PFC Disseny i optimització d'antenes UWB per aplicacions ...deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1937pub.pdf · 1.4.Organització de la memòria ... 1.2.- Tecnologia Ultra Wide

Disseny i optimització d’antes UWB per aplicacions Chipless RFID

1

Disseny i optimització d’antenes UWB per aplicacions Chipless RFID

Titulació: Enginyeria Tècnica en Telecomunicacions, Especialitat en Telemàtica

Autor: Adrià Patino Alfara Directors: David Girbau Sala

DATA: Juny de 2012


2

Agraïments:

Agraeixo al Dr.David Girbau la seva dedicació, disponibilitat i ajuda en tot el desenvolupament d’aquest projecte i a la meva família per proporcionar-me el suport i la possibilitat de cursar una carrera universitaria.


3

Índex

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

1.1.Tecnologia Chipless RFID ............................................................................. 5

1.2.Tecnologia UltraWideBand ........................................................................... 6

1.3.Objectius ........................................................................................................ 7

1.4.Organització de la memòria ........................................................................... 7

1.5.Referències del capítol ................................................................................... 7

2.CHIPLESS RFID TEMPORAL I PARÀMETRES D’ANTENA .......................... 8

2.1.Tags temporals ............................................................................................... 8

2.2.Paràmetres d’antena ....................................................................................... 9

2.3.Referències del capítol ................................................................................. 12

3.ANTENA BÀSICA CIRCULAR.............................................................................. 13

3.1.Optimització de dimensions ......................................................................... 15

3.1.1.Modificació pla de massa .............................................................. 15

3.1.2.Modificació distància L ................................................................ 16

3.1.3.Modificació de la línia de transmissió .......................................... 17

3.1.4.Modificació del tram S ................................................................. 18

3.1.5.Modificació de l’amplada W ........................................................ 19

3.2.Dissenys optimitzats .................................................................................... 21

3.2.1.Antena optimitzada 1 .................................................................... 22




4.ANTENA BÀSICA EL·LIPTICA I FORCA ......................................................... 28


4

4.1.Modificacions en la distància L ................................................................... 29

4.2.Modificacions en la distància s .................................................................... 30

4.3.Modificacions en el radi R ........................................................................... 31

4.4.Modificacions en l’amplada W .................................................................... 32


4.5.1Antena optimitzada 4 ..................................................................... 34

4.6.Antena forca ................................................................................................. 36

4.6.1.Modificacions de la distància del stub ...................................................... 38

4.6.2.Modificacions en la posició del stub ......................................................... 39

4.6.3.Modificacions en la distància L ................................................................ 40

4.6.4.Modificacions en el pla de massa ............................................................. 41

4.6.5.Utilització de dos stubs ............................................................................. 42


4.7.1Antena optimitzada 5 ..................................................................... 43




5.MESURES TEMPORALS DELS TAGS ............................................................... 51

5.1.Procés de mesura dels tags ........................................................................... 52

5.2.Mesures ........................................................................................................ 53

6.CONCLUSIONS I LINIES FUTURES................................................................... 56

6.1. Conclusions ................................................................................................. 56

6.2.Linies futures ............................................................................................... 57


5

1. Introducció El projecte que es portarà a terme es basa en el disseny i optimització de antenes UWB ( Banda Ultra Ampla ) amb aplicacions RFID ( Identificació per radiofreqüència sense xip). Es mostrarà el procés de disseny i optimització d’antenes UWB extretes d’articles científics i d’una Tesi Doctoral mitjançant l’ús del programa Agilent ADS, Momentum ( Advanced design system ), la seva fabricació, mesura real i comparació amb les simulacions. Finalment s’implementaran unes línies de transmissió per aplicar un retard temporal als tags que fabricarem.

1.1.Tecnologia Chipless RFID RFID ( Identificació per radiofreqüència ) és un sistema que utilitza les ones de radio per emmagatzemament i recuperació de dades de manera remota. Aquesta tecnologia utilitza dispositius anomenats targetes, etiquetes, transponedors i tags RFID. Nosaltres ens centrarem en aquest últim. A més s’utilitzarà un sistema chipless (sense xip) de manera que els tags no estaran dotats de chip, condició que els fa més econòmics. S’implantarà la tecnologia UWB ja que permet una transmissió alta de dades amb poc consum de potència, de manera que ho converteix en una bona opció per aplicacions que demanin altes tasses de transferència. El seu funcionament es simple: El dispositiu que contingui les dades d’identificació respon per backscattering a unes ones de radiofreqüència que són emeses i posteriorment interceptades per un lector RFID, que s’encarrega de llegir l’ informació i passar-la en format digital a una aplicació especifica per RFID[1]. Un sistema RFID consta de tres components bàsics:

• Etiqueta o transponedor: que pot ser de lectura, de lectura i escriptura o anticol·lisió

• Lector RFID o transceptor: compost per una antena, un transceptor i un descodificador. El lector contínuament envia senyals per identificar alguna etiqueta en les seves immediacions i si capta alguna informació l’envia al sistema de processament de dades.

• Subsistema de processament de dades: proporciona els mitjans de processament i emmagatzemament de dades.

Hi ha diferents tipus de tags RFID: • Passius: són els únics que no necessiten alimentació interna, només s’activen

quan un lector proper els hi subministra l’energia suficient. • Semipassius: utilitzen font interna d’energia, normalment una petita pila. • Actius: utilitzen font interna d’energia , normalment una petita pila.

Gràcies a la seva font interna d’energia els tags actius emeten una major potència de senyals que els fa més fiables en entorns complicats i els proporciona una distància de funcionament mes gran.


6

1.2.- Tecnologia Ultra Wide Band Com el propi nom indica, utilitza un ample de banda molt ampli, aproximadament entre els 3,1-10,6 GHz, encara que qualsevol tecnologia de radio que utilitzi un ample de banda major de 500 MHz o del 25% de la freqüència central pot ser anomenada així. Gràcies a aquest ampla de banda és capaç de transmetre molta més informació en menys temps que altres tecnologies, com Bluetooth i 802.11, tal com es veu a la Figura 1.1. Ja que UWB ha de distribuir l'energia sobre una amplada de banda tan gran, la densitat espectral d'aquesta energia és molt petita, el que es tradueix en una manca gairebé absoluta d'interferències amb altres senyals que estiguin utilitzant aquesta porció de l'espectre. Un aspecte negatiu de UWB és l'abast, ja que si s'augmenta aquest ha de ser a costa de disminuir la velocitat de transmissió, a causa de les limitacions de potència[1]. Aquest abast també es veurà afectat en el cas de presència d'obstacles que tendeixin a reflectir les senyals, si bé la seva capacitat de travessar estructures o objectes és molt més gran que la d'altres tecnologies sense fils.

Com es veu ala Figura 1.1, la potència de la senyal emesa per comunicacions de banda ultra ampla és molt inferior a la utilitzada en 802.11 i en comunicacions de banda estreta.

Figura 1.1-Comparació diferents tecnologies (Potència/Freqüència)[2]

Entre les principals aplicacions comercials civils de UWB cal destacar: xarxes sense fils WPAN i WLAN d'alta velocitat, xarxes a la llar, aplicacions GPR (Ground Penetrating Radar), radars i sistemes anticol·lisió per a aviació civil, sensors anticol·lisió per a vehicles mòbils, etiquetes actives per sistemes intel·ligents de transport i identificació sense contacte, sistemes de monitorització industrial en planta, i sistemes de posicionament d'alta precisió[3].


