Eduar d Ibars Escarré - deeea.urv.catdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/2193pub.pdf · Disseny...

Tags chhipless R

G

Eduar

RFID amsubs

TREBAL

Dirigit D

Grau d'En

T

rd Ibars Es

mb codifstrat fle

LL DE FI D

David Girb

nginyeria T

Tarragona

2014

scarré

ficació txible

DE GRAU

bau Sala

Telemàtica

a

tempora

a

al sobree

Disseny d’antenes UWB amb substrat flexible

2

Agraïments

Vull donar les gràcies al Dr. David Girbau per haver-me ajudat a tirar endavant

aquest projecte, per mostrar-se sempre com un professor exemplar, he après molts valors i

maneres de treballar admirables. Sempre estaré molt agraït per tot el que ha fet per mi.

Agrair també el suport dels meus companys, dels meus amics i familiars que m’han

acompanyat en aquest trajecte, per haver-me ajudat quan ha fet falta.

Per últim i més important donar les gràcies i dedicar aquest projecte a Ana Méndez

Gil, als meus pares i al meu germà. Aquest projecte és també vostre.

Eduard Ibars Escarré

Tarragona, 5 de Juny del 2014.


3

ÍNDEX

1 INTRODUCCIÓ ........................................................................................................................... 5

QUÈ ÉS RFID? ....................................................................................................................... 5 1.1

QUÈ ÉS UWB ULTRA WIDE BAND? ....................................................................................... 5 1.2

QUÈ ÉS SUBSTRAT FLEXIBLE? ................................................................................................ 6 1.3

OBJECTIUS DEL PROJECTE ...................................................................................................... 6 1.4

REFERÈNCIES DEL CAPÍTOL.................................................................................................... 6 1.5

2 ANTENES UWB SOBRE SUBSTRAT FLEXIBLE ................................................................. 7

ANTENES ............................................................................................................................... 7 2.1

CLASSIFICACIÓ DE LES ANTENES ........................................................................................... 7 2.2

2.2.1 Antenes de fil .................................................................................................................... 7 2.2.2 Antenes de superfície ....................................................................................................... 8 2.2.3 Antenes PCB (Microstrip o CPW) ................................................................................... 8 2.2.4 Agrupacions d’antenes ..................................................................................................... 9 PARÀMETRES BÀSICS D’UNA ANTENA .................................................................................... 9 2.3

2.3.1 Impedància d’entrada ...................................................................................................... 9 2.3.2 Adaptació ......................................................................................................................... 9 2.3.3 Diagrama de radiació .................................................................................................... 10 2.3.4 Directivitat ..................................................................................................................... 10 2.3.5 Guany ............................................................................................................................. 11 2.3.6 Polarització .................................................................................................................... 11 2.3.7 Línies d’accés Microstrip ............................................................................................... 11 2.3.8 Línies d’accés CPW ....................................................................................................... 12 DECISIONS DE DISSENY ........................................................................................................ 12 2.4

ANTENA 1: MONOPOL CIRCULAR ALIMENTAT A TRAVÉS DE CPW ....................................... 13 2.5

ANTENA 2: MONOPOL CIRCULAR AMB GAP CIRCULAR ALIMENTAT PER CPW ...................... 17 2.6

ANTENA 3: MONOPOL CIRCULAR SLOT ................................................................................. 19 2.7

ANTENA 4: MONOPOL CIRCULAR SLOT AMB ALIMENTADOR EN FORMA DE U ....................... 21 2.8

REFERÈNCIES DEL CAPÍTOL.................................................................................................. 22 2.9

3 TAGS UWB ................................................................................................................................ 23

TEORIA PER LA GENERACIÓ DEL RETARD ............................................................................. 23 3.1

TAG 1: ANTENA 3 MÉS RETARD DE 1NS EN FORMA DE MEANDRE ......................................... 23 3.2

TAG 2: ANTENA 3 MÉS RETARD DE 1NS SIMPLE ................................................................... 26 3.3

TAG 3: ANTENA 3 MÉS RETARD DE 1.2NS SIMPLE ................................................................ 27 3.4

TAG 4: ANTENA 3 MÉS RETARD 1.5NS SIMPLE ..................................................................... 28 3.5

TAG 5: ANTENA 4 MÉS RETARD 1NS MEANDRE CPW ........................................................... 30 3.6

TAG 6: ANTENA 4 MÉS RETARD 1NS MEANDRE SEPARAT ..................................................... 32 3.7


4 MESURES................................................................................................................................... 34

SISTEMA DE MESURA I PROCESSAT ...................................................................................... 34 4.1

DETECCIÓ MODE TAG PELS TAGS MICROSTRIP ................................................................... 35 4.2

DETECCIÓ MODE TAG AMB CPW ......................................................................................... 40 4.3

MESURA TAG 4 (MICROSTRIP) EN DISTÀNCIA ...................................................................... 42 4.4

MESURA TAG 6 CPW EN DISTÀNCIA ................................................................................... 44 4.5

COMPARATIVA ENTRE TAG 1 (6 CORBES) I TAG 2 (3 CORBES) ............................................. 45 4.6

COMPARATIVA ENTRE EL TAG 5 (MEANDRE APRETAT) I EL TAG 6 (MEANDRE NO APRETAT) 46 4.7

MESURES EN LA CURVATURA DEL TAG 4 EN MICROSTRIP ................................................... 47 4.8

MESURES EN LA CURVATURA DEL TAG 6 EN CPW .............................................................. 48 4.9

MESURES EN DIFERENTS MATERIALS ................................................................................... 49 4.10

4.10.1 Mesura en plàstic ...................................................................................................... 50


4

4.10.2 Mesura en paper ........................................................................................................ 50 4.10.3 Mesura en vidre ......................................................................................................... 51 4.10.4 Mesura en ampolla buida i plena d’aigua ................................................................. 51


5 CONCLUSIONS ......................................................................................................................... 53

CONCLUSIONS ..................................................................................................................... 53 5.1

LÍNIES FUTURES ................................................................................................................... 53 5.2


5

1 Introducció

Aquest projecte tracta de la tecnologia chipless RFID (IDentificació per

RadioFreqüència sense xip) utilitzant tecnologia UWB (Ultra Wide Band) sobre material

flexible, i més concretament en tags temporals basats en línies de retard.

Aquest projecte és una continuació de diferents línies de recerca referents al RFID i

UWB de la pròpia URV tals com “IR-UWB Radar System and Tag Design for Time-coded

Chipless RFID” de David Girbau i Angel Ramos o del PFC “Disseny d’antenes UWB per

a optimització de tags chipless RFID” de Sergi Rima.

En aquesta memòria es mostrarà el procés de disseny de tags temporals chipless en

un tipus de substrat flexible. És una línia d’investigació no explorada fins al moment en el

grup de treball.

El treball començarà amb l’adaptació de diferents dissenys d’antenes al substrat

flexible, optimitzarem les seves característiques, a continuació s’integraran les línies de

retard que permetran identificar els tags i finalment es faran una sèrie de mesures per

analitzar el seu comportament sobre diferents materials i curvatures.

Què és RFID? 1.1

RFID significa Radio Frequency IDentification (IDentificació per RadioFreqüència)

i és una tecnologia que permet identificar objectes a través de les ones de ràdio. RFID

pretén ser una millora al codi de barres referent a costos i aportant major usabilitat. RFID

no implica únicament identificar sinó que també pot fer algun tipus de sensat.

Com funciona? RFID és un sistema compost per un lector i un tag; quan el lector

entra al radi de cobertura del tag aquest respon amb el seu identificador. Aquest sistema

funciona a través d’un radioenllaç amb ones electromagnètiques a la banda de UWB i

antenes.

Hi ha molts tipus d’arquitectures de RFID actives, passives, i diferents combinacions

segons el tractament de l’ona. En aquest projecte es treballaran amb tags RFID passius

codificats temporalment. Què significa això? Doncs que els tags no estaran alimentats per

cap tipus de font que no sigui la de la pròpia ona; en el cas d’aquest projecte no inclouran

cap tipus de circuit electrònic. En el nostre cas treballarem amb polsos reflexats en el

domini temporal. RFID contempla altres formes com la modificació de l’amplitud o fase

de l’ona entre altres.

Què és UWB Ultra Wide Band? 1.2

L’article [1] fa un breu resum de les característiques del UWB, bàsicament defineix

que qualsevol tecnologia per ser UWB ha de complir una sèrie de requisits que són

treballar amb un ample de banda superior a 500 MHz o utilitzar una porció de l’espectre

més gran del 20% de la freqüència central de treball (BW > 20% de f0).

