Embed Size (px)
Citation preview
Disseny de guies UWB per aplicacions RFID
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica en Telecomunicacions especialitat Telemàtica
AUTOR: David Rull Aixa
DIRECTOR: Ramón Villarino Villarino
DATA:6 Juny/2011
2
ÍNDEX
1. Introducció...................................................................................................................4
1.1.Objectius del projecte.................................................................................... 4
1.2. Estructura de la memòria................................................................................4
2. UWB
2.1Breu història UWB...........................................................................................5
2.2 Descripció de la tecnologia..............................................................................6
2.3 Estandardització...............................................................................................7
2.4 Aplicacions de la tecnologia UWB..................................................................9
3. RFID
3.1 Antecedents històrics.................................................................................... 11
3.2 Funcionament i components de l‟arquitectura RFID.................................... 12
3.2.1 Middleware.....................................................................................12
3.2.2 Lector..............................................................................................13
3.2.3 Antena.............................................................................................14
3.2.4 Etiqueta...........................................................................................15
3.3 Estandardització.............................................................................................17
3.4 La xarxa EPC Global.....................................................................................20
3.5 Tipus de sistemes...........................................................................................24
3.6 Comparació de RFID amb codi de barres......................................................25
3.7 Comparació de RFID amb targetes intel·ligents............................................26
3.8 Aplicacions potencials i tecnologia del futur RFID............................ ..........27
4. Paràmetres importants de les antenes.....................................................................29
4.1 Diagrames de radiació...................................................................................29
4.2 Directivitat.....................................................................................................29
4.3 Guany.............................................................................................................30
4.4 Impedància d‟entrada i adaptació..................................................................32
4.5 Paràmetres S..................................................................................................32
4.6 Ample de banda.............................................................................................34
5. Antenes impreses.......................................................................................................35
6. Disseny de les antenes................................................................................................37
6.1 Caracterització de les antenes........................................................................39
6.2 Antena rodona................................................................................................39
6.2.1 Propietats físiques (5 GHz).............................................................39
6.2.2 Característiques elèctriques(5 GHz)...............................................40
6.2.3 Propietats físiques (3.5 GHz)..........................................................43
6.2.4 Característiques elèctriques (3.5GHz)............................................43
6.3 Antena vivaldi................................................................................................46
6.3.1 Propietats físiques (5GHz i 3.5 GHz).............................................46
6.3.2 Característiques elèctriques (5 GHz)..............................................47
6.3.3 Característiques elèctriques (3.5GHz)............................................50
6.4 Antena de pic................................................................................................ 52
6.4.1 Propietats físiques(5 GHz)..............................................................53
6.4.2 Característiques elèctriques(5 GHz)...............................................54
6.4.3 Propietats físiques (3.5 GHz)..........................................................56
6.4.4 Característiques elèctriques (3.5GHz)............................................57
6.5 Conclusions de les simulacions....................................................................60
7. Guies d’ona UWB......................................................................................................61
3
7.1 Objectius de les guies....................................................................................62
7.2 Principi de funcionament...............................................................................62
7.3 Característiques guies....................................................................................63
7.4 Maneres de propagació..................................................................................65
7.5 Alimentació de la guia...................................................................................70
7.6 Inconvenients i avantatges de les guies d‟ona...............................................71
7.7 Aplicacions....................................................................................................71
7.8 Comparació entre les guies d‟ona i les línies de transmissió.........................71
8. Disseny de les guies....................................................................................................72
8.1 Càlcul de les dimensions de les guies (5GHz)...............................................72
8.2 Càlcul de la ubicació de les antenes dins les guies........................................74
8.3 Resultats de les simulacions..........................................................................76
8.4 Càlcul de les dimensions de les guies (3.5GHz)............................................78
8.5.Càlcul de la ubicació de les antenes dins les guies(3.5GHz).........................79
8.6 Resultats de les simulacions..........................................................................80
9. Conclusions.................................................................................................................81
10.Referències................................................................................................................82
11.Annexes.....................................................................................................................83
4
1.Introducció
Aquest projecte apareix amb la idea de crear unes guies d‟ona per a les antenes dels
lectors RFID amb els beneficis de la tecnologia UWB, en la banda de freqüència de
microones, amb l‟objectiu d‟augmentar el guany d‟aquestes antenes, i a la pràctica
també poder augmentar la distància entre el lector i tag en un sistema bàsic de RFID.
1.1 Objectius del projecte
-Dissenyar antenes microstrip per a aplicacions de RFID (lectors), dos parells d‟antenes
de transmissió i recepció centrades a 3.5GHz i a 5GHz; freqüències de funcionament
dels nostres generadors.
-Per aquestes antenes microstrip, analitzar els seus guanys, i directivitats, la seva
adaptació a les dues freqüències i els diagrames de radiació.
-L‟objectiu més important d‟aquest projecte és dissenyar guies de UWB per augmentar
el guany d‟aquestes antenes uns 9dBs aproximadament.
-Analitzar les mesures de les guies amb les simulacions prèviament realitzades.
1.2 Estructuració
-En el primer apartat s‟explica detalladament la tecnologia UWB, els seus antecedents
històrics, el procés d‟estandardització. També les antenes UWB, les aplicacions més
destacades, i finalment els seus inconvenients i avantatges.
-En la segona part s‟explica extensament la tecnologia RFID, tecnologia cada cop més
important en el món actual i per la que es realitza el projecte, específicament en
augmentar el guany de les antenes d‟un lector RFID. Es parla de referents històrics, de
els components de l‟arquitectura RFID i dels estàndards de les organitzacions més
importants. S‟explica la xarxa EPC Global amb tots els elements importants que la
formen. És diferencia entre la tecnologia RFID amb la tecnologia codi de barres, i
també amb les targetes intel·ligents sense contacte. Per acabar s‟ explica una mica com
serà la tecnologia RFID del futur un cop estigui més implantada.
-En el següent apartat es parla sobre alguns dels paràmetres importants d‟una antena, i
s‟especifica el disseny realitzat per a les línies de transmissió així com també per a cada
antena del projecte. Després, per les antenes dissenyades, tant per a 5GHz com per a
3.5GHz, obtenim el guany, directivitat, adaptació i diagrama de radiació i es comenten i
analitzen posteriorment els resultats.
-En l‟últim apartat del projecte s‟expliquen les guies de UWB, els seus modes de
propagació, com s‟han dissenyat les guies per a un correcte funcionament, la seva
alimentació i els càlculs de les seves dimensions exteriors i també els càlculs de la
ubicació de les antenes al seu interior. Finalment s‟analitzen les simulacions obtingudes
i les mesures.
5
2.UWB
Les tecnologies inal·làmbriques d‟àrea local (WLAN) més utilitzades avui dia, com Wi-
Fi i Bluetooth van ser creades amb l‟objectiu d‟interconnectar sense fils dispositius en
un entorn de curtes distàncies a unes velocitats moderades. No obstant aquestes
tecnologies presenten encara unes limitacions, entre les que destaquen: incrementar la
velocitat de transmissió, augmentar l‟autonomia de funcionament i augmentar la
seguretat. Amb l‟objectiu de millorar aquestes limitacions apareix una tecnologia que té
una gran tradició utilitzada des de els anys 90 coneguda com tecnologia Ultra-
WideBand.
Ultra-WideBand (Banda Ultra-Ampla) és una tecnologia de ràdio per transmetre
informació sobre un gran ample de banda (>500 MHz o més del 20% de la freqüència
central) on es poden utilitzar nivells d‟energia molt baixos per a les comunicacions de
banda ample de curt abast, utilitzant gran part de l‟espectre de ràdio.
Alguns precedents històrics destacats d‟aquesta tecnologia són:
-Al 1897 Marconi inventa el primer sistema UWB, el transmissor Spark-gap.
-Al 1901 es realitzen treballs sobre les senyals UWB.
-Del 1900 al 1940 evoluciona la radiodifusió comercial, el processat de senyal i el radar.
Comença la era de les comunicacions sense fils: BLU, AM, FM.
-Al 1960 avancen en l‟estudi de la resposta de les xarxes de microones a polsos de molt
curta duració. Els EEUU treballen amb programes classificats sobre UWB, i la URSS
treballa amb l‟aprofitament de la tecnologia en radars multi-informació.
-Al 1964 apareixen els oscil·loscopi de mostreig( Hewlett-Packard i Tektronix).
-Del 1970-1990 tècniques digitals aplicades a UWB. Explotació de la millora de
prestació per l‟ús de banda ampla. Radar d‟impulsos de gran ample de banda.
-Al 2000 s‟aprova l‟UWB per al seu ús comercial.
Un senyal és de UWB si compleix una de les dos condicions següents
1a condició
L‟ample de banda entre punts a 10dB ≥ 20%
(2.1)
Nota: fu, fL; freqüències superior i inferior en la que la densitat espectral de potència de
a senyal està 10dB respecte del màxim. 20% respecte a la freqüència central.
6
2a condició
L‟ample de banda absolut B ≥ 500MHz, independentment de la freqüència central
B= fu-fL > 500MHz (2.2)
Figura 2. 1 Esquema de l’ample de banda segons la tecnologia
UWB té aplicacions tradicionals com imatges de radar no cooperatives. La majoria
d‟aplicacions són: precisió en localitzacions i recollida de dades amb censors, entre
altres. Està destinada a proporcionar un ús eficient de l‟ample de banda de ràdio, i
també ha de permetre dades a altes velocitats a les PAN (Personal Area Network),
connectivitat sense fils i més abast, baixa taxa de velocitat de dades com als sistemes de
radar i d‟imatges.
UWB es diferència amb les transmissions tradicionals de ràdio en la forma de
transmetre la informació.
Les transmissions de ràdio transmeten la informació variant el nivell de potència,
freqüència i/o fase d‟una ona sinusoïdal.
Les transmissions UWB transmeten la informació mitjançant la generació d‟energia de
ràdio en instants de temps determinats i ocupant un gran ample de banda, i això permet
una posició de pols o una modulació en temps.
UWB utilitza un gran ample de banda de l‟espectre de RF per a transmetre informació, i
és capaç de transmetre més informació en menys temps que les tecnologies com el
bluetooth i el 802.11 (Wifi). UWB pot utilitzar un espectre de freqüència legalitzat que
va des de 3.1GHz fins a 10. 6GHz, mentre que Bluetooth, WiFi i altres dispositius de
radiofreqüència estan limitats als 900MHz, 2.4GHz i 5.1 GHz ; freqüències sense
llicència.
En UWB cada canal de ràdio té un ample de banda de més de 500 MHz, depenent de la
seva freqüència central.
Figura 2.2 Esquema del rang d’operació de UWB
7
Característiques
-UWB és una forma d‟espectre extremadament ampla, on l‟energia de RF es distribueix
sobre GHz de l‟espectre.
-Més ampla de banda que qualsevol sistema de banda estreta per ordres de magnitud.
-La potència de senyal UWB que veuen els sistemes de banda estreta són una fracció
del total.
-Les senyals UWB són vistes per les altres senyals com a soroll.
-Els límits de radiació de les senyals UWB es calculen per garantir que la interferència
entre diferents serveis sigui mínim.
2.1 Antenes UWB
Al principi de la tecnologia es van dissenyar antenes UWB bàsiques. Aquestes antenes
presentaven bàsicament dos inconvenients. Per una banda la seva adaptació no era molt
bona, i no es tenia en compte la possible interferència del sistema UWB amb altres
sistemes que treballaven a la mateixa banda de freqüències. L‟altre inconvenient era que
la grandària d‟aquestes antenes bàsiques era bastant gran, i això representava un
problema a l‟hora d „ integrar l‟antena en un sistema de recepció/transmissió.
Amb el pas del temps les investigacions van permetre que les antenes de petites
dimensions tinguessin molt ampla de banda.
El disseny d‟aquest tipus d‟antenes amb dimensions molt petites fa possible la seva
introducció en sistemes electrònics.
Figura 2.3 Moneda de dos cèntims d’euro al costat d’antena microstrip
2.2 Estandardització
La FCC(EEUU) va autoritzar el 14 de febrer de 2002 una ordre en la que UWB podia
funcionar sense llicència en el rang de freqüències de 3.1 a 10.6 GHz. Tanmateix el
límit de densitat espectral de potència per a les emissores que emeten en UWB és de -
41.3dBm/MHz.
8
Límits d’ emissió senyals UWB (Europa)
Figura 2.4 Límits d’emissió senyals UWB a Europa
Els treballs per a la definició d‟un estàndard de UWB per part del IEEE van començar al
gener del 2003 amb l‟estàndard IEEE 802.15.3a. Els objectius van ser generar un
estàndard senzill, de poc cost i baix consum i molt elevada velocitat de transmissió per
WLAN; una velocitat de l‟ordre de 110-200Mbps i proporcionar la Qualitat de Servei
necessària per transmissions multimèdia. S‟havia d‟assolir un abast d‟uns 10 metres,
amb unes potències radiades de 100-250mW. Aquest estàndards incorporaven dos
propostes per UWB, la proposa de OFDM, de la Multiband OFDM Alliance(MBOA) i
la proposta de DS (Seqüència directa).
També es va proposar l‟estàndard IEEE 802.15.4a, que defineix el nivell físic i el
control d‟accés al medi de xarxes inal·làmbriques d‟àrea personal. L‟abast en aquest cas
també és de 10 metres en la seva forma bàsica, amb una taxa de transferència de 250
kbps. L‟estàndard 802.15.3a no va ser acceptat, i en el 802.15.4a van aprovar la
proposta de seqüència directe, DS.
Els estàndards aprovats per UWB són el ECMA-368, juntament amb el ISO/IEC 26907
emprant la modulació OFDM mutibanda (MB-OFDM).
Límits d’ emissió senyals UWB (EEUU)
Figura 2.5 Gràfica de límits d’emissió senyals UWB als EUA
9
Al març del 2007 el IEEE aprova de manera oficial les especificacions ISO/IEC de la
tecnologia UWB elaborada per WiMedia(associació sense ànim de lucre que promou i
permet la ràpida adopció, la regulació i normalització de múltiples proveïdors de banda
ultra ampla en tot el món). Està basat en la Aliança Wimedia.
Certified Wireless USB' (USB Inalambric Certificat). Aquesta és l‟etiqueta que els
consumidors es troben quan adquireixen un equip que incorpora aquest tipus de
connexió inal·làmbrica entre dispositius. Tal com succeeix amb Bluetooth, Wireless
USP pot anar integrat dins dels equips o pot incorporar adaptadors físics, tant per els
ordinadors com per els dispositius.
És un protocol creat per el grup Wireless USB Promoter Group, i es basa en el sistema
de radio Ultra Wide Band, capaç d‟enviar dades a 480Mbps fins a 3 metres de distància,
i fins a 110Mbps en 10 metres, sense cables. Treballa en la banda de 3.1 a 10.6GHz.
