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
2
Agraïments:
Agraeixo al Dr.David Girbau la seva dedicació, disponibilitat i
ajuda en tot el desenvolupament d’aquest projecte i a la meva
família per proporcionar-me el suport i la possibilitat de cursar
una carrera universitaria.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
3
Índex
1.INTRODUCCIÓ
.........................................................................................................
5
1.1.Tecnologia Chipless RFID
.............................................................................
5
1.2.Tecnologia UltraWideBand
...........................................................................
6
1.3.Objectius
........................................................................................................
7
1.4.Organització de la memòria
...........................................................................
7
1.5.Referències del capítol
...................................................................................
7
2.CHIPLESS RFID TEMPORAL I PARÀMETRES D’ANTENA
.......................... 8
2.1.Tags temporals
...............................................................................................
8
2.2.Paràmetres d’antena
.......................................................................................
9
2.3.Referències del capítol
.................................................................................
12
3.ANTENA BÀSICA
CIRCULAR..............................................................................
13
3.1.Optimització de dimensions
.........................................................................
15
3.1.1.Modificació pla de massa
..............................................................
15
3.1.2.Modificació distància L
................................................................
16
3.1.3.Modificació de la línia de transmissió
.......................................... 17
3.1.4.Modificació del tram S
.................................................................
18
3.1.5.Modificació de l’amplada W
........................................................ 19
3.2.Dissenys optimitzats
....................................................................................
21
3.2.1.Antena optimitzada 1
....................................................................
22
3.2.2.Antena optimitzada 2
....................................................................
24
3.2.3.Antena optimitzada 3
....................................................................
26
3.3.Referències del capítol
.................................................................................
27
4.ANTENA BÀSICA EL·LIPTICA I FORCA
......................................................... 28
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
4
4.1.Modificacions en la distància L
...................................................................
29
4.2.Modificacions en la distància s
....................................................................
30
4.3.Modificacions en el radi R
...........................................................................
31
4.4.Modificacions en l’amplada W
....................................................................
32
4.5.Dissenys optimitzats
....................................................................................
33
4.5.1Antena optimitzada 4
.....................................................................
34
4.6.Antena forca
.................................................................................................
36
4.6.1.Modificacions de la distància del stub
...................................................... 38
4.6.2.Modificacions en la posició del stub
......................................................... 39
4.6.3.Modificacions en la distància L
................................................................
40
4.6.4.Modificacions en el pla de massa
.............................................................
41
4.6.5.Utilització de dos stubs
.............................................................................
42
4.7.Dissenys optimitzats
....................................................................................
42
4.7.1Antena optimitzada 5
.....................................................................
43
4.7.2.Antena optimitzada 6
....................................................................
46
4.7.3.Antena optimitzada 7
....................................................................
49
4.8.Referències del capítol
.................................................................................
51
5.MESURES TEMPORALS DELS TAGS
...............................................................
51
5.1.Procés de mesura dels tags
...........................................................................
52
5.2.Mesures
........................................................................................................
53
6.CONCLUSIONS I LINIES
FUTURES...................................................................
56
6.1. Conclusions
.................................................................................................
56
6.2.Linies futures
...............................................................................................
57
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
5
1. Introducció El projecte que es portarà a terme es basa en el
disseny i optimització de antenes UWB ( Banda Ultra Ampla ) amb
aplicacions RFID ( Identificació per radiofreqüència sense xip). Es
mostrarà el procés de disseny i optimització d’antenes UWB extretes
d’articles científics i d’una Tesi Doctoral mitjançant l’ús del
programa Agilent ADS, Momentum ( Advanced design system ), la seva
fabricació, mesura real i comparació amb les simulacions. Finalment
s’implementaran unes línies de transmissió per aplicar un retard
temporal als tags que fabricarem.
1.1.Tecnologia Chipless RFID RFID ( Identificació per
radiofreqüència ) és un sistema que utilitza les ones de radio per
emmagatzemament i recuperació de dades de manera remota. Aquesta
tecnologia utilitza dispositius anomenats targetes, etiquetes,
transponedors i tags RFID. Nosaltres ens centrarem en aquest últim.
A més s’utilitzarà un sistema chipless (sense xip) de manera que
els tags no estaran dotats de chip, condició que els fa més
econòmics. S’implantarà la tecnologia UWB ja que permet una
transmissió alta de dades amb poc consum de potència, de manera que
ho converteix en una bona opció per aplicacions que demanin altes
tasses de transferència. El seu funcionament es simple: El
dispositiu que contingui les dades d’identificació respon per
backscattering a unes ones de radiofreqüència que són emeses i
posteriorment interceptades per un lector RFID, que s’encarrega de
llegir l’ informació i passar-la en format digital a una aplicació
especifica per RFID[1]. Un sistema RFID consta de tres components
bàsics:
• Etiqueta o transponedor: que pot ser de lectura, de lectura i
escriptura o anticol·lisió
• Lector RFID o transceptor: compost per una antena, un
transceptor i un descodificador. El lector contínuament envia
senyals per identificar alguna etiqueta en les seves immediacions i
si capta alguna informació l’envia al sistema de processament de
dades.
• Subsistema de processament de dades: proporciona els mitjans
de processament i emmagatzemament de dades.
Hi ha diferents tipus de tags RFID: • Passius: són els únics que
no necessiten alimentació interna, només s’activen
quan un lector proper els hi subministra l’energia suficient. •
Semipassius: utilitzen font interna d’energia, normalment una
petita pila. • Actius: utilitzen font interna d’energia ,
normalment una petita pila.
Gràcies a la seva font interna d’energia els tags actius emeten
una major potència de senyals que els fa més fiables en entorns
complicats i els proporciona una distància de funcionament mes
gran.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
6
1.2.- Tecnologia Ultra Wide Band Com el propi nom indica,
utilitza un ample de banda molt ampli, aproximadament entre els
3,1-10,6 GHz, encara que qualsevol tecnologia de radio que utilitzi
un ample de banda major de 500 MHz o del 25% de la freqüència
central pot ser anomenada així. Gràcies a aquest ampla de banda és
capaç de transmetre molta més informació en menys temps que altres
tecnologies, com Bluetooth i 802.11, tal com es veu a la Figura
1.1. Ja que UWB ha de distribuir l'energia sobre una amplada de
banda tan gran, la densitat espectral d'aquesta energia és molt
petita, el que es tradueix en una manca gairebé absoluta
d'interferències amb altres senyals que estiguin utilitzant aquesta
porció de l'espectre. Un aspecte negatiu de UWB és l'abast, ja que
si s'augmenta aquest ha de ser a costa de disminuir la velocitat de
transmissió, a causa de les limitacions de potència[1]. Aquest
abast també es veurà afectat en el cas de presència d'obstacles que
tendeixin a reflectir les senyals, si bé la seva capacitat de
travessar estructures o objectes és molt més gran que la d'altres
tecnologies sense fils.
Com es veu ala Figura 1.1, la potència de la senyal emesa per
comunicacions de banda ultra ampla és molt inferior a la utilitzada
en 802.11 i en comunicacions de banda estreta.
Figura 1.1-Comparació diferents tecnologies
(Potència/Freqüència)[2]
Entre les principals aplicacions comercials civils de UWB cal
destacar: xarxes sense fils WPAN i WLAN d'alta velocitat, xarxes a
la llar, aplicacions GPR (Ground Penetrating Radar), radars i
sistemes anticol·lisió per a aviació civil, sensors anticol·lisió
per a vehicles mòbils, etiquetes actives per sistemes intel·ligents
de transport i identificació sense contacte, sistemes de
monitorització industrial en planta, i sistemes de posicionament
d'alta precisió[3].