7

1.3.-Objectius

El nostre propòsit principal serà el de dissenyar i miniaturitzar antenes UWB i aconseguir un nivell d’adaptació raonable en tot el seu ample de banda, de manera que les puguem utilitzar en tags RFID i es pugui connectar un retard mitjançant línies de transmissió.

Objectius principals:

• Disseny i optimització d’antenes UWB: ja que el nostre màxim propòsit és intentar dissenyar unes antenes el més petites possible, ens centrarem molt en aconseguir uns nivells d’adaptació raonables per antenes de unes dimensions mínimes.

• Implementació d’aquestes antenes en tags temporals mitjançant uns retards aplicats amb unes línies de transmissió de diferents mides.

1.4.-Organització de la memòria

La memòria estarà formada per 6 capítols, estructurats de la següent forma:

En el capítol 1 es mostrà l’ introducció del projecte , els conceptes bàsics de les tecnologies Chipless RFID i UWB i els objectius proposats per a la seva realització.

En el capítol 2, es detallarà més en profunditat el tipus de tag temporal que serà el que s’utilitzi amb les antenes que dissenyarem, així com els paràmetres d’una antena UWB: guany, directivitat, diagrames de radiació, eficiència...

La part inicial de disseny i optimització d’antenes serà dividida en dos capítols, anomenats antena bàsica slot circular, antena bàsica slot el·líptica i forca. Es mostraran en ells tot el procés de disseny , modificacions aplicades, resultats de les simulacions i antenes que es portaran fins al procés de fabricació (Capítol 3 i 4).

Seguidament s’introduirà el capítol de l’ implementació d’aquestes antenes en tags i l’ús de línies de transmissió per a introduir retard (Capítol 5).

Finalment en el capítol 6 es presentaran les conclusions finals extretes de l’elaboració del projecte i es comentaran les possibles línies futures d’investigació que es poden seguir utilitzant els resultats obtinguts.

1.5.Referències del capítol

[1].Ramón Villarino, Apunts Tema 6 UWB de l’assignatura Sistemes de Telecomunicació Industrial, 2012. [2].Ramón Jesús Millán Tejedor , Articulo UWB publicat en BIT nº 147, COIT&AEIT,2004. [3].Ahmed, Bazil Taha, Article “ The impact of UWB”, Mayo 2010.


8

2. Chipless RFID temporal i paràmetres d’antena

En aquest capítol es procedirà a explicar els principis de funcionament d’un tag temporal chipless, perquè es una bona elecció per al nostre projecte i en segon lloc es farà un repàs general de tots els paràmetres d’antena interessants i que tinguin influència per al desenvolupament del nostre disseny. El gran repte a l’hora de dissenyar tags chipless RFID és com codificar la informació sense la presència d’un xip. Aquesta codificació esta distribuïda en les següents categories [1]:

• Tags basats en la modulació de amplitud/fase del senyal reflectit • Tags basats en la modificació de l’espectre del senyal reflectit • Tags basats en la modificació en el domini temporal del senyal reflectit (punt

principal d’aquest treball).

Concretament, aquest treball tractarà, dins la categoria dels tags basats en la modificació en el domini temporal del senyal reflectit, basats en línies de retard. La tecnologia chipless RFID esta avançant de manera molt ràpida, de manera que en els propers 4 anys casi la meitat dels tags RFID al mercat seran sense chip. A la Figura 2.1 es mostra el tant per cent del total aproximat de tags chipless RFID que hi haurà a 2016 [2].

Figura 2.1.- % Chipless del total de tags RFID

2.1.-Tags temporals

Els components que formen un tag temporal són: un antena emissora, una antena UWB, una línia de transmissió que introdueix retard a l’antena UWB i una antena receptora.

Consta de les següents fases. Primer s’emet un pols de l’orde de nano segons des de l’antena emissora fins a l’antena UWB, quan l’ona electromagnètica incideix sobre


9

l’antena UWB, part de la seva energia es reflectida de nou al espai, generant el que s’anomena mode estructural. La resta de l’energia és absorbida i prossegueix per la línia de transmissió de l’antena que al ser de Zo=50Ω rebrà tota aquesta energia. Al finalitzar la línia de transmissió en circuit obert, tota aquesta energia serà reflectida i dispersada a l’espai de nou per l’antena, anomenant així aquest senyal mode antena. De manera que nosaltres rebrem uns polsos desplaçats en el eix temporal, i que són proporcionals a la distància que tingui la línia de transmissió. Així doncs nosaltres podrem modificar a voluntat aquesta diferència entre polsos, escurçant o allargant la línia de transmissió de la nostra antena UWB.

A la Figura 2.2 es mostra un esquema de tot aquest procés [1].

Figura 2.2.- Esquema de funcionament de un tag temporal

2.2.-Paràmetres d’antena

En aquest subapartat explicarem de forma breu els principals paràmetres d’una antena que més ens concerneixen en el seu disseny.

Directivitat (D): Es defineix com la relació entre la densitat de potència radiada en una direcció per una distància donada i la densitat de potència en la mateixa distància que radiaria una antena isotròpica transmetent la mateixa potència [3].

D(θ,φ) = (2.1)

Si no s’especifica la direcció angular, es sobreentén que la Directivitat es refereix a la direcció màxima de l’antena.


10

D= (2.2)

On és la potència màxima radiada, la potència transmesa i r la distància.

La directivitat es pot obtenir de manera general a partir del diagrama de radiació .

D = (2.3)

Simplificant termes, resulta :

D = (2.4)

es defineix com el angle sòlid equivalent.

Per antenes directives, amb un sol lòbul principal i lòbuls secundaris de nivell menyspreable, es pot obtenir una directivitat aproximada considerant que es produeix radiació uniforme en l’angle sòlid equivalent definit a partir dels amples de feix a -3dB en els dos plans principals del diagrama de radiació.

D = (2.5)

On i són les variables angulars a -3dB en els dos plans del diagrama de radiació.

Guany: Es defineix com la relació entre la densitat de potència radiada en una direcció i la densitat de potència que radiaria una antena isotròpica, en igualtat de distàncies i potència entregades a l’antena [3].

G(θ,φ) = (2.6)

On és la potència entregada per l’antena.

Si no s’especifica la direcció angular, es sobreentén que el Guany es refereix a la direcció màxima de radiació.

G = (2.7)

A la definició de Directivitat es parla de potència radiada per l’antena, mentre que a la definició de guany es parla de potència entregada per l’antena. La diferència entre ambdues potències és la potència dissipada per l’antena, degut a pèrdues òhmiques.


11

L’eficiència es pot definir com la relació entre la potència radiada per una antena i la potència entregada a la mateixa. L’eficiència és un nombre comprés entre 0 i 1.

G(θ,φ)=D(θ,φ)η (2.8)

Si una antena no te pèrdues òhmiques, la Directivitat i el Guany són iguales.

Diagrama de radiació: Es defineix com la representació gràfica de les característiques de radiació en funció de la direcció angular.

Es pot representar el camp elèctric, magnètic o la densitat de potència radiada. Donat que els camps són magnituds vectorials es pot representar el mòdul o la fase dels seus components. Les formes de representació poden ser tridimensionals o bidimensionals, en escala lineal o logarítmica. La següent figura es la representació tridimensional dels camps radiats per una antena (Figura 2.3).