La seva finalitat és connectar dispositius a una estació a una velocitat semblant a la de
USB amb cable. Es defineix com un bus lògic administrat per un host que controla els
dispositius que s‟hi connecten. Aquest host també divideix l‟ample de banda total
mitjançant la tècnica TDMA perquè puguin connectar-se diversos dispositius al bus.
2.3 Aplicacions de la tecnologia UWB
Donat que els nivells de potència emesos han de ser molt baixos per no afectar a les
bandes regulades, els sistemes amb tecnologia UWB solen ser per entorns tancats i a
poca distància.
-Posicionament ; la tecnologia UWB pot ser utilitzada en Sistemes de Geolocalització
de gran precisió per mesurar distància i posició a la vegada. Els sistemes de rastreig
UWB podrien proporcionar imatges en temps real amb molta resolució d‟objectes
soterrats o darrera de superfícies. Això pot ser útil en molts camps; militar, i també
serveis corporatius com la seguretat, serveis d‟emergència, sanitat, construcció, etc.
-Radar; utilitzada durant un temps en aplicacions de GPR(Ground Penetrating Radar),
són radars capaços d‟identificar objectes ubicats sota terra o en edificis i UWB
permetria fer-ho amb persones, així els equips de rescat podrien localitzar i trobar
cossos de gent atrapada en cas d‟esfondrament d‟edificis. Aquesta tecnologia també
s‟utilitza en radars per anul·lació d‟obstacles i radars per detecció d‟intrusos.
-Comunicacions ; transferència de dades de càmeres de vídeo digitals, pantalles de
vídeo sense fils, transferència de fitxers entre dispositius mòbils.
2.4 Avantatges i inconvenients de la tecnologia UWB
Avantatges
-Baixa potència ; el consum acostuma a ser de µW.
-Baix cost ; ja que els sistemes que formen la tecnologia UWB són components de poc
pes i grandària i de baixa complexitat obtenint com a resultat un baix cost.
-Baix consum com a emissor d‟ones de ràdio.
10
-Molt difícil d’interceptar (Lower Probability of Intercept) : aquests sistemes són
altament adaptables a freqüències, és a dir, permeten que siguin posicionades en
qualsevol part dins del espectre RF. Aquesta qualitat evita que hi hagi interferència amb
serveis existents, mentre s‟utilitza l‟espectre disponible totalment.
-Reutilització de l’espectre ; per exemple: en el menjador de casa tenim uns dispositius
comunicant-se amb l‟ordinador per un canal, i al mateix temps en una habitació uns
altres aparells comunicant-se igualment al mateix canal.
-Molt difícil de detectar (Lower Probability of Detection) : Amb un pla d‟enginyeria
apropiat el consum total de potència dels sistemes UWB es bastant baix. Aquesta baixa
densitat de potència permet tenir baixa probabilitat de detecció de la informació, i això
ho fa molt interessant per aplicacions civils i militars.
-Alta velocitat; gran capacitat per aconseguir-la per transferència de dades.
-Alta capacitat de penetració; els sistemes UWB poden transportar informació a traves
de obstacles com portes, parets i altres ja que les seves senyals tenen gran ample de
banda i utilitzen baixa potència.
-Alta productivitat, que la marca com la tecnologia futur de les WPAN.
-Antenes petites al no ser ressonants.
Inconvenients
-L‟ample de banda és extremadament gran, i això fa que l‟energia del monocicle
s‟expandeix en un gran espectre freqüencial.
-Una seqüència bàsica de monocicles, crea en l‟espectre una sèrie d‟impulsos
equidistant, que poden interferir amb les comunicacions de banda estreta existents.
11
3.RFID
Les sigles RFID corresponen a Radio Frequency Identification.
Es tracta d‟una tecnologia d‟autoidentificació basada en l‟ús de radio freqüències en la
que un dispositiu “lector” detecta i rep informació de dispositius anomenats tags o
etiquetes fixats a objectes/productes o persones a les que es pretén identificar.
Aquestes etiquetes, de petit grandària es comuniquen amb els lectors RFID quan entren
en el camp de cobertura de radiofreqüència del lector, podent llegir directament la
informació que contenen.
3.1 Antecedents històrics
-Existeix des de els anys 50, i les primeres aplicacions van ser militars per identificar
avions durant la II Guerra Mundial.
-Al 1937 es van fer servir transmissors/receptors (TX, RX) amb 6 codis d‟identificació.
-A través de Wattson-Watt, que va dirigir un projecte secret, els britànics van crear el
1939 el primer sistema actiu IFF(Identification Friend or Foe) per identificar els avions
com amics o enemics. Van posar un transmissor en cada avió britànic. Quan es van
rebre les senyals de les estacions de radar, va començar a transmetre una copia de la
senyal que identifica l‟avió com amiga. RFID funciona en aquest mateix concepte.
-Els avanços en les comunicacions de radar i sistemes RF va continuar a través dels
anys 1950 i 1960. Els científics en els EEUU, Japó i Europa van presentar treballs
d‟investigació i van explicar com l‟energia de RF podia ser utilitzada per identificar
objectes a distància.
-Més endavant les empreses van començar a comercialitzar sistemes de lluita contra
robatoris que utilitzaven ones de ràdio per determinar si un element s‟havia apagat o no,
vigilància d‟articles electrònics, etiquetes ; utilitzades en envasos.. , per exemple; si algú
paga un producte, el bit està apagat, i la persona pot sortir de la tenda, però si la persona
no paga i vol sortir de la tenda, els lectors a la porta detectaran l‟etiqueta i faran saltar
una alarma.
Amb el temps les empreses comercialitzen sistemes de 125 kHz i després es trasllada
fins l‟espectre de ràdio d‟alta freqüència(13.56 MHz), ja que ofereix un major abast i
millor velocitat de transferència de dades. Moltes empreses d‟Europa, van començar a
utilitzar RFID per fer un seguiment d‟envasos reutilitzables i altres actius. En actualitat,
els sistemes RFID 13.56 MHz s‟utilitzen per al control d‟accés, sistemes de
pagament(Mobile Speedpass) i targetes intel·ligents sense contacte. També s‟utilitzen
com a dispositiu antirobatori en els cotxes.
12
3.2 Funcionament i components de la RFID
Esquema bàsic d‟arquitectura RFID
Figura 3.1 Esquema bàsic d’arquitectura RFID
Esquema d‟arquitectura RFID amb antenes dins les guies UWB
Figura 3.2 Esquema d’arquitectura RFID amb les guies
Els components d‟un sistema RFID bàsic són:
3.2.1 Middleware(software)
S‟encarrega de connectar el hardware del RFID i la informació que guarda l‟aplicació
que guarda les dades obtingudes per el lector.
Resideix entre el hardware RFID i les aplicacions empresarials. És un component que
pot determinar l‟èxit de la implantació en una empresa. Les seves funcions clau són:
Gestió de dispositius: la majoria dels middleware poden controlar qualsevol tipus de
hardware com lectors, tags, impressores, dispositius tipus Input/Output. Poden també
controlar l‟estat de salut dels lectors, el seu funcionament i alertar als administradors del
seu mal funcionament quan aquest es produeix. El software pot tenir configurats
alternatives a un mal funcionament, com pot ser activar un segon lector per que el
sistema segueixi funcionant sense problema. Una altra funció important és
l‟actualització dels dispositius gestionats, és a dir que el middlware s‟encarrega de fer-
ho als dispositius que nosaltres li indiquem.
Processament de dades: la RFID facilita la recollida de dades que permeten obtenir en
gran detall lo que esta passant. És important gestionar-ho be, ja que les lectures són de
manera automàtica. El middleware filtra aquestes dades recol·lectades per els lectors per
evitar lectures múltiples del mateix tag i evitar sobrecarregar els sistemes de gestió
13
empresarial. També pot configurar alertes segons l‟estat de la informació, per exemple
si es detecta que certs productes han predecessors han expirat, el middleware llança un
avís al sistema corresponent per a que els treballadors realitzin els treballs definits en
aquests casos.
Connectar la informació amb les aplicacions de negoci: els middleware tenen eines que
inclouen APIs(Application Program Interfaces). Aquestes interfícies són utilitzades per
a moltes empreses com a pont per a connectar les dades amb el seu software de negoci.
3.2.2 Lector
És el dispositiu electrònic que s‟encarrega de convertir les ones de ràdio que retornen el
tag, o conjunt de tags amb una freqüència predeterminada amb la finalitat de llegir la
informació descodificar-la a través del transceptor de RF. La configuració del
transceptor pot ser biestàtica o monoestàtica.
Els lectors poden ser unitats autònomes connectades a antenes, unitats portàtils amb
antenes integrades, en plaques molt petites o integrats en grans dispositius.
El lector és necessari per transmetre energia al tag, per rebre des de el tag les dades de
les comunicacions.
Està composat per :
-Una antena per transmissió i una antena per recepció( o la mateixa)
-Un mòdul de radiofreqüència transmissor
-Un mòdul de radiofreqüència receptor
-Una unitat de control
-Interfícies(RJ 45, RS232, etc.. ) per permetre enviar les dades rebudes a un altre
sistema
Figura 3.3 Esquema de la configuració biestàtica
-Per a tags passius, el lector genera un camp de radiofreqüència que activa l‟etiqueta
alimentant el xip del tag per a que pugui transmetre les dades emmagatzemades.
-Per a tags actius, aquests no necessiten l‟energia del lector.
-Les potències rebudes depenen de la distància i del tag.
-S‟han de tenir en compte; l‟acoblament entre antenes i les interferències ocasionades
per els objectes extern.
14
Figura 3.4 Esquema de la congiguració monoestàtica
Aquest projecte es basa en la configuració biestàtica, utilitzant una antena per
transmissió i una altra per recepció, cadascuna d‟elles dins d‟una guia per aconseguir
augmentar el guany entre 8 i 9dB.
Característiques importants selecció del lector RFID:
-Sensibilitat per a detectar senyals provinents del tag RFID fins a -60dBm de potència.
-Selectivitat per a poder seleccionar la senyal procedent del tag dins d‟un gran espectre
de senyals rebudes, algunes més potents que ella.
-Abast dinàmic per a poder detectar i seleccionar senyals, procedents al mateix temps de
diversos tags RFID que estiguin a distàncies diferents.
-Treballar sota normatives; a Europa, la normativa RFID permet operar entre 865, 6-
867,6 MHz de banda de freqüència, amb una potència màxima del lector RFID de 2 W.
-Operativitat en entorns densos de lectors RFID; molt útil per poder suportar
interferències amb altres lectors RFID. Norma fonamental per estar en conformitat amb
l‟estàndard EPC Global Gen2.
-Inter-Operativitat multi-Fabricant; molt útil per poder treballar amb tot tipus de
fabricants de xips. RFID i lectors RFID, sent intercanviables els seus productes sense
cap problema. EPC Global té una certificació de inter-operativitat a disposició del
mercat.
Els lectors varien en mida, funcionalitat i cost. Hi ha lectors simples i lectors més
complexos, depenent del volum d‟etiquetes que el lector pot controlar i gestionar.
3.2.3 Antena
Cada sistema RFID inclou com a mínim una antena per transmetre i rebre els senyals de
radio freqüència. En alguns sistemes una única antena transmet i rep els senyals. En
altres sistemes una antena transmet i una altra rep els senyals.
La majoria de les antenes estan allotjades en recintes que són fàcils de muntar i solen
veure‟s com un rack protegits.
15
L‟antena del lector ha de ser col·locada en una posició on, tant la transmissió d‟energia
cap a l‟etiqueta, com la recepció de les dades transmeses siguin òptimes. La ubicació de
les antenes és vital per aconseguir un alt grau de lectura.
Variar la ubicació de l‟antena del lector és una de les maneres més fàcils d‟ajust quan es
localitzen i solucionen problemes d‟un sistema, i al mateix temps resulta una de les
tasques més difícils de portar a terme d‟una manera correcte.
3.2.4 Etiqueta (tag)
És el dispositiu que conté la informació. Estan formats per un antena, transponedor de
radio i un xip que conté:
-El transponedor es situarà en l‟objecte que es vol identificar.
-El reader(lector) pot llegir i escriure.
Hi ha tres tipus de tags: actius, passius i semipassius. La diferència entre uns i altres és
la alimentació.
Un tag actiu conté una bateria que li proporciona l‟alimentació necessària per el
subministrament d‟energia que activa els circuits integrats i propaga el senyal al lector.
Aquests tags solen tenir poca vida, són cars i de grans dimensions i poden comunicar-se
amb el lector durant més instants de temps que els tags passius. Són de gran abast.
Figura 3.5 Esquema de funcionament d’un tag actiu
Les seves avantatges principals són: l‟efectivitat a grans distància, la capacitat de
transmetre senyals més potents que els tags passius i la seva fiabilitat.
Algunes de les seves aplicacions més importants són les polseres RFID identificatives
en el camp de la salut, que proporcionen seguretat a pacients amb dependència, ja es
tracti de malalts d‟Alzheimer, amb problemes de memòria o desorientació entre altres,
ja que poden controlar la localització d‟aquestes persones. També s‟utilitza la tecnologia
RFID amb tags actius en les autopistes per el pagament de peatge sense necessitat
d‟aturar el cotxe, el sistema TeleT.
Un tag passiu no té alimentació elèctrica, rep l‟alimentació del camp electromagnètic
que l‟envolta. Quan el tag està sota el radi d‟acció del lector, (el qual emet una senyal
electromagnètica a una determinada freqüència), el tag carrega la seva bateria i transmet
un número d‟identificació, normalment a una freqüència diferent.
16
Figura 3.6 Esquema de funcionament d’un tag passiu
Els seus avantatges són el seu grandària petit al no necessitar d‟alimentació energètica,
gran duració i baix cost, són de fàcil fabricació(tècniques de gravat de circuits).
Figura 3.7 Esquema d’un tag passiu
Un tag semipassiu conté una bateria per activar la circuiteria del xip però l‟energia per
generar la comunicació és la que recull de les ones de radio del lector, com en els tags
passius. Aquests tags són més grans que els passius deguts a la utilització de bateria, i
també més cars. No obstant aconsegueixen millors rangs de comunicació.
Alguns tags incorporen censors de moviment, temperatura..