UWB permet utilitzar un espectre de freqüències elevades que van dels 3.1 GHz als

10.6 GHz i així obtenir l’ample de banda elevat.

Per aconseguir aquestes propietats s’envia un pols gaussià de durada de l’ordre de

pico/nanosegons el qual la seva transformada de Fourier té un ample de banda elevat; com

a conseqüència la densitat espectral d’energia és petita. La combinació de totes aquestes


6

característiques fa que UWB per comunicacions sigui robust a interferències, tingui

velocitats de transmissió elevades i que el rang d’abast sigui de l’ordre de metres [2].

Què és substrat flexible? 1.3

Un substrat flexible és un dielèctric (element no conductor) el qual les seves

propietats mecàniques permeten tenir un moviment dinàmic en forma de corba.

En el cas de RFID aquest substrat a la seva superfície s’imprimeixen una sèrie de

capes conductores per transformar-lo en un circuit sobre material flexible. En aquest

projecte treballarem amb Ultralam 3850, tal com es mostra a la Fig. 1.1 .

Fig. 1.1 Substrat flexible Ultralam 3850

Aquest tipus de propietats mecàniques aporten una sèrie d’avantatges sobre els

substrats no flexibles que són la capacitat d’adherir-se a la superfície de múltiples materials

no necessàriament plans, molt útil en el camp de la radioidentificació.

Objectius del projecte 1.4

Disseny d’antenes UWB. S’agafaran diferents dissenys funcionals d’antenes

UWB en substrats no flexibles i s’adaptaran al substrat flexible. S’utilitzaran

varies tecnologies d’accés, coplanar i microstrip.

Integració de línies de retards. Sobre les antenes dissenyades es calcularan

diferents retards temporals i s’integraran a les antenes.

Fabricació dels tags. Es fabricaran diferents tags mitjançant l’atac químic del

substrat.

Mesura dels tags. Es faran mesures de diferents paràmetres dels tags per

avaluar el seu rendiment. S’estudiaran algunes característiques per

aplicacions en sensors passius.

Referències del capítol 1.5

[1] Tommy K. K. Tsang and Mourad N. El-Gamal,” ULTRA-WIDEBAND (UWB) COMMUNICATIONS SYSTEMS:

AN OVERVIEW”, 0-7803-8935-2/05/ ©2005 IEEE

[2] Sergi Rima, “Disseny d’antenes UWB per a optimització de tags chipless RFID”, PFC URV DEEEA, 2011


7

2 Antenes UWB sobre substrat flexible

En aquest capítol es definiran els paràmetres bàsics d’una antena per així entendre els

resultats que anirem obtenint al llarg de la memòria. Per altre banda es dissenyaran

diferents models d’antenes amb substrat Ultralam 3850, s’analitzarà el seu rendiment i es

seleccionaran els dissenys més vàlids per l’aplicació a tags RFID en el següent capítol.

Els objectius d’aquest capítol seran repassar la teoria d’antenes, treballar amb el

programa de simulació electromagnètica ADS-Momentum, llegir i entendre diferents

articles científics d’on es basaran els dissenys de les antenes i finalment veure el

comportament del substrat Ultralam 3850 per a aquesta aplicació.

Antenes 2.1

Segons el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), associació

d’estandardització de noves tecnologies, es defineix una antena com aquella part d’un

sistema transmissor o receptor capaç de radiar i rebre ones electromagnètiques. És

l’element que permet el canvi de medi de l’aire als circuits guiats. Qualsevol element

radiant es pot comportar com una antena.

Les ones electromagnètiques son caracteritzades per la seva freqüència (f) i la seva

longitud d’ona (λ)

λ =

on c és la velocitat de la llum (3· m/s a l’espai lliure).

A partir d’aquí podem classificar les freqüències en bandes (rangs de freqüències)

que van des de la banda ELF (Extremely Low Frequency) que agrupa les freqüències

inferiors a 3kHz, fins a la EHF (Extremely High Frequency) que comprèn les freqüències

de 30 a 300GHz.

A nosaltres ens interessa la banda UWB (Ultra Wide Band) que és la banda on

treballarem ja que comprèn de 3GHz a 10GHz. Concretament treballarem en el rang de

3GHz a 5GHz que és la banda en la qual opera el radar que utilitzarem com a lector.

Classificació de les antenes 2.2

Les antenes es poden classificar en dos grans grups. Segons la forma i segons el

comportament.

2.2.1 Antenes de fil

Són totes aquelles antenes fabricades amb una estructura similar a un fil o que es

podrien fabricar amb un fil d’un material conductor. Són entre d’altres dipols, monopols,

espires, helicoïdals, etc., tal com es mostra en les Fig. 2.1 i Fig. 2.2 .


8

Fig. 2.1 Dipol Fig. 2.2 Antena helicoïdal

2.2.2 Antenes de superfície

Són aquelles que utilitzen una superfície o obertura per tal de dirigir el feix de rajos

electromagnètics.

Les més habituals són les antenes d’obertura com les botzines, on hi ha un canvi

progressiu de medi per a que els rajos puguin escapar-se del conductor.

Les antenes amb reflector utilitzen una superfície per agrupar o expandir rajos per a

que el feix tingui un comportament concret. En aquest tipus d’antenes trobaríem les

parabòliques que tenen una botzina per on entren i surten els rajos i una paràbola que

dirigeix el feix, tal com es mostra a les Fig. 2.3 i Fig. 2.4 .

Fig. 2.3 Botzina Fig. 2.4 Reflector

Les antenes de lent també les podríem trobar dins aquest grup. Utilitzen una lent per

redirigir els rajos que li arriben. Poden utilitzar també botzines com a font de rajos.

2.2.3 Antenes PCB (Microstrip o CPW)

Són aquelles antenes implementades amb línies de transmissió microstrip o coplanar.

És a dir, que utilitzen simplement pistes de coure de circuit imprès que funcionen com a

radiador electromagnètic, tal com s’observa en la Fig. 2.5 . Aquestes pistes van sobre un

substrat.

Aquesta és la categoria que ens interessa perquè aquest és el nostre tipus d’antenes.

El projecte desenvoluparà una antena microstrip i coplanar en placa impresa flexible, PCB,

per tal de fabricar tags passius.


9

Fig. 2.5 Antena dipol microstrip

2.2.4 Agrupacions d’antenes

Són conjunts d’antenes que s’ajunten per aconseguir certes

característiques de radiació, tal com s’observa en la Fig. 2.6 . Les

antenes per separat tenen un diagrama de radiació concret, però

disposant-les de formes especials, aquests diagrames poden

agregar-se de forma constructiva o destructiva per aconseguir

altres diagrames de radiació del nostre interès.

Paràmetres bàsics d’una antena 2.3

En aquest apartat es descriuran els paràmetres bàsics de l’antena i que s’aniran

utilitzant al llarg de la memòria.

2.3.1 Impedància d’entrada

Una antena és un dispositiu d’un port, per tant presenta una impedància d’entrada

que no és més que la relació entre la tensió i el corrent presents en aquest port.

La impedància d’entrada té una part real (R(ω)) i una part imaginària (X(ω));

ambdues dependents de la freqüència.

La part real de la impedància d’entrada (Rr) representa la densitat de potència activa

que l’antena radia en zones de l’espai allunyades d’aquesta (camp llunyà). En aquest sentit

Rrepresenta la part de potència dissipada en forma de calor. La part imaginària de la

impedància d’entrada (XA) representa la densitat de potència reactiva que es troba

emmagatzemada en zones al voltant de l’antena (camp proper)[1].

2.3.2 Adaptació

Habitualment interessa que l’antena estigui adaptada al generador. D’aquesta manera

la potència transmesa cap al generador passa a l’antena i aquesta es radia a l’espai.

Si l’antena no està adaptada, part de la potència incident procedent del generador es

reflecteix cap a ell mateix.

Perquè l’antena radiï el màxim de potència amb les mínimes pèrdues possibles,

ambdós, transmissor i antena, han d’adaptar-se per a una màxima transferència de potència

en el sentit clàssic de circuits:

Fig. 2.6 Array d’antenes


10

(2.1)

(2.2)

S’anomena coeficient de reflexió:

(2.3)

On és la impedància d’antena i la impedància de referència. Com es pot

deduir està compresa entre [-1,1], si | | llavors l’antena estarà completament

desadaptada, si llavors l’antena estarà completament adaptada ja que . En

aquest projecte treballarem amb el paràmetre [dB]:

[ ] (2.4)

Si llavors l’antena estarà desadaptada, si o inferior

l’antena es considerarà pràcticament adaptada.

2.3.3 Diagrama de radiació

Un diagrama de radiació és una representació gràfica de les propietats de radiació de

l’antena en funció de les diferents direccions de l’espai (sistema de coordenades esfèric) a

una distància fixa. Expressa el camp elèctric en funció de les variables angulars i La

representació es refereix respecte al camp elèctric[1].