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
7
1.3.-Objectius
El nostre propòsit principal serà el de dissenyar i
miniaturitzar antenes UWB i aconseguir un nivell d’adaptació
raonable en tot el seu ample de banda, de manera que les puguem
utilitzar en tags RFID i es pugui connectar un retard mitjançant
línies de transmissió.
Objectius principals:
• Disseny i optimització d’antenes UWB: ja que el nostre màxim
propòsit és intentar dissenyar unes antenes el més petites
possible, ens centrarem molt en aconseguir uns nivells d’adaptació
raonables per antenes de unes dimensions mínimes.
• Implementació d’aquestes antenes en tags temporals mitjançant
uns retards aplicats amb unes línies de transmissió de diferents
mides.
1.4.-Organització de la memòria
La memòria estarà formada per 6 capítols, estructurats de la
següent forma:
En el capítol 1 es mostrà l’ introducció del projecte , els
conceptes bàsics de les tecnologies Chipless RFID i UWB i els
objectius proposats per a la seva realització.
En el capítol 2, es detallarà més en profunditat el tipus de tag
temporal que serà el que s’utilitzi amb les antenes que
dissenyarem, així com els paràmetres d’una antena UWB: guany,
directivitat, diagrames de radiació, eficiència...
La part inicial de disseny i optimització d’antenes serà
dividida en dos capítols, anomenats antena bàsica slot circular,
antena bàsica slot el·líptica i forca. Es mostraran en ells tot el
procés de disseny , modificacions aplicades, resultats de les
simulacions i antenes que es portaran fins al procés de fabricació
(Capítol 3 i 4).
Seguidament s’introduirà el capítol de l’ implementació
d’aquestes antenes en tags i l’ús de línies de transmissió per a
introduir retard (Capítol 5).
Finalment en el capítol 6 es presentaran les conclusions finals
extretes de l’elaboració del projecte i es comentaran les possibles
línies futures d’investigació que es poden seguir utilitzant els
resultats obtinguts.
1.5.Referències del capítol
[1].Ramón Villarino, Apunts Tema 6 UWB de l’assignatura Sistemes
de Telecomunicació Industrial, 2012. [2].Ramón Jesús Millán Tejedor
, Articulo UWB publicat en BIT nº 147, COIT&AEIT,2004.
[3].Ahmed, Bazil Taha, Article “ The impact of UWB”, Mayo 2010.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
8
2. Chipless RFID temporal i paràmetres d’antena
En aquest capítol es procedirà a explicar els principis de
funcionament d’un tag temporal chipless, perquè es una bona elecció
per al nostre projecte i en segon lloc es farà un repàs general de
tots els paràmetres d’antena interessants i que tinguin influència
per al desenvolupament del nostre disseny. El gran repte a l’hora
de dissenyar tags chipless RFID és com codificar la informació
sense la presència d’un xip. Aquesta codificació esta distribuïda
en les següents categories [1]:
• Tags basats en la modulació de amplitud/fase del senyal
reflectit • Tags basats en la modificació de l’espectre del senyal
reflectit • Tags basats en la modificació en el domini temporal del
senyal reflectit (punt
principal d’aquest treball).
Concretament, aquest treball tractarà, dins la categoria dels
tags basats en la modificació en el domini temporal del senyal
reflectit, basats en línies de retard. La tecnologia chipless RFID
esta avançant de manera molt ràpida, de manera que en els propers 4
anys casi la meitat dels tags RFID al mercat seran sense chip. A la
Figura 2.1 es mostra el tant per cent del total aproximat de tags
chipless RFID que hi haurà a 2016 [2].
Figura 2.1.- % Chipless del total de tags RFID
2.1.-Tags temporals
Els components que formen un tag temporal són: un antena
emissora, una antena UWB, una línia de transmissió que introdueix
retard a l’antena UWB i una antena receptora.
Consta de les següents fases. Primer s’emet un pols de l’orde de
nano segons des de l’antena emissora fins a l’antena UWB, quan
l’ona electromagnètica incideix sobre
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
9
l’antena UWB, part de la seva energia es reflectida de nou al
espai, generant el que s’anomena mode estructural. La resta de
l’energia és absorbida i prossegueix per la línia de transmissió de
l’antena que al ser de Zo=50Ω rebrà tota aquesta energia. Al
finalitzar la línia de transmissió en circuit obert, tota aquesta
energia serà reflectida i dispersada a l’espai de nou per l’antena,
anomenant així aquest senyal mode antena. De manera que nosaltres
rebrem uns polsos desplaçats en el eix temporal, i que són
proporcionals a la distància que tingui la línia de transmissió.
Així doncs nosaltres podrem modificar a voluntat aquesta diferència
entre polsos, escurçant o allargant la línia de transmissió de la
nostra antena UWB.
A la Figura 2.2 es mostra un esquema de tot aquest procés
[1].
Figura 2.2.- Esquema de funcionament de un tag temporal
2.2.-Paràmetres d’antena
En aquest subapartat explicarem de forma breu els principals
paràmetres d’una antena que més ens concerneixen en el seu
disseny.
Directivitat (D): Es defineix com la relació entre la densitat
de potència radiada en una direcció per una distància donada i la
densitat de potència en la mateixa distància que radiaria una
antena isotròpica transmetent la mateixa potència [3].
D(θ,φ) = (2.1)
Si no s’especifica la direcció angular, es sobreentén que la
Directivitat es refereix a la direcció màxima de l’antena.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
10
D= (2.2)
On és la potència màxima radiada, la potència transmesa i r la
distància.
La directivitat es pot obtenir de manera general a partir del
diagrama de radiació .
D = (2.3)
Simplificant termes, resulta :
D = (2.4)
es defineix com el angle sòlid equivalent.
Per antenes directives, amb un sol lòbul principal i lòbuls
secundaris de nivell menyspreable, es pot obtenir una directivitat
aproximada considerant que es produeix radiació uniforme en l’angle
sòlid equivalent definit a partir dels amples de feix a -3dB en els
dos plans principals del diagrama de radiació.
D = (2.5)
On i són les variables angulars a -3dB en els dos plans del
diagrama de radiació.
Guany: Es defineix com la relació entre la densitat de potència
radiada en una direcció i la densitat de potència que radiaria una
antena isotròpica, en igualtat de distàncies i potència entregades
a l’antena [3].
G(θ,φ) = (2.6)
On és la potència entregada per l’antena.
Si no s’especifica la direcció angular, es sobreentén que el
Guany es refereix a la direcció màxima de radiació.
G = (2.7)
A la definició de Directivitat es parla de potència radiada per
l’antena, mentre que a la definició de guany es parla de potència
entregada per l’antena. La diferència entre ambdues potències és la
potència dissipada per l’antena, degut a pèrdues òhmiques.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
11
L’eficiència es pot definir com la relació entre la potència
radiada per una antena i la potència entregada a la mateixa.
L’eficiència és un nombre comprés entre 0 i 1.
G(θ,φ)=D(θ,φ)η (2.8)
Si una antena no te pèrdues òhmiques, la Directivitat i el Guany
són iguales.
Diagrama de radiació: Es defineix com la representació gràfica
de les característiques de radiació en funció de la direcció
angular.
Es pot representar el camp elèctric, magnètic o la densitat de
potència radiada. Donat que els camps són magnituds vectorials es
pot representar el mòdul o la fase dels seus components. Les formes
de representació poden ser tridimensionals o bidimensionals, en
escala lineal o logarítmica. La següent figura es la representació
tridimensional dels camps radiats per una antena (Figura 2.3).
Figura 2.3.- Representació tridimensional camps radiats
S’utilitza de manera habitual un sistema de coordenades esfèric
(Figura 2.4) . Les tres variables són (r, θ, φ).