Figura 3.8 Esquema de funcionament d’un tag semi-passiu
Propietats Actius Passius
Emmagatzemat Gran capacitat de lectura Petita capacitat de lectura
Abast Llarg (100m o més) Curt(4 m o menys)
Adquisició Llegeixen tags amb
objectes movent-se a més
de 150Km/h
Llegeixen tags movent-se a
5 km/h o menys
Taula 3.1 Taula comparativa entre les etiquetes RFID actives i pasives
17
Banda Característiques Aplicacions
100-500 kHz -Velocitat lectura lenta
-Curt abast <1m
-Econòmics
-Identificació animals
-Control d‟accés
10-15 MHz -Mig abast >1m -Seguiment articles
-Control d‟accés
850-950 MHz -Velocitat de lectura mitja
-Mig abast >3m
-Potencialment econòmics
-Seguiment a nivell de
caixa i palet
2.5-5.8 GHz -Velocitat de lectura alta
-Llarg abast >10m
-Visibilitat directa
-Peatge
-Identificació de vehicles
-Monitoratge de tràfic
Taula 3.2 Característiques i aplicacions de les etiquetes segons el rang de freqüència
3.3 Estandardització
La definició dels protocols de comunicació o estandardització de l‟ús de RFID entre els
diferents elements de comunicació que formen la cadena de RFID no estan
completament definits i és per això que hi ha diversos organismes que tracten de definir
aquests estàndards. Per una part tenim ISO (International Estandards Organization).
Una gran part de les empreses utilitzen RFID per el seguiment de productes a través de
la seva infraestructura interna, des de els seus centres de distribució a les seves tendes.
Per globalitzar l‟ús de RFID fora de l‟empresa i crear valor entre fabricants i
distribuïdors es necessita una manera estandarditzada d‟identificar els productes de
manera única en la cadena de subministrament, i també necessita una forma estàndard
de descobrir i compartir la informació que descriu cada element identificat.
El primer requeriment s‟aconsegueix a través dels EPC (Electronic Product Codes). Són
la versió digital dels UPC (Universal Product Codes), emprat en els codis de barres,
amb el benefici afegit de ser capaç d‟identificar els productes a nivell d‟element
individual.
Estàndards de la ISO (Organització mundial d‟estandardització)
La ISO és una xarxa dels instituts d‟estàndards nacionals de 146 països, sobre la base de
1 membre per país. Molts estàndards estan relacionats a la tecnologia RFID i el seu ús
en aplicacions reals:
ISO 6346 : contenidors de transport –codificació, identificació i marca.
ISO 7810 : targetes d‟Identificació. Defineix criteris de rendiment, requeriments per
intercanvis internacionals.
ISO 7816 : targetes d‟identificació ;targetes amb circuit integrat amb contactes.
ISO 10373 : targetes d‟identificació. Mètodes de test, dividit en 6 parts.
Els estàndards relacionats amb les cadenes de distribució
18
ISO 10374 Traça de contenidors, palets i unitats de transport en un radi de
12 metres
ISO 10536 Defineix mapes d‟identificació..
ISO 14443 Defineix una targeta de proximitat emprada per identificació. Taula 3.3 Estàndards ISO relacionats amb les cadenes de distribució
• Estàndards ISO RFID per identificació d’animals ISO: 11784, 11785, 14423
ISO 11784 Estructura del codi.
ISO 11785 Especifica el procés de transmissió entre etiqueta i receptor.
ISO 14423 Microxips avançats. Conté el protocol d‟interfície aire. Taula 3.4 Estàndards ISO per a la identificació d’animals
• Estàndards ISO RFID relacionats amb Informació tecnològica, ISO :9798, 15434,
15459, 15961, 15962, 15963, 19762, 18001, 18047, ISO 18000.
ISO 9798 Autenticació de l‟entitat. Composat de 5 parts.
ISO 15434 Sintaxis per transferència d‟informació ADC.
ISO 15459 Identificació d‟unitats de transport.
ISO 15961 RFID per gestió d‟objectes, amb protocols de dades.
ISO 15962 Protocol de codificació de dades
ISO 15963 RFID per gestió d‟objectes. Identificació única per RF.
ISO 19762 Tècniques AIDC.
ISO 18001 RFID per gestió d‟objectes. Perfils d‟aplicacions.
ISO 18047 RFID per test. Semblant al ISO 18000.
ISO 24710 Tècniques AIDC per gestió d‟objectes amb interfície ISO
18000. Funcionalitats bàsiques en interfícies aire. Taula 3.5 Estàndards ISO relacionats amb Informació tecnològica
ISO 18000
18000-1 Paràmetres genèrics d‟interfícies aèries per freqüències acceptades
globalment.
18000-2 Paràmetres d‟interfície aèria per 135KHz.
18000-3 Paràmetres d‟interfície aèria per 13.56 kHz.
18000-4 Paràmetres d‟interfície aèria per 2.45 kHz.
18000-5 Paràmetres d‟interfície aèria per 5.8 GHz.
18000-6 Paràmetres d‟interfície aèria per 930 MHz.
18000-7 Paràmetres d‟interfície aèria per 433.92 MHz. Taula 3.6 Estàndards ISO relacionats amb Informació tecnològica
• Estàndards ISO relacionats amb les cadenes de subministrament. ISO: 17358, 17363,
17364, 17365, 17366, 17367.
19
ISO 17358 Requeriments d‟aplicació.
ISO 17363 Contenidors.
ISO 17364 Unitats de transport.
ISO 17365 Objectes reutilitzables.
ISO 17366 Empaquetament.
ISO 17367 Etiqueta de productes. Taula 3.7 Estàndards ISO relacionats amb les cadenes de subministrament
Estàndards relacionats
ETSI és una organització independent, sense ànim de lucre en Europa amb la missió de
elaborar els estàndards de telecomunicacions per avui i per el futur.
Estàndard ETSI
101 445 v1.1.1 Compatibilitat electromagnètica i Espectre de
Ràdio(ERM);Dispositius de Curt Rang intencionats per operar en la
banda dels 862 MHz fins als 870MHz.
300 220 ed. 1. Equips i sistemes de Ràdio(RES); Dispositius de Curt Rang(SRD);
característiques tècniques i mètodes de prova per equips de ràdio per
ser utilitzats en el rang de freqüències de 25MHz a 1000 MHz.
300 330 V1.2.2. Característiques tècniques i mètodes de verificació per equips RF en
la banda de 9KHz a 25 MHz i per sistemes de bucle inductiu en la
banda de 9KHz a 30 MHz.
300 440/C1 ed.
1.
Equips i Sistemes de Ràdio(RES);Dispositius de Curt Rang(SDR);
Característiques tècniques i mètodes de prova per equips de ràdio
per ser utilitzats en el rang de freqüències de 1GHz fins als 25 GHz.
300 674 v1.1.1 Equips i Sistemes de Ràdio(RES) ;Dispositius de Curt Rang(SDR);
teletransport, característiques tècniques i mètodes de test per
comunicacions de curt abast, equips de transmissió(500Kbps/
250Kbps) treballant en la banda industrial científica i mèdica als 5. 8
GHz.
300 683 ed.1. Equips i Sistemes de Ràdio(RES); compatibilitat electromagnètica
estàndard per dispositius de curt abast treballant en les freqüències
compreses entre 9 kHz i 25 GHz.
300 761 V1.1.1. Compatibilitat electromagnètica i composició de l‟espectre (ERM);
identificació automàtica de vehicles (AVI) per ferrocarrils.
301 489 Compatibilitat electromagnètica i composició de l‟espectre
electromagnètic(ERM);compatibilitat electromagnètica estàndard
per equips de ràdio.
302208 Defineix els requeriments i mètodes de mesura per equips RFID
treballant en la banda de 865 a 868 MHz amb nivells de potència de
fins a 2 W. Taula 3.8 Estàndards ETSI de telecomunicacions
20
3.4 La xarxa EPC Global i els seus estàndards
La gran majoria d‟aplicacions de la RFID per l‟etiquetatge i el seguiment de productes
s‟ha mantingut dins de l‟àmbit de l‟empresa.
Per globalitzar l‟ús del RFID fora de l‟empresa i crear valor per tota la cadena de
subministrament entre fabricants i distribuïdors es necessita una manera estandarditzada
d‟identificar els productes de manera única i també ha d‟haver una manera única de
descobrir i compartir la informació que descriu cada element identificat.
La xarxa EPC Global va ser creada per el Auto –ID Center, un projecte d‟investigació
acadèmica amb seu en l‟Institut de Tecnologia de Massachussets(MIT), amb laboratoris
en cinc universitats líder de tot el món.
La xarxa EPC es composa d‟un conjunt de tecnologies dissenyades per a permetre la
identificació immediata, automàtica i l‟intercanvi d‟informació sobre els productes,
permeten una bona visibilitat de la informació sobre qualsevol tema i la seva ubicació,
així com de forma transparent el subministrament d‟aquesta informació a altres
empreses en organitzacions virtuals o xarxes de la cadena de subministrament.
El funcionament global de la xarxa EPC es composa d‟aquests elements clau:
-Electronic Product Code (EPC)
-Serveis d‟informació EPC (EPCIS)
-Middleware de EPC Global
-Serveis de Denominació d‟Objecte (ONS)
-Llenguatge de Marcat Físic (PML)
-Savant (components de programari del sistema)
El primer requeriment s‟aconsegueix amb els EPC ( Electrònic Product Codes). Els
EPCs són la versió digital dels UPC (Universal Product Codes), que són utilitzats en els
codis de barres.
El EPC és la matricula virtual d‟un producte que identifica el fabricant, el tipus de
producte i el nombre de sèrie de l‟element.
Figura 3.9 Esquema de la matrícula EPC
Depenent del tipus d‟etiqueta, EPC pot identificar fins a 268 milions de fabricants, cada
un amb 16 milions de tipus de productes. Cada producte pot incloure fins a 68 bilions
d‟elements individuals, lo que significa que aquest format pot utilitzar-se per identificar
centenars de trilions d‟elements únics. El segon requeriment per estendre el valor RFID
entre els participants en la cadena de subministrament es disposar d‟estàndards per
21
descobrir i compartir informació sobre aquests EPCs. Per aconseguir-ho, la xarxa EPC
utilitza una estructura semblant als servidors de noms (Domain Name Services) per
crear un grup de serves de baix cost, basat en estàndards per descobrir informació
associada a cada producte anomenada ONS.
Els ONS permeten buscar servidors EPCIS des de els quals podrem extreure informació
de qualsevol producte. El servei s‟ha d‟executar a temps real, d‟aquesta manera poden
manipular-se ràpidament un gran número de comandes d‟una manera fiable.
DNS ONS
Sistema fiable que encamina comandes de
la web i correus electrònics
Registre fiable de fabricants que encamina
comandes d‟informació de
productes
Websites Serveis d’informació de EPC
Recurs d‟informació que els usuaris
busquen a internet.
Recurs informàtic per obtenir informació
específica sobre un producte particular
Motors de búsqueda Serveis de descobriment de EPC
Eina per trobar Websites a internet que
continguin informació sobre un
tema en particular
Eina per trobar EPC-IS a la xarxa que
contingui informació sobre un tema en
particular Taula 3.9 Comparació entre el servei DNS i el ONS
Els serveis d’informació EPC (EPCIS)
Són entrades allotjades en servidors segurs que contenen informació sobre articles amb
nombres EPC en una xarxa EPC global.
La informació capturada mitjançant la utilització de EPC en qualsevol punt del mon, pot
ser compartida per els empresaris amb els seus socis de negoci, a través de EPCIS, una
plataforma global i estàndard a la que els empresaris tindran accés a través d‟internet
Els socis de negoci que utilitzen EPC poden intercanviar informació sobre el progrés
dels seus productes al llarg dels processos logístics i sobretot poden fer-ho en el
moment en que succeeix, a temps real.
Middlware de EPC Global
És el responsable del moviment d‟informació rellevant a través de la xarxa per EPCIS o
altres sistemes de suport comercial d‟una empresa. Com a resultat el volum de dades és
reduït i les dades són transmeses selectivament a la xarxa. També s‟encarrega d‟ordenar,
filtrar i processar les dades de manera ordenada perquè no es col·lapsin els sistemes
d‟emmagatzematge.
El Llenguatge de Marcat Físic (PML)
Es una nova forma de “llenguatge” per descriure els objectes físics dins la xarxa EPC.
El propòsit de la LMP és proporcionar un format estandarditzat i vocabularis per
l‟intercanvi de dades capturades pels censors en una infraestructura de RFID (per
exemple, els lectors RFID), i proporcionar un mitjà per intercanviar informació sobre el
producte amb altres socis de la cadena de subministrament.
El nucli estàndard de PML proporciona un conjunt d‟esquemes que defineixen el format
d‟intercanvi per transmetre els valors de les dades capturades. Aquestes entitats de
22
dades poden accedir directament des del censor o des d‟altres dades o aplicacions de
negoci.
Savant
Una peça important de la xarxa EPC és el Savant. És un sistema de programari teòric
que es troba entre els lectors d‟etiquetes i aplicacions empresarials per a escriure
aplicacions per capturar, filtrar, analitzar i comunicar les dades d‟EPC.
Aquest sistema és important perquè aquests conceptes s‟han incorporat en el pensament
de la indústria, que és la incorporació dels serveis definits per el model Savant.
El sistema EPC permet als fabricants rastrejar i seguir els articles automàticament al
llarg de la cadena de subministrament. Aquesta tecnologia canvia completament la
forma en que es fabriquen, compren i venen els productes.
El funcionament conjunt de tota la cadena d‟elements de la xarxa EPC anteriorment
explicats és el següent:
1- Cada producte porta una etiqueta que conté una antena de ràdio i un petit
microxip gravat amb un identificador únic, el EPC.
2- El producte pot ser identificat automàticament, contat i rastrejat. Les caixes i
palets també poden tenir un tag únic.
3- A mesura que els palets surten de la fàbrica, un lector llença una senyal de ràdio
que activa les etiquetes.
4- Les etiquetes transmeten els seus EPC individuals al lector, el qual ràpidament
les activa i desactiva en seqüència, fins que totes són llegides.
5- Els lectors envien els EPC a un sistema informàtic, el savant, que executa el
software. Aquest envia el EPC a través d‟internet, a una base de dades del ONS, i
aquesta genera una direcció, com succeeix amb internet. El ONS envia el EPC a
un altre servidor, el qual té informació comprensible sobre el producte.
6- Aquest servidor utilitza PML (Product Market Language) per emmagatzemar les
dades dels productes del fabricant. Si apareix algun incident, la font del problema
pot ser rastrejada, i els productes recuperats.
7- En l‟àrea de descarrega, on hi ha un lector de RFID no hi ha necessitat d‟obrir ni
les caixes ni els palets per examinar els seus continguts. Savant proporciona una
llista de la càrrega i el palet és ràpidament enviat al camió apropiat.
8- El sistema de la companyia fa un seguiment del carregament a través de la seva
pròpia connexió savant. Tan aviat com arriba, els sistemes són actualitzats
incloent cada article. D‟aquesta manera, els magatzems poden localitzar
totalment el seu inventari de manera automàtica, precisa i a baix cost.
9- Els lectors habilitats en gòndoles intel·ligents poden demanar automàticament
més mercaderia des de la botiga o des de el proveïdor.
