Introducción
Se examina un sistema de etiquetas RFID utilizando el software de simulación EM XFdtd para validar su rendimiento en situaciones en las que el uso de grandes volúmenes requiere componentes de muy bajo coste. Este ejemplo procede de un sistema descrito en un artículo publicado en una revista [1]. La etiqueta RFID está construida como un dispositivo microstrip con resonadores en espiral sintonizados a frecuencias específicas que representan bits separados del código de la etiqueta. Los resonadores están conectados a dos antenas de disco monopolo de banda ultraancha (UWB) con polarización cruzada que reciben y transmiten la señal del sistema de escaneo. El sistema se demuestra con un diseño capaz de codificar seis bits que están formados por resonancias separadas 100 MHz entre 2,0 y 2,5 GHz. Las pruebas se realizan con dos antenas dipolo de periodo logarítmico (LPDA) de polarización cruzada que transmiten y reciben la señal de la etiqueta RFID.
Diseño y simulación de dispositivos
El diseño de la etiqueta RFID de seis bits se muestra en XFdtd en la Figura 1, donde el material rojo representa un sustrato Taconic TLX0 de 0,787 mm de grosor (permitividad relativa 2,45, tangente de pérdida 0,0019) y el material verde es un material conductor perfecto. Las dos antenas de disco monopolo UWB de polarización cruzada son visibles a la izquierda (horizontal) y a la derecha (vertical) de la sección central que sostiene seis resonadores en espiral que forman los seis bits de la etiqueta. En la Figura 2 se muestra un primer plano de uno de los resonadores en espiral. Las dimensiones de cada espiral se modifican ligeramente para desplazar la resonancia 100 MHz en cada espiral sucesiva. Un plano de tierra cubre parte de la cara posterior de la etiqueta RFID bajo los resonadores en espiral, pero no las antenas de disco.
Figura 1: La etiqueta RFID formada por dos antenas de disco monopolo UWB y seis resonadores en espiral se muestra como un modelo CAD en XFdtd.
Figura 2: Vista detallada de uno de los resonadores en espiral. Las dimensiones de la espiral se modifican ligeramente para desplazar la resonancia de la espiral y crear un bit diferente para la etiqueta RFID.
El sistema recibe una señal de una fuente externa polarizada con una de las dos antenas. Las resonancias de las espirales se transmiten a través de la segunda antena, de polarización cruzada, y son recibidas por una segunda antena externa con la misma polarización. Las antenas tienen polarización cruzada para reducir la cantidad de interferencias entre ellas y aislar la señal de la etiqueta RFID.
La antena de disco monopolo UWB mostrada en la Figura 3 se analiza inicialmente sola. Se observa que tiene un patrón monopolar típico con ganancia uniforme para el caso copolarizado en la dirección azimutal (Figura 4) y baja ganancia con polarización cruzada (Figura 5). La pérdida de retorno de la antena se sitúa en niveles aceptables para una gama de frecuencias muy amplia, como se muestra en la Figura 6.
Figura 3: La antena de disco monopolo UWB se muestra como un modelo CAD en XFdtd.
Figura 4: El diagrama de ganancia copolarizado del disco monopolar UWB es uniforme alrededor de la antena.
Figura 5: El patrón de ganancia de polarización cruzada de la antena de disco monopolo UWB tiene una ganancia muy baja, lo que ayuda a reducir cualquier interferencia cruzada en la etiqueta RFID.
Figura 6: La pérdida de retorno de la antena de disco monopolo UWB muestra un buen rendimiento en un amplio rango de frecuencias.
Las dimensiones de los resonadores en espiral, mostrados en la Figura 7, en el centro de la etiqueta RFID se sintonizan de forma que cada uno represente un único bit de 2,0 GHz a 2,5 GHz en intervalos pares de 100 MHz. Cuando se simulan solos, los resonadores producen nulos profundos en las frecuencias deseadas en los gráficos de magnitud de S21, como se muestra en la Figura 8. La fase de la señal S21 se puede ajustar en función de la frecuencia. La fase de la señal S21 también puede utilizarse para indicar un bit detectando los desplazamientos de fase a determinadas frecuencias. Esto se demuestra en la Figura 9, donde se localiza un desplazamiento de fase pronunciado en cada una de las ubicaciones deseadas entre 2,0 y 2,5 GHz.
Figura 7: Se muestra una etiqueta RFID de seis elementos que producirá un código de seis bits para la etiqueta RFID.
Figura 8: La respuesta de amplitud de la etiqueta RFID cuando se analiza por sí misma muestra una definición clara de los seis bits de 2,0 a 2,5 GHz. Aquí se muestra la respuesta de 000000.
Figura 9: La respuesta de fase de la etiqueta RFID cuando se analiza por sí misma muestra desplazamientos de fase pronunciados en cada una de las seis ubicaciones de bits para la etiqueta 000000.