Figura 2.4.- Sistema de coordenades esfèric
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
12
Pla E: és el pla que conté la direcció del màxim de radiació i
el vector de camp elèctric.
Pla H: és el pla que conté la direcció del màxim de radiació i
el vector de camp magnètic.
A la Figura 2.5 es mostren els dos talls del pla E i H.
Figura 2.5.- Talls pla E i H
Adaptació: fa referència a la potència que l’antena reflexa una
vegada rep una senyal. Aquest paràmetre es quantifica amb el
coeficient de reflexió a l’entrada, equivalent al
en una xarxa d’un port. Normalment , en antenes UWB es considera
una bona adaptació quan el mòdul de està per sota de -10 dB.
2.3.Referències del capítol
[1].Ramon Villarino, Apunts de l’assignatura Sistemes de
Telecomunicació Industrial URV 2012.
[2].Raghu Das, Article Chipless RFID, The end game.
www.idtechex.com/research/articles/chipless_rfid_the_end_game_00000435.asp
[3].Antonio Lázaro, Apunts de l’assignatura Sense Fils, Tema 1
Paràmetres d’antena.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
13
3. Antena bàsica slot circular
Els objectius principals en els que es basa aquest projecte són
en el disseny i optimització de noves antenes UWB per aplicacions a
chipless RFID, s’utilitzaran dissenys d’antenes extretes de
treballs científics que siguin interessants i es treballarà sobre
ells per a millorar-los.
El disseny i topologia bàsics sobre el que treballarem en aquest
capítol, està extret de la Tesis Doctoral[1], en tots els casos de
simulació i fabricació s’utilitzarà un substrat Rogers amb
característiques descrites a la Taula 3.1.
El primer disseny a optimitzar és el presentat a la Figurar 3.1
i les seves dimensions a la taula 3.2.
Er-Permitivitat relativa : 3,7 Mur-Permeabilitat : 1 H-Gruix del
substrat : 0.813 mm Hu-Distància de metal·lització : 3,9· mil
T-Gruix de la metal·lització : 35µm Cond-Conductivitat elèctrica :
4,1· S/m TanD-Tangent de pèrdues : 0.0022 Rough-Rugositat del
material : 1 mil
Taula 3.1-Característiques del substrat Rogers
Per a dissenyar i simular totes les antenes que es portaran a
terme, es va utilitzar el programa Momentum de Advanced Design
System(ADS). Per a dissenyar l’antena amb l’ ADS, es va necessitar
modificar l’accés de la línia microstrip ja que el nostre substrat
es diferent al utilitzat a [1]. Utilitzant l’aplicació del mateix
programa anomenada Linecalc es va fer un càlcul de la nova línia de
transmissió W1, amb un valor de 1.72mm (Figura 3.2).
Dimensions (mm)
D 26.6
W 3.2
L 6.7
R 5
r 1.8
S 0.5
H 3.1
C1 50
C2 43
θ 6º
Taula 3.2.-Dimensions Figura 1.1 Figura 3.1-AntenaMicrostrip
circular bàsica
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
14
Figura 3.2.- Aplicació Linecalc , càlcul nova línia de
transmissió per a substrat Rogers
A continuació es va procedir a fer una primera simulació amb les
dimensions extretes de [1] per tindre una idea de quins punts era
necessari millorar de l’antena. A la Figura 3.3 es mostra el seu
disseny processat amb l’ADS.
Com observem a la Figura 3.4 l’adaptació d’aquesta antena bàsica
presenta alguna irregularitat a 9 GHz i el tall a -10 dB no es
produeix més enllà dels 4 GHz, si volem utilitzar aquesta antena en
UWB necessitarem rebaixar aquest tall fins als 3 GHz
aproximadament.
Figura 3.3.- Figura 1.1 ADS
A continuació , a la Figura 3.5 es mostren els diagrames de
radiació de la antena slot bàsica, mostrant un patró
omnidireccional en totes les seves freqüències.
Figura 3.4.- Simulació adaptació
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
15
Figura 3.5.- Diagrames de radiació 3D de l’ antena circular
bàsica
Partint d’aquests resultats de l’antena bàsica slot circular i
veient que no són tot el bons que s’esperaven, es van proposar unes
modificacions per tal de millorar el disseny i aconseguir una
millor adaptació de l’antena en totes les seves freqüències per al
substrat utilitzat.
3.1.- Optimització de dimensions.
A continuació s’exposaran les modificacions i els resultats
obtinguts, d’aquesta manera s’anirà detallant tot el procés fins a
l’obtenció de les mesures adequades per a la millora.
3.1.1-Modificacions en el cercle del pla de massa.
El primer dels canvis que es va proposar va ser l’augment del
cercle que forma part del pla de massa (D). El diàmetre inicial és
de 26.6 mm, volíem esbrinar si augmentant-lo o disminuint-lo
aconseguíem millorar la seva adaptació. Es va utilitzar una
modificació en un interval de 23.6-60 mm, amb un patró aleatori. A
la Figura 3.6 es mostren els resultats de les simulacions.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
16
La simulació en verd mostra el millor resultat sempre tenint en
compte les dimensions del cercle i les dimensions finals que
obtindria l’antena en fabricació, ja que el que pretenem és
aconseguir minimitzar-la al màxim, i el resultat en vermell mostra
la simulació original.
Veient els resultats de la Figura 3.6 deduïm que com més gran
sigui el cercle del pla de massa, el tall a -10 dB es produeix a
una freqüència inferior.
3.1.2.-Modificacions en la llargada de la distància L.
Es comprovarà si modificant la llargada L definida a la Taula
3.2 obtenim un millor resultat en la simulació de l’adaptació.
La distància a modificar es mostra a la Figura 3.7.
Figura 3.7. Distància L
S’utilitzarà com a antena inicial el millor resultat obtingut a
l’apartat anterior en la figura 3.6. La L inicial està definida a
la Taula 3.2 amb un valor de 6.7 mm, s’utilitzarà un rang de
4.7-9.7 mm amb un increment de 1 mm entre cada simulació i es
compararà amb el valor inicial . L’adaptació simulada de l’antena
bàsica circular amb un diàmetre
Figura 3.6.- Adaptació simulada de les modificacions en el
cercle del pla de massa
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
17
de pla de massa de 26.6 mm i amb les modificacions proposades es
mostra a la Figura 3.8.
Figura 3.8 – Adaptació simulada modificacions distància L
Com podem apreciar a la Figura 3.8 no obtenim cap millora
important, ja que l’ augment d’aquesta distància crea
irregularitats en l’adaptació a altes freqüències i la nostra
simulació sobre l’ antena original es més regular i el seu tall a
-10 dB es manté més baix que les simulacions mostrades.
3.1.3.-Modificacions en la línia de transmissió.
La línia de transmissió inicial extreta de la tesis [1] acabava
en una constricció de la mateixa línia de 6°. Els canvis proposats
fan referència a aquest tram definit en la taula 3.2 com a variable
H. Les modificacions que es faran són: ampliar aquest angle a 10°,
utilitzar una línia rectangular sense cap estretament, ampliar la
línia de transmissió a 10° i utilitzar aquest tram final de línia
com a tangent del cercle contigu.
Aquests canvis es mostren a la Figura 3.9.
Figura 3.9.- Modificacions en el tram H de la línia de
transmissió
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
18
Els resultats obtinguts es mostren la Figura 3.10.
Figura 3.10.- Adaptació simulada modificacions tram H
Com podem apreciar els resultats són molt irregulars, sent
crítica la modificació d’aquest paràmetre, de manera que procedirem
amb les modificacions utilitzant l’estretament inicial esmentat a
la taula 3.2.
3.1.4.-Modificacions en el tram S.