23
Amb aquest sistema, la costosa necessitat de mantenir stocks de seguretat en magatzems
allunyats s‟elimina.
EPC Global ha definit les següents classes d‟etiquetes EPC RFID per proveir diferents
capacitats a varis rangs de preu:
-Classe 0/1
-Classe 2
-Classe 3
-Classe 4
-Classe 5
Classe 0/1
Etiquetes passives amb 96 bits de lectura. Les dades d‟una etiqueta de Classe 0 la
formen ;un número sèrie únic que és gravat per el fabricant abans que aquest tag sigui
entregat al client. La classe 0 treballa a una freqüència de UHF 900MHz, i la classe 1
treballa en les freqüències de UHF 860-930 MHz i HF 13.56 MHz.
Aquestes etiquetes utilitzen una tecnologia avançada per una comunicació lector-
etiqueta i són les etiquetes més econòmiques disponibles. Progressivament seran
reemplaçades per les etiquetes de Generació 2UHF.
És una nova generació d‟etiquetes EPC basades en el Protocol de Fundació UHF
Generació 2 que substituiran les etiquetes de Classe 0 i Classe 1. L‟especificació va ser
ratificada com un estàndard EPC per EPC global al desembre del any 2004.
Una etiqueta Gen 2 treballa a una freqüència de UHF 860-930 MHz i està formada per
una etiqueta RW (regrabable)de 128 bits amb 96 bits reservats per les dades EPC i 32
bits per la correcció d‟errors.
Figura 3.10 Esquema etiqueta EPC classe 1
24
Classe 2
Tag passiu, backscatter amb memòria lectura/escriptura de 65KB. Una etiqueta de
classe 2 és activada amb la emissió d‟energia.
Classe 3
Tag semipassiu, backscatter amb memòria lectura/escriptura de 65KB. És un tag de
Classe 2 amb una bateria per incrementar el radi de lectura.
Classe 4
Tag actiu amb bateria per poder executar la circuiteria del xip i enviar la potència
necessària per la redifusió de la senyal al lector. Són la classe d‟etiquetes més costoses.
Classe 5
Tag RFID actiu que permet comunicar-se amb altres tags de Classe 4 i/o amb altres
dispositius.
3.5 Tipus de sistemes
Es classifiquen en 4 tipus:
3.5.1 Sistemes de baixa freqüència (LF) 125-134 KHz
La seva principal avantatge és la seva acceptació en tot el món, està àmpliament difosa i
funciona prop dels metalls. Normalment s‟utilitzen etiquetes passives, la distància de
lectura és inferior a 1. 5 metres.
3.5.2 Sistemes d’alta freqüència(HF) 13.56 MHz
Aquesta freqüència també està molt difosa, però a diferència de la baixa freqüència,
aquesta no funciona propera als metalls. Utilitza etiquetes passives amb una baixa
velocitat de transmissió de dades entre l‟etiqueta i el lector. Algunes aplicacions més
comuns són la traçabilitat dels productes, accés a edificis o moviments d‟equipatges
d‟avió.
3.5.3 Sistemes de freqüència ultra elevada( UHF) 860 -960 MHz
Els sistemes que treballen a aquestes freqüències UHF (Ultra High Frequency) no es
poden utilitzar de forma global, ja que no existeixen regulacions globals per el seu ús, i
la seva aplicació depèn de la legalitat de cada país. Aquest tipus de freqüència s‟utilitza
per aplicacions de traçabilitat amb tags actius.
Els sistemes RFID de UHF han guanyat importància en grans empreses públiques i
privades.
3.5.4 Sistemes de microones a 2.45 GHz
La freqüència de microones en RFID opera a 2.45 o 5.8 GHz. Aquestes són les
freqüències mes habituals per les etiquetes actives, oferint altes velocitats de transmissió
25
i llargues distàncies de lectura. Degut a que la longitud de l‟antena és inversament
proporcional a la freqüència, l‟antena d‟una etiqueta passiva que treballa a la freqüència
de microones més altes té una la longitud més petita que la que treballa a freqüències
menors. La freqüència de 2.4 GHz s‟anomena ISM (Industry, Scientific and Medical),
acceptada mundialment.
Rang de freqüències Europa
Bandes en RFID transmissió Cobertura Atenuació Aplicacions LF 125-134KHz Baixa Amplia Baixa Seguretat, rastreig
animals HF 15. 56 MHz Mitjana Mitjana Mitjana Radioaficionats... UHF 865-868 MHz Alta Mitjana Alta TV, radiocomunició. Microones2.45MHz Alta Reduïda Alta Satèl·lit,
radioenllaços... Taula 3.10 Taula comparativa entre els diferents sistemes
3.6 Comparació tecnologia RFID amb codi de barres
Figura 3.11 Esquema matrícula codi de barres
El codi de barres ha estat el principal medi d‟identificació automàtic de productes
durant els últims anys.
Hi ha moltes consideracions per la utilització d‟una o altra tecnologia.
-Les etiquetes RFID es poden llegir més ràpid que les etiquetes de codi de barres en
1000 graus per segon, superant molt la velocitat de lectura la que té el codi de barres.
-La lectura per RFID no necessita de línia de visió per obtenir la informació de la
etiqueta, ja que la senyal RF te la capacitat de viatjar a través de molts materials. També
pot distingir una etiqueta individual dins d‟un rang de lectura format per més etiquetes.
Per contra, la discriminació d‟etiquetes no facilita la ubicació física d‟un producte, que
en canvi si ofereix el codi de barres.
Les etiquetes amb problemes per qualsevol motiu s‟han de buscar manualment i
verificar.
-Les etiquetes RFID i de codi de barra tenen una durabilitat depenent dels adhesius que
les mantenen intactes i pegades a un producte, no obstant la naturalesa de les etiquetes
RFID les permet tenir més vida que les de codi de barres.
26
-Gràcies al codi EPC, algunes etiquetes RFID poden suportar la combinació de paraules
clau que poden fer-se il·legibles per els altres sistemes de lectura que no utilitzen les
claus d‟accés del EPC.
-Els tags RFID d‟alt valor poden contenir varis kilobytes de memòria. Això crea una
base de dades d‟informació portàtil, permetent que un gran número de productes siguin
rastrejats, amb dades com la data de caducitat del producte, la seva ubicació en el
centre, etc.
-La tecnologia RFID requereix més cost. Els principals costos estan representats per el
equipament(lectors, tags, antenes, impressores) i per els serveis professionals. La
tecnologia de codi de barres té un cost baix.
Avantatges de les etiquetes RFID respecte el Codi de barres
1-Més ràpides de llegir
2-Més temps de vida
3-Més capacitat de memòria/informació
4-Més capacitat de lectura sense visió directa a l‟etiqueta
5-Més segures(claus d‟accés codi EPC)
6-Més rang de lectura(etiquetes múltiples) Taula 3.11 Avantatges de les etiquetes RFID respecte el codi de barres
3.7 Comparació de la tecnologia RFID amb les targetes intel·ligents
Figura 3.12 Foto del xip d’una targeta intel·ligent
Les targetes intel·ligents sense contacte són les targetes que contenen un circuit integrat
que compleix amb la norma ISO 14443. Aquesta estableix els estàndards de
comunicació i protocols de transmissió entre la targeta i el lector per crear la
interoperabilitat dels productes de targetes intel·ligents sense contacte. ISO 14443
també conegut com Mifare és l‟estàndard més conegut en targetes intel·ligents sense
contacte en el mon, principalment per aplicacions de transport.
Han estat particularment populars en els últims anys degut al seu aspecte de seguretat i
d‟aplicacions múltiples. Una targeta pot ser usada en el trànsit, el pagament i l‟accés.
Trànsit és actualment l‟aplicació més popular, així com també ho són identificació del
govern, la banca, el control d‟accés lògic, DNI i el passaport electrònic.
-RFID pot llegir distàncies més llargues, que les targetes intel·ligents sense contacte.
27
-RFID pot funcionar a 125 KHz, 13.56 kHz, 850-950 MHz i de 2.4 a 5.8 GHz, amb
memòria de fins a 2KB. Targetes intel·ligents operen a la freqüència de 13.56 MHz,
amb capacitats de memòria més altes de general, 8K i 64K.
-RFID passiu és promocionat principalment per rastrejar i localitzar aplicacions,
especialment en les cadenes de subministrament, en canvi targetes intel·ligents
s‟utilitzen en aplicacions que identifiquen objectes o persones, per emmagatzemar
informació financera i de personal.
-Hi ha certes limitacions de la tecnologia RFID, amb lo que les targetes intel·ligents són
considerades més segures. En primer lloc, en el cas de la RFID hi ha certes qüestions de
privacitat. Donat que es tracta d‟una tecnologia d‟identificació per contacte i que també
hi ha possibilitats de que un lector pugui llegir les immediacions de l‟etiqueta i per tant
arribar a conèixer els detalls dels productes sense el coneixement del titular. En el cas de
les targetes intel·ligents la informació pot ser encriptada per a que un sol lector
autoritzat pugui accedir a la informació.
-Una de les fonts de confusió que existeix entre les dues tecnologies es produeix perquè
les targetes de proximitat RFID a 13.56MHz i les targetes intel·ligents sense contacte
són aplicables en el control d‟accés físic. Ambdues utilitzen 13.56MHz i es poden
utilitzar per la porta d‟accés als edificis i les zones restringides, però les targetes RFID
poden permetre una distància de lectura de fins a 1.5 metres, les targetes intel·ligents
sense contacte tenen un límit de 10 centímetres.
Diferències des de el punt de vista tecnològic
RFID Targetes intel·ligents sense contacte
Xip, antena Xip integrat en la targeta, antena
Activa i passiva Sense energia
Sense contacte Amb contacte o sense contacte
Qüestions de seguretat en aspectes de
fuga d‟informació i traçabilitat
Memòria o microprocessador
Gran èmfasi en la seguretat
Només emmagatzematge
d‟informació(números d‟identificació
del producte)
En targetes de possibles funcions(
autenticació i encriptació)
Taula3.12 Comparació tecnologia RFID amb targetes intel·ligents sense contacte
3.8 Aplicacions potencials i tecnologia RFID del futur
Les etiquetes RFID de microones s'utilitzen en el control d'accés en vehicles de gamma
alta. Algunes autopistes, com ara la FasTrak de Califòrnia, el sistema I-Pass d'Illinois, el
telepeatge TAG en les autopistes urbanes a Santiago de Xile i la Philippines South
Luzon Expressway E-Pass utilitzen etiquetes RFID per recaptació amb peatge
electrònic. Les targetes són llegides mentre els vehicles passen; la informació s'utilitza
per cobrar el peatge en una compta periòdica o per descomptar d'un compte
prepagament. El sistema ajuda a disminuir el trànsit causat per les cabines de peatge.
En el cas de les indústries, les companyies solen utilitzar etiquetes RFID del tipus UHF,
que seran les encarregades d'acompanyar productes per tal d'identificar automàticament
i permetre un control de la traçabilitat d'aquests, ja que permeten un seguiment precís
dels palets i el transport.
28
Figura 3.13 Operari utilitzant lector RFID per al seguiment de productes
El món serà molt diferent quan la tecnologia RFID estigui instal·lada en tots els llocs i
sigui molt utilitzada. En un futur pròxim no només les empreses, sinó també els
consumidors podrien tenir beneficis dels quals molts ja fan ús d‟aquesta tecnologia en
molts sectors.
Electrodomèstics intel·ligents: la rentadora podria escollir el seu cicle de configuració
en base a la etiqueta en el producte que ha de ser rentat. El armari amb tecnologia RFID
podria avisar de la roba que guarda, i buscar en Internet consells de moda. Per altra
banda una nevera amb RFID podria fer un inventari de manera automàtica, amb
l‟objectiu de recordar la caducitat dels aliments o també de buscar per Internet receptes
que es poden preparar amb els aliments que conté.
Es podrà comprar o llogar productes, simplement sortint d‟una tenda amb ells. El
instrument de pagament de RFID a la butxaca i les etiquetes RFID en els productes que
permetin pagar-ho d‟una manera automàtica.
També es podria retornar roba que estigui etiquetada amb RFID, sense un rebut de la
tenda entre altres.
Serà útil quan s‟implanti el monitoratge dels passaports per facilitar la revisió de
documents quan existeixin viatges internacionals, Delta Airlines ja ha implantat
etiquetes RFID per fer més eficient la gestió d‟equipatge.
Figura 3.14 Fotografia d’una maleta d’equipatge amb etiqueta RFID
Una altra aplicació semblant podria ser la del monitoratge de les rutes de bus per fer-los
cada vegada més puntuals. De igual manera, les cadenes hoteleres podran fer ús de les
etiquetes RFID per fer més fàcil l‟entrada i sortida dels clients.
Aquesta tecnologia cada cop tindrà més importància en la indústria, on empreses
importants com Volkswagen a Mèxic o Bhima & Brothers Jewellers la utilitzen per a
reduir costos, incrementar la productivitat i l‟eficiència en les cadenes de producció.
29
4. Paràmetres importants de les antenes
A continuació es descriuen alguns dels paràmetres mes importants que caracteritzen una
antena.
4.1 Diagrames de radiació
El diagrama de radiació d‟una antena es defineix com la representació gràfica de les
característiques de radiació en funció de la direcció angular.
Es representen amb talls del diagrama en coordenades polars o cartesianes. Els talls
corresponen a la intersecció del diagrama 3D amb plans.
Figura 4. 1 Esquemes d’una antena isotròpica, omnidireccional i directiva, d’esquerra a dreta
Antena Isotròpica és l‟antena que radia per igual en totes les direccions de l‟espai.
4.2 Directivitat
La directivitat d‟una antena es defineix com la relació entre la densitat de potència
radiada en una direcció, a una distància, i la densitat de potència que radiaria a la
mateixa distància una antena isotròpica, amb igualtat de potencia total radiada(W).
(4.1)
Si no s‟especifica la direcció angular s‟agafa la direcció de màxima radiació, per tant
directivitat màxima.
(4.2)
La directivitat també es pot expressar en funció de l‟angle sòlid equivalent;
(4.3)
on angle sòlid equivalent
30
4.3 Guany El guany d‟una antena es defineix com la relació entre la densitat de potència radiada en
una direcció i la densitat de potència que radiaria una antena isotròpica, a igualtat de
distancies i potencies entregades a l‟antena.
(4.4)
Si no s‟especifica la direcció angular, s‟entén que el Guany es refereix a la direcció de
màxima radiació.
La relació entre el Guany i la directivitat és l‟eficiència.
(4.5)
on = eficiència, i D=directivitat
Com més guany, major nivell de senyal. Si la senyal rebuda és molt feble i amb moltes
interferències, una antena amb molt de guany augmenta en la mateixa proporció les
senyals bones i les dolentes.