2.3.4 Directivitat

La directivitat d’una antena es defineix com la relació entre la densitat de potència

radiada en una direcció i distància, respecte la densitat de potència que radiaria en aquesta

mateixa distància una antena isotròpica que radiés la mateixa potència que l’antena

transmissora[1].

Si una antena és directiva, és capaç de concentrar la potència que radia (o rep) en una

determinada direcció.

Si una antena presenta una directivitat elevada li permet apuntar en una determinada

direcció per rebre el senyal i per no rebre’l d’altres direccions.

(2.5)


11

On és la potència que l’antena radia o rep i és la potència radiada per

una antena isotròpica en la distància .

Normalment si no s’especifica es treballa amb que és la direcció on la

potència és màxima.

2.3.5 Guany

El guany posa de manifest el fet que una antena real no radia tota la potència que li

és subministrada, sinó que part d’aquesta es dissipa ( ). Per tant, el guany i la directivitat

estan relacionats per l’eficiència de radiació de l’antena[1]:

(2.6)

Si el generador entrega 1W de potència a l’antena, tenint una eficiència 100%,

aquesta radiarà 1W. Si aquest 1W es distribueix de manera igual en l’espai, l’antena tindrà

una directivitat de D=1 i G=1.

2.3.6 Polarització

La polarització d’una antena és la forma geomètrica que descriu l’extrem del vector

de camp elèctric vist des d’un punt fix. Aquesta forma es descriu en el pla perpendicular a

la direcció de propagació.

Hi ha tres tipus de polarització:

a) Lineal: descriu una recta en la direcció perpendicular al vector de propagació.

b) Circular: el camp generat per l’antena és una combinació de dues ones amb

polarització lineal i de la mateixa amplitud però, on els camps estan desfasats 90º.

c) El·líptica: la ona generada per l’antena és una combinació de dues ones lineals però

que, o bé no tenen la mateixa amplitud, o bé tenen angles de desfasament diferents

de 90º si tenen la mateixa amplitud.

En aquest treball treballarem en polarització lineal.

Només hem de pensar que si una antena té una polarització en transmissió, esperem

que l’antena receptora tingui la mateixa polarització en recepció per tal de poder captar el

màxim de senyal possible.

2.3.7 Línies d’accés Microstrip

Les línies d’accés Microstrip tal com es poden veure a la Fig. 2.7 consisteixen en una

línia conductora a sobre d’un dielèctric (substrat) i un pla de massa a la cara inferior

d’aquest substrat. Això fa que les línies de camp s’indueixin en la direcció de la capa “top”

a la “bottom”.


12

Substrat

Metal·lització

Metal·lització

Línies de camp

Fig. 2.7 Representació de les línies de camp en una línia de transmissió Microstrip

2.3.8 Línies d’accés CPW

Les línies d’accés CPW tal com es poden veure a la Fig. 2.8 consisteixen en una línia

conductora situada a sobre d’un dielèctric (substrat) i dos plans de massa a cada costat

d’aquesta. Tot això en la cara superior del substrat. Això fa que les línies de camp

s’indueixin en la direcció dels plans de massa.

Substrat

Metal·lització

Línies de camp

Fig. 2.8 Representació de les línies de camp en una línia de transmissió CPW

Decisions de disseny 2.4

En aquest projecte es treballarà amb el radar Time Domain de la Fig. 2.9 . Aquesta

figura mostra la distribució de potència dels polsos que emet el radar (en vermell) i per tant

podem deduir que el radar Time Domain té la potència distribuïda entre 3 GHz i 5 GHz.


13

Això significa que els dissenys de les antenes hauran d’estar adaptats entre 3 GHz i 5

GHz o el que és el mateix, el paràmetre haurà d’estar per sota -10 dB entre 3 GHz i 5

GHz perquè la potència entregada a l’antena sigui màxima.

Fig. 2.9 Potències del radar Geozondas i Time Domain

Les antenes hauran de tenir un guany positiu en aquest rang i es buscaran antenes

amb un diagrama de radiació poc directiu i amb polarització lineal.

Altres paràmetres de disseny seran les impedàncies d’entrada, que condicionen les

dimensions de les línies de transmissió. Si aquestes són molt petites no es poden fabricar.

Aquestes dimensions venen condicionades pel mateix substrat.

Antena 1: monopol circular alimentat a través de CPW 2.5

La primera antena que fabricarem serà una antena monopol circular, aquest tipus

d’antenes es caracteritzen per ser quasi omnidireccionals i tenir una bona adaptació per un

gran ample de banda.

El disseny ha començat simulant el disseny de l’article [2] que té una impedància de

la línia d’alimentació de 50Ω amb un substrat de H=1.6mm, i amb les mides de radi

de 12.5mm, un gap de 0.3mm i una amplada del pla de massa de 47mm amb una CPW de

pista de 4mm i espais de 0.33mm.

La simulació s’ha dut a terme amb el ADS-Momentum que és un software de

simulació electromagnètica que utilitza el mètode d’elements de contorn BEM per resoldre

les equacions diferencials de Maxwell.

Els resultats de la simulació del paràmetre i del guany han estat molt similars als

de l’article. Es pot comprovar a la Fig. 2.10 , Taula 2.1 i Fig. 2.11 .


14

Antena1 Dimensions(mm)

r 12.5

h 1.5

Wf 4

W 47

L 10

T 0.035

H 1.6

Fig. 2.10 Antena monopol circular CPW rèplica de l’article [2] Taula 2.1 Mides en (mm) de l’antena 1

Fig. 2.11 Adaptació correcte del paràmetre

2 3 4 51 6

-15

-10

-5

-20

0

Frequency

Mag.

[dB

]

S11


15

Llavors un cop comprovat la seva validesa s’han canviat les característiques del

substrat per les del Ultralam 3850 que és el substrat flexible que treballarem al llarg de tot

el projecte.

La línia de transmissió d’entrada en aquest cas és coplanar, el principal avantatge

d’aquest és que únicament s’imprimeix una cara del dielèctric.

S’ha hagut d’utilitzar una línia d’adaptació de 80Ω ja que el substrat té unes

permitivitats que, a impedàncies típiques (50Ω), l’espai que requereix entre pistes és

irrealitzable als laboratoris de la URV.

S’han generat múltiples dissenys on únicament es variava el diàmetre de la

circumferència. El millor disseny obtingut ha estat per un radi de 22.5mm. Aleshores s’ha

actuat de la mateixa manera amb el gap, traient com a conclusió que 1.24mm són

suficients.

Per fabricar i adaptar aquesta antena (màxima de 3GHz a 5GHz) hi han tres factors

que marquen el comportament de l’antena que són: el radi de la circumferència, el gap (que

és l’espai entre la circumferència i l’alimentació CPW) i per últim les dimensions del pla

de massa. La Fig. 2.12 mostra el layout de l’antena i la Taula 2.2 les mides corresponents.

A la Fig. 2.13 i Fig. 2.14 es poden observar el paràmetre i el guany de l’antena.

r

L

Wf

W

h

T

H

Antena 2 Dimensions (mm)

r 22.5

h 0.485

Wf 3

W 47.34

L 29.5

T 0.035

H 0.01

Fig. 2.12 Geometria de l’antena 1 Taula 2.2 Mides de l’antena1


16

Fig. 2.13 Paràmetre de l’antena 1 Fig. 2.14 Guany de l’antena 1

Hem comprovat que a mesura que el radi de l’antena es fa petit, l’adaptació es

desplaça cap a freqüències més altes.

Tal com hem comentat aquesta antena està alimentada a través d’una línia de

transmissió coplanar. A continuació ha estat necessari calcular les mides d’aquesta línia

per les del substrat flexible Ultralam 3850 (veure els paràmetres bàsics a la Taula 2.3 ),

això s’ha fet amb una eina anomenada LineCalc inclosa en el paquet ADS del simulador

electromagnètic.

Paràmetre Valor

Permitivitat relativa 2.9

Tangent de pèrdues 0.0025

Gruix del Coure T 18

Gruix del Substrat H 100

Taula 2.3 Característiques físiques del Ultralam 3850

A la Fig. 2.15 es pot observar com s’ha dissenyat la pista CPW, s’han imposat dues

condicions de disseny que són una impedància d’antena de 80 Ω i una amplada de pista W

de 3mm. El LineCalc ha generat un gap G entre el pla de massa i la pista conductora de

0.4793mm.

2 3 4 51 6

-25

-20

-15

-10

-5

-30

0

Frequency

Mag.