Figura 2.3.- Representació tridimensional camps radiats

S’utilitza de manera habitual un sistema de coordenades esfèric (Figura 2.4) . Les tres variables són (r, θ, φ).

Figura 2.4.- Sistema de coordenades esfèric


12

Pla E: és el pla que conté la direcció del màxim de radiació i el vector de camp elèctric.

Pla H: és el pla que conté la direcció del màxim de radiació i el vector de camp magnètic.

A la Figura 2.5 es mostren els dos talls del pla E i H.

Figura 2.5.- Talls pla E i H

Adaptació: fa referència a la potència que l’antena reflexa una vegada rep una senyal. Aquest paràmetre es quantifica amb el coeficient de reflexió a l’entrada, equivalent al

en una xarxa d’un port. Normalment , en antenes UWB es considera una bona adaptació quan el mòdul de està per sota de -10 dB.


[1].Ramon Villarino, Apunts de l’assignatura Sistemes de Telecomunicació Industrial URV 2012.

[2].Raghu Das, Article Chipless RFID, The end game.

www.idtechex.com/research/articles/chipless_rfid_the_end_game_00000435.asp

[3].Antonio Lázaro, Apunts de l’assignatura Sense Fils, Tema 1 Paràmetres d’antena.


13

3. Antena bàsica slot circular

Els objectius principals en els que es basa aquest projecte són en el disseny i optimització de noves antenes UWB per aplicacions a chipless RFID, s’utilitzaran dissenys d’antenes extretes de treballs científics que siguin interessants i es treballarà sobre ells per a millorar-los.

El disseny i topologia bàsics sobre el que treballarem en aquest capítol, està extret de la Tesis Doctoral[1], en tots els casos de simulació i fabricació s’utilitzarà un substrat Rogers amb característiques descrites a la Taula 3.1.

El primer disseny a optimitzar és el presentat a la Figurar 3.1 i les seves dimensions a la taula 3.2.

Er-Permitivitat relativa : 3,7 Mur-Permeabilitat : 1 H-Gruix del substrat : 0.813 mm Hu-Distància de metal·lització : 3,9· mil T-Gruix de la metal·lització : 35µm Cond-Conductivitat elèctrica : 4,1· S/m TanD-Tangent de pèrdues : 0.0022 Rough-Rugositat del material : 1 mil

Taula 3.1-Característiques del substrat Rogers

Per a dissenyar i simular totes les antenes que es portaran a terme, es va utilitzar el programa Momentum de Advanced Design System(ADS). Per a dissenyar l’antena amb l’ ADS, es va necessitar modificar l’accés de la línia microstrip ja que el nostre substrat es diferent al utilitzat a [1]. Utilitzant l’aplicació del mateix programa anomenada Linecalc es va fer un càlcul de la nova línia de transmissió W1, amb un valor de 1.72mm (Figura 3.2).

Dimensions (mm)

D 26.6

W 3.2

L 6.7

R 5

r 1.8

S 0.5

H 3.1

C1 50

C2 43

θ 6º

Taula 3.2.-Dimensions Figura 1.1 Figura 3.1-AntenaMicrostrip circular bàsica


14

Figura 3.2.- Aplicació Linecalc , càlcul nova línia de transmissió per a substrat Rogers

A continuació es va procedir a fer una primera simulació amb les dimensions extretes de [1] per tindre una idea de quins punts era necessari millorar de l’antena. A la Figura 3.3 es mostra el seu disseny processat amb l’ADS.

Com observem a la Figura 3.4 l’adaptació d’aquesta antena bàsica presenta alguna irregularitat a 9 GHz i el tall a -10 dB no es produeix més enllà dels 4 GHz, si volem utilitzar aquesta antena en UWB necessitarem rebaixar aquest tall fins als 3 GHz aproximadament.

Figura 3.3.- Figura 1.1 ADS

A continuació , a la Figura 3.5 es mostren els diagrames de radiació de la antena slot bàsica, mostrant un patró omnidireccional en totes les seves freqüències.

Figura 3.4.- Simulació adaptació


15

Figura 3.5.- Diagrames de radiació 3D de l’ antena circular bàsica

Partint d’aquests resultats de l’antena bàsica slot circular i veient que no són tot el bons que s’esperaven, es van proposar unes modificacions per tal de millorar el disseny i aconseguir una millor adaptació de l’antena en totes les seves freqüències per al substrat utilitzat.

3.1.- Optimització de dimensions.

A continuació s’exposaran les modificacions i els resultats obtinguts, d’aquesta manera s’anirà detallant tot el procés fins a l’obtenció de les mesures adequades per a la millora.

3.1.1-Modificacions en el cercle del pla de massa.

El primer dels canvis que es va proposar va ser l’augment del cercle que forma part del pla de massa (D). El diàmetre inicial és de 26.6 mm, volíem esbrinar si augmentant-lo o disminuint-lo aconseguíem millorar la seva adaptació. Es va utilitzar una modificació en un interval de 23.6-60 mm, amb un patró aleatori. A la Figura 3.6 es mostren els resultats de les simulacions.


16

La simulació en verd mostra el millor resultat sempre tenint en compte les dimensions del cercle i les dimensions finals que obtindria l’antena en fabricació, ja que el que pretenem és aconseguir minimitzar-la al màxim, i el resultat en vermell mostra la simulació original.

Veient els resultats de la Figura 3.6 deduïm que com més gran sigui el cercle del pla de massa, el tall a -10 dB es produeix a una freqüència inferior.

3.1.2.-Modificacions en la llargada de la distància L.

Es comprovarà si modificant la llargada L definida a la Taula 3.2 obtenim un millor resultat en la simulació de l’adaptació.

La distància a modificar es mostra a la Figura 3.7.

Figura 3.7. Distància L

S’utilitzarà com a antena inicial el millor resultat obtingut a l’apartat anterior en la figura 3.6. La L inicial està definida a la Taula 3.2 amb un valor de 6.7 mm, s’utilitzarà un rang de 4.7-9.7 mm amb un increment de 1 mm entre cada simulació i es compararà amb el valor inicial . L’adaptació simulada de l’antena bàsica circular amb un diàmetre

Figura 3.6.- Adaptació simulada de les modificacions en el cercle del pla de massa


17

de pla de massa de 26.6 mm i amb les modificacions proposades es mostra a la Figura 3.8.

Figura 3.8 – Adaptació simulada modificacions distància L

Com podem apreciar a la Figura 3.8 no obtenim cap millora important, ja que l’ augment d’aquesta distància crea irregularitats en l’adaptació a altes freqüències i la nostra simulació sobre l’ antena original es més regular i el seu tall a -10 dB es manté més baix que les simulacions mostrades.

3.1.3.-Modificacions en la línia de transmissió.

La línia de transmissió inicial extreta de la tesis [1] acabava en una constricció de la mateixa línia de 6°. Els canvis proposats fan referència a aquest tram definit en la taula 3.2 com a variable H. Les modificacions que es faran són: ampliar aquest angle a 10°, utilitzar una línia rectangular sense cap estretament, ampliar la línia de transmissió a 10° i utilitzar aquest tram final de línia com a tangent del cercle contigu.

Aquests canvis es mostren a la Figura 3.9.

Figura 3.9.- Modificacions en el tram H de la línia de transmissió


18

Els resultats obtinguts es mostren la Figura 3.10.