Un guany de 3dB vol dir que la potència rebuda lluny de l‟antena serà de 3dB més alta
del que seria rebut d‟una antena isotròpica sense pèrdues amb la mateixa potència.
Solucions per augmentar el guany
Les guies d‟ona són una de les maneres per augmentar el guany, objectiu d‟aquest
projecte. No obstant hi ha varies maneres, com per exemple l‟agrupació de diferents
elements radiants individuals (arrays) o mitjançant l‟obtenció de camps uniformes en
diferents geometries d‟obertura (botzines i reflectors).
Un array és una agrupació d‟antenes des de uns terminals comuns que radien o reben de
manera conjunta. Els elements d‟un array són alimentats amb amplituds i fases
adequades de manera que els camps radiats per el conjunt, proporcionen el diagrama
desitjat.
Figura 4.2 Esquema d’un array d’antenes microstrip
31
Una de les avantatges dels arrays és la seva major facilitat per controlar els camps en
l‟obertura, degut a que es pot modificar l‟amplitud i fase de l‟excitació de cada element
individual. Això dona lloc a la possibilitat d‟obtenir diagrames de radiació més versàtils
(direccions d‟apuntament variables). El principal inconvenient és la pèrdua que te la
xarxa d‟alimentació dels diferent elements de l‟antena. Aquestes pèrdues fan que el
rendiment de radiació disminueixi.
Les antenes de botzina són molt emprades en les bandes de freqüències de microones
perquè proporcionen molt de guany, bones adaptacions a la guia d‟alimentació(R. O. Es
típiques≤1, 1), i amples de banda relativament gran.
Figura 4.3 Antena de botzina
Les botzines rectangulars poden tenir guanys des de 8dB fins a 30dB si la freqüència és
suficientment alta. A freqüències baixes consideracions de grandària limiten els guanys
a valors més reduïts.
Tant les botzines rectangulars com les còniques, s‟utilitzen amb patrons de guany en
sistemes de mesura d‟antenes ja que els valors simulats teòricament concorden molt
fidelment amb els valors mesurats. També s‟utilitzen com antenes individuals de guany
per establir radioenllaços en bandes de mil·limètriques i com antenes de satèl·lit per
aconseguir cobertura global de la Terra, amb guanys de l‟ordre de 21dB.
Figura 4.4 Esquema d’alguns tipus d’antena de botzina
32
4.4 Impedància d’entrada i adaptació
La impedància d‟entrada és el quocient entre el voltatge aplicat als terminals d‟entrada i
la corrent resultant.
(4.6)
S‟haurà d‟adaptar l‟antena al transmissió per obtenir la màxima transferència de
potencia, que normalment es fa amb una línia de transmissió.
Aquesta línia també influirà en l‟adaptació.
Aquesta impedància d‟entrada la formen una part Real i una part Imaginaria. Si a una
determinada freqüència una antena no presenta part imaginaria en la seva impedància,
vol dir que aquesta antena està ressonant a aquesta freqüència.
Amb la part imaginaria nul·la, la part real(resistència d‟entrada) es pot descomposar en
dos resistències, la resistència de radiació(Rr) i la resistència de pèrdues(RL).
Es defineix la resistència de radiació com una resistència que dissiparia en forma de
calor la mateixa potència que radiaria la antena. L‟antena, per estar composada per
conductors tindrà unes pèrdues en ells, i aquestes pèrdues són les que defineixen la
resistència de pèrdues en l‟antena.
Per tant utilitzarem una antena a la seva freqüència de ressonància, que es quan millor
es comporta.
(4.7)
El coeficient de reflexió ρ
(4.8)
Si està ben adaptada ρ = 0 Si no es compleix la condició d‟adaptació, la potència entregada serà
(4.9)
4.5 Paràmetres S
Són propietats utilitzades en sistemes d‟enginyeria per descriure el comportament
elèctric de xarxes elèctriques lineals. Els paràmetres són molt útils per jutjar l‟operació
de l‟antena.
Les antenes poden caracteritzar-se com una xarxa de dos ports i així analitzar d‟aquesta
forma la resposta general del sistema. Per el cas de les antenes, a vegades es consideren
xarxes de dos ports, un d‟ells és el port físic d‟entrada de l‟antena, típicament e valor 50
Ω, i l‟altre és un port físic de radiació. En aquest segon cas, la impedància característica
del mateix és la del buit, 120πΩ
33
Les línies de transmissió que connecten a un circuit de microones a l‟exterior
s‟anomenen ports o accessos.
Els paràmetres S poden ser utilitzats per qualsevol freqüència, es basen en els nivells de
potència que es perceben en els terminals de la xarxa de dos ports.
Figura 4. 5 Esquema xarxa de dos ports
Una possible caracterització dels circuits de microones es fa a partir de matrius de
impedància Z, matrius admitància Y, entre altre més. El problema d‟aquests paràmetres
que relacionen magnituds de tensió i corrent, és que els seus valors s‟obtenen
considerant circuits oberts o curtcircuits, i això a altes freqüències és difícil
d‟aconseguir. És per això que s‟utilitzen els paràmetres S, que serveixen a qualsevol
freqüència degut a que no fan consideracions de cap circuit obert o curtcircuit.
Simplement es basen en els nivells de potència que es perceben en els terminals dels dos
ports segons unes noves ones de tensió incident i reflectida normalitzades. Les ones
incidents es dirigeixen a l‟entrant al circuit i les reflectida, per el contrari, en direcció
sortint al circuit.
Els paràmetres S són 4:
S11 : mesura la quantitat de potència que retorna cap a la entrada en comparació amb la
quantitat de potència que s‟està aplicant en el port 1. També es coneix com “el
coeficient de reflexió de port d‟entrada”
S12: aquest paràmetre mesura la potència rebuda en el port 1 en comparació amb la
enviada per el port 2. Es coneix com “coeficient de transmissió inversa o guany invers”
S21: mesura la potència rebuda en el port 2 en comparació amb la potencia enviada al
port 1. També s‟anomena “coeficient de transmissió directa”
S22: mesura la potència reflectida en el port 2 en comparació amb la quantitat de
potència que s‟envia al port 2
Els podem definir com:
(4.10)
(4.11)
34
(4.12)
(4.13)
Un cop calculats els paràmetres S, els utilitzem per obtenir determinades
característiques del circuit.
Pèrdues de retorn d’entrada(dB)
RLin= |20log10|S11|| (4.14)
Pèrdues de retorn de sortida(dB)
RLout= |20log10|S22|| (4.15)
Guany(dB)
G= 20log10|S21| (4.16)
Pèrdues d’inserció(dB)
(4.17)
4.6 Ample de banda
És el marge de freqüències en el qual els paràmetres de les antenes compleixen unes
determinades característiques. Es pot definir un ample de banda d‟impedància, de guany
o d‟altres paràmetres.
35
5. Antenes impreses
Les antenes impreses (microstrip) són un tipus d‟antenes planes ressonants. Són una
continuació de la línia de transmissió microstrip.
Consisteixen bàsicament en un patch radiant que pot tenir diverses formes, la més comú
és la forma quadrada com la de l‟esquema, però aquests patchs també poden tenir
diverses formes com: rodona, rectangulars, triangle, etc. Descansen sobre un substrat
dielèctric i en la cara oposada està el pla de massa.
En aquest projecte s‟analitza el comportament de les antenes impreses amb el patch en
forma de rodona i de pic ovalat.
Figura 5.1 Esquema d’una antena microstrip
Les antenes microstrip es poden dissenyar a partir de línies de transmissió, com és el cas
d‟aquest projecte, o a partir de ressonadors, ambdós sobre substrat dielèctric.
Les dimensions s‟agafen de forma que l‟estructura dissipi la potència en forma de
radiació.
El patch, microstrip i pla de massa estan fets de metall d‟alta conductivitat(coure).
El substrat té dues característiques importants. La primera és el gruix. Un augment del
gruix provoca un augment de l‟eficiència de radiació de l‟antena, i a la vegada un
augment de les pèrdues en el dielèctric, així com un augment en les ones de superfície.
Per altra banda un augment de l‟espessor també comporta un augment de l‟ample de
banda.
La segona característica és la constant dielèctrica. Baixes constants dielèctriques porten
associades millors eficiències de radiació, menys pèrdues en el dielèctric i una
disminució de les ones de superfície.
Es poden utilitzar nombrosos substrats en aquest tipus de dissenys, estant les constants
dielèctriques (εr) compreses entre 2. 1< εr < 12.
La línia de transmissió consisteix en un conductor separat per un dielèctric sobre un pla
de massa.
El mode fonamental es TEM, estant la major part del camp confinat en el dielèctric. El
dielèctric és prim (0.003λ < h < 0.05λ), per evitar fugues i ones superficials. La
permitivitat es a (3 < εr <10), perquè les línies de camp estiguin confinades en torn a la
línia microstrip.
36
Avantatges
-El seu baix perfil.
-La seva fabricació és senzilla i barata.
-Són robustes.
-Són combinables amb circuits integrats de microones i es poden dissenyar per treball a
diverses freqüències i amb diferents polaritzacions.
-Fàcil integració en equips i circuits.
-Senzilles de realització de arrays.
Inconvenients
-Potència limitada.
-Pobre puresa de polarització.
-Són de banda estreta.
-La radiació de les línies pot modificar els paràmetres de les antenes.
Aplicacions
Figura 5.2 Foto aplicació antena mictrostrip,comunicació mòbil terrestre
-teledetecció. -sistemes de posicionament global.
-antenes mòbils.
-aplicadors de calor en tractaments de hipertèrmia.
-altímetres d‟avions.
-telemetria(guiat de míssils).
-sistemes de vigilància, identificació i control.
-radars.
37
6. Disseny de les antenes
En aquest apartat es veurà com s‟han dissenyat les antenes, i quines s‟han fet servir.
Es vol augmentar l‟ample de banda d‟aquestes antenes microstrip. Per fer-ho s‟ha
decidit:
-dissenyar el pla de massa amb unes dimensions relativament petites, especificades en
l‟apartat propietats físiques de les antenes.
-emprar una constant dielèctrica baixa (εr = 3.38).
-utilitzar un gruix del substrat de 0.813mm.
Alimentació de les antenes
Les antenes es poden alimentar a través de línies impreses, o bé a través de ranures,
sondes coaxials, o també per acoblament a les cavitats.
En aquest projecte l‟alimentació es realitza a través d‟una línia de transmissió en el
mateix pla del patch.
Figura 6.1 Esquema línia de transmissió Figura 6.2 Esquema línies de camp en la línia microstrip
La línia de transmissió :
-Es propaga un mode gairebé -TEM
-La major part del camp està confinat en el dielèctric
-Propietats del dielèctric:
-Elèctricament prim(0.003λ ≤h≤0.05λ), per evitar fugues i ones superficials -Permitivitat alta( 3≤ℰr≤10), per a que les línies de camp estiguin confinades entorn a la línia microstrip. A continuació s‟indica l‟amplada que ha de tenir la línia per a que la impedància
característica d‟aquesta sigui de 50Ω i estigui ben adaptada, i per tant rebi la màxima
transferència de potencia.
Fent servir el programa LineCal d‟ADS, es pot estimar la geometria de la línia a partir
dels paràmetres primaris del substrat que són: permitivitat elèctrica del substrat, gruix i
pèrdues del substrat i de la metal·lització i freqüència de treball. D‟acord amb aquest
paràmetres, l‟amplada de la línia de transmissió és de 1.84mm.
38
Figura 6.3 Captura de programa linecalc càlcul de l’ample de la línia de transmissió de les antenes
εr (permitivitat relativa): 3.37 T(gruix del coure): 35 μm
Mur:( permeabilitat): 1 Cond (conductivitat elèctrica):
H(gruix del substrat): 0.813mm TanD (tangent de pèrdues): 0.002
Hu (distància de metal·lització): mil Rough(rugositat del material): 0 mil
Taula 6.1 Característiques del substrat de les antenes
39
6.1 Caracterització de les Antenes
En aquest apartat s‟analitzen els resultats obtinguts en les simulacions de les antenes
microstrip(antena rodona, antena vivaldi, antena de pic) de banda ampla. Es veuran els
resultats de les tres antenes individuals i en el cas de les dos primeres també es
simularan dins les guies per estudiar el seu comportament a 5GHz i 3.5GHz. Després es muntarà físicament la guia per a les antenes de 5GHz i farem una
comparació entre les simulacions i les mesures.
6.2 Antena rodona
L‟antena rodona és molt semblant a l‟antena típica de patch quadrada, però en aquest
cas el patch radiant és circular.
Figura 6.4 Foto de l’antena rodona
6.2.1Propietats físiques
Freqüència: 5GHz
Esquema Unitats:mm
Coure:negre
Figura 6.5 Cotes superior a l’esquerra i inferior a la dreta del substrat
Figura 6.6 Cotes laterals del substrat
40
Material Característiques
Rogers RO4003(tm) εr =3.38 Gruix(mm)=0.813 tgδ = 0.0027
Copper εr= 0.999991 Conductivitat = 58000000 siemens/m
Línia 50 Ω (mm) amplada=1.84 Longitud=6.8035 gruix = 0.035
Taula 6.1 Propietats de l’antena rodona
6.2.2 Característiques elèctriques
Adaptació
Figura 6.7 Adaptació de l’antena rodona
En la figura es veuen les diferents adaptacions de les antenes rodones, fins que s‟ha
aconseguit centrar-les a la freqüència de treball. Per fer-ho s‟ha modificat l‟escalat de
l‟antena fins a trobar la solució.
La simulació centrada a la freqüència de 5GHz té un ampla de banda d‟uns 3GHz. Els
paràmetres S11 ens indiquen que a partir de 4GHz l‟antena començaria a estar adaptada.
41
Guany, directivat
Figura 6.8 Guany i directivitat de l’antena rodona
Es pot observar a la gràfica el guany i directivitat de l‟antena per el rang de freqüències
de 1.5 a 6 GHz. Hi ha una relació de proporcionalitat directa d‟aquests dos paràmetres i
la freqüència de treball. A 5GHz tenim uns -2dB de guany.
Diagrama 3D polar
Figura 6.9 Esquema de l’antena rodona amb el seu diagrama de radiació 3D a la dreta
En la figura s‟observa el diagrama tridimensional de guany de l‟antena rodona, amb -
7dB en els angles amb màxima radiació.
42
Tall XY
Figura 6.10 Tall XY
En aquesta figura es pot observar el tall en el pla XY, en la que per un valor aproximat
de -2dB tenim el guany màxim de l‟antena.