[dB

]

S11

-6

-4

-2

0

2

4

6

2,5 3,5 4,5 5,5 6,5

Gu

any(

dB

)

Freqüencia (GHz)


17

Fig. 2.15 LineCalc per una línia de transmissió CPW

Antena 2: monopol circular amb gap circular alimentat per CPW 2.6

En aquest disseny d’antena ens basem en el disseny anterior i apliquem la teoria de

l’article [3]. Concretament ens diu que si tenim un monopol circular alimentat amb CPW

podem fer un gap circular al centre de la circumferència amb un radi no superior al 40% de

la circumferència exterior, que no hi hauran diferències significatives en termes

d’adaptació. Aquest fet es pot corroborar amb la Fig. 2.16 i la Fig. 2.19 . Això resultarà en

un decreixement de la secció recta dels tags que integraran l’antena i permetrà un mode

estructural menor.

L

W

Wf

h

R

r


r 11

R 22.5

h 0.485

Wf 3

W 47.34

L 29.5

Fig. 2.16 Geometria circular CPW flexible Taula 2.4 Mides de l’antena


18

2 3 4 51 6

-25

-20

-15

-10

-5

-30

0

Frequency

Ma

g. [d

B]

S11


Fig. 2.19 Comparativa entre monopol amb gap circular i sense

2 3 4 51 6

-30

-20

-10

-40

0

Frequency

Mag.

[dB

]

S11

-10

-5

0

5

10

2,5 3,5 4,5 5,5 6,5

Gu

any(

dB

)

Freqüencia (GHz)


19

Antena 3: monopol circular slot 2.7

En aquest cas la línia de transmissió és Microstrip. Per tant, és necessari calcular les

mides d’aquesta per adaptar-la a les característiques del substrat Ultralam 3850 i les de

l’antena; en aquest cas s’ha aplicat el mateix procediment descrit a la Fig. 2.15 , utilitzant

el LineCalc amb les dades de la Taula 2.3 . El resultat de tot plegat es pot observar a la Fig.

2.20 . La mida resultant d’aquest procés és una amplada de pista de 0.3412mm.

Fig. 2.20 Valors del LineCalc per una línia Microstrip

Aquesta antena s’ha basat en el disseny d’antenes UWB [8]; aquest tipus d’antena

té la característica que l’element radiador és un slot, això el fa més resistent a variacions de

la línia de transmissió que s’integrarà posteriorment com a línia de retard per codificar la

informació.

El resultat final es mostra a la Fig. 2.21 . Per tal d’obtenir-lo s’ha començat per

diferents dissenys més senzills que s’han anat perfeccionant. Un resum breu del que s’ha

fet en aquesta antena i perquè, és el següent: s’ha partit dels dos dissenys anteriors agafant

el radi de la circumferència interior r; un cop aquí s’ha anat modificant el radi exterior fins

trobar un paràmetre raonable; a partir d’aquí s’han afegit uns gaps S per aïllar el pla de

massa de l’antena respecte el pla de massa de la línia de retard [6][7]. Un cop arribats a

aquest punt s’ha anat modificant l’amplada del pla de massa i s’ha acabat veient que quan

la mida W era superior a la mida K el paràmetre millorava considerablement. La Fig.

2.22 i la Fig. 2.23 mostren el paràmetre i el guany respectivament.


20

0

1

2

3

4

5

6

1 3 5

Gu

any

dB

Freqüència GHz

W

L

r

R

K

Q

S

Antena

2

Dimensions (mm)

r 18

R 25.5

Q 70.5

K 67.08

S 3

W 90.41

L 29.06

Fig. 2.21 Antena 3 Microstrip amb substrat flexible Taula 2.5 Mides de l’antena

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB



21

Antena 4: monopol circular slot amb alimentador en forma de U 2.8

Aquesta antena està basada en l’article [5], que té el mateix tipus de funcionament

respecte l’antena 3 tret que fa servir una línia d’accés CPW. Aquest disseny difereix

respecte l’original amb la circumferència del pla de massa, originalment és una el·lipse

però per motius pràctics s’ha generat una circumferència. S’han afegit novament gaps

aïlladors entre el pla de massa i el radiador.

El procediment per arribar a aquest disseny ha estat el següent: en comptes de

treballar amb el monopol en forma de U s’ha anat treballant amb un monopol circular i

després s’ha canviat per la forma de U. Un cop s’ha tingut la forma del monopol, s’ha anat

variant el del cercle del pla de massa. Posteriorment, s’ha anat canviant la llargada del pla

de massa per acabar d’ajustar el paràmetre de l’antena. La Fig. 2.24 mostra la

geometria de l’antena i les Fig. 2.25 i Fig. 2.26 , el seu paràmetre i guany

respectivament.

W

L

S

K

R

QJ

r

M


r 5

R 27

Q 70.70

K 58

M 10

J 2.85

S 2

W 58

L 27.27

Fig. 2.24 Geometria circular CPW amb substrat flexible Taula 2.6 Mides de l’antena


22

-2

0

2

4

6

1 3 5

Gu

any

dB

Freq GHz

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-20

-15

-10

-5

-25

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB



[1] Jaume Anguera i Antonio Pérez,” TEORIA D’ANTENES”, LaSalle, 2008.

[2] J. Liang, L. Guo, C.C. Chiau, X. Chen and C.G. Parini, “Study of CPW-fed circular disc monopole antenna for ultra

wideband Applications”, IEEE Proc.-Microw. Antennas Propag., Vol. 152, No. 6, December 2005.

[3] X. Chen, J. Liang, P. Li, L. Guo, C. C. Chiau, C. G. Parini, “Planar UWB monopole Antennas”, IEEE APMC2005

Proceedings.

[4] G.-M. Zhang, J.-S. Hong, and B.-Z. Wang,”TWO NOVEL BAND-NOTCHED UWB SLOT ANTENNAS FED BY

MICROSTRIP LINE”, Progress In Electromagnetics Research, PIER 78, 209–218, 2008.

[5] Negar Tavassolian, Symeon Nikolaou, Manos M. Tentzeris, “A Flexible UWB Elliptical Slot Antenna with a Tuning

Uneven U-shape Stub on LCP for Microwave Tumor Detection”, Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference

2007.

[6] Angel Ramos, David Girbau, Antonio Lazaro and Sergi Rima,” IR-UWB Radar System and Tag Design for

Timecoded Chipless RFID”, 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2011.

[7] David Girbau, Ángel Ramos, Antonio Lázaro, Sergi Rima, Ramón Villarino, “Passive Wireless Temperature Sensor

Based on Time-Coded UWB Chipless RFID Tags”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND

TECHNIQUES, VOL. 60, NO. 11, NOVEMBER 2012.

[8] Sergi Rima, “Disseny d’antenes UWB per a optimització de tags chipless RFID”, PFC URV DEEEA, 2011.


23

3 Tags UWB

En aquest capítol generarem línies de transmissió amb retards temporals determinats

i els connectarem a les antenes dissenyades anteriorment.

Els objectius d’aquest punt seran utilitzar les eines que ens ofereix l’ADS per la

generació de retards, integrar-los directament al layout de l’antena i analitzar l’adaptació

de l’antena per comprovar els efectes d’aquestes modificacions. Per últim es generaran

diferents formes de retards i s’escolliran els que responguin a les millors prestacions de

l’antena.

Les antenes que s’escolliran són l’antena 3 i l’antena 4, ja que s’han fet proves amb

petits retards i són les que s’han mostrat més robustes. Les antenes 1 i 2 no tenen bons

paràmetres quan s’integren retards mitjanament elevats; aquestes proves es veuen

recolzades per les conclusions de [1][2].

Teoria per la generació del retard 3.1

Una línia de transmissió tal com s’ha comentat en punts anteriors consta de dos punts

claus, un d’ells és que ha de transmetre la senyal sense desadaptar el port d’entrada amb el

de sortida (generador o càrrega i antena), l’altre punt clau en aquest apartat és que una línia

de transmissió com més llarga sigui més retard hi haurà entre els dos ports esmentats.

Aquest retard ve donat concretament per la llargada de la línia i la de l’entorn (que

inclou el substrat sobre el qual l’antena està impresa i els materials que l’envolten), que es

tradueix en la fórmula (3.1); el retard en el nostre cas es considera el temps que tarda la

senyal en propagar-se d’un port a un altre port en el camí d’anada i tornada.

√

(3.1)

La funcionalitat d’aquest retard s’explica detalladament a la introducció però,

bàsicament, és per poder identificar el tag en el domini temporal.

Tag 1: Antena 3 més retard de 1ns en forma de meandre 3.2

El primer tag que fabricarem serà l’antena 3 més un retard (meandre) d’1ns. Per fer-

ho utilitzarem la fórmula (3.1); el càlcul del retard amb es veu a la fórmula

(3.2).

√

(3.2)

Un cop sabem la longitud de la pista el ADS ens generarà el meandre, amb el toolbox

del scheme afegim un DA_MMndr1 amb el layout associat on volem carregar el meandre.