El tram S és la distància entre el cercle del pla de massa i el
principi de la forma de U que presenta l’antena (Figura 3.11).
Figura 3.11.- Tram S de la antena bàsica circular
S té un valor inicial especificat a la Taula 1.1 de 0.5 mm, les
modificacions que se li aplicaran van de 0.3-1.3 mm, amb els valors
següents : 0.3, 0.7, 0.9, 1.1, 1.3 (mm).
Es simularan amb el Momentum i es compararan amb el valor
inicial, les simulacions es mostren a la Figura 3.12.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
19
Figura 3.12.- Adaptació simulada modificacions tram S antena
bàsica circular
Com veiem la millor adaptació s’obté al modificar la distància S
a un valor de 0.3 mm, però el nostre procés de fabricació no permet
definir espais inferior a 0.5 mm, per això ens quedarem amb el
valor original S, que es el immediatament superior en quant a
millor adaptació.
3.1.5.-Modificació de l’amplada U (W)
Arribats en aquest punt i veient que l’antena que presenta
millor adaptació donades les modificacions anteriors es la que
defineix un cercle de pla de massa de 31.6 mm de diàmetre i uns
valors de disseny mostrats a la Taula 3.2. A continuació es passa a
variar la distància W com es veu en la Figura 3.13. S’intentarà
augmentar o disminuir la distància W i observar si en les
simulacions de l’adaptació obtenim alguna millora
significativa.
Figura 3.13.– Distància W del disseny antena bàsica slot
circular
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
20
Comentar que la modificació d’aquesta distància es porta a terme
modificant els radis dels dos cercles que formen la U; els canvis
es mostren a la Figura 3.14.
Els resultats en adaptació de les modificacions es mostren a la
Figura 3.15.
Figura 3.15-Adaptació simulada amb modificacions W a l’antena
circular bàsica
Com es mostra ala figura les simulacions presenten bons
resultats excepte a freqüències superiors a 9 GHz i no hem
aconseguit millorar l’adaptació a -10 dB.
Finalitzades aquestes modificacions es donaran uns dissenys
finals optimitzats per a fabricació i mesura real.
Donat que amb les modificacions aplicades sobre el disseny no
hem aconseguit rebaixar aquest tall a -10 dB, es presentaran, a
part d’ un disseny final optimitzat amb diàmetre del cercle de pla
de massa de 31.6mm, dos dissenys més, un amb diàmetre de 40 mm
i
Figura 3.14 – Modificacions W antena bàsica circular
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
21
un altre amb 60mm, ja que augmentant considerablement aquest
cercle obtenim que el tall es rebaixi de manera molt
significativa.
Tot i això , la nostra prioritat sempre és obtenir una
optimització i miniaturització del disseny inicial presentat, de
manera que si augmentem aquest cercle , també augmentem en
conseqüència la mida final del disseny i no és el nostre
objectiu.
3.2.-Dissenys optimitzats
A continuació es presentaran els tres models d’antena circular
bàsica que s’han portat fins al procés de fabricació i han estat
mesurats i comparats amb els resultats simulats.
Es presentarà el model dissenyat amb ADS, les seves dimensions,
una gràfica amb la seva adaptació simulada amb Momentum, una altra
gràfica comparativa entre guany i directivitat, els diagrames de
radiació 3D per a 3,4,5,7,8,9 GHz i finalment una comparativa
gràfica entre mesura presa al laboratori i simulació, així com unes
fotografies del disseny fabricat.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
22
3.2.1.-Antena optimitzada 1
Dimensions(mm)
D 31.6
W 4.2
L 6.7
R 5
r 0.8
S 0.5
H 3.1
C1 50
C2 43
Figura 3.16-Antena optimitzada 1 disseny ADS Taula 3.3-Dimension
antena optimitzada 1
-a- -b-
Figura 3.17 – Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 1
Figura 3.18 – Diagrames de radiació antena optimitzada 1
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
23
A la Figura 3.16 podem veure el disseny de l’antena, a la Taula
3.3 es mostren les dimensions de la mateixa, la Figura 3.17.a ens
mostra l’adaptació simulada de l’antena optimitzada 1, veiem que
mostra una molt bona adaptació a partir de 4 GHz, però a nosaltres
ens interessarà rebaixar aquesta freqüència fins als 2.5-3 GHz, ja
que el nostre punt de treball al ser una antena UWB comença als 3.1
GHz. La Figura 3.17.b mostra una gràfica comparativa entre el guany
i la directivitat de l’antena optimitzada 1, observem que el guany
es torna positiu als 2.7 GHz aproximadament. Per últim tenim a la
Figura 3.18 els diagrames de radiació 3D de l’antena optimitzada 1,
mostrant un patró omnidireccional fins als 8 GHz, on podem percebre
algunes petites irregularitats.
A continuació a la Figura 3.19 es mostra el disseny fabricat de
l’antena optimitzada 1, i la comparació de mesura portada a terme
al laboratori i la resposta simulada en ADS, en la Figura 3.20.
Figura 3.20- Comparació de l’adaptació simulada i mesura de
l’antena optimitzada 1
Tal com veiem a la figura 3.20 l’adaptació mesurada a laboratori
fins i tot millora la simulada amb el programa. El tall a -10dB es
produeix mes enllà dels 4 GHz i hauríem de trobar la manera de
millorar aquest punt.
Figura 3.19- Disseny fabricat de l’ antena optimitzada 1
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
24
3.2.2.-Antena optimitzada 2
Dimensions(mm)
D 40
W 5.2
L 12.6
R 6
r 0.8
S 0.5
H 3.1
C1 60
C2 55
Figura 3.21-Antena optimitzada 2 disseny ADS Taula 3.4-Dimension
antena optimitzada 2
-a- -b- Figura 3.22 – Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 2
Figura 3.23 – Diagrames de radiació antena optimitzada 2
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
25
A la Figura 3.21 es mostra el disseny de l’antena optimitzada 2
en l’ADS, a la Taula 3.4 es presenten les seves dimensions, en
aquest cas majors que les de l’antena optimitzada 1. En la Figura
3.22.a es mostra una gràfica de l’adaptació simulada de l’antena i
en la Figura 3.22.b una gràfica comparativa entre el seu guany i
directivitat en l’eix freqüencial. Finalment a la Figura 3.23
s’observen els diagrames de radiació 3D de l’antena per a
3,4,5,7,8,9 GHz.
A partir d’aquí es porta l’antena a fabricació i a la Figura
3.24 es mostra el resultat final del disseny de l’antena
optimitzada 2.
Figura 3.24 – Disseny fabricat antena optimitzada 2
Per a finalitzar a la figura 3.25 es fa una comparació de
l’adaptació de l’antena, en el cas de la simulació i la mesura
portada a terme al laboratori.
Figura 3.25 – Comparació adaptació real i simulació de l’antena
optimitzada 2
Com veiem a la gràfica el tall a -10dB s’ha rebaixat
considerablement comparat amb l’antena optimitzada 1, però hem
tingut que ampliar les dimensions de l’antena.
De totes maneres no presenta una bon nivell d’adaptació en un
rang ampli de freqüències , ja que dels 6 a 10 GHz aquesta està per
sobre de -10dB.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
26
3.2.3.-Antena optimitzada 3
Dimensions(mm)
D 60
W 9
L 13
R 11
r 2
S 0.5
H 3.1
C1 79.5
C2 79.5
Figura 3.26-Antena optimitzada 3 disseny ADS Taula 3.5-Dimension
antena optimitzada 3
-a- -b- Figura 3.27 – Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 3
Figura 3.28 – Diagrames de radiació antena optimitzada 3
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
27
A la Figura 3.26 es mostra el disseny de l’antena en el programa
ADS, en la Taula 3.5 les seves dimensions, com es pot observar son
ostensiblement mes grans que en els casos anteriors. A la Figura
3.27.a es mostra l’adaptació simulada de l’antena amb el Momentum i
a la Figura 3.28.b un gràfic comparatiu entre guany i directivitat
en freqüència. Finalment a la Figura 3.28 es poden observar els
diagrames de radiació 3D per a 3,4,5,7,8,9 GHz.