Figura 3.10.- Adaptació simulada modificacions tram H

Com podem apreciar els resultats són molt irregulars, sent crítica la modificació d’aquest paràmetre, de manera que procedirem amb les modificacions utilitzant l’estretament inicial esmentat a la taula 3.2.

3.1.4.-Modificacions en el tram S.

El tram S és la distància entre el cercle del pla de massa i el principi de la forma de U que presenta l’antena (Figura 3.11).

Figura 3.11.- Tram S de la antena bàsica circular

S té un valor inicial especificat a la Taula 1.1 de 0.5 mm, les modificacions que se li aplicaran van de 0.3-1.3 mm, amb els valors següents : 0.3, 0.7, 0.9, 1.1, 1.3 (mm).

Es simularan amb el Momentum i es compararan amb el valor inicial, les simulacions es mostren a la Figura 3.12.


19

Figura 3.12.- Adaptació simulada modificacions tram S antena bàsica circular

Com veiem la millor adaptació s’obté al modificar la distància S a un valor de 0.3 mm, però el nostre procés de fabricació no permet definir espais inferior a 0.5 mm, per això ens quedarem amb el valor original S, que es el immediatament superior en quant a millor adaptació.

3.1.5.-Modificació de l’amplada U (W)

Arribats en aquest punt i veient que l’antena que presenta millor adaptació donades les modificacions anteriors es la que defineix un cercle de pla de massa de 31.6 mm de diàmetre i uns valors de disseny mostrats a la Taula 3.2. A continuació es passa a variar la distància W com es veu en la Figura 3.13. S’intentarà augmentar o disminuir la distància W i observar si en les simulacions de l’adaptació obtenim alguna millora significativa.

Figura 3.13.– Distància W del disseny antena bàsica slot circular


20

Comentar que la modificació d’aquesta distància es porta a terme modificant els radis dels dos cercles que formen la U; els canvis es mostren a la Figura 3.14.

Els resultats en adaptació de les modificacions es mostren a la Figura 3.15.

Figura 3.15-Adaptació simulada amb modificacions W a l’antena circular bàsica

Com es mostra ala figura les simulacions presenten bons resultats excepte a freqüències superiors a 9 GHz i no hem aconseguit millorar l’adaptació a -10 dB.

Finalitzades aquestes modificacions es donaran uns dissenys finals optimitzats per a fabricació i mesura real.

Donat que amb les modificacions aplicades sobre el disseny no hem aconseguit rebaixar aquest tall a -10 dB, es presentaran, a part d’ un disseny final optimitzat amb diàmetre del cercle de pla de massa de 31.6mm, dos dissenys més, un amb diàmetre de 40 mm i

Figura 3.14 – Modificacions W antena bàsica circular


21

un altre amb 60mm, ja que augmentant considerablement aquest cercle obtenim que el tall es rebaixi de manera molt significativa.

Tot i això , la nostra prioritat sempre és obtenir una optimització i miniaturització del disseny inicial presentat, de manera que si augmentem aquest cercle , també augmentem en conseqüència la mida final del disseny i no és el nostre objectiu.

3.2.-Dissenys optimitzats

A continuació es presentaran els tres models d’antena circular bàsica que s’han portat fins al procés de fabricació i han estat mesurats i comparats amb els resultats simulats.

Es presentarà el model dissenyat amb ADS, les seves dimensions, una gràfica amb la seva adaptació simulada amb Momentum, una altra gràfica comparativa entre guany i directivitat, els diagrames de radiació 3D per a 3,4,5,7,8,9 GHz i finalment una comparativa gràfica entre mesura presa al laboratori i simulació, així com unes fotografies del disseny fabricat.


22

3.2.1.-Antena optimitzada 1

Dimensions(mm)

D 31.6

W 4.2

L 6.7

R 5

r 0.8

S 0.5

H 3.1

C1 50

C2 43

Figura 3.16-Antena optimitzada 1 disseny ADS Taula 3.3-Dimension antena optimitzada 1

-a- -b-

Figura 3.17 – Adaptació simulada (a) i gràfic de guany/directivitat de l’antena optimitzada 1

Figura 3.18 – Diagrames de radiació antena optimitzada 1


23

A la Figura 3.16 podem veure el disseny de l’antena, a la Taula 3.3 es mostren les dimensions de la mateixa, la Figura 3.17.a ens mostra l’adaptació simulada de l’antena optimitzada 1, veiem que mostra una molt bona adaptació a partir de 4 GHz, però a nosaltres ens interessarà rebaixar aquesta freqüència fins als 2.5-3 GHz, ja que el nostre punt de treball al ser una antena UWB comença als 3.1 GHz. La Figura 3.17.b mostra una gràfica comparativa entre el guany i la directivitat de l’antena optimitzada 1, observem que el guany es torna positiu als 2.7 GHz aproximadament. Per últim tenim a la Figura 3.18 els diagrames de radiació 3D de l’antena optimitzada 1, mostrant un patró omnidireccional fins als 8 GHz, on podem percebre algunes petites irregularitats.

A continuació a la Figura 3.19 es mostra el disseny fabricat de l’antena optimitzada 1, i la comparació de mesura portada a terme al laboratori i la resposta simulada en ADS, en la Figura 3.20.

Figura 3.20- Comparació de l’adaptació simulada i mesura de l’antena optimitzada 1

Tal com veiem a la figura 3.20 l’adaptació mesurada a laboratori fins i tot millora la simulada amb el programa. El tall a -10dB es produeix mes enllà dels 4 GHz i hauríem de trobar la manera de millorar aquest punt.

Figura 3.19- Disseny fabricat de l’ antena optimitzada 1


24


Dimensions(mm)

D 40

W 5.2

L 12.6

R 6

r 0.8

S 0.5

H 3.1

C1 60

C2 55


-a- -b- Figura 3.22 – Adaptació simulada (a) i gràfic de guany/directivitat de l’antena optimitzada 2



25

A la Figura 3.21 es mostra el disseny de l’antena optimitzada 2 en l’ADS, a la Taula 3.4 es presenten les seves dimensions, en aquest cas majors que les de l’antena optimitzada 1. En la Figura 3.22.a es mostra una gràfica de l’adaptació simulada de l’antena i en la Figura 3.22.b una gràfica comparativa entre el seu guany i directivitat en l’eix freqüencial. Finalment a la Figura 3.23 s’observen els diagrames de radiació 3D de l’antena per a 3,4,5,7,8,9 GHz.

A partir d’aquí es porta l’antena a fabricació i a la Figura 3.24 es mostra el resultat final del disseny de l’antena optimitzada 2.

Figura 3.24 – Disseny fabricat antena optimitzada 2

Per a finalitzar a la figura 3.25 es fa una comparació de l’adaptació de l’antena, en el cas de la simulació i la mesura portada a terme al laboratori.

Figura 3.25 – Comparació adaptació real i simulació de l’antena optimitzada 2

Com veiem a la gràfica el tall a -10dB s’ha rebaixat considerablement comparat amb l’antena optimitzada 1, però hem tingut que ampliar les dimensions de l’antena.

De totes maneres no presenta una bon nivell d’adaptació en un rang ampli de freqüències , ja que dels 6 a 10 GHz aquesta està per sobre de -10dB.