Imposem dues càrregues de 40Ω als ports. Especifiquem les característiques del substrat

juntament amb un toolbox de S-parameters que simuli en un rang de 1GHz a 6 GHz.

Finalment li imposem decisions de disseny com Lphys que és la L calculada a (3.2). WR i


24

HR són amplada i llargada que es vol que ocupi el meandre. La Fig. 3.1 mostra l’esquema

esmentat.

Fig. 3.1 Generació automàtica del meandre per ADS

S’ha fet un meandre de 68.66mm donat que després s’ha d’integrar el disseny amb

l’antena i el final del pla de massa; s’afegeixen pistes fins arribar als 97.66mm. A la Fig.

3.2 veiem com ha quedat el retard.

Fig. 3.2 Retard generat per l’ADS i integració de dues pistes.

Per comprovar que el retard està ben calculat podem simular el paràmetre en el

domini temporal, això ho podem aconseguir amb un element de l’ADS anomenat S2P amb


25

aquest associem la simulació del layout de la Fig. 3.2 amb dos ports de 40Ω cadascun. La

Fig. 3.3 mostra l’esquema final i en la Fig. 3.4 es pot veure la correcta simulació del retard.

Un cop tenim el retard, l’integrem a l’antena; la Fig. 3.5 mostra el layout en CAD; la Fig.

3.6 és el disseny real fabricat en substrat flexible.

La Fig. 3.7 és la simulació del paràmetre on s’aprecia una adaptació per sota dels

-15dB. La Fig. 3.8 és una comparativa de l’antena aplicant-t’hi un retard i sense; d’aquí

s’extreu que el retard afecta a l’adaptació de l’antena de manera negativa.

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.52.0 6.0

1E-10

2E-10

3E-10

4E-10

5E-10

0

6E-10

freq, GHz

Re

tard

S(2

,1),

Se

go

ns

m1

m1freq= 4.010GHzm1freq=Retard=4.969E-10 seg

4.010GHz

Fig. 3.3 Toolbox per calcular retards ADS Fig. 3.4 Simulació correcta del retard

Fig. 3.5 Disseny Tag 1 amb CAD Fig. 3.6 Disseny real Tag 1


26

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

----- Antena amb retard 1ns

----- Antena sense retard

S(1

,1),

dB

Fig. 3.7 Paràmetre del Tag 1 Fig. 3.8 Comparativa amb retard i sense

Tag 2: Antena 3 més retard de 1ns simple 3.3

En aquest cas es genera un meandre d’1ns de manera manual. Aquí s’han utilitzat

unes pautes per evitar acoblaments no desitjats, que consisteixen bàsicament en deixar un

mínim de 0.8cm de distància entre les pistes paral·leles i 1cm entre aquestes i la fi del pla

de massa. La Fig. 3.9 mostra el resultat final en CAD i la Fig. 3.10 el disseny real preparat

per mesurar.

Fig. 3.9 Disseny Tag 2 amb CAD Fig. 3.10 Disseny real Tag 2


27

La Fig. 3.11 és la simulació del paràmetre . Per fer-nos una idea la Fig. 3.12 és

una comparativa entre el Tag 1 i el Tag 2 (actual); es pot apreciar com el Tag 2 presenta

una millor adaptació respecte el Tag 1.

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1),

dB

----- Antena amb 3 corves

----- Antena amb 6 corves

Fig. 3.11 Paràmetres S11 del Tag 2 Fig. 3.12 Comparativa entre el Tag 1 i el Tag 2

Tag 3: Antena 3 més retard de 1.2ns simple 3.4

En aquest cas repetim els càlculs igual que el Tag2 per un retard de 1.2ns

√

(3.3)

La Error! No s'ha trobat l'origen de la referència.mostra la concordança dels

càlculs teòrics amb la simulació

m1freq=delay(2,1)=5.977E-10

4.010GHz

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.52.0 6.0

1E-10

2E-10

3E-10

4E-10

5E-10

6E-10

0

7E-10

freq, GHz

de

lay(2

,1)

m1


4.010GHz

Fig. 3.13 Simulació correcta del retard

Posteriorment podem veure les Fig. 3.14 i Fig. 3.15 representant el layout en CAD i

el tag fabricat respectivament.


28

Fig. 3.14 Dibuix CAD del Tag 3 Fig. 3.15 Disseny real del Tag 3

La Fig. 3.16 és la representació del paràmetre on es pot apreciar una adaptació

per sota de -20dB per un rang elevat de freqüències; la Fig. 3.17 és el Tag 3 mostrant les

propietats flexibles.

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB

Fig. 3.16 Paràmetre del Tag 3 completament adaptat Fig. 3.17 Mostra del Tag 3 en curvatura.

Tag 4: Antena 3 més retard 1.5ns simple 3.5

En aquest cas tornem a calcular un retard manual per 1.5ns amb el disseny de

l’antena 3, el procediment és el mateix que el Tag2 i Tag3


29

√

(3.4)

Si volem reduir el nombre de corbes únicament ens queda eixamplar el pla de massa

tal com podem veure a les Fig. 3.18 i Fig. 3.19

Fig. 3.18 Dibuix CAD del Tag 4 Fig. 3.19 Disseny real del ag 4

La Fig. 3.20 és l’adaptació de l’antena (paràmetre ); es pot apreciar com en el

rang de 4 a 5GHz l’adaptació està per sota de -20dB.

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB

Fig. 3.20 Adaptació correcta del paràmetre del Tag 4


30

Tag 5: Antena 4 més retard 1ns meandre CPW 3.6

En aquest cas i en el posterior, el càlcul del retard per una està a la

fórmula (3.5)

√

(3.5)

En el cas del coplanar, l’ADS no té una eina específica per crear meandres. Per tant,

s’ha creat a través de la toolbox un meandre amb una amplada de pista de 3mm variant les

resistències de les càrregues com si fos microstrip. Aleshores s’han afegit manualment els

plans de massa a la distància de 0.4793mm. El resultat final es pot observar a les Fig. 3.21 i

Fig. 3.22 .

Fig. 3.21 Dibuix CAD del Tag 5 Fig. 3.22 Disseny real Tag 5

La Fig. 3.23 que es veu a continuació és el paràmetre del Tag 3; es pot observar

com està lleugerament més desadaptat que els tags microstrip. La Fig. 3.24 és la simulació

de la línia de retard amb un valor correcte.


31

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB


4.010GHz

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.52.0 6.0

-4.0E-10

-2.0E-10

0.0

2.0E-10

4.0E-10

6.0E-10

8.0E-10

-6.0E-10

1.0E-9

freq, GHz

de

lay(2

,1)

m1


4.010GHz

Fig. 3.23 Simulació del paràmetre correcte Fig. 3.24 Simulació del retard 1ns del Tag 5

A la Fig. 3.25 es poden veure les distribucions de corrent de la línia de retard i els

efectes de posar les pistes massa paral·leles. En aquesta situació es poden apreciar efectes

cancel·ladors en algunes zones.

Fig. 3.25 Efectes de crear un meandre comprimit


32

Tag 6: Antena 4 més retard 1ns meandre separat 3.7

En aquest cas s’ha fet una línia igual de llarga que el Tag 5 però deixant una

distància entre pistes major que el cas anterior. S’ha generat de la mateixa manera que el

cas anterior. La Fig. 3.29 mostra una comparativa entre els dos tags en paràmetres , on

el Tag 6 mostra millor adaptació que el Tag 5. Les Fig. 3.26 i Fig. 3.27 són el resultat del

disseny d’aquest tag.

Fig. 3.26 Disseny CAD Tag 6 Fig. 3.27 Disseny real Tag 6

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

S(1

,1)

dB

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.51.0 6.0

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

----- Retard més espaiat

----- Retard compactat

S(1

,1),

dB

Fig. 3.28 Paràmetre del Tag 6 Fig. 3.29 Comparativa entre les dues antenes CPW


33

En la Fig. 3.30 es comprova que el retard calculat correspon amb la simulació. La

Fig. 3.31 mostra la distribució del corrents pel Tag 6, es veu una millora respecte el Tag 5.


[1] Angel Ramos, David Girbau, Antonio Lazaro and Sergi Rima,” IR-UWB Radar System and Tag Design for

Timecoded Chipless RFID”, 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2011.

[2] David Girbau, Ángel Ramos, Antonio Lázaro, Sergi Rima, Ramón Villarino, “Passive Wireless Temperature Sensor

Based on Time-Coded UWB Chipless RFID Tags”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND

TECHNIQUES, VOL. 60, NO. 11, NOVEMBER 2012.