Es va portar l’antena fins al procés de fabricació i a la Figura
3.29 es presenta el seu disseny.
Figura 3.29 – Disseny fabricat de l’antena optimitzada 3
A continuació es comparen les adaptacions simulada i mesurada de
l’antena optimitzada 3 mostrant uns resultats molt bons en tot el
seu rang freqüencial, el seu tall a -10dB s’ha vist reduït fins als
2,5 GHz aproximadament i es manté per sota d’aquest nivell fins als
12 GHz (Figura 3.30).
3.3.Referències del capítol.
[1].Tesis Liang Jianxin, Antenna Study and Design for UWB
Communication Applications
Figura 3.30. Comparació de l’adaptació simulada i mesura real de
l’antena optimitzada 3
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
28
4. Antena Bàsica slot El·líptica
En aquest capítol es portarà a terme el disseny i optimització
d’una antena UWB molt similar a la descrita en el capítol anterior,
amb un canvi significatiu en el seu pla de massa que en aquest cas
estarà format per una el·lipse en comptes de un cercle. Aquest
disseny ha estat també extret de la tesis[1] i s’utilitzaran com a
inici les dimensions que s’aporten en aquesta tesis. A continuació
en la Figura 4.1 es presenta la topologia de l’antena i en la Taula
4.1 les seves dimensions inicials a partir de les quals si escau,
es faran modificacions. S’utilitzarà en aquest cas, com en el
disseny de l’antena del capítol anterior el substrat Rogers descrit
en el capítol 3 a la taula 3.1.
Figura 4.1 – Topologia antena el·líptica bàsica Taula 4.1-
Dimensions antena el·líptica bàsica
Com en el cas de l’antena bàsica slot circular, el càlcul de la
línia de transmissió es el mateix ja que utilitzarem el mateix
substrat, així doncs el valor de . A continuació es generarà el
disseny en el programa ADS i es farà una simulació amb Momentum per
apreciar la seva adaptació i en cas que sigui necessari optimitzar
o modificar el disseny per obtenir una millora. A la figura 4.2 es
presenta el disseny de l’antena en ADS i en la figura 4.3 una
gràfica de la seva adaptació simulada amb Momentum.
Dimensions(mm)
A 32
B 23
S 0.6
R 5.9
r 2.9
H 3.3
W 3
L 6
C1 42
C2 42
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
29
Figura 4.2. Antena el·líptica Figura 4.3. Adaptació simulada
antena el·líptica bàsica
La simulació mostra uns resultats molt satisfactoris per les
dimensions que presenta l’antena (42x42 mm), de totes maneres es
portaran a terme algunes modificacions amb l’intenció de millorar
la seva adaptació.
4.1 Modificacions en la distància L
En aquest subapartat es va allargar la distància inicial L que
esta descrita en la taula 4.1, amb la finalitat de veure si aquesta
modificació comporta una millorar substancial en l’adaptació de
l’antena (Figura 4.4).
Figura 4.4. Distància L
L’allargament es va iniciar en aquest 6 mm inicials fins a 8,5
mm, en passos de 0,5 mm. A continuació es presenten les simulacions
en la Figura 4.5.
Comentar que degut a les mínimes dimensions de l’antena, tots
els canvis que es poden aplicar sobre ella també són mínims, així
que no s’esperen grans canvis en la seva adaptació.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
30
Figura 4.5. Adaptació simulada de les modificacions en la
distància L
La simulació no presenta moltes modificacions, ni cap millora
digna de menció per tant deixarem de moment com a millor simulació
l’original a l’espera de més canvis.
4.2 Modificacions distància S
A continuació es van proposar canvis sobre la distància S
(Figura 4.6), sabent ja que com en el cas de l’antena circular slot
bàsica, aquest paràmetre és molt crític, es va optar per fer dos
canvis, un a 0.4mm i l’altre a 0,2 mm, simplement per observar si
aquestes modificacions repercutien de manera beneficiosa en
l’adaptació, ja que el seu procés de fabricació no es podria portar
a terme amb garanties.
Figura 4.6. Distància S
A continuació es presenten els resultat de l’adaptació en la
figura 4.7.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
31
Figura 4.7. Simulació adaptació de les modificacions en el tram
S
Com es pot observar, al disminuir aquesta distància provoquem un
pic a 3 GHz que empitjora la nostra adaptació , tampoc ens millora
el tall a -10 dB, possiblement l’única millora es produeix entre
4-8 GHz, però no es suficient com per a decantar-nos per alguna
d’aquestes dues simulacions. Així que de moment la nostra millor
simulació es l’original.
4.3 Modificacions Radi R
Es van proposar canvis en el radi exterior R mantenint el
paràmetre W en un valor de 3 mm com indica la Taula 4.1 d’aquest
capítol. El seu valor inicial és de 5.9 mm, els canvis que
aplicarem són amb una mida de 6.5, 7, 7.5 i 8 mm. El canvi de
disseny inicial i final es pot apreciar a la figura 4.8.
Figura 4.8. Canvis radi R
A continuació es mostren els resultats obtinguts de l’adaptació
simulada (Figura 4.9).
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
32
Figura 4.9. Adaptació simulada de les modificacions en el radi
R
Obtenim uns resultats bons, tots amb molt bona adaptació , però
no hi ha uns canvis gaire significatius, potser ens podríem
decantar per alguna altra, però vam decidir continuar amb la
simulació original ja que el seu tall a-10 dB es molt pronunciat,
força més que les altres simulacions.
4.4 Modificacions amplada W
S’intentarà ampliar aquesta distància (Figura 4.10) i observar
el comportament en les simulacions, el valor inicial d’aquest
paràmetre descrit a la Taula 4.1 es de 3 mm, les nostres
modificacions seran de 3.5, 4, 4.5, 5, 6 i 7mm.
Figura 4.10. Distància W antena el·líptica bàsica
A continuació a la figura 4.11 es mostren els resultats de
l’adaptació simulada de les modificacions en el paràmetre W.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
33
Figura 4.11.-Adaptació simulada amb modificacions al paràmetre
W
Totes les simulacions presenten una adaptació bona en tot el
rang de freqüències UWB. Com a millor simulació escollirem la
modificació W=3.5mm ja que ens millora una mica l’adaptació i manté
constant el tall a -10dB. Finalitzada aquesta modificació , vam
donar per conclosos tots els canvis en aquesta topologia d’antena i
es va procedir a la seva fabricació i mesura real.
4.5.Dissenys optimitzats
A continuació es presentarà l’antena optimitzada que es va
portar a procés de fabricació.
Com en el cas del capítol anterior es mostraran els resultats de
les simulacions de l’adaptació, unes gràfiques comparatives entre
guany i directivitat , les seves dimensions i per últim els
diagrames de radiació 3D.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
34
4.5.1-Antena optimitzada 4
Dimensions(mm) A 32 B 23 S 0.6 R 5.9 r 2.9 H 3.3 W 3 L 6
C1 42 C2 42
Figura 4.12-Antena optimitzada 1 disseny ADS Taula 4.2-Dimension
antena optimitzada 4
-a- -b-
Figura 4.13 – Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 4
Figura 4.14 – Diagrames de radiació antena optimitzada 4
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
35
En la Figura 4.12 s’observa el disseny de l’antena generat amb
l’ADS, a la Taula 4.2 es mostren les seves dimensions, en la Figura
4.13.a es mostra la seva adaptació simulada amb el Momentun i a la
Figura 4.13.b es veu la comparació entre el seu guany i la seva
directivitat. Per finalitzar a la Figura 4.14 es mostren alguns
dels diagrames 3D, mostrant en tots ells un patró omnidireccional
en tots les seves freqüències. A continuació es va portar a procés
de fabricació el disseny de l’antena optimitzada 4 i a la Figura
4.15 es mostra el disseny real.