26


Dimensions(mm)

D 60

W 9

L 13

R 11

r 2

S 0.5

H 3.1

C1 79.5

C2 79.5


-a- -b- Figura 3.27 – Adaptació simulada (a) i gràfic de guany/directivitat de l’antena optimitzada 3



27

A la Figura 3.26 es mostra el disseny de l’antena en el programa ADS, en la Taula 3.5 les seves dimensions, com es pot observar son ostensiblement mes grans que en els casos anteriors. A la Figura 3.27.a es mostra l’adaptació simulada de l’antena amb el Momentum i a la Figura 3.28.b un gràfic comparatiu entre guany i directivitat en freqüència. Finalment a la Figura 3.28 es poden observar els diagrames de radiació 3D per a 3,4,5,7,8,9 GHz.

Es va portar l’antena fins al procés de fabricació i a la Figura 3.29 es presenta el seu disseny.

Figura 3.29 – Disseny fabricat de l’antena optimitzada 3

A continuació es comparen les adaptacions simulada i mesurada de l’antena optimitzada 3 mostrant uns resultats molt bons en tot el seu rang freqüencial, el seu tall a -10dB s’ha vist reduït fins als 2,5 GHz aproximadament i es manté per sota d’aquest nivell fins als 12 GHz (Figura 3.30).

3.3.Referències del capítol.

[1].Tesis Liang Jianxin, Antenna Study and Design for UWB Communication Applications

Figura 3.30. Comparació de l’adaptació simulada i mesura real de l’antena optimitzada 3


28

4. Antena Bàsica slot El·líptica

En aquest capítol es portarà a terme el disseny i optimització d’una antena UWB molt similar a la descrita en el capítol anterior, amb un canvi significatiu en el seu pla de massa que en aquest cas estarà format per una el·lipse en comptes de un cercle. Aquest disseny ha estat també extret de la tesis[1] i s’utilitzaran com a inici les dimensions que s’aporten en aquesta tesis. A continuació en la Figura 4.1 es presenta la topologia de l’antena i en la Taula 4.1 les seves dimensions inicials a partir de les quals si escau, es faran modificacions. S’utilitzarà en aquest cas, com en el disseny de l’antena del capítol anterior el substrat Rogers descrit en el capítol 3 a la taula 3.1.

Figura 4.1 – Topologia antena el·líptica bàsica Taula 4.1- Dimensions antena el·líptica bàsica

Com en el cas de l’antena bàsica slot circular, el càlcul de la línia de transmissió es el mateix ja que utilitzarem el mateix substrat, així doncs el valor de . A continuació es generarà el disseny en el programa ADS i es farà una simulació amb Momentum per apreciar la seva adaptació i en cas que sigui necessari optimitzar o modificar el disseny per obtenir una millora. A la figura 4.2 es presenta el disseny de l’antena en ADS i en la figura 4.3 una gràfica de la seva adaptació simulada amb Momentum.

Dimensions(mm)

A 32

B 23

S 0.6

R 5.9

r 2.9

H 3.3

W 3

L 6

C1 42

C2 42


29

Figura 4.2. Antena el·líptica Figura 4.3. Adaptació simulada antena el·líptica bàsica

La simulació mostra uns resultats molt satisfactoris per les dimensions que presenta l’antena (42x42 mm), de totes maneres es portaran a terme algunes modificacions amb l’intenció de millorar la seva adaptació.

4.1 Modificacions en la distància L

En aquest subapartat es va allargar la distància inicial L que esta descrita en la taula 4.1, amb la finalitat de veure si aquesta modificació comporta una millorar substancial en l’adaptació de l’antena (Figura 4.4).

Figura 4.4. Distància L

L’allargament es va iniciar en aquest 6 mm inicials fins a 8,5 mm, en passos de 0,5 mm. A continuació es presenten les simulacions en la Figura 4.5.

Comentar que degut a les mínimes dimensions de l’antena, tots els canvis que es poden aplicar sobre ella també són mínims, així que no s’esperen grans canvis en la seva adaptació.


30

Figura 4.5. Adaptació simulada de les modificacions en la distància L

La simulació no presenta moltes modificacions, ni cap millora digna de menció per tant deixarem de moment com a millor simulació l’original a l’espera de més canvis.

4.2 Modificacions distància S

A continuació es van proposar canvis sobre la distància S (Figura 4.6), sabent ja que com en el cas de l’antena circular slot bàsica, aquest paràmetre és molt crític, es va optar per fer dos canvis, un a 0.4mm i l’altre a 0,2 mm, simplement per observar si aquestes modificacions repercutien de manera beneficiosa en l’adaptació, ja que el seu procés de fabricació no es podria portar a terme amb garanties.

Figura 4.6. Distància S

A continuació es presenten els resultat de l’adaptació en la figura 4.7.


31

Figura 4.7. Simulació adaptació de les modificacions en el tram S

Com es pot observar, al disminuir aquesta distància provoquem un pic a 3 GHz que empitjora la nostra adaptació , tampoc ens millora el tall a -10 dB, possiblement l’única millora es produeix entre 4-8 GHz, però no es suficient com per a decantar-nos per alguna d’aquestes dues simulacions. Així que de moment la nostra millor simulació es l’original.

4.3 Modificacions Radi R

Es van proposar canvis en el radi exterior R mantenint el paràmetre W en un valor de 3 mm com indica la Taula 4.1 d’aquest capítol. El seu valor inicial és de 5.9 mm, els canvis que aplicarem són amb una mida de 6.5, 7, 7.5 i 8 mm. El canvi de disseny inicial i final es pot apreciar a la figura 4.8.

Figura 4.8. Canvis radi R

A continuació es mostren els resultats obtinguts de l’adaptació simulada (Figura 4.9).


32

Figura 4.9. Adaptació simulada de les modificacions en el radi R

Obtenim uns resultats bons, tots amb molt bona adaptació , però no hi ha uns canvis gaire significatius, potser ens podríem decantar per alguna altra, però vam decidir continuar amb la simulació original ja que el seu tall a-10 dB es molt pronunciat, força més que les altres simulacions.

4.4 Modificacions amplada W

S’intentarà ampliar aquesta distància (Figura 4.10) i observar el comportament en les simulacions, el valor inicial d’aquest paràmetre descrit a la Taula 4.1 es de 3 mm, les nostres modificacions seran de 3.5, 4, 4.5, 5, 6 i 7mm.

Figura 4.10. Distància W antena el·líptica bàsica

A continuació a la figura 4.11 es mostren els resultats de l’adaptació simulada de les modificacions en el paràmetre W.


33

Figura 4.11.-Adaptació simulada amb modificacions al paràmetre W

Totes les simulacions presenten una adaptació bona en tot el rang de freqüències UWB. Com a millor simulació escollirem la modificació W=3.5mm ja que ens millora una mica l’adaptació i manté constant el tall a -10dB. Finalitzada aquesta modificació , vam donar per conclosos tots els canvis en aquesta topologia d’antena i es va procedir a la seva fabricació i mesura real.

4.5.Dissenys optimitzats

A continuació es presentarà l’antena optimitzada que es va portar a procés de fabricació.

Com en el cas del capítol anterior es mostraran els resultats de les simulacions de l’adaptació, unes gràfiques comparatives entre guany i directivitat , les seves dimensions i per últim els diagrames de radiació 3D.