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.52.0 6.0

0.0

2.0E-10

4.0E-10

6.0E-10

8.0E-10

1.0E-9

1.2E-9

1.4E-9

-2.0E-10

1.6E-9

freq, GHz

Re

tard

S(2

,1)

Se

go

ns

m1


4.000GHz

Fig. 3.30 Simulació del retard

Fig. 3.31 Distribució corrents del Tag 6


34

4 Mesures

Els objectius d’aquest capítol són diversos, en primer lloc es mesuraran els tags

dissenyats, mesurarem els tags Microstrip i Coplanar en funció de la distància, es mesurarà

com afecten diferents angles de curvatura als modes estructurals i modes tag, i es posaran

els tags sobre diferents superfícies i dielèctrics per veure com els afecta.

En aquest capítol també s’explicarà l’esquema bàsic d’instrumentació de mesura,

com funciona i quines tècniques de processat del senyal s’utilitzen.

Per últim, es buscaran diferents aplicacions per sensar entorns. La Fig. 4.1 és un

exemple de com es duran a terme les mesures.

Fig. 4.1 Acondicionament per les mesures

Sistema de mesura i processat 4.1

El sistema que utilitzarem estarà composat per dues antenes, una en recepció i una

altre per transmissió, un radar low cost i un pc amb les rutines de comunicació i

processament. La Fig. 4.2 mostra aquest esquema.

Time Domain

Dev. Kit

Time Domain

RADAR

Tx UWB

Antena Vivaldi

Rx UWB

Antena Comercial

Acoblament

Senyal Transmesa

Senyal

Backscattered

Fig. 4.2 Esquema de la instrumentació del laboratori.


35

La idea general és enviar un pols monocicle gaussià al tag. Una part serà reflexada de

nou cap al lector (radar), que es coneix com a mode estructural, i l’antena del tag

n’absorbirà una part, que després de viatjar per la línia de retard es reflexarà en el circuit

obert del final i es re-radiarà de nou cap al lector, senyal que es coneix com a mode tag.

El radar en recepció utilitza una antena comercial, mentre que en transmissió

utilitza una Vivaldi. El pols monocicle gaussià que s’envia, es veu afectat pels efectes

derivatius de les antenes, fent que en recepció no es rebi un pols monocicle si no múltiples

polsos. La combinació d’aquestes dues antenes és idònia per minimitzar l’efecte derivador.

Aquest efecte derivador està minimitzat però no eliminat, compensant-se posteriorment

mitjançant tècniques de processat.

La posició de les antenes no es pot deixar a l’atzar. Les antenes no poden estar molt

juntes perquè l’acoblament és molt gran i podem saturar el receptor; tampoc poden estar

molt separades perquè llavors la distància mínima de lectura és molt gran.

El tag no pot ser aguantat per qualsevol material si no que ha de ser un suport que

eviti en major part les reflexions. En el nostre cas vam utilitzar un suport de fusta.

És necessari fer una primera mesura de l’escena anomenada background, que és

sense la presencia del tag; a continuació realitzem la mesura amb el tag. Mitjançant la resta

entre la mesura del tag i el background aconseguim eliminar en gran part la contribució

que puguin fer diversos rebots de l’entorn real.

El radar es connecta a través d’un cable de xarxa a l’ordinador, el qual fa servir

matlab amb unes llibreries de comunicació amb sockets per poder fer aquesta connexió. Es

pot fer servir en qualsevol sistema operatiu.

Executem una rutina anomenada MesuraMRM dins la qual tenim les ordres per

enviar el pols, el temps d’inici en picosegons i ajustem la finestra.

El mode estructural depèn de la secció recta del tag: amb un tag petit tenim menys

mode estructural; amb un tag més gran tenim un mode estructural més gran. El mode tag

depèn de la càrrega de la línia, si tenim circuit obert la senyal passa per línia de

transmissió, el rebot es màxim i retorna. La distància entre aquests dos modes depèn de la

longitud del retard, ja que el pols ha de recórrer més distància. Si posem una càrrega amb

impedància idèntica a la de la línia de transmissió, la càrrega absorbirà la potència perquè

estarà adaptada, no veient-se el mode tag perquè no s’ha reflexat aquesta potència.

Detecció mode Tag pels TAGs microstrip 4.2

En aquest apartat s’agafaran els 4 Tags microstrip i es mesuraran tots a una

distància de 40 cm respecte el radar Time Domain. S’analitzaran un a un per determinar el

seu mode estructural i el seu mode Tag, es mesurarà la diferència i es compararà amb els

càlculs teòrics. En els casos on el mode Tag no sigui evident és deduirà aplicant diversos

arguments físics.

Una tècnica per comprovar el mode Tag de manera rigorosa consisteix en posar una

càrrega del mateix valor que l’antena al port d’entrada per absorbir el mode Tag i que per

tant, no es reflexi. Aleshores es superposa aquesta gràfica amb una lectura de mode Tag

sense càrrega; el pic que deixa d’existir quan posem la càrrega serà el mode Tag.

En el cas de microstrip flexible posar una càrrega és molt complicat ja que s’ha de

fer una via conductora entre la capa “top” i “bottom” del substrat i unir una resistència


36

SMD de 40Ω a la pista conductora. En aquest cas és complicat ja que el substrat fa 100

i la pista conductora sobre 340 .

Un mètode alternatiu per detectar el mode Tag és curtcircuitar el pla de massa amb

la pista conductora i aplicar la mateixa comparativa explicada al punt anterior.

El primer Tag que mesurarem serà el Tag 1. Aquest Tag té un retard teòric d’1ns;

la Fig. 4.3 correspon a la lectura del tag.

Podem observar com hi han tres pics diferenciats. El primer de tots marcat amb

vermell representa el mode estructural que sempre va primer i és el que té una amplitud

més elevada en aquest tipus d’antenes, representant el reflex del pols sobre la secció recta

de l’antena. El segon pic està situat a 0.83ns respecte del primer, no podent ser el mode tag

ja que aquest està calculat cap a uns 1.12 ns (tenint en compte les longituds dels connectors

del meandre). El significat d’aquest segon pic representa un segon mode estructural degut a

alguna petita curvatura del substrat. Per exclusió, el tercer pic ha de ser el mode tag situat a

1.61ns respecte el primer pic. De 1.61 als 1.12 teòrics, hi ha una diferencia de 0.49 ns, dels

quals s’han de sumar diferents efectes que no hem tingut en compte com són el retard de la

pròpia antena.

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

No

rma

lize

d A

mp

litu

de

Mode Estructural

Mode Tag

Diferència 1.61ns

Fig. 4.3 Tag 1 retard 1ns meandre ads

La Fig. 4.4 mostra els models estructurals i el mode tag del Tag 2. Aquest Tag té un

retard teòric d’1ns, sent 0.77ns la diferència en temps entre el primer i segon pic, i 1.33ns

la diferència entre el segon i el tercer. La diferència entre el primer i el tercer pic és de

2.11ns.

Aquesta mesura és complicada d’analitzar ja que la diferència entre el mode

estructural i el mode tag és dispar amb la teòrica, tot i tenint en compte factors com el

retard de l’antena.


37

Si considerem que el mode estructural és el segon pic i el mode tag és el tercer,

aleshores la diferència amb la teoria és únicament de 0.33 ns, que seria un resultat correcte.

Aquesta antena crea com dos modes estructurals amb una diferència més significativa

respecte el cas anterior. Si féssim una mitja dels dos modes estructurals, el retard d’aquesta

mitja amb el mode tag seria d’uns 1.73ns amb un error de 0.73ns sobre el teòric.

En aquest cas s’ha intentat curtcircuitar el pla de massa amb la pista per saber

realment la posició del mode tag, però han aparegut diferents modes estructurals que

emmascaraven els resultats.

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

No

rma

lize

d A

mp

litu

de

Mode Estructural

Mode Tag

Diferència 2.11ns

Fig. 4.4 Tag 2 1ns meandre simple

A la Fig. 4.5 podem veure la resposta temporal del Tag 3. Novament podem veure un

segon mode estructural no tant pronunciat com el cas anterior. La diferència entre el mode

estructural (vermell) i mode Tag (negre) és de 1.67ns; aquest resultat és vàlid sent la

diferència de 0.47ns atribuïble als efectes del retard de l’antena.


38

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

No

rma

lize

d A

mp

litu

de

Mode Estructural

Mode Tag

Diferència 1.67ns

Fig. 4.5 Tag 3 1.2ns

A la Fig. 4.7 podem apreciar un clar mode estructural i mode tag corresponent al Tag

4; la diferència dels dos és de 1.55ns, molt proper als resultats teòrics. Aquest tag és el que

farem servir per les proves posteriors en materials i curvatures.

Per assegurar-nos millor que el mode tag és el segon pic, la Fig. 4.6 mostra el resultat

de curtcircuitar el pla de massa amb la pista, veient clarament com el mode tag disminueix

respecte el mode tag del circuit obert.

Com a conclusió d’aquest tag traiem que és el més correcte i vàlid per fer múltiples

mesures.