Para probar el rendimiento de un sistema completo, se necesita una fuente externa que envíe una señal a la etiqueta RFID y reciba de ella la respuesta codificada. Para ello se utilizan dos antenas LPDA de polarización cruzada. En la figura 10 se muestra una de las antenas LPDA. La LPDA está diseñada para transmitir una fuerte señal co-polarizada en la dirección de avance con baja ganancia de polarización cruzada. En la Figura 11 se muestra la ganancia copolarizada de la LPDA a 2,0 GHz. En la Figura 12 se representa la ganancia en la dirección de avance (punto de máxima ganancia) en función de la frecuencia. El diseño inicial del LPDA tiene un rendimiento de pérdida de retorno inferior al deseable, por lo que se añade un circuito de adaptación al puerto de entrada. El circuito de adaptación consiste en un inductor en serie y un condensador en paralelo añadidos a la alimentación de la fuente de tensión. El resultado es una pérdida de retorno muy mejorada en el rango de frecuencias de interés, como se muestra en la Figura 13.
Figura 10: Uno de los modelos de antena LPDA se muestra en XFdtd.
Figura 11: El diagrama de la antena LPDA tiene una fuerte ganancia directa y una baja polarización cruzada.
Figura 12: La ganancia directa de la antena LPDA es superior a 7dBi en una amplia gama de frecuencias.
Figura 13: La pérdida de retorno de la antena LPDA mejora considerablemente con la adición de un sencillo circuito de adaptación y muestra un rendimiento muy bueno en todo el rango de interés.
Para probar todo el sistema, se colocan dos antenas LPDA a 5 cm de la etiqueta RFID con una de las antenas LPDA alineada con el monopolo vertical y otra alineada con el horizontal. La etiqueta RFID se prueba para tres combinaciones de bits diferentes de 000000 (todas las espirales resonando), 010101 y 111111 (todas las espirales en cortocircuito). El cortocircuito de una sola espiral y, por tanto, el ajuste de un bit a 1 se realiza añadiendo un pequeño cuadrado de conductor a la espiral, como se muestra en la Figura 15. La salida del sistema combinado se muestra en la pantalla. La salida del sistema combinado se muestra utilizando los resultados de la etiqueta 111111 como referencia, tal y como se hizo en el artículo original. Esto mejora la visibilidad de los nulos de la etiqueta, ya que elimina las respuestas introducidas por el sistema de pruebas. En la figura 16 se muestra el gráfico de amplitud ajustada de la etiqueta 000000 y se aprecian claramente los nulos que representan los seis bits, con varios dB de diferencia. El gráfico de amplitud ajustada para la etiqueta 010101 se muestra en la figura 17 y, de nuevo, los tres bits a 2,0, 2,2 y 2,4 GHz están representados por nulos en esas posiciones. Del mismo modo, la respuesta de fase se normaliza con la señal de la etiqueta 111111, y la fase de la etiqueta 000000 se muestra en la Figura 18, mientras que la de la etiqueta 010101 está en la Figura 19; en cada caso, los desplazamientos de fase en las ubicaciones de los bits son visibles.
Figura 14: Se muestra el sistema RFID completo con antenas LPDA de polarización cruzada para transmisión y recepción y la etiqueta RFID con antenas de disco UWB de polarización cruzada y los seis resonadores en espiral. La etiqueta está a 5 cm de las antenas de transmisión y recepción.
Figura 15: Los bits se ajustan de 0 a 1 añadiendo un corto a través de los brazos de la espiral. Esto elimina la resonancia de la espiral de la gama de frecuencias de interés.
Figura 16: Se muestra la respuesta de amplitud ajustada del sistema RFID para la etiqueta 000000. Aquí se muestra la respuesta de la etiqueta después de normalizarla con la respuesta de la etiqueta 111111 para mayor claridad.
Figura 17: Se muestra la respuesta de amplitud ajustada del sistema RFID para la etiqueta 010101, donde los tres bits 0 son visibles a 2,0, 2,2 y 2,4 GHz.
Figura 18: Se muestra la respuesta de fase ajustada del sistema RFID para la etiqueta 000000, donde los bits 0 son visibles como desplazamientos de fase pronunciados separados 100 MHz de 2,0 a 2,5 GHz.
Figura 19: Se muestra la respuesta de fase ajustada del sistema RFID para la etiqueta 010101, donde los bits 0 son visibles como desplazamientos de fase pronunciados a 2,0, 2,2 y 2,4 GHz.
Resumen
Este ejemplo ha demostrado el rendimiento de un sistema de etiquetas RFID de bajo coste y sin chip que utiliza resonadores en espiral para denotar los bits. El rendimiento de los resonadores se muestra bastante bueno cuando se prueban solos, con indicaciones muy claras de la señal de bits presente en los datos de los parámetros S. Cuando se combina en un sistema completo con antenas transmisoras y lectoras separadas varios centímetros, el sistema produce patrones de bits reconocibles, lo que demuestra que el diseño es factible.
Referencia:
[1] S. Preradovic, I. Balbin, N. C. Karmakar y G. F. Swiegers, "Multiresonator-Based Chipless RFID System for Low-Cost Item Tracking", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 5, pp. 1411-1419, mayo de 2009.