34

4.5.1-Antena optimitzada 4

Dimensions(mm) A 32 B 23 S 0.6 R 5.9 r 2.9 H 3.3 W 3 L 6

C1 42 C2 42


-a- -b-




35

En la Figura 4.12 s’observa el disseny de l’antena generat amb l’ADS, a la Taula 4.2 es mostren les seves dimensions, en la Figura 4.13.a es mostra la seva adaptació simulada amb el Momentun i a la Figura 4.13.b es veu la comparació entre el seu guany i la seva directivitat. Per finalitzar a la Figura 4.14 es mostren alguns dels diagrames 3D, mostrant en tots ells un patró omnidireccional en tots les seves freqüències. A continuació es va portar a procés de fabricació el disseny de l’antena optimitzada 4 i a la Figura 4.15 es mostra el disseny real.

Figura 4.15.- disseny real antena optimitzada 4

Es van portar a terme les mesures al laboratori de la seva adaptació i el resultat es mostra a la següent figura que compara la seva mesura real amb la simulada amb el Momentum (Figura 4.16).

Figura 4.16.- Comparació adaptació real i simulada antena optimitzada 4

La mesura presenta una adaptació realment bona tenint en compte les dimensions d’aquesta antena, ja que són de llarg les més reduïdes que es portaran a terme en aquest projecte. Com a observació es podria intentar disminuir el tall a -10dB una mica més ja que a la mesura real difereix una mica de la simulada en aquest aspecte.


36

4.6 Antena forca

En la segona part d’aquest capítol es va decidir incloure el disseny d’un altre tipus d’antena que es presenta a continuació en la Figura 4.17 i les seves dimensions en la Taula 4.3.

Figura 4.17.- Disseny antena forca Taula 4.3.- Dimensions antena forca

En pla de massa en aquest cas es molt més reduït que en els dissenys anteriors, aquesta antena es farà servir com a tag temporal. Com en tots els casos anteriors s’utilitzarà el substrat Rogers i la seva línia d’accés a 50 ohms és de 1.72 mm d’amplada. A continuació es mostra el primer disseny i la seva adaptació simulada amb el Momentun (Figura 4.18 i 4.19, respectivament).

Figura 4.18-Disseny forca Figura 4.19.-Adaptació simulada de l’antena forca

L’antena presenta una adaptació bona en un rang de 2.5-8 GHz, intentarem mitjançant modificacions aconseguir reduir el tall a -10dB sense augmentar-ne les dimensions. Ho

Dimensions (mm)

D 20

D1 26.5

H 3.5

F 0.6

S 1

R 13.3

r 7.1

W 6.2

L 6.2


37

farem incloent línies de transmissió aplicades sobre les zones de màxima densitat de corrent.

Amb l’aplicació del Momentum podem observar el màxim nivell de corrent en l’antena i saber on podríem aplicar aquests stubs per aconseguir millorar l’adaptació a 2.4 GHz. A la figura 4.20 es mostren els punts de màxim corrent de l’antena a 2.4 GHz.

Figura 4.20.- Excitació antena forca a 2.4 GHz

Així doncs aplicarem aquests stubs en els màxims de corrent per a que tinguin la màxima efectivitat possible.

Amb l’eina Linecalc de l’ADS podem fer un càlcul aproximat de la llargada d’aquest stub com es pot veure a la figura 4.21.

Figura 4.21.-Càlcul stub a 2.4 GHz amb Linecalc

La llargada física d’aquest stub per a que la seva actuació incidís en 2.4 GHz serà de 16.68mm.


38

Vam fer una primera prova per comprovar l’ exactitud d’aquesta mesura i es presenta a continuació. A la Figura 4.22 el disseny de l’antena amb la posició del stub i a la figura 4.23 la comparació entre l’adaptació original i la simulada amb el stub. Com hem vist a la Figura 4.20, aplicarem aquests stubs sobre els màxims de corrent de l’antena a 2.4 GHz, els millors punts són dins de la U que forma l’antena i als seus laterals.

Figura 4.22.- Disseny forca amb stub a 2.4 GHz Figura 4.23.- Adaptació original i modificació a 2.4 GHz

Com es veu a la Figura 4.23 el punt d’actuació en freqüència que ha estat modificat esta al voltant dels 3.5 GHz, de manera que tindrem que allargar la seva distància per a que la seva actuació baixi fins al punt on nosaltres necessitem que actuï, a 2.4 GHz. No hi ha cap més solució que fer proves augmentant aquesta distància fins aconseguir que actuï sobre la freqüència indicada.

4.6.1 Modificacions en la distància del stub

Es va portar a terme un seguit de modificacions sobre aquesta distància per aconseguir que actués sobre 2.4 GHz. La distància del stub es va modificar amb les següents mides: 20, 22, 25 i 27 mm. Les adaptacions simulades es mostren a la Figura 4.24.


39

Figura 4.24.- Adaptació de les modificacions “STUB”

Es veu clarament que quan augmentem la distància, més baixa l’actuació del stub en freqüència, però se’ns presenta un altre problema, es genera un pic secundari després de la seva actuació.

4.6.2. Modificació posició STUB

A continuació es va comprovar si re col·locant el stub en una altra posició la seva actuació era més eficient, com abans havíem mencionat l’altre punt de corrent viable a 2.4 GHz eren els laterals de la U que forma l’antena.

Es va fer una petita prova que es mostra a continuació en la Figura 4.25. Es va col·locar formant una angle de 90º de manera que es respectés el màxim possible les dimensions de l’antena. El primer tram val 15mm per a que sobrepassi l’antena i no molesti a l’hora de col·locar el segon tram.

Figura 4.25.- Modificacions posició stub


40

Les modificacions portades a terme en el segon tram inicien en 15mm i van fins a 20mm. A continuació es mostren els resultats de l’adaptació simulada a la Figura 4.26.

Figura 4.26.- Simulacions modificació lateral

L’actuació en aquesta posició és mínima així que es descarta la col·locació en aquest punt.

4.6.3. Modificacions en la distància L

Es van fer canvis en la distància L, que en un inici té un valor de 6.2mm, com està descrit a la Taula 4.3. Les modificacions que es van fer tenen com a valors: 7.2, 8.2, 9.2 i 10.2 mm. L’adaptació simulada es mostra a la següent gràfica (Figura 4.27):

Figura 4.27.- Adaptació simulada de les modificacions en la distància L


41

Les adaptacions simulades mostren que ampliant aquesta distància s’aconsegueix abaixar mínimament el seu tall a -10dB, però la seva adaptació en la resta d’espectre freqüencial empitjora paulatinament.

Si volguéssim abaixar aquest punt de tall, un dels factors a tenir en compte seria la longitud d’aquesta distància.

De moment es va respectar la distància original ja que el nostre objectiu principal és aconseguir una millor adaptació sense augmentar les seves dimensions i si es possible minimitzar-les.

4.6.4. Modificacions en el pla de massa

Es va provar d’ampliar el pla de massa ja que en anteriors dissenys els canvis havien produït una millora substanciosa de l’adaptació.

Es va augmentar en ambdós costats del pla en 5 mm i 10 mm. Es poden veure les modificacions a la Figura 4.28. En el primer cas s’augmenten en 5 mm els dos laterals i en el segon cas s’ampliarà aquesta mida fins als 10 mm. Es mostren els resultats de les simulacions a la Figura 4.29. Es veu clarament que aquestes ampliacions no han aportat cap millora en l’adaptació de l’antena i per tant no es tindran en compte per al disseny final de la mateixa.