39

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 10-8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9x 10

6

Temps (ns)

Am

plit

ud

Mode Tag normal

Mode Tag Curt Circuit

Fig. 4.6 Diferències entre Tag 4 amb CurtCircuit i CircuitObert

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

No

rma

lize

d A

mp

litu

de

Màx Mode Estructural

Màx Mode Tag

Diferència 1.55ns

Fig. 4.7 Tag 4 1.5ns meandre manual amb amplitud normalitzada


40

Detecció mode tag amb CPW 4.3

En aquest apartat es detectarà el mode tag en dissenys CPW, concretament el Tag 5 i

el Tag 6. S’han agafat els tags i s’han posat a una distància de 40cm respecte les antenes

del radar, sent aquesta distància suficient per no emmascarar les mesures.

En aquest cas l’accés a l’antena es fa per CPW. Per tant, únicament hi ha una cara de

material conductor. Com a conseqüència, es facilita el poder soldar una resistència SMD

perquè faci de càrrega i anul·li el mode Tag.

El cercle negre de la Fig. 4.8 mostra la localització del mode Tag 5

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12

14x 10

6

Time (ns)

Am

plit

ude

Mode tag

Resistencia 80 Ohms

Fig. 4.8 Detecció del mode Tag 5

La Fig. 4.9 contempla els dos modes del Tag 5. Com és habitual el mode tag conviu

amb dos pics del mode estructural. Gràcies a la Fig. 4.8 sabem que el mode tag es troba

cap als 3ns amb una diferència del mode estructural d’uns 2.3ns.

Aquest resultat no concorda amb els càlculs teòrics que haurien de donar entre 1ns i

1.5ns. Podria haver algun problema amb la simulació o una mala detecció del mode tag.


41

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

No

rma

lize

d A

mp

litu

de

Mode Estructural

Mode Tag

Diferència 2.39ns

Fig. 4.9 Tag 5 1ns pla de massa curt

Pel cas del Tag 6 es pot diferenciar clarament a la Fig. 4.10 un sol mode estructural i

un clar mode tag; el pic situat entre els dos modes és un residu del mode estructural.

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

No

rma

lize

d A

mp

litu

de

Mode Estructural

Mode Tag

Diferència 2.61ns

Fig. 4.10 Tag 6 1ns pla de massa llarg


42

Mesura Tag 4 (Microstrip) en distància 4.4

En aquest apartat es mesurarà el Tag 4 des de 40cm fins a 210cm amb passos de

10cm. L’objectiu d’aquesta mesura consisteix en saber fins quina distància el mode Tag és

detectable. També comprovarem si compleix l’equació del radar.

S’ha decidit mostrar els resultats en quatre gràfiques. La Fig. 4.11 mostra una vista

general de com van disminuint els modes tags i estructurals. En les figures posteriors es fa

un zoom per trams on es permet observar amb més claredat aquest efecte.

2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12

x 106

40cm

50cm

60cm

70cm

80cm

90cm

100cm

110cm

120cm

130cm

140cm

150cm

160cm

170cm

180cm

190cm

200cm

210cm

Temps (ns)

Am

plit

ud

Fig. 4.11 Gràfica general dels modes des de 40cm a 210cm

Una primera interpretació aproximada i qualitativa de la Fig. 4.11 és que els modes

estructurals decreixen en funció de

on és la distància. Això és ocasionat al fet que

el radar emet una ona electromagnètica que es propaga en una primera aproximació

proporcional a

(fórmula de Friis). Aleshores la secció recta del tag reemet la potència

cap a l’antena receptora del radar amb la mateixa proporcionalitat

. Llavors el que

mesurem en el nostre cas és el camí d’anada i tornada. D’aquí és dedueix l’equació del

radar[2]:

(4.1)


43

és la potència transmesa del radar; és el guany de l’antena transmissora;

és el guany de l’antena receptora; és la longitud d’ona; i és la secció recta del

Tag.

Tots aquests paràmetres són constants en el nostre cas llavors d’aquí extraiem la

proporcionalitat

2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12

x 106

Temps (ns)

Am

plit

ud

40 cm

50 cm

60 cm

70 cm

80 cm

90 cm

100 cm

Mode Estructural

Mode Tag

Fig. 4.12 Mesures de 40cm a 100cm

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12

x 106

Temps (ns)

Am

plit

ud

110 cm

120 cm

130 cm

140 cm

150 cm

160 cm

170 cm

Mode Estructural

Mode Tag



44

3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12

x 106

Temps (ns)

Am

plit

ud

170 cm

180 cm

190 cm

200 cm

210 cm

220 cm

230 cm

240 cm

Mode Estructural

Mode Tag


Per altra banda, es pot apreciar que fins als 2 metres el tag és detectable sense

complicacions. A partir d’aquesta distància l’amplitud del mode tag disminueix a nivells

de soroll i no es podria detectar en casos reals.

Mesura Tag 6 CPW en distància 4.5

En aquest apartat es fa la mateixa mesura que el punt 4.4, però amb el tag 6 que és el

de tecnologia CPW i alimentació en forma de U.

Es pot comprovar que aquest tag és detectable a unes distàncies menors que el tag

anterior; es pot apreciar que fins als 140 cm és detectable.

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12x 10

6

Temps (ns)

Am

plit

ud

40 cm

50 cm

60 cm

70 cm

80 cm

90 cm

100 cm

110 cm

120 cm

130 cm

140 cm

Fig. 4.15 Distància de 40cm a 140cm


45

2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

x 10-8

0

2

4

6

8

10

x 106

Temps (ns)

Am

plit

ud

40 cm

50 cm

60 cm

70 cm

80 cm

90 cm

100 cm

110 cm

120 cm

130 cm

140 cm

Mode Estructural

Mode Tag

Fig. 4.16 Tag 6 zoom de 40cm a 140cm

Comparativa entre Tag 1 (6 corbes) i Tag 2 (3 corbes) 4.6

Aquesta mesura consistirà en mesurar el Tag 1 respecte al Tag 2. L’objectiu serà

comprovar com afecten dos meandres diferents amb el mateix retard al mode tag. El tag 1

té un meandre d’1ns amb 6 corbes de 90º. En canvi el Tag 2 té el mateix retard d’1ns amb

3 corbes de 90º.

La Fig. 4.17 mostra els resultats obtinguts. Aquests indiquen clarament que el Tag 1

amb 6 corbes té un mode tag més elevat que el Tag 2, sent per tant millor. La diferència de

temps entre el mode Tag 1 i el mode Tag 2 hauria de ser zero, però com es pot comprovar,

no és igual. Això és degut a una petita diferència entre els dos tags de 0.15ns deguda a la

incursió d’unes pistes entre meandre i l’antena.


46

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12x 10

6

6 Corves

3 Corves

Mode Estructural

Segon Mode Estructural

Mode Tag

Fig. 4.17 Comparativa entre el Tag 1 i Tag 2

Comparativa entre el Tag 5 (meandre apretat) i el Tag 6 (meandre no apretat) 4.7

En aquest experiment hi intervindran els Tags 5 i 6. El que busquem en aquesta

mesura és comparar l’efecte d’un retard d’1ns amb un meandre on la distància entre pistes

és petita i un altre meandre on la distància entre pistes és més gran.

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 10-8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

6

Temps (ns)

Am

plit

ud

FormaU Meandra Comprimit

FormaU Meandra Separat

Mode Estructural

Mode Tag

Segon Mode Estructural

Fig. 4.18 Comparativa entre el Tag 5 i el Tag 6


47

Les conclusions que podem extreure són que l’amplitud del mode estructural baixa al

reduir el pla de massa (RCS) i que no hi ha diferències significatives entre les dues

versions respecte l’amplitud del mode tag. Si observem pics contigus, el Tag 5 que té el

meandre més comprimit genera un pols entre el mode tag i estructural degut segurament a

acoblaments entre pistes. Aleshores ens interessa a mateixos resultats el Tag 6, si la mida i

el cost del tag no és problema.

Mesures en la curvatura del Tag 4 en Microstrip 4.8

En aquest punt posarem a prova el Tag 4 en termes de flexibilitat. La Fig. 4.19

mostra el procés que es durà a terme. La metodologia d’aquest experiment és senzilla.

Posarem el tag en una base calibrada i l’anirem flexionant d’1cm a un 1cm començant per

la curvatura 0 (totalment pla) fins la curvatura 4 (totalment inclinat).

Com s’ha fet anteriorment estudiarem com es comporten el mode tag i estructural en

aquesta situació i superposarem els casos.

La Fig. 4.20 mostra els resultats

obtinguts. Les conclusions que es poden

extreure són per una banda que els modes

estructurals es veuen reduïts a mesura que

anem corbant el tag i segon que els modes tag

es mantenen i redueixen l’amplitud a mesura

que el tag es va corbant.