Tall XZ
Figura 6.11 Tall XZ
En la figura es veu el tall en Φ=0, es pot observar en el pla XZ, obtenim -2dB en Φ=0
43
6.2.3Propietats físiques
Freqüència : 3.5GHz
Esquema
Figura 6.12 Cotes superior a l’esquerra i inferior a la dreta del substrat
Figura 6.13 Cotes laterals del substrat
6.2.4 Característiques elèctriques de l ’antena rodona Adaptació
Figura 6.14 Adaptacions de l’antena rodona
Aquesta és l‟adaptació simulada de l‟antena amb un ampla de banda de 2.5GHz
aproximadament, centrada a la freqüència de 3.5GHz.
44
Guany, directivitat
Figura 6.15 Guany i directivitat de l’antena
Es pot observar a la gràfica els valors de guany i directivitat, que augmenten a mesura
que augmenta la freqüència. A 5 GHz tenim un guany i directivitat de -1dB.
Diagrama 3D:
Figura 6.16 Diagrama de radiació 3D de l’antena
A la imatge del diagrama 3D veiem que l‟antena rodona a 3.5GHz obté uns –2dB de
guany.
45
Tall XY(theta 90º)
Figura 6.17 Tall XY
En la figura veiem el pla XY el guany és de -2dB i en els angles 60º i 300º obtenim uns
-4dB de guany.
Tall XZ(phi 0º)
Figura 6.18 Tall XZ
Es pot veure en la figura el tall XZ, amb phi0º i theta90º també obtenim un guany de -
2dB
46
6.3 Antena vivaldi
L‟antena vivaldi és una antena plana que està composada per una pluralitat de capes
conductores, i almenys una capa de substrat, que emet ones electromagnètiques en la
direcció de l‟alimentació en la qual la línia alimentada acaba amb una secció que forma
una ranura amb la cara oposada on tenim l‟antena. Aquesta ranura té un extrem tancat i
un extrem obert, on l‟alimentació va de l‟extrem tancat a l‟obert.
Figura 6.19 Fotos cares superior i inferior de l’antena vivaldi
6.3.1 Propietats físiques
Freqüència: 5 GHz i 3.5GHz
Esquema
-Unitats: mm
-Coure: negre
Figura 6.20 Cotes superior i inferior del substrat
47
Figura 6.21 Cotes lateral del substrat
Material Característiques
Rogers RO4003(tm) εr =3.38 Gruix(mm)=0.813 tgδ = 0.0027
Copper εr = 0.999991 Conductivitat = 58000000 siemens/m
Línia 50 Ω (mm) amplada=1.84 longitud= 13.5 gruix= 0.035
Taula 6. 2 Taula de les propietats de l’antena vivaldi
6.3.2 Característiques elèctriques Adaptació:
Figura 6.22 Adaptació de l’antena vivaldi
A la figura es pot veure que l‟antena comença a estar adaptada a 3.5GHz
aproximadament, i els paràmetres S11 indiquen un coeficient de reflexió de -15dB a la
freqüència de 5GHz.
48
Guany, directivitat:
Figura 6.23 Guany i directivitat de l’antena
En la gràfica es representen els valors de guany i directivitat que augmenten
progressivament al augmentar la freqüència, amb uns valors de 5dB en els dos casos, a
la freqüència de 5GHz.
Diagrama 3D polar:
Figura 6.24 Esquema de l’antena a l’esquerra amb el seu diagrama 3D a la dreta
Es pot observar a la figura del diagrama polar de l‟antena vivaldi, com és una antena
molt directiva obtenim un guany bastant bo de 5dB per la zona de màxima radiació.
49
Tall XY(theta 90º)
Figura 6.25 Tall XY
En la figura veiem que l‟antena te un guany de 5dB en el punt amb màxima directivitat.
En els graus 30 i 330 un guany aproximat de 4.5dB.
Tall XZ(phi 0º)
Figura 6.26 Tall XZ
En la figura veiem els valors de guany corresponents al pla XZ on tenim uns 6dB en la
direcció de màxima radiació a 90º. Els lòbuls secundaris tenen un guany de -8dB.
50
6.3.3 Característiques elèctriques
Adaptació:
Figura 6.27 Adaptació antena vivaldi per 3.5GHz
Es pot veure a la gràfica l‟adaptació de l‟antena a la freqüència de 3.5GHz, així com a la
freqüència de 5GHz de l‟anterior antena vivaldi.
Guany, directivitat:
Figura 6.28 Guany i directivitat de l’antena
A la figura veiem el factor de guany i directivitat amb uns valors de 2dB a la freqüència
de 3.5GHz.
51
Diagrama Polar 3D
Figura 6.29 Diagrama de radiació 3D de l’antena vivaldi a 3.5GHz
Es pot veure a la figura el guany de l‟antena vivaldi a la freqüència de 3.5GHz, obtenint
uns nivells de guany de 2dB de valor màxims.
Tall XY(theta 90º)
Figura 6.30 Tall XY
Es pot observar a la figura del diagrama de radiació en el pla XY obtenim 2dB en la
direcció d‟apuntament de l‟antena i en els angles laterals de 60º i 300º el factor de
guany es de -3.56 dB.
52
Tall XZ(phi 0º)
Figura 6. 31 Tall XZ
En la gràfica es pot veure el tall en el pla XZ, on l‟antena obté 2dB en 90º, i té un guany
de -3. 25dB en els angles 30º i 150º. Els lòbuls secundaris reben aproximadament -
8.5dB.
6.4 Antena de pic
L‟antena en forma de pic té una forma combinada entre una antena amb patch en forma
de triangle i una en forma de rodona tenint un diagrama de radiació més limitat que el
patch típic quadrat o rodó.
Figura 6.32 Imatge vista superior i vista inferior de l’antena de pic
53
6.4.1 Propietats físiques
Freqüència :5GHz
Esquema
Unitats:mm
Coure:negre
Figura 6.33 Cotes superior a l’esquerra i inferior a la dreta de l’antena
Figura 6.34 Cotes laterals de el substrat
Material Característiques
Rogers RO4003(tm) εr =3.38 Gruix(mm)=0.813 tgδ = 0.0027
Copper εr = 0.999991 Conductivitat = 58000000 siemens/m
Línia 50 Ω (mm) amplada=1.84 longitud= 7.1411 gruix = 0.035
Taula 6.3 Propietats de l’antena de pic
54
6.4.2 Característiques elèctriques
Adaptació:
Figura 6.35 Adaptacions de l’antena de pic
A la figura s‟observen els paràmetres S11 de l‟antena de pic centrada a la freqüència de
5GHz i amb un ample de banda aproximat de 2 GHz. L‟adaptació de l‟antena comença
a ser bona als 4GHz.
Guany, directivitat
Figura 6.36 Guany i directivitat de l’antena de pic
A la gràfica es veu el guany de l‟antena ,de -2dB a la freqüència de 4GHz, i -1. 5dB a la
freqüència de treball
55
Diagrama 3D polar
Figura 6.37 Esquema de l’antena amb el seu diagrama 3D a la dreta
A la figura 6.37 veiem l‟antena de pic amb la el seu diagrama de radiació 3D, on el
guany és bastant similar a tots els angles d‟apuntament en el tall XZ. El màxim valor
que pot aconseguir és de 3dB.
Tall XY (theta 90º)
Figura 6.38 Tall XY
Es pot observar a la figura els valors de guany de l‟antena de pic en theta 90º. En la
direcció de mes directivitat de l‟antena s‟obté un guany de -2.5dB.
56
Tall XZ (phi 0º)
Figura 6.39 Tall XZ
En el tall XZ el guany arriba a -1.6dB, on l‟antena radia proporcionalment igual per
totes les direccions.
6.4.3 Propietats físiques
Freqüència:3.5GHz
Figura 6.40 Cotes superiors a l’esquerra i inferior a la dreta per a la freqüència de 3.5GHz
Figura 6.41 Cotes laterals del substrat
57
6.4.4 Característiques elèctriques
Adaptació
Figura 6.42 Adaptacions de l’antena de pic
A la gràfica es pot veure que l‟antena de pic de 3.5Hz, ja centrada correctament té un
ample de banda d‟uns 3.5GHz, per tant té millor resposta que l‟antena de pic a la
freqüència de treball de 5GHz. L‟adaptació és bona a la freqüència de 2. 5GHz.
Diagrama 3D Polar
Figura 6.43 Diagrama de radiació 3D de l’antena de pic a 3.5GHz
A la figura de la dreta es veu el diagrama tridimensional del guany de l‟antena de pic
omnidireccional per a 3.5GHz. En els angles amb més guany s‟aconsegueix fins a -2dB.
58
Guany, directivitat
Figura 6.44 Guany i directivitat de l’antena
En la gràfica 6.44 s‟observa que l‟antena té un guany de -2dB a la freqüència de
3.5GHz, el guany té una progressió ascendent paral·lelament amb la directivitat fins a la
freqüència de 5GHz.
Tall XY(theta 90º)
Figura 6.45 Tall XY
A la figura es veu el diagrama de radiació en el pla XY de l‟antena de pic a 3.5GHz,
s‟aconsegueixen uns -2dB en la direcció de màxima directivitat.
59
Tall XZ(phi 0º)
Figura 6.46 Tall XZ
A la figura es pot observar el tall en el pla XZ amb uns valors de guany baixos -1.5dB
per a 30º i 330º.
60
6.5 Conclusions de les simulacions
Figura 6. 47 Gràfica comparativa de guanys i directivitats de les tres antenes
A la figura estan els resultats de guany i directivitat obtinguts per a les tres antenes a la
freqüència de treball de 5GHz. L‟antena vivaldi, al tenir l‟ample de feix més petit i
concentrar tota l‟energia de radiació en una mateixa direcció preferent, té més
directivitat i en conseqüència s‟obtenen millors valors de guany. A 3.5 GHz s‟obté un
guany de 3.5dB i 5GHz de 5dB respectivament.
Les antenes impreses; rodona i de pic són omnidireccionals,i cobreixen més angles,
però tenen nivells de guany més baixos. Es pot observar a la gràfica com les dos antenes
tenen uns valors de guany i directivitat d‟aproximadament -2dB a la freqüència de
5GHz. A la freqüència de 3.5GHz l‟antena rodona aconsegueix 5dB de guany, i l‟antena
de pic -2.5dB.
Per estudiar la simulació de les antenes dintre de les guies s‟utilitzaran l‟antena vivaldi i
l‟antena rodona.
61
7.Guies d’ona de UWB
Les guies d‟ona són una forma especial de línia de transmissió que es conformen d‟un
tub de metall buit i que guien les ones electromagnètiques.
Figura 7.1 Imatge de guies rectangulars
La primera estructura per guiar les ones va ser proposada per JJThomson el 1893, i va
ser la primera prova experimental a Lodge a 1984.
L‟estudi de les guies d‟ona dielèctriques es va iniciar en la dècada de 1920, per diverses
persones, entre els quals hi ha Rayleigh, Sommerfeld i Debye. La fibra òptica va rebre
una atenció especial a la dècada de 1960 a causa de la seva importància per a la
indústria de les comunicacions.
Actualment el món de les comunicacions està basat en la transmissió mitjançant ones
electromagnètiques(OEM) entre un emissor i un receptor. Fonamentalment podem
dividir aquesta transmissió en dos tipus fonamentals:
1)A través d‟un cable o guia d‟ona.
2)Radiació de ones electromagnètiques a través de l‟aire, l‟espai lliure o un mitjà
dielèctric.
En altes freqüències les línies de transmissió i els cables coaxials presenten atenuacions
molt elevades i impedeixen que la transmissió de la informació sigui la adequada, són
poc pràctics per aplicacions en HF o de baix consum de potència, especialment en el cas
de senyals en les que les seves longituds d‟ona són de l‟ordre de centímetres, en
microones.
El nom de guies d‟ona s‟utilitza per designar els tubs d‟un material conductor de secció
rectangular, circular o el·líptica, en els quals la direcció de l‟energia electromagnètica
ha de ser principalment conduïda al llarg de la guia i limitada en les seves fronteres. Les
parets conductores del tub confinen l‟ona a l‟interior per reflexió en la superfície, on el
tub pot estar buit i ple amb un dielèctric. El dielèctric li dona suport mecànic al tub, però
redueix la velocitat de propagació.
En les guies d‟ona els camps elèctrics i magnètics estan confinats en l‟espai que es troba
al seu interior. D‟aquesta manera no hi ha pèrdues de potència per radiació i les pèrdues
en el dielèctric són molt baixes degut a que acostuma a ser l‟aire. Aquest sistema evita
que existeixin interferències en el camp per altres objectes, al contrari del que passaria
en els sistemes de transmissió oberts.
62
7.1 Objectiu de les guies
-Augmentar el guany en transmissió i recepció de les antenes rodona i vivaldi uns 9dB
mitjançant guies de tipus rectangular.
-Analitzar les simulacions i mesures d‟adaptació de les antenes dins de les guies.
7.2 Principi de funcionament
Figura 7.2 Esquema del transport d’energia en guies d’ona
Les guies d‟ona són pràctiques per les senyals de molt alta freqüència, on la longitud
d‟ona s‟aproxima a la dimensió transversal de la guia d‟ona. Per sota d‟aquestes
senyals, les guies d‟ona són inútils com a línies de transmissió elèctrica.
Quan funcionen com línies de transmissió, les guies son molt més simples que els
cables de dos conductors, especialment els coaxials en la seva fabricació i manteniment.
Amb un sol conductor, no existeixen problemes amb l‟espai apropiat conductor a
conductor, o de la consistència del material dielèctric, ja que el únic dielèctric en una
guia d‟ona és l‟aire. La humitat no és un problema tan greu en guies d‟ona, doncs està
dins dels cables o coaxials.
Totes les línies de transmissió funcionen com conductors d‟energia electromagnètica al
transportar els impulsos o les ones d‟alta freqüència, no obstant com les guies són d‟un
sol conductor, la propagació de l‟energia elèctrica per una guia és d‟una naturalesa molt
diferent a la propagació de l‟energia elèctrica per una línia de transmissió de dos
conductors.
La cerca de canals amb baixa atenuació i la necessitat d‟enviar senyals amb un ampla de
banda cada vegada més gran ha fet que les guies d‟ona juguin un paper cada vegada més
important en el conjunt de medis físics per la comunicació.
La transmissió de senyals per guies d‟ona redueix la dissipació d‟energia, i s‟utilitzen en
les freqüències de microones, doncs presenten poca atenuació per el maneig de senyals
d‟alta freqüència.
La guia esta dissenyada fonamentalment per operar a un sol mode de propagació amb
l‟ampla de banda desitjat, atenuant els altres modes d‟ordre superior. Es transmet
òptimament la freqüència portadora, per la qual s‟ha seleccionat la guia amb el seu
respectiu ampla de banda de transmissió.
En aquest projecte s‟utilitza una guia rectangular, però existeixen de molts tipus, entre
les mes importants es troben:
Guies d’ona rectangular (circular, el·líptica):són aquelles en las que la secció
transversal és rectangular.