Figura 4.29.- Simulacions de l’adaptació amb modificacions al pla de massa

Figura 4.28.- Modificacions pla de massa


42

4.6.5. Utilització de dos stubs.

En aquest apartat es va procedir a intentar rebaixar els pics generats pel primer stub, amb un segon aplicat a la freqüència on es presenta la irregularitat.

És van fer moltíssimes proves i els resultats de la posició i la distància entre ells no va ser concloent, però de totes aquestes proves algunes de les simulacions van obtenir resultats acceptables, que es mostren a continuació:

Totes les simulacions son fetes amb les mides originals descrites a la Taula 4.3 de l’inici del capítol.

A la Figura 4.30 es mostren el disseny d’una de les proves amb dos stubs i la seva adaptació simulada. Manté uns molt bon nivells en tot el rang de freqüències ultrawideband i a demés el seu tall a -10dB és proper als 2 GHz, cosa que la fa candidata per passar al procés de fabricació i provar-la a laboratori.

Figura 4.30.- Disseny amb 2 stubs i la seva adaptació simulada

Més endavant es presentaran totes les mesures d’aquesta antena.

4.7. Antenes optimitzades

A continuació es mostraran les antenes optimitzades que es van fabricar, les seves dimensions , adaptació , guany, directivitat i els diagrames de radiació 3D.


43


Dimensions (mm)

D 20

D1 26.5

H 3.5

F 0.6

S 1

R 13.3

r 7.1

W 6.2

L 6.2


-a- -b-




44

A la Figura 4.31 es mostra el disseny de l’antena modificat amb els dos stubs, les dimensions dels dos stubs i la distància entre ells sabent que un d’ells està centrat amb la línia de transmissió es donen a continuació a la Figura 4.34. A la Taula 4.4 les mides de l’antena, que no han sofert cap modificació des de que es va iniciar el capítol ja que tots els canvis no han proporcionat millores en la seva adaptació.

A la Figura 4.32.a es mostra l’adaptació que es presentava a l’inici del capítol, com ja hem dit obté molt bons nivells en tot el rang UWB i a la Figura 4.32.b es mostra una comparació gràfica entre el guany i la directivitat de l’antena ,obtenint com a màxim guany dins del rang de freqüències interessades un valor de 3.5 dB, cosa habitual en antenes d’aquestes dimensions i per finalitzar es mostren a la Figura 4.33 alguns dels diagrames de radiació de l’antena simulats amb Momentum, que ens indiquen que manté un bon patró i no hi ha cap irregularitat digna de menció.

Figura 4.34.- Dimensions STUBS (mm)

A la Figura 4.35 es mostra l’antena fabricada per les dues cares.

Figura 4.35.-Foto antena optimitzada 5


45

Es va procedir a mesurar l’adaptació de l’antena al laboratori amb l’analitzador de xarxes i es compara a l’adaptació simulada en la gràfica de la Figura 4.36.

Figura 4.36. Simulació i mesura de l’antena optimitzada 5

Al comparar les adaptacions ens adonem que l’ús dels stub no concorda amb la mesura tal com influeix en la simulació.

En general la mesura no presenta l’adaptació que esperàvem per tant s’hauran de modificar alguns aspectes de l’antena o utilitzar altres vies de modificació per aconseguir que la seva adaptació millori.

Es va seguir treballant sobre el disseny i a continuació s’introdueixen dues simulacions que presenten bona adaptació, una d’elles és continuísta en el tema de l’ús dels stubs mentre que a l’altra vam optar per eliminar-los i vam intentar ampliar l’alimentació de l’antena per tal de rebaixar el màxim possible el seu tall a -10 dB.


46


Dimensions (mm) D 20 D1 31 H 6 F 0.6 S 1 R 13.3 r 7.1

W 6.2 L 10.2


-a- -b- Figura 4.38– Adaptació simulada (a) i gràfic de guany/directivitat de l’antena optimitzada 5

Figura 4.39.-Diagrames de radiació 3D de l’antena optimitzada 6


47

A la Figura 4.37 es mostra el disseny en ADS, a la Taula 4.5 les seves dimensions, que en aquest cas han estat modificades en els paràmetres H,D1 i L, significant un augment de la dimensió total de l’antena ja que ampliem el pla de massa i allarguem tota l’antena. A la Figura 4.38.a es mostra la seva adaptació simulada amb Momentum , presenta un nivell bastant al límit dels -10dB cosa que probablement amb les mesures empitjori , però esperem que el seu tall i la seva adaptació en la zona freqüencial d’interès de 2-3 GHz sigui acceptable. A la Figura 4.38.b tenim la gràfica comparativa entre el guany i la directivitat de l’antena extreta del Momentum. Per últim a la Figura 4.39 es mostren alguns dels diagrames de radiació per algunes freqüències , mostrant un patró omnidireccional a freqüències baixes i empitjorant lleugerament a partir dels 6.5-7 GHz.

L’antena optimitzada 6 presenta una altra disposició dels stubs que està descrita a la Figura 4.40.

Figura 4.40.-Posicionament dels stubs (mm)

L’antena es va portar a procés de fabricació i el seu disseny fabricat es mostra a la següent Figura 4.41 per ambdues cares.

Figura 4.41.- Disseny fabricat antena optimitzada 6


48

A continuació es mostra la comparativa gràfica de la mesura d’adaptació presa al laboratori i la simulació processada amb el Momentum (Figura 4.42).

Figura 4.42.-Adaptacions real i simulada antena optimitzada 6

En aquest cas, a diferència de l’antena optimitzada 5, el nostre tall ha baixat uns 200 MHz però en canvi obtenim un nivell d’adaptació millor en aquesta antena, ja que quasi tot el marge de freqüències UWB es manté per sota dels -10dB exceptuant entre 7 i 8 GHz que l’adaptació roman al límit.

En la següent antena optimitzada es va eliminar l’ús dels stubs i es va optar per ampliar al màxim l’amplada de l’alimentació de l’antena per intentar rebaixar el tall a -10dB.


49


Dimensions (mm) D 20 D1 31 H 6 F 0.6 S 1 R 16 r 1

W 15 L 15


-a- -b- Figura 4.44– Adaptació simulada (a) i gràfic de guany/directivitat de l’antena optimitzada 7

Figura 4.45.-Diagrames de radiació 3D de l’antena optimitzada 7


50

A la Figura 4.43 es mostra el disseny realitzat en ADS, els paràmetres que han canviat són els dos radis (r i R) i la distància L cosa que dona molta més superfície. A la dreta es mostren les seves dimensions en la Taula 4.6, a la Figura 4.44.a la seva adaptació simulada i en la Figura 4.44.b la gràfica comparativa entre guany i directivitat de l’antena que com és habitual en aquestes antenes i totes les que hem dissenyat oscil·la entre 0 i 7 dB, aproximadament. Per últim, trobem a la Figura 4.45 els diagrames de radiació que es mostren omnidireccionals fins als 6 GHz; a partir d’aquesta freqüència empitjoren.

A la Figura 4.46 es mostren ambdues cares de l’antena fabricada.

Figura 4.46.- Fotografia de ambdues cares de l’antena optimitzada 7

I en la Figura 4.47 podem observar la comparativa gràfica entre la simulació de l’adaptació amb l’ADS i la mesurada al laboratori .