Figura 4.15.- disseny real antena optimitzada 4
Es van portar a terme les mesures al laboratori de la seva
adaptació i el resultat es mostra a la següent figura que compara
la seva mesura real amb la simulada amb el Momentum (Figura
4.16).
Figura 4.16.- Comparació adaptació real i simulada antena
optimitzada 4
La mesura presenta una adaptació realment bona tenint en compte
les dimensions d’aquesta antena, ja que són de llarg les més
reduïdes que es portaran a terme en aquest projecte. Com a
observació es podria intentar disminuir el tall a -10dB una mica
més ja que a la mesura real difereix una mica de la simulada en
aquest aspecte.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
36
4.6 Antena forca
En la segona part d’aquest capítol es va decidir incloure el
disseny d’un altre tipus d’antena que es presenta a continuació en
la Figura 4.17 i les seves dimensions en la Taula 4.3.
Figura 4.17.- Disseny antena forca Taula 4.3.- Dimensions antena
forca
En pla de massa en aquest cas es molt més reduït que en els
dissenys anteriors, aquesta antena es farà servir com a tag
temporal. Com en tots els casos anteriors s’utilitzarà el substrat
Rogers i la seva línia d’accés a 50 ohms és de 1.72 mm d’amplada. A
continuació es mostra el primer disseny i la seva adaptació
simulada amb el Momentun (Figura 4.18 i 4.19, respectivament).
Figura 4.18-Disseny forca Figura 4.19.-Adaptació simulada de
l’antena forca
L’antena presenta una adaptació bona en un rang de 2.5-8 GHz,
intentarem mitjançant modificacions aconseguir reduir el tall a
-10dB sense augmentar-ne les dimensions. Ho
Dimensions (mm)
D 20
D1 26.5
H 3.5
F 0.6
S 1
R 13.3
r 7.1
W 6.2
L 6.2
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
37
farem incloent línies de transmissió aplicades sobre les zones
de màxima densitat de corrent.
Amb l’aplicació del Momentum podem observar el màxim nivell de
corrent en l’antena i saber on podríem aplicar aquests stubs per
aconseguir millorar l’adaptació a 2.4 GHz. A la figura 4.20 es
mostren els punts de màxim corrent de l’antena a 2.4 GHz.
Figura 4.20.- Excitació antena forca a 2.4 GHz
Així doncs aplicarem aquests stubs en els màxims de corrent per
a que tinguin la màxima efectivitat possible.
Amb l’eina Linecalc de l’ADS podem fer un càlcul aproximat de la
llargada d’aquest stub com es pot veure a la figura 4.21.
Figura 4.21.-Càlcul stub a 2.4 GHz amb Linecalc
La llargada física d’aquest stub per a que la seva actuació
incidís en 2.4 GHz serà de 16.68mm.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
38
Vam fer una primera prova per comprovar l’ exactitud d’aquesta
mesura i es presenta a continuació. A la Figura 4.22 el disseny de
l’antena amb la posició del stub i a la figura 4.23 la comparació
entre l’adaptació original i la simulada amb el stub. Com hem vist
a la Figura 4.20, aplicarem aquests stubs sobre els màxims de
corrent de l’antena a 2.4 GHz, els millors punts són dins de la U
que forma l’antena i als seus laterals.
Figura 4.22.- Disseny forca amb stub a 2.4 GHz Figura 4.23.-
Adaptació original i modificació a 2.4 GHz
Com es veu a la Figura 4.23 el punt d’actuació en freqüència que
ha estat modificat esta al voltant dels 3.5 GHz, de manera que
tindrem que allargar la seva distància per a que la seva actuació
baixi fins al punt on nosaltres necessitem que actuï, a 2.4 GHz. No
hi ha cap més solució que fer proves augmentant aquesta distància
fins aconseguir que actuï sobre la freqüència indicada.
4.6.1 Modificacions en la distància del stub
Es va portar a terme un seguit de modificacions sobre aquesta
distància per aconseguir que actués sobre 2.4 GHz. La distància del
stub es va modificar amb les següents mides: 20, 22, 25 i 27 mm.
Les adaptacions simulades es mostren a la Figura 4.24.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
39
Figura 4.24.- Adaptació de les modificacions “STUB”
Es veu clarament que quan augmentem la distància, més baixa
l’actuació del stub en freqüència, però se’ns presenta un altre
problema, es genera un pic secundari després de la seva
actuació.
4.6.2. Modificació posició STUB
A continuació es va comprovar si re col·locant el stub en una
altra posició la seva actuació era més eficient, com abans havíem
mencionat l’altre punt de corrent viable a 2.4 GHz eren els
laterals de la U que forma l’antena.
Es va fer una petita prova que es mostra a continuació en la
Figura 4.25. Es va col·locar formant una angle de 90º de manera que
es respectés el màxim possible les dimensions de l’antena. El
primer tram val 15mm per a que sobrepassi l’antena i no molesti a
l’hora de col·locar el segon tram.
Figura 4.25.- Modificacions posició stub
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
40
Les modificacions portades a terme en el segon tram inicien en
15mm i van fins a 20mm. A continuació es mostren els resultats de
l’adaptació simulada a la Figura 4.26.
Figura 4.26.- Simulacions modificació lateral
L’actuació en aquesta posició és mínima així que es descarta la
col·locació en aquest punt.
4.6.3. Modificacions en la distància L
Es van fer canvis en la distància L, que en un inici té un valor
de 6.2mm, com està descrit a la Taula 4.3. Les modificacions que es
van fer tenen com a valors: 7.2, 8.2, 9.2 i 10.2 mm. L’adaptació
simulada es mostra a la següent gràfica (Figura 4.27):
Figura 4.27.- Adaptació simulada de les modificacions en la
distància L
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
41
Les adaptacions simulades mostren que ampliant aquesta distància
s’aconsegueix abaixar mínimament el seu tall a -10dB, però la seva
adaptació en la resta d’espectre freqüencial empitjora
paulatinament.
Si volguéssim abaixar aquest punt de tall, un dels factors a
tenir en compte seria la longitud d’aquesta distància.
De moment es va respectar la distància original ja que el nostre
objectiu principal és aconseguir una millor adaptació sense
augmentar les seves dimensions i si es possible minimitzar-les.
4.6.4. Modificacions en el pla de massa
Es va provar d’ampliar el pla de massa ja que en anteriors
dissenys els canvis havien produït una millora substanciosa de
l’adaptació.
Es va augmentar en ambdós costats del pla en 5 mm i 10 mm. Es
poden veure les modificacions a la Figura 4.28. En el primer cas
s’augmenten en 5 mm els dos laterals i en el segon cas s’ampliarà
aquesta mida fins als 10 mm. Es mostren els resultats de les
simulacions a la Figura 4.29. Es veu clarament que aquestes
ampliacions no han aportat cap millora en l’adaptació de l’antena i
per tant no es tindran en compte per al disseny final de la
mateixa.
Figura 4.29.- Simulacions de l’adaptació amb modificacions al
pla de massa
Figura 4.28.- Modificacions pla de massa
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
42
4.6.5. Utilització de dos stubs.
En aquest apartat es va procedir a intentar rebaixar els pics
generats pel primer stub, amb un segon aplicat a la freqüència on
es presenta la irregularitat.