Guies d’ona de feix: guies d‟ona constituïdes per una successió de lents o miralls,
capaces de guiar una ona electromagnètica.
63
Guies d’ona acanalades (guiada en V o guiada en H) :guies d‟ona rectangular que
inclouen ressalts conductors interiors al llarg de cada una de les parets de major
dimensió.
Guies d’ona carregades periòdicament: la seva propagació ve determinada per les
variacions regularment espaiades de les propietats del mitjà, de les dimensions del medi
o de les superfícies de contorn.
Guies d’ona dielèctriques: formades íntegrament per un o diversos materials dielèctrics,
sense ninguna paret conductora.
7.3 Característiques de les guies d’ona
Les característiques de les guies, com la impedància, potència i atenuació s‟expressen
mitjançant camps elèctric i magnètics, donat que l‟energia es transporta per ones
electromagnètiques.
Les dimensions de la secció transversal s‟escullen de tal manera que l‟ona
electromagnètica es propagui en el interior. Una guia d‟ona no condueix corrent, sinó
que reflexa l‟energia electromagnètica que impacta amb la superfície. La conducció de
l‟energia el realitza el dielèctric que es troba dins la guia.
L‟ona electromagnètica penetra en les parets d‟aquesta, provocant que l‟ona cedeixi
energia al material de la guia, i per això l‟ona perd amplitud a mesura que avança en la
distància.
Impedància característica
La impedància característica de la guia d‟ona es semblant a la d‟una línia de
transmissió, i es troba relacionada amb la impedància de l‟espai lliure.
Aquesta té el mateix significat que la de una línia de transmissió però es diferencia en
un aspecte, ja que la impedància característica d‟una guia d‟ona es una funció de la
freqüència.
El valor de la impedància de l‟espai lliure és de:
(7.1)
on Zo es la impedància característica, f es la freqüència d‟operació i fc es la freqüència
de tall.
(7.2)
Classificació d’impedàncies en una guia d’ona
Les impedàncies en una guia d‟ona es poden classificar en:
64
-Impedància característica, es refereix a la relació dels fasors de tensió i de corrent en
una línia de transmissió infinita de dos conductors.
-Impedància intrínseca, es refereix a la raó de camps fasorials E i H per una ona
plana(TEM) en un medi no limitat.
-Impedància d’ona, es refereix a la relació d‟una component del camp elèctric a una del
camp magnètic en el mateix punt de la mateixa ona TEM, la impedància d‟ona és la
mateixa intrínseca, però per modes d‟ordre superior.
Atenuació en guies d‟ona
L‟atenuació de la guia és causada per els següents factors:
-Pèrdues en els dielèctrics, si és que n‟hi ha dintre la guia.
-Pèrdues inherents a les corrents que passen per les parets de la guia.
-Obstacles o discontinuïtats.
La mesura de l‟atenuació de la guia queda determinada per el paràmetre α
(7.3)
Z es la longitud de la guia i α el factor d‟atenuació, on tenim que α és igual a
(7.4)
Per altra banda :
(7.5)
(7.6)
Un altre element important en les guies són les càrregues resistives, aquest tipus de
càrregues de material dielèctric resulten ser un acoblament casi perfecte que solen
col·locar-se al final de la guia per evitar reflexions. L‟energia absorbida per aquestes
càrregues es dissipa per mitjà de radiadors.
Guies d‟ona circulars
Les guies d‟ona circulars tenen aplicacions especifiques les quals són molt importants,
s‟utilitzen en radar i microones terrestres, doncs són útils per a propagar ondes
polaritzades tant horitzontalment com verticalment en la mateixa guia. A més de
l‟avantatge de ser més manipulable, és de fabricació més senzilla que la rectangular i les
seves connexions més fàcils de realitzar. Per trobar la freqüència de tall així com la
longitud d‟ona en una guia circular s‟utilitzen les funcions de Bessel.
65
Guies d‟ona rectangulars
Aquestes guies s‟utilitzen més que les circulars o les el·líptiques, i s‟empren en molts
sistemes pràctics de radiofreqüència, per exemple en equips de microones terrestres i de
comunicacions per satèl·lit. Són fàcils de fabricar, el seu ampla de banda és molt gran i
presenten poques pèrdues en les seves freqüències comuns d‟operació
En els conductors buits no hi pot haver ones TEM, perquè per això es necessita d‟un
gran element de potencial transversal, és a dir, és impossible que hi hagi línies tancades
de camp magnètic en qualsevol pla transversal de la guia i per tant no i ha ona TEM.
7.4 Maneres de propagació
Les formes de propagació depenen de la longitud d‟ona, de la polarització i de les
dimensions de la guia.
Les formes transversals es classifiquen en 3 tipus bàsicament :
Mode TE(Transversal elèctrica), és el mode que s‟utilitzarà en el projecte.
El mode TE presenta la freqüència d‟operació més baixa en guies d‟ona, i això facilita
l‟alimentació de la guia, degut a que existeixen modes de freqüència més baixos,
permeten una configuració més senzilla.
La component del camp elèctric Ez en la direcció de propagació es nul·la. Les línies
elèctriques de flux són perpendiculars a l‟eix de la guia d‟ona, i les solucions s‟obtenen
de la componen de camp magnètic Hz, amb Ez=0.
Figura 7. 3 Esquema del mode de propagació TE
Mode TM(Transversal magnètic), la component del camp Hz en la direcció de
propagació és nul·la. Les línies de flux magnètic són perpendiculars a l‟eix de la guia
d‟ona, i les solucions s‟obtenen a través de la component del camp elèctric Ez.
66
Figura 7.4 Esquema del mode de propagació TM
Mode TEM (Transversal electromagnètic), tant la component Ez com la component Hz
en la direcció de propagació és nul·la. Aquest mode té la característica que no es pot
propagar en una guia, degut a l‟estructura mateixa d‟aquesta, donat que no pot
transmetre ones electromagnètiques de baixa freqüència. No obstant és la representació
per mitjà de camps electromagnètics d‟una línia de transmissió de baixa pèrdua.
Selecció de modes en guies rectangulars
Els subíndexs m i n de TEmn i TMmn en guies rectangulars designen els números
enters que denoten el número de mitges longituds d‟ona d‟intensitat de camp magnètic
per el TE i elèctric per el TM, entre cada parell de parets. El subíndex m es mesura al
llarg de l‟eix x i el n sobre l‟eix y.
En les guies rectangulars el mode principal es el TE10, en el qual el camp elèctric varia
senoidalment vist des de A, i és uniforme respecte a B. El camp magnètic presenta línies
sempre perpendiculars a les línies de camp E, formant llaços.
Figura 7.5 Esquema del mode de propagació TE10
Velocitat de fase en modes TE i TM
La velocitat de fase d‟una ona plana al propagar-se en un medi sense pèrdues es
defineix com:
67
(7.7)
On i són la permeabilitat i permitivitat de l‟espai
lliure respectivament.
La velocitat de fase es defineix com la velocitat en la que una ona canvia de fase en
direcció paral·lela a una superfície conductora. Ones de diferents freqüències es
propaguen amb velocitats de fase diferents.
Tota senyal que conté informació no és una ona senoidal pura a una sola freqüència,
sinó la superposició de moltes components harmòniques dins la banda de freqüències
del senyal, provocant distorsió en la forma del senyal rebut, doncs aquestes components
viatgen al llarg de la guia d‟ona amb diferents velocitats de fase. De la mateixa manera
una guia d‟ones és un medi de propagació dispersiu.
(7.8)
La potència del senyal viatja en la mateixa direcció que l‟ona plana, a la mateixa
velocitat de fase, que és inferior o igual a la velocitat de la llum segons el tipus de
material dielèctric. Per tant, la velocitat de fase Vf, al llarg de la guia d‟ona, a diferencia
de v que representa la velocitat de fase en la direcció de l‟ona plana és:
(7.9)
on, (7.10)
i la freqüència d‟operació de la guia d‟ona:
(7.11)
on (7.12)
No obstant, hi ha una altre velocitat, que es coneix com velocitat de grup (Vg) que es
defineix com la velocitat amb la que la informació viatja dins de l‟ona.
La velocitat de grup també és la velocitat en la que l‟energia es propaga, la velocitat a la
que viatgen els senyals d‟informació.
És determinada per l‟angle de reflexió dels fronts d‟ona de les parets. L‟angle de
reflexió es determina per la freqüència de l‟energia d‟entrada.
68
La velocitat de grup d‟un ona al llarg de la guia és menor que la seva velocitat per
l‟espai lliure(velocitat de la llum). Aquesta velocitat més baixa és causada per el
zigzagueix per l‟ona.
Si la freqüència disminueix, s‟incrementa l‟angle de reflexió, causant la disminució de
la velocitat de grup. Tanmateix, incrementant la freqüència també augmenta la velocitat
de grup.
Figura 7.6 Formes de propagació en una guia segons la freqüencia
Aquesta velocitat és inversament proporcional a la velocitat de fase i es calcula com:
(7.13)
Les velocitats de grup i de fase tenen el mateix valor en l‟espai lliure, però si s‟agafen
mesures de les dos velocitats amb la mateixa freqüència en la guia, es trobarà que en,
general les dues velocitats no són iguals, ja que la velocitat de fase és sempre més gran
o igual a la velocitat de grup.
Es pot donar baixa pèrdua i alta eficiència, sempre que a l‟interior de la guia d‟ona es
mantingui neta i seca.
Per funcionar correctament, una guia d‟ona ha de tenir un diàmetre mínim determinat en
relació amb la longitud d‟ona de la senyal. Si la guia d‟ona és massa estreta o la
freqüència és massa baixa, els camps electromagnètics no es poden propagar.
La longitud d‟ona d‟operació de la guia λg, per qualsevol manera ve donada per;
(7.14)
69
La equació de la referència 7.14 anterior també es pot expressar com:
(7.15)
, on és la freqüència de treball de l‟antena, i és la freqüència de tall
Les guies d‟ona tenen una freqüència de tall per sota la qual la transmissió és
impossible. Aquesta freqüència és inversament proporcional a la dimensió transversal
de la guia.
De manera que si la freqüència de senyal a transmetre es més gran que la freqüència de
tall, l‟energia electromagnètica es transmetrà a través de la guia sense atenuació. Per
altra banda, si la freqüència del senyal és menor que la de tall, l‟energia s‟atenuarà
exponencialment amb la distancia, tenint un valor extremadament baix a una distància
molt curta (aquest cas s‟anomena ona evanescent).
Això produeix que siguin factibles per a la transmissió de senyals de freqüències a partir
de 1GHz (microones), ja que a freqüències més petites, requeririen de unes dimensions
massa grans.
El mode dominant en una guia determinada és aquell que té la freqüència de tall més
baixa. Les dimensions de la guia poden triar-se de manera que, per una senyal donada,
només el mode principal pugui transmetre per ella.
Els modes d‟ordre superior són totes aquelles formes en que l‟energia es propaga per
dalt de la freqüència de tall del mode dominant. No obstant, no es recomanable operar
en freqüències on aquests tipus de modes es presenten, doncs no acoblen be la càrrega
ocasionant reflexions i l‟aparició d‟ones estacionaries.
En general, per les guies rectangulars la longitud d‟ona de tall ve donada per:
(7.16)
De l‟equació 7.16 tenim la freqüència de tall:
(7.17)
= longitud d‟ona en l‟espai lliure
λc = longitud d‟ona per un mode particular
d‟operació
ξr =constant dielèctrica relativa(aire=1)
70
7.5 Alimentació de la guia (excitació i extracció dels modes TE/TM)
L‟energia pot introduir-se o extreure d‟una guia d‟ona per mitjà d‟un camp elèctric o
magnètic. Generalment la transferència d‟energia es dona a través de cable coaxial. Dos
mètodes possibles per acoblar una línia coaxial són: utilitzar el conductor intern de la
línia, o a través d‟una espira. Es pot introduir una sonda, constituïda per una petita
extensió del conductor intern de la línia coaxial, orientada paral·lelament a les línies de
camp elèctric. També es pot col·locar un llaç o espira que tanqui algunes de les línies de
camp magnètic. El punt en el qual obtenim l‟acoblament màxim depèn del mode de
propagació en la guia. L‟acoblament és màxim quan el dispositiu d‟acoblament està en
el camp més intens.
La guia s‟ha d‟alimentar amb un conductor situat a g/4 amb respecte a l‟extrem que
estarà curtcircuitat.
Figura 7.7 Distància de ubicació de l’antena dins de la guia
La mínima longitud és g/4, ja que d‟una altra manera, no es formaria completa l‟ona
estacionaria
Si aquest conductor és un monopol simple (un fil) la guia es podrà adaptar en un marge
estret de freqüències.
En canvi, si s‟utilitza un monopol de més ampla de banda, automàticament
s‟aconseguirà augmentar l‟amplada de banda de la guia.
Donat que l‟objectiu es aconseguir dissenyar i fabricar un parell d‟antenes de UWB amb
prou guany, si volem fer servir una guia d‟ones, aquesta també haurà de estar adaptada
en el major marge de freqüències possible; com mínim el corresponen a la banda amb la
que vulguem treballar.
Es per això que un dels objectius d‟aquest projecte ha estat dissenyar la guia per tal de
assolir les especificacions d‟adaptació i guany.
Per connectar el cable coaxial es fa servir un connector SMA, molt utilitzat en
freqüència de microones, útil fins a una freqüència de 33 GHz.
Tenen una impedància característica de 50Ω. El disseny bàsic utilitza un diàmetre de
coaxial extern de 4.2 mm farcit amb dielèctric tipus PTFE. Són compatibles amb gran
varietat de cables coaxials(diàmetres de 0.085‟‟ i 0.141‟‟): RG-55, 58, 122, 141, 142,
174, 188, 223, 303, 306.
Figura 7.8 Connector SMA
71
Inconvenients i avantatges de les guies d’ona de UWB:
Inconvenients :
-La instal·lació i la operació d‟un sistema de guia d‟ona són complexes.
-Els radis de curvatura han de ser més grans per evitar atenuació.
-Considerant la dilatació i contracció amb la temperatura, s‟ha d‟ajustar mitjançant
suports especials.
-S‟ha de mantenir subjecta a pressurització per mantenir les condicions d‟uniformitat
del medi interior.
Avantatges:
-Blindatge total, eliminant pèrdues per radiació.
-No hi ha pèrdues en el dialèctic, doncs no hi ha aïlladors dins.
-Les pèrdues per conductor són menors, ja que només s‟utilitza un conductor.
-Alta capacitat en el control de potència.
-Construcció més simple que un coaxial.
Aplicacions:
-S‟utilitzen en microones, tot i que el seu ample de banda i volum és més gran que el de
les línies impreses o coaxials per la mateixa freqüència.