Figura 4.47.- Adaptació simulada i mesurada de l’antena optimitzada 7


51

La simulació mostra en aquest cas que hem aconseguit el propòsit de rebaixar el tall a -10dB, situant-lo als 2.1 GHz aproximadament. Seria millor si el pic entre 7-8 GHz no superés el -10dB però el propòsit principal queda aconseguit i la resta de la resposta conserva una molt bona adaptació.

Amb aquesta última antena concloem el capítol i per al pròxim s’utilitzaran com a tag les antenes optimitzades 6 i 7.


[1].Tesis Liang Jianxin, Antenna Study and Design for UWB Communication Applications

5. Mesures temporals dels Tags

En aquest capítol farem ús de les antenes optimitzades 6 i 7 fabricades al capítol anterior per a utilitzar-les com a tag temporal. Per aplicar aquest retard es connecta una línia de transmissió en forma de meandre suficientment llarga i preparada per utilitzar-la sobre les dues antenes. Es van implementar els tags i el resultat es mostren en les fotografies de la Figura 5.1.

Figura 5.1.- Antenes optimitzades 6 i 7 respectivament amb línia de retard implementada

També es va portar a terme una simulació prèvia amb el Momentum per assegurar-nos que no es produïa cap comportament estrany en les adaptacions. Es mostren a continuació les adaptacions simulades per a l’antena optimitzada 6 (Figura 5.2.a) i per l’antena optimitzada 7 (Figura 5.2.b) amb meandra i sense.


52

(a) (b)

Figura 5.2.Comparatives de l’adaptació amb i sense meandre de les antenes optimitzades 6 i 7

Com es pot veure es produeixen uns petits canvis en l’adaptació, ja esperats i que tampoc afecten massa a nivells de freqüència baixos , per tant no hi ha cap problema i tirem endavant.

5.1.Procés de mesura dels Tags

S’explicarà breument els procediments que s’utilitzen per realitzar una mesura d’un tag al laboratori. S’ha utilitzat l’analitzador de xarxes com a lector. Es calibren els dos ports ja que en aquesta mesura els utilitzarem els dos, un per l’antena emissora i l’altre per l’antena receptora (veure Figura 5.6, on hi ha el sistema de mesura)

Figura 5.5.-Fotografia de l’analitzador d’espectres


53

Figura 5.6.- Muntatge per a mesura del tag

Com es pot veure s’utilitza una cambra semi-anecoica ja que es pretén no rebre elements indesitjables en la nostra lectura i així veure més clars els resultats.. Es van fer mesures a diferents distàncies per observar fins quan era factible la seva detecció. Es van separar les antenes a 60 cm, 100 cm i 140 cm, a la següent imatge es mostra el cas per a 60cm (Figura 5.7). Amb l’ús de l’analitzador, el programa Matlab i d’un codi generat per a fer aquestes mesures es fan les captures del tag temporal.

Figura 5.7.-Imatge lateral del muntatge

5.2.Mesures

A continuació es mostraran les senyals capturades al laboratori, primer per a 60 cm , després per a 100 cm i per acabar, a 140 cm.


54

Els resultats obtinguts per a 60 cm amb l’antena optimitzada 6 es mostren a la Figura 5.8 i per a l’antena optimitzada 7 , a la Figura 5.9.

Es poden apreciar perfectament el mode estructural i el mode antena en les dues mesures, i la distància entre els dos modes és proporcional, com ja hem dit, al retard de la línia de transmissió.

Figura 5.8.-Mesura tag antena optimitzada 6 a 60cm

Figura 5.9.-Mesura tag antena optimitzada 7 a 60cm


55

El retard que genera la línia de transmissió es pot apreciar més clarament en la Figura 5.10. Com es mostra a la imatge, el retard introduït es de l’ordre de 0.5-1 ns aproximadament. Seguidament veurem les captures per a 100 cm a la Figura 5.11.

Figura 5.10.-Retard incorporat

Figura 5.11.-Mesures tag antenes optimitzada 6 (a) i antena optimitzada 7 (b)

Es pot observar que el canvi de distància genera un retard en la captació del tag com és lògic. En aquesta distància encara són perceptibles ambdós modes i es poden distingir clarament el mode estructural i el mode antena.

Per últim es mostraran els resultats per a una distància de 140 cm a la Figura 5.12.


56

Figura 5.12.-Mesures Tag a 140cm de l’antena optimitzada6 (a) i 7 (b)

A aquesta distància ja és més confus el distingir el mode estructural i antena ja que es mesclen amb el soroll i es poden confondre. S’observa també com aquests 40cm introdueix una mica més de retard en la captació dels senyals. Amb això finalitzem les mesures realitzades als tags.

6. Conclusions i linies futures

En aquest capítol s’exposaran les conclusions extretes del treball realitzat en aquest projecte, els punts que s’han millorat i els que es podrien millor en un futur, així com les vies que es poden aplicar.

6.1.Conclusions

El projecte s’ha basat en el disseny i optimització d’antenes UWB per aplicacions a Chipless RFID; s’han aconseguit resultats molt favorables en algunes de les antenes descrites, i el que es més important, totes les antenes són d’unes dimensions molt petites, com era el propòsit principal del projecte .

Cal destacar l’antena el·líptica descrita al capítol 4, que amb unes dimensions totals d’antena de 3.2 x 2.3 cm obté una adaptació molt bona, així que posiblement la seva topologia sigui idònia per a aconseguir minimitzar més antenes d’aquest tipus.

També al capítol 4 es descriu l’antena forca i els intents d’aplicar-li dos stubs. En aquest cas no es van obtenir valors favorables en les seves mesures i per tant es descarta el possible ús de més d’un stub en posicions properes entre sí.


57

En canvi podem dir que al maximitzar l’amplada de l’alimentació de l’antena s’obtenen millores significatives en la seva adaptació i això s’observa amb claredat en l’antena optimitzada 7, que presenta els millors resultats en quant a freqüències de tall més baixa a -10dB.

Per finalitzar es van utilitzar dues de les antenes descrites al capítol 4 per a la integració d’una linia de retard; en aquest cas els resultats també van ser favorables, possiblement l’única pega es que la seva actuació té poc abast i a partir de 150cm disminueix la claredat amb que rebem el tag.

Per acabar, mencionar que l’elaboració d’aquest treball ha enriquit els meus coneixements sobre antenes i m’ha ajudat a afiançar conceptes apresos durant aquests 3 anys de carrera.

6.2.Línies futures

A continuació s’exposaran els camins o vies que es creuen convenients que es poden seguir a partir de la feina realitzada en aquest projecte.

Mencionar l’antena bàsica slot el·líptica com a millor antena portada a terme en aquest projecte i que possiblement algunes modificacions en la seva topologia la puguin fer millorar i obtenir resultats més favorales.

No s’aconsella el treball amb més d’un stub degut a els mals resultats obtinguts i a discordancia entre simulacions i mesures.

Finalment, com ja s’ha comentat, la tecnologia chipless RFID és relativament novedosa i encara queden moltes línies d’investigació obertes al voltant d’aquesta.

Disseny i optimització d’antenes UWB peraplicacions Chipless RFIDÍndex1. Introducció2. Chipless RFID temporal i paràmetres d’antena3. Antena bàsica slot circular4. Antena Bàsica slot El·líptica5. Mesures temporals dels Tags6. Conclusions i linies futures

Documents

PFC Disseny i optimització d'antenes UWB per aplicacions ...deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1937pub.pdf · 1.4.Organització de la memòria ... 1.2.- Tecnologia Ultra Wide