El primer punt és degut a que al

doblegar el Tag la secció recta d’aquest es va

posant més perpendicular respecte l’ona

incident fent que la secció recta efectiva sigui

menor i per tant l’ona reflexada pel tag sigui

de menor amplitud.

El segon punt és degut a que al

doblegar el tag estem variant el diagrama de

radiació de l’antena fent que l’amplitud del

mode tag sigui més petita.

Aquest efecte s’hauria d’estudiar més a

fons però una possible aplicació podria ser,

per exemple, un sensor d’increments o

decrements de volum.

Fig. 4.19 Com apliquem les mesures al Tag 4


48

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

x 10-8

0

2

4

6

8

10

12x 10

6

Temps (ns)

Am

plit

ud

Corvatura 0

Corvatura 1

Corvatura 2

Corvatura 3

Corvatura 4

Mode Estructural

Mode Tag

Fig. 4.20 Modes Tags i Estructurals en funció de la curvatura del Tag 4

Mesures en la curvatura del Tag 6 en CPW 4.9

La mesura que es presenta en aquest apartat és la mateixa que al punt anterior.

Aquesta consisteix en agafar el Tag 6 i mesurar la seva resposta en front curvatures.

Les curvatures es faran en aquest cas de 0.5cm en 0.5cm començant per la curvatura

0 (totalment pla) fins la curvatura 3 (totalment inclinat). En la Fig. 4.21 es pot veure la

metodologia.

Fig. 4.21 Tag 6 corbat

A la Fig. 4.22 es mostren els resultats obtinguts. Clarament s’observa que el mode

estructural es divideix en dos modes estructurals que cada cop es van fent més petits. Un


49

altre punt que s’aprecia és que el mode tag continua sent estable a mesura que inclinem el

tag, disminuint únicament l’amplitud.

L’explicació vinculada al primer punt és deguda al mateix motiu que l’anterior, el

mode estructural es veu minvat degut a la disminució de la secció recta (RCS), ja que

aquesta es va inclinant cada cop més perpendicularment a l’antena en recepció del radar.

Seria un cas semblant a l’antena Vivaldi on, per la seva geometria, no té mode estructural.

Els dos pics del mode estructural són deguts a la secció recta del tag on la senyal

generada pel radar, al estar corbat el tag, incideix en dues RCS distanciades espacialment

en profunditat. Aleshores es produeixen dos modes tags temporalment.

2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6

x 10-8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

6

Temps (ns)

Am

plit

ud

Corvatura 0

Corvatura 1

Corvatura 2

Corvatura 3

Mode Estructural

Mode Tag

Fig. 4.22 Mateix amb CPW

Mesures en diferents materials 4.10

En aquest punt es mesurarà el Tag 4 sobre diferents materials per veure així el seu

comportament. Les mesures es duran a terme a 40cm del radar. S’ha establert el mateix

procediment que els casos anteriors, fent una mesura de background de l’entorn incloent

l’objecte en si. Posteriorment s’ha col·locat el tag sobre la superfície de l’objecte i s’ha

realitzat la mesura. Totes les mesures es donen amb l’amplitud normalitzada.


50

4.10.1 Mesura en plàstic

La primera mesura començarà posant el Tag 4 sobre una superfície de plàstic on

l’interior hi ha aire. La Fig. 4.23 mostra l’objecte amb el tag i la Fig. 4.24 és el resultat de

la mesura. S’observa clarament un mode tag diferenciat situat correctament en l’eix

temporal. El tag és detectable amb aquest tipus de materials.

Fig. 4.23 Mesura Tag 4 en plàstic Fig. 4.24 Es detecta correctament el mode tag

4.10.2 Mesura en paper

Aquesta mesura consisteix en col·locar el tag sobre una superfície corba de paper. El

Tag 4 sobre l’objecte de paper es pot veure a la Fig. 4.25 . El resultat de la mesura es pot

veure a la Fig. 4.26 . S’observa clarament el mode tag amb una amplitud molt bona. El tag

és detectable amb aquest tipus de materials.

Fig. 4.25 Mesura Tag 4 en paper Fig. 4.26 Es detecta correctament el mode tag

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

Norm

aliz

ed A

mplit

ude

1.83ns

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

Norm

aliz

ed A

mplit

ude

1.67ns


51

4.10.3 Mesura en vidre

En aquesta mesura es posarà el Tag 4 en una superfície corba de vidre on a l’interior

hi ha aire. La Fig. 4.27 mostra com s’ha dut a terme aquesta mesura. La Fig. 4.28 mostra el

resultat de la mesura. La conclusió d’aquest resultat és que el mode tag no es pot arribar a

detectar ja que queda al mateix nivell que un reflex del propi material. S’ha provat el small

tag de l’article [1] i s’han obtingut els mateixos resultats.

Fig. 4.27 Mesura Tag 4 en vidre Fig. 4.28 No es detecta el mode tag

4.10.4 Mesura en ampolla buida i plena d’aigua

En aquesta última mesura s’ha agafat una ampolla de plàstic i s’ha omplert d’aigua

fins arribar a l’extrem inferior del tag (Fig. 4.29 ) llavors s’ha fet la mesura i s’ha

aconseguit detectar el mode tag tal com es mostra a la gràfica blava de la Fig. 4.30 . Un

cop feta aquesta prova omplim l’ampolla d’aigua fins que cobreixi tot el tag, es fa la

mesura de nou i el resultat es mostra a la gràfica verda de la Fig. 4.30 el mode tag ja no es

detecta i el mode estructural ha disminuït. Aquest tag es pot utilitzar com a detector binari

de nivell d’aigua.

Fig. 4.29 Tag 4 en ampolla d’aigua Fig. 4.30 Detecció d’una ampolla buida i plena d’aigua

20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ns)

Norm

aliz

ed A

mplit

ude

40 cm

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 10-8

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5x 10

6

Ampolla buida

Ampolla plena


52


[1] David Girbau, Antonio Lázaro, Ángel Ramos, “Time-coded chipless RFID tags: design, characterization and

application”,International conference on RFID 2012 IEEE

[2] David Girbau, Antonio Lázaro, “Sistemes radar i telecomunicació espacial”, apunts assignatura URV 2013


53

5 Conclusions

Conclusions 5.1

Les conclusions sobre els resultats obtinguts són totalment favorables ja que els

objectius del treball han estat aconseguits. En primer lloc s’han aconseguit fabricar antenes

flexibles i integrar-hi retards per posteriorment detectar els tags. S’han fet diferents proves

amb materials i curvatures i s’han aconseguit resultats satisfactoris en la majoria d’ells.

S’ha comprovat la robustesa del UWB en front diferents materials i curvatures.

Com a punts negatius de les mesures, hi ha hagut moments difícils de no saber ben

bé on estava situat el mode Tag. Diferents situacions feien dubtar. Hi ha Tags on el mode

Tag no ha donat a la mateixa distància prevista en la teoria.

Referent al treball en general trec una experiència molt positiva del conjunt, he

après a fer anar tot tipus de programes de simulació i he après a fer mesures en un entorn

real de laboratori. S’han comprovat empíricament diferents conceptes estudiats i

d’investigació. He agafat força destresa en llegir diferents articles científics, en organitzar-

me una metodologia de treball, a marcar-me terminis i objectius. He après que la

tecnologia RF és molt sensible i fina de treballar.

Com a experiència personal trobo aquest treball molt motivador i enriquidor i, per

tant, és una de les moltes raons que em fan decantar per fer un màster i continuar

probablement aquesta línia de recerca amb el projecte de fi de màster.

Línies futures 5.2

Aquest treball sobre tags en substrat flexible té diverses línies futures. Per una banda

s’hauria d’estudiar amb més profunditat l’efecte mesurat en les Fig. 4.20 i Fig. 4.22 per

determinar si seria viable un sensor d’increments o decrements de volum amb tags passius.

S’hauria de determinar la seva robustesa en front situacions reals.

Per una altra banda, les mesures extretes de la Fig. 4.30 indiquen que els tags

flexibles es poden fer servir com a detectors de líquids, és a dir, si un recipient no metàl·lic

és buit o no. S’haurien de fer més investigacions referent a materials compatibles, i com

evitar el background en entorns industrials reals.

Una altra línia futura és aplicar tots els dissenys funcionals desenvolupats en aquest

projecte cap a altres substrats flexibles més econòmics com per exemple substrats en base

de paper.

Una línia de futur seria investigar els tags flexibles amb roba, o diferents objectes

que s’integren amb el cos, els anomenats wearables.

Eduar d Ibars Escarré - deeea.urv.catdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/2193pub.pdf · Disseny...

Documents

Transcript of Eduar d Ibars Escarré - deeea.urv.catdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/2193pub.pdf · Disseny...