-Es realitzen diferents dispositius en guies d‟ona com acobladors direccionals, filtres,
circuladors i altres.
-En un radar, una guia d‟ona condueix les ones de l‟antena, on la seva impedància ha
d‟anar acompanyada de la transmissió d‟energia eficient.
-Es poden utilitzar en instruments científics per a mesurar les propietats òptiques,
acústiques i elàstiques dels materials i objectes.
-Guies d‟ona del tipus TEM amb plaques es poden crear en una placa de circuit imprès i
s‟utilitza per a transmetre senyals de microones en el tauler. Aquest tipus de guia d‟ona
és molt barat de fabricar i té unes dimensions petites que caven dins de plaques de
circuit imprès.
Línies de transmissió Guies
Dos o més conductors separats per un
mitjà d‟aïllament(coaxial, microstrip,
etc.
Conductors tancats(rectangulars,
circulars) amb una forma d‟aïllament.
La forma típica d‟operació és la TEM Modes de funcionament són TE o TM.
Significativa atenuació del senyal en
altes freqüències causa del conductor i
pèrdues dielèctriques.
Menor atenuació que les línies de
transmissió en altes freqüències.
La transmissió en cables coaxials pot
transmetre només els baixos nivells
d‟energia a causa dels camps
relativament alts concentrats en llocs
específics dins del dispositius.
Guies d‟ona de metall poden transmetre
alts nivells d‟energia.
Taula 7.1 Comparació entre les línies de transmissió i les guies d’ona
72
8.Disseny de les guies
8.1 Càlcul de dimensions de les guies per a la freqüència de 5GHz
En aquest apartat s‟expliquen les decisions de disseny de les guies, i el càlcul de g/4
per ubicar les antenes correctament. Es muntaran les guies per a les antenes centrades a
la freqüència de 5GHz i s‟analitzaran les simulacions i les mesures d‟aquestes. En el cas
de les antenes dissenyades per a la freqüència de 3.5GHz també es calcula com haurien
de ser les dimensions de les guies.
Figura 8.1 Adaptacions de les tres antenes a la freqüencia de 5GHz
Es pot observar a la figura els paràmetres S11 de les tres antenes; rodona, la vivaldi i la
de pic centrades a la freqüència de 5 GHz. Si per exemple, s‟agafa com a referència
l‟antena rodona,aquesta comença a estar adaptada aproximadament a la freqüència de
3.90 GHz, fins a als 7 GHz. Aquest rang de freqüències servirà per a dissenyar la guia
que millor s‟adapti a les nostres condicions.
Figura 8.2 Esquema de càlcul longitud interior de la guia
0mm (8.1)
(8.2)
mm (8.3)
(8.4)
,on (8.2) és la longitud de la guia per antenes de 5GHz i(8.4) la longitud en 3.5GHz
L'ona es reflecteix en la seva totalitat a la paret conductora de coeficient de reflexió
=- 1, havent recorregut una distància g/4. Un coeficient de reflexió de -1 implica un
canvi de fase de 180 º, o el que és el mateix, de 2ℷ. Si la longitud de la guia és massa
petita pot ser que el monopol estigui pràcticament radiant en espai lliure, i la guia no pot
transmetre la màxima energia.
73
Especificacions
Figura 8.3 Especificacions de les guies rectangulars
A la imatge es pot observar les especificacions per a guies rectangulars, s‟ha decidit
escollir la referència RWT187,que és un model de guia que treballa amb un rang de
freqüències entre 3.95 GHz a 5.85GHz i és vàlida per a les antenes amb freqüència de
treball de 5GHz. També es dissenyarà físicament per mesurar les respostes de les dues
antenes; rodona i la vivaldi.
També s‟ha decidit triar la referència RWT 284 que cobreix el rang d‟operació per a les
antenes a 3.5GHz.
A continuació es calculen les mesures que necessita la guia per complir amb les
especificacions. Les mesures estan representades amb polsades.
Té unes dimensions exteriors de 2.00 x 1.00 polsades, i 0.064 polsades interiors que
representen el gruix de la guia, i s‟han de restar de les dimensions exteriors de la boca
de la guia.
0.064 polsades = 1.6256 mm
Càlcul de les dimensions exteriors
Figura 8.4 Conversió de 2 polsades a mm
74
Figura 8.5 Conversió de 1 polsades a mm
2.000 x 1.000 polsades
2 polsades = 50.8 mm
1 polsades = 25.4 mm
50.8 mm –(1.6mm·2) = 47.6 ≈ 50
25.4mm – (1.6 mm·2)= 22.2 ≈ 25
Figura 8.6 Esquema dimensions exteriors de la guia per antenes de 5GHz
8.2 Càlcul de la ubicació de les antenes de 5GHz dins les guies
Càlcul de per a la guia dissenyada per antenes en freqüència 5GHz
(8.5)
(8.6)
on a la fórmula (8.6) és la freqüència de tall
(8.7)
, en la qual la lletra A correspon a la secció longitudinal respectiva de la guia, i la lletra
B respon a la secció transversal d‟ aquesta (mirar figura 8.6 i 8.7)
(8.8)
75
B
A Figura 8.7 Esquema per el càlcul de g
Utilitzarem el mètode TE10 (m=1, n=0)
Calculem la freqüència de tall per poder calcular g
(8.9)
Amb la freqüència de tall trobada a (8.9), i aplicant la fòrmula de (7.15) podem calcular g
(8.10)
(8.11)
Els càlculs obtinguts a la fórmula (8.11) donen la distància teòrica en la qual s‟ha de
col·locar l‟antena dins la guia per així estar adaptada adequadament. No obstant això, es
podrà reajustar lleugerament aquesta distància per optimitzar la seva eficiència.
Figura 8.8 Esquema lateral de la guia amb la ubicació de l’antena segons g/4
Figura 8.9 Esquema lateral de la guia amb la direcció de l’energia
76
8.3 Resultats de les simulacions (5GHz)
Antena rodona
Figura 8.10 Adaptacions de l’antena rodona(5GH) dins la guia a diferents g/4
A la gràfica es veuen els resultats de l‟adaptació de l‟antena rodona dins la guia a
diferents distàncies g/4. Es pot observar com els resultats són bastant semblants entre
g/4=18.75 i g/4=19.5mm. A la distància g/4=18 es veu una baixada de la linia de
l‟adaptació al voltant dels 5GHz que és quan es transmet més energia.
Figura 8.11 Adaptació de l’antena rodona(5GHz) dins la guia a distancia g/4=18mm
77
En la figura veiem l‟adaptació de l‟antena rodona de la gràfica anterior dins la guia amb
g/4=18mm. De les tres simulacions, aquesta és la que ofereix millor resposta als 5GHz
al estar millor lleugerament adaptada. Es pot veure que gran part de l‟energia s‟irradia
entorn els 5.5GHz.
Antena Vivaldi
Figura 8.12 Adaptacions de l’antena vivaldi(5GHz) dins la guia a diferents distancies g/4
A la gràfica es veu l‟adaptació a 18mm, a 19 i a 19.5. En les tres hi ha desadaptacions
en 4.3GHz i 5.3GHz dintre d‟un ample de banda de 2GHz aproximadament. A la
freqüència de 6GHz l‟antena té ressonàncies semblants en les diferents distàncies, ja
que queda fora del rang de freqüencies que cobreix la guia, de 3.95 GHz a 5.85GHz.
Figura 8.13 Adaptació de l’antena vivaldi(5GHz) dins la guia a distancia g/4=18.75
A la figura veiem només l‟adaptació de l‟antena vivaldi a la distancia g/4=18.75.
78
8.4 Càlcul de les dimensions de les guies per a la freqüència de 3.5GHz
En aquest apartat es mostren els càlculs per a poder dissenyar la guia per unes antenes
que treballin a una freqüència de 3.5GHz.
Figura 8.14 Adaptacions de les antenes a 3.5GHz
A la figura es poden veure les adaptacions de les antenes a la freqüència de 3.5GHz. El
procediment per a calcular les dimensions és el mateix que hem utilitzat per el càlcul de
les antenes de 5GHz. Es pot observar que l‟antena rodona i de pic estan adaptades de
2.5GHz fins a 5GHz i 6GHz respectivament. Tornant a l‟apartat 8.1 i en concret a les
especificacions es pot observar la referència marcada RWT 284, utilitzada en aquest cas,
en la que la guia treballa amb un rang de freqüències de 2.60 a 3.95 GHz. Tal i com
podem confirmar aquesta referència s‟adapta a les condicions d‟ample de banda de les
antenes.
Seguint l‟exemple anterior, es passen les polsades a mm per a les dimensions exteriors i
ens dona 74.168mm x 28.018 ≈ 75x28.
Figura 8.15 Esquema dimensions exteriors de la guia per antenes de 3.5GHz
79
8.5 Càlcul de la ubicació de les antenes de 3.5 GHz dins la guia
Utilitzarem el mètode TE10 (m=1, n=0)
Tot seguit es calcula la freqüència de tall:
(8.12)
Un cop s‟ha obtingut la freqüència de tall amb la fórmula (8.12) es pot trobar la longitud
d‟ona dins la guia (g) aplicant la fórmula (7.15) i també g/4 amb la (8.11)
g = 104.4mm (8.12)
(8.13)
80
8.6.Resultats de les simulacions(3.5GHz)
Antena rodona
Figura 8.15 Adaptacions de l’antena rodona(3.5GHz) dins la guia a diferents g/4
A la figura es poden veure representades les diverses adaptacions de l‟antena rodona a
la freqüència de 3.5GHz segons la distància g/4. En cap cas tenim una adaptació
centrada. Així com l‟adaptació de l‟antena a g/4=27mm irradia la major part d‟energia
als 3.6 GHz aproximadament, l‟adaptació a g/26.5mm ho fa entre els 3.8 GHZ i 4.5
GHz.
L‟antena simulada a la distancia g/4= 26mm està adaptada per 3.5GHz fins a 4.5GHz
aproximadament.
81
9.Conclusions
Aquest projecte dóna una visió força extensa de la tecnologia RFID, cada cop més
important en el progrés tecnològic actual.
Les etiquetes RFID aniran substituint el codi de barres en molts sectors, amb el pas del
temps s‟implantaran mundialment, ja que són més duradores i són més fiable.
La tecnologia UWB ens proporciona molts avantatges, pel que fa a la seva rapidesa, la
redistribució de freqüències, i la baixa potència que necessita per transmetre,entre altres.
A la pràctica les antenes UWB són molt eficaces i es poden manipular amb facilitat dins
d‟aparells electrònics, gràcies a la possibilitat de ser d‟una grandària menor i poden
obtenir un bon ample de banda.
Aquest projecte podria ser un punt de partida per seguir ampliant la capacitat de lectura
dels lectors RFID mitjançant les guies aconseguint així un major guany, per exemple;
afegint a les guies antenes de botzina que donarien uns guanys de entre 13 i 15dB,o
millorant i provant altres antenes més innovadores amb molta directivitat com l‟antena
vivaldi utilitzada en aquest projecte. A diferència de les altres dues antenes microstrip;
la rodona i la de pic que són omnidireccionals, i en la que no és tan factible a l‟hora
d‟ampliar el guany,ja que reparteixen la radiació i no la concentren en una mateixa
direcció.
S‟ha d‟esmentar la importància del bon disseny de la línia de transmissió de les tres
antenes, la selecció del substrat Rogers, així com el disseny correcte del pla de massa
per aconseguir més ampla de banda.
La manipulació amb guies i antenes dóna una visió més general de les formes d‟ampliar
el guany d‟una manera relativament senzilla i amb poc cost. És molt important
l‟alimentació de la guia en la distància g/4 perquè es formi l‟ona estacionaria dins i es
propagui així l‟energia correctament.
Les aplicacions potencials d‟aquest projecte poden ser en totes les que es requereixi
d‟un lector RFID d‟una o més etiquetes en la freqüència de microones(2.5GHz a
5.8GHz); identificació de productes en la traçabilitat d‟una fàbrica, també en el control
d‟accés de vehicles d‟una empresa o propietat privada en la que només poden accedir
els clients o persones que disposen del tag en el cotxe i que el lector, situat en l‟exterior
(per exemple a la porta d‟entrada) pot identificar i posteriorment donar-li accés,una altra
aplicació és en el sistema de pagament al peatge d‟autopistes, que eviten moltes cues de
trànsit, i ja estan implantades en algunes autopistes europees.
82
10.Referències
[1]Robert Aiello Anuj Batra. Ultra Wideband Systems. Technologies and Applications. Editions
Butterworth-Heinemann. England, 2006.
[2]Kazimierz Siwiak, Debra McKeowa. Ultra-wideband radio technology. Microwave Journal, December
2004
[3]Bill Glover and Himanshu Bhatt. RFID Essentials. CA 95472. USA, 2006
[4]K.Finkenzeller. RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and
Identification. England, september 2003.
[5]A. Cardama, L. LLofre, J.M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. "Antenas", Ediciones UPC.
2ªedición, noviembre de 2002.
[6]K.-S. Lim, M. Nagalingam, and C.-P. Tan, “Design and construction of microstrip uwb antenna with
time domain analysis”, Progress in Electromagnetics Research M, Vol. 3, pp. 153-164, 2008.
[7] Simson Garfinkel and Beth Rosenberg. “RFID Applications, Security, and Privacy”. Upper Saddle
River, NJ [etc.] : Addison-Wesley, cop. 2006.
[8]http://ca.wikipedia.org/wiki/Rfid, 2011 [consulta]
[9]http://es.wikipedia.org/wiki/UWB, 2011 [consulta]
[10]http://antennatheory.com/spanish/antennas/aperture/slottedwaveguide2.php, 2011
[consulta]
[11]http:://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa479362.aspx, 2011[consulta]
[12] http://www.allaboutcircuits.com/col_2/chpt_14/8.html, 2011[consulta]
[13] http:// www.rfid-handbook.de/rfid/standardization.html,2011 [consulta]
[14] http://www.frost.com/prod/servlet/market-insight-top.pag?docid=83467478,2011 [consulta]
[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide, 2011 [consulta]
[16]http://www.ramonmillan.com/tutoriales/ultrawideband.php,2011[consulta]
[17]http://www.rfidpoint.com/preguntas-frecuentes/%C2%BFcomo-funciona-la-red-
epcglobal/,2011[consulta]
[18]http://www.ihg.net/java/X?cgi=lateral.rfid.VentajaVsBarras.pattern,2011[consulta]
[19]http://www.techlearner.com/Apps/TransandGuides.pdf,2011[consulta]
83
11. Annexes
Tapa inferior 1
84
Tapa inferior 2
85
Tapa superior
86
Tapa lateral
87
Tapa posterior
![UWB Radars [EDocFind.com]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/577d2b9c1a28ab4e1eaae39f/uwb-radars-edocfindcom.jpg)