És van fer moltíssimes proves i els resultats de la posició i la
distància entre ells no va ser concloent, però de totes aquestes
proves algunes de les simulacions van obtenir resultats
acceptables, que es mostren a continuació:
Totes les simulacions son fetes amb les mides originals
descrites a la Taula 4.3 de l’inici del capítol.
A la Figura 4.30 es mostren el disseny d’una de les proves amb
dos stubs i la seva adaptació simulada. Manté uns molt bon nivells
en tot el rang de freqüències ultrawideband i a demés el seu tall a
-10dB és proper als 2 GHz, cosa que la fa candidata per passar al
procés de fabricació i provar-la a laboratori.
Figura 4.30.- Disseny amb 2 stubs i la seva adaptació
simulada
Més endavant es presentaran totes les mesures d’aquesta
antena.
4.7. Antenes optimitzades
A continuació es mostraran les antenes optimitzades que es van
fabricar, les seves dimensions , adaptació , guany, directivitat i
els diagrames de radiació 3D.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
43
4.7.1-Antena optimitzada 5
Dimensions (mm)
D 20
D1 26.5
H 3.5
F 0.6
S 1
R 13.3
r 7.1
W 6.2
L 6.2
Figura 4.31-Antena optimitzada 5 disseny ADS Taula 4.4-Dimension
antena optimitzada 5
-a- -b-
Figura 4.32 – Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 5
Figura 4.33 – Diagrames de radiació antena optimitzada 5
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
44
A la Figura 4.31 es mostra el disseny de l’antena modificat amb
els dos stubs, les dimensions dels dos stubs i la distància entre
ells sabent que un d’ells està centrat amb la línia de transmissió
es donen a continuació a la Figura 4.34. A la Taula 4.4 les mides
de l’antena, que no han sofert cap modificació des de que es va
iniciar el capítol ja que tots els canvis no han proporcionat
millores en la seva adaptació.
A la Figura 4.32.a es mostra l’adaptació que es presentava a
l’inici del capítol, com ja hem dit obté molt bons nivells en tot
el rang UWB i a la Figura 4.32.b es mostra una comparació gràfica
entre el guany i la directivitat de l’antena ,obtenint com a màxim
guany dins del rang de freqüències interessades un valor de 3.5 dB,
cosa habitual en antenes d’aquestes dimensions i per finalitzar es
mostren a la Figura 4.33 alguns dels diagrames de radiació de
l’antena simulats amb Momentum, que ens indiquen que manté un bon
patró i no hi ha cap irregularitat digna de menció.
Figura 4.34.- Dimensions STUBS (mm)
A la Figura 4.35 es mostra l’antena fabricada per les dues
cares.
Figura 4.35.-Foto antena optimitzada 5
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
45
Es va procedir a mesurar l’adaptació de l’antena al laboratori
amb l’analitzador de xarxes i es compara a l’adaptació simulada en
la gràfica de la Figura 4.36.
Figura 4.36. Simulació i mesura de l’antena optimitzada 5
Al comparar les adaptacions ens adonem que l’ús dels stub no
concorda amb la mesura tal com influeix en la simulació.
En general la mesura no presenta l’adaptació que esperàvem per
tant s’hauran de modificar alguns aspectes de l’antena o utilitzar
altres vies de modificació per aconseguir que la seva adaptació
millori.
Es va seguir treballant sobre el disseny i a continuació
s’introdueixen dues simulacions que presenten bona adaptació, una
d’elles és continuísta en el tema de l’ús dels stubs mentre que a
l’altra vam optar per eliminar-los i vam intentar ampliar
l’alimentació de l’antena per tal de rebaixar el màxim possible el
seu tall a -10 dB.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
46
4.7.2-Antena optimitzada 6
Dimensions (mm) D 20 D1 31 H 6 F 0.6 S 1 R 13.3 r 7.1
W 6.2 L 10.2
Figura 4.37-Antena optimitzada 6 disseny ADS Taula 4.5-Dimension
antena optimitzada 6
-a- -b- Figura 4.38– Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 5
Figura 4.39.-Diagrames de radiació 3D de l’antena optimitzada
6
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
47
A la Figura 4.37 es mostra el disseny en ADS, a la Taula 4.5 les
seves dimensions, que en aquest cas han estat modificades en els
paràmetres H,D1 i L, significant un augment de la dimensió total de
l’antena ja que ampliem el pla de massa i allarguem tota l’antena.
A la Figura 4.38.a es mostra la seva adaptació simulada amb
Momentum , presenta un nivell bastant al límit dels -10dB cosa que
probablement amb les mesures empitjori , però esperem que el seu
tall i la seva adaptació en la zona freqüencial d’interès de 2-3
GHz sigui acceptable. A la Figura 4.38.b tenim la gràfica
comparativa entre el guany i la directivitat de l’antena extreta
del Momentum. Per últim a la Figura 4.39 es mostren alguns dels
diagrames de radiació per algunes freqüències , mostrant un patró
omnidireccional a freqüències baixes i empitjorant lleugerament a
partir dels 6.5-7 GHz.
L’antena optimitzada 6 presenta una altra disposició dels stubs
que està descrita a la Figura 4.40.
Figura 4.40.-Posicionament dels stubs (mm)
L’antena es va portar a procés de fabricació i el seu disseny
fabricat es mostra a la següent Figura 4.41 per ambdues cares.
Figura 4.41.- Disseny fabricat antena optimitzada 6
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
48
A continuació es mostra la comparativa gràfica de la mesura
d’adaptació presa al laboratori i la simulació processada amb el
Momentum (Figura 4.42).
Figura 4.42.-Adaptacions real i simulada antena optimitzada
6
En aquest cas, a diferència de l’antena optimitzada 5, el nostre
tall ha baixat uns 200 MHz però en canvi obtenim un nivell
d’adaptació millor en aquesta antena, ja que quasi tot el marge de
freqüències UWB es manté per sota dels -10dB exceptuant entre 7 i 8
GHz que l’adaptació roman al límit.
En la següent antena optimitzada es va eliminar l’ús dels stubs
i es va optar per ampliar al màxim l’amplada de l’alimentació de
l’antena per intentar rebaixar el tall a -10dB.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
49
4.7.3-Antena optimitzada 7
Dimensions (mm) D 20 D1 31 H 6 F 0.6 S 1 R 16 r 1
W 15 L 15
Figura 4.43-Antena optimitzada 7 disseny ADS Taula 4.6-Dimension
antena optimitzada 7
-a- -b- Figura 4.44– Adaptació simulada (a) i gràfic de
guany/directivitat de l’antena optimitzada 7
Figura 4.45.-Diagrames de radiació 3D de l’antena optimitzada
7
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
50
A la Figura 4.43 es mostra el disseny realitzat en ADS, els
paràmetres que han canviat són els dos radis (r i R) i la distància
L cosa que dona molta més superfície. A la dreta es mostren les
seves dimensions en la Taula 4.6, a la Figura 4.44.a la seva
adaptació simulada i en la Figura 4.44.b la gràfica comparativa
entre guany i directivitat de l’antena que com és habitual en
aquestes antenes i totes les que hem dissenyat oscil·la entre 0 i 7
dB, aproximadament. Per últim, trobem a la Figura 4.45 els
diagrames de radiació que es mostren omnidireccionals fins als 6
GHz; a partir d’aquesta freqüència empitjoren.
A la Figura 4.46 es mostren ambdues cares de l’antena
fabricada.
Figura 4.46.- Fotografia de ambdues cares de l’antena
optimitzada 7
I en la Figura 4.47 podem observar la comparativa gràfica entre
la simulació de l’adaptació amb l’ADS i la mesurada al laboratori
.
Figura 4.47.- Adaptació simulada i mesurada de l’antena
optimitzada 7
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
51
La simulació mostra en aquest cas que hem aconseguit el propòsit
de rebaixar el tall a -10dB, situant-lo als 2.1 GHz aproximadament.
Seria millor si el pic entre 7-8 GHz no superés el -10dB però el
propòsit principal queda aconseguit i la resta de la resposta
conserva una molt bona adaptació.
Amb aquesta última antena concloem el capítol i per al pròxim
s’utilitzaran com a tag les antenes optimitzades 6 i 7.
4.8.Referències del capítol
[1].Tesis Liang Jianxin, Antenna Study and Design for UWB
Communication Applications
5. Mesures temporals dels Tags
En aquest capítol farem ús de les antenes optimitzades 6 i 7
fabricades al capítol anterior per a utilitzar-les com a tag
temporal. Per aplicar aquest retard es connecta una línia de
transmissió en forma de meandre suficientment llarga i preparada
per utilitzar-la sobre les dues antenes. Es van implementar els
tags i el resultat es mostren en les fotografies de la Figura
5.1.
Figura 5.1.- Antenes optimitzades 6 i 7 respectivament amb línia
de retard implementada
També es va portar a terme una simulació prèvia amb el Momentum
per assegurar-nos que no es produïa cap comportament estrany en les
adaptacions. Es mostren a continuació les adaptacions simulades per
a l’antena optimitzada 6 (Figura 5.2.a) i per l’antena optimitzada
7 (Figura 5.2.b) amb meandra i sense.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
52
(a) (b)
Figura 5.2.Comparatives de l’adaptació amb i sense meandre de
les antenes optimitzades 6 i 7
Com es pot veure es produeixen uns petits canvis en l’adaptació,
ja esperats i que tampoc afecten massa a nivells de freqüència
baixos , per tant no hi ha cap problema i tirem endavant.
5.1.Procés de mesura dels Tags
S’explicarà breument els procediments que s’utilitzen per
realitzar una mesura d’un tag al laboratori. S’ha utilitzat
l’analitzador de xarxes com a lector. Es calibren els dos ports ja
que en aquesta mesura els utilitzarem els dos, un per l’antena
emissora i l’altre per l’antena receptora (veure Figura 5.6, on hi
ha el sistema de mesura)
Figura 5.5.-Fotografia de l’analitzador d’espectres
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
53
Figura 5.6.- Muntatge per a mesura del tag
Com es pot veure s’utilitza una cambra semi-anecoica ja que es
pretén no rebre elements indesitjables en la nostra lectura i així
veure més clars els resultats.. Es van fer mesures a diferents
distàncies per observar fins quan era factible la seva detecció. Es
van separar les antenes a 60 cm, 100 cm i 140 cm, a la següent
imatge es mostra el cas per a 60cm (Figura 5.7). Amb l’ús de
l’analitzador, el programa Matlab i d’un codi generat per a fer
aquestes mesures es fan les captures del tag temporal.
Figura 5.7.-Imatge lateral del muntatge
5.2.Mesures
A continuació es mostraran les senyals capturades al laboratori,
primer per a 60 cm , després per a 100 cm i per acabar, a 140
cm.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
54
Els resultats obtinguts per a 60 cm amb l’antena optimitzada 6
es mostren a la Figura 5.8 i per a l’antena optimitzada 7 , a la
Figura 5.9.
Es poden apreciar perfectament el mode estructural i el mode
antena en les dues mesures, i la distància entre els dos modes és
proporcional, com ja hem dit, al retard de la línia de
transmissió.
Figura 5.8.-Mesura tag antena optimitzada 6 a 60cm
Figura 5.9.-Mesura tag antena optimitzada 7 a 60cm
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
55
El retard que genera la línia de transmissió es pot apreciar més
clarament en la Figura 5.10. Com es mostra a la imatge, el retard
introduït es de l’ordre de 0.5-1 ns aproximadament. Seguidament
veurem les captures per a 100 cm a la Figura 5.11.
Figura 5.10.-Retard incorporat
Figura 5.11.-Mesures tag antenes optimitzada 6 (a) i antena
optimitzada 7 (b)
Es pot observar que el canvi de distància genera un retard en la
captació del tag com és lògic. En aquesta distància encara són
perceptibles ambdós modes i es poden distingir clarament el mode
estructural i el mode antena.
Per últim es mostraran els resultats per a una distància de 140
cm a la Figura 5.12.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
56
Figura 5.12.-Mesures Tag a 140cm de l’antena optimitzada6 (a) i
7 (b)
A aquesta distància ja és més confus el distingir el mode
estructural i antena ja que es mesclen amb el soroll i es poden
confondre. S’observa també com aquests 40cm introdueix una mica més
de retard en la captació dels senyals. Amb això finalitzem les
mesures realitzades als tags.
6. Conclusions i linies futures
En aquest capítol s’exposaran les conclusions extretes del
treball realitzat en aquest projecte, els punts que s’han millorat
i els que es podrien millor en un futur, així com les vies que es
poden aplicar.
6.1.Conclusions
El projecte s’ha basat en el disseny i optimització d’antenes
UWB per aplicacions a Chipless RFID; s’han aconseguit resultats
molt favorables en algunes de les antenes descrites, i el que es
més important, totes les antenes són d’unes dimensions molt
petites, com era el propòsit principal del projecte .
Cal destacar l’antena el·líptica descrita al capítol 4, que amb
unes dimensions totals d’antena de 3.2 x 2.3 cm obté una adaptació
molt bona, així que posiblement la seva topologia sigui idònia per
a aconseguir minimitzar més antenes d’aquest tipus.
També al capítol 4 es descriu l’antena forca i els intents
d’aplicar-li dos stubs. En aquest cas no es van obtenir valors
favorables en les seves mesures i per tant es descarta el possible
ús de més d’un stub en posicions properes entre sí.
-
Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless
RFID
57
En canvi podem dir que al maximitzar l’amplada de l’alimentació
de l’antena s’obtenen millores significatives en la seva adaptació
i això s’observa amb claredat en l’antena optimitzada 7, que
presenta els millors resultats en quant a freqüències de tall més
baixa a -10dB.
Per finalitzar es van utilitzar dues de les antenes descrites al
capítol 4 per a la integració d’una linia de retard; en aquest cas
els resultats també van ser favorables, possiblement l’única pega
es que la seva actuació té poc abast i a partir de 150cm disminueix
la claredat amb que rebem el tag.
Per acabar, mencionar que l’elaboració d’aquest treball ha
enriquit els meus coneixements sobre antenes i m’ha ajudat a
afiançar conceptes apresos durant aquests 3 anys de carrera.
6.2.Línies futures
A continuació s’exposaran els camins o vies que es creuen
convenients que es poden seguir a partir de la feina realitzada en
aquest projecte.
Mencionar l’antena bàsica slot el·líptica com a millor antena
portada a terme en aquest projecte i que possiblement algunes
modificacions en la seva topologia la puguin fer millorar i obtenir
resultats més favorales.
No s’aconsella el treball amb més d’un stub degut a els mals
resultats obtinguts i a discordancia entre simulacions i
mesures.
Finalment, com ja s’ha comentat, la tecnologia chipless RFID és
relativament novedosa i encara queden moltes línies d’investigació
obertes al voltant d’aquesta.
Disseny i optimització d’antenes UWB peraplicacions Chipless
RFIDÍndex1. Introducció2. Chipless RFID temporal i paràmetres
d’antena3. Antena bàsica slot circular4. Antena Bàsica slot
El·líptica5. Mesures temporals dels Tags6. Conclusions i linies
futures