Todo projeto de uma etiqueta de RFID, seja ela com chip ou não, tem início com o projeto da antena, pois é ela que definirá a frequência de operação do sistema de RFID levando em conta a aplicação que este sistema trará. Por exemplo, as antenas que operam em baixas frequências possuem uma distância de leitura inferior, conforme foi mostrado na Figura 2 do Capítulo 1, devido ao acoplamento magnético com a leitora. Portanto, a escolha da frequência de operação da antena das etiquetas de RFID é crucial em todo início de um projeto.
Além disso, etiquetas com chips não necessitam que a antena possua grandes larguras de banda, pois basta que o chip seja energizado em uma única frequência que a comunicação é estabelecida. Contudo, este trabalho propõe a concepção de uma nova etiqueta chipless cujo princípio requerirá de uma faixa de operação maior, devido cada bit ocupar uma zona do espectro para sua representação binária em forma de assinatura espectral. Obviamente, as antenas dessas etiquetas são projetadas de forma completamente diferentes, pois devem comportar toda a faixa de operação do circuito multirressonador.
Dessa maneira, a escolha da antena não é uma simples tarefa e deve atender certos critérios [23]:
• Banda ultra larga – a antena deve possuir uma largura de banda extremamente grande para garantir comportar as assinaturas espectrais que são necessárias para codificar um grande número de bits;
• Padrão de radiação – é exigido também que a forma do padrão de radiação varie o menos possível ao longo de toda a banda de frequência de operação e mantenha uma característica o mais omnidirecional possível ou muito perto disso;
• Polarização cruzada – as antenas (receptora e transmissora) devem estar dispostas em 90º uma da outra para garantir o isolamento entre o sinal de interrogação enviado a partir da leitora e o sinal modulado retransmitido para a leitora após passar pela etiqueta;
• Geometria – a antena deve exibir uma geometria compacta e totalmente imprimível sobre o material desejado;
• Comunicação redundante – além dessas especificações necessárias para garantir a comunicação da etiqueta chipless com o sistema de RFID, este projeto propõe que essa
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etiqueta tenha uma comunicação redundante, utilizando o conceito de diversidade de frequência, através de antenas dual-band. Portanto, o grande desafio desse projeto é que todas as especificações mencionadas devam ser atendidas nas duas bandas de operação da antena.
Na literatura não existem muitas antenas dual-band que atendam tais especificações, dificultando-se a escolha da antena. Num primeiro momento, foi escolhida a antena da referência [24], que possui um padrão de radiação adequado para a aplicação proposta, mas sua largura de banda de aproximadamente 100 MHz em cada uma de suas duas sub-bandas resultou insuficiente, pois apenas consegue-se alocar um bit em cada uma delas, já que cada ressonador pode ocupar aproximadamente 45 MHz de largura de banda e é necessário que haja bandas de guarda entre os bits como será discutido no Capítulo 4. A segunda antena escolhida foi uma antena fractal [25]. A geometria fractal chamou a atenção devido sua desejável característica de miniaturização dos componentes. Assim, como é a antena que compõe principalmente o tamanho da etiqueta, ela tornou-se interessante para o projeto. Porém, apesar dessa antena possuir uma largura de banda suficiente para o projeto proposto, seu padrão de radiação nas altas frequências de operação se mostrou inadequado. Muitos testes foram feitos em ambas as antenas mencionadas, na primeira para melhorar a largura de banda de operação e na segunda para melhorar o padrão de radiação, mas algumas melhorias desses parâmetros acabavam prejudicando outros, inviabilizando a utilização delas para o projeto proposto.
Finalmente, a antena que atendeu as especificações citadas, resultou em uma antena
patch modificada com um slot introduzida por Vijaim Reghunath, et. al. [26], reproduzida
no software HFSS e que pode ser visualizada na Figura 15. A antena e a linha de microfita (50Ω) estão no mesmo plano (camada superior) e são separadas do plano terra (camada inferior) por um substrato de FR4 (r = 4,4; tan = 0,02 e h = 1,6mm). Os parâmetros para a
construção da antena são mostrados na Figura 16, seguido dos seus respectivos valores fornecidos na Tabela II.
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Figura 15: Geometria da antena dual-band.
Figura 16: Parâmetros para construção da antena dual-band.
Tabela II – Parâmetros de construção da antena dual-band (mm)
D L1 L2 Wt DL Lt DW WS Lg LS Dfeed
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Figura 17: Resposta em frequência (S11) da antena dual-band.
Como parte do presente trabalho, a antena escolhida foi reprojetada e sintonizada para trabalhar em frequências menores que a sua versão original [26], como pode se ver na Figura 17. Essa decisão foi tomada para facilitar a construção dos ressonadores, evitando que suas dimensões fossem muito pequenas, o que dificultaria sua construção com os recursos tecnológicos ao alcance desse projeto.
A perda de retorno na Figura 17 mostra, claramente, que se trata de uma antena dual-
band de banda ultra larga (UWB – Ultra Wide-band) com larguras de banda de 1,224GHz
(2,3307 à 3,5547GHz) e 2,899GHz (4,2681 à 7,1671GHz), o que a torna propícia para a concepção de uma etiqueta chipless de RFID. As Figuras 18 à 23 mostram o padrão de radiação do campo elétrico em 2D e em 3D para as frequências de operação da antena (S11 = -10dB), ou seja, 2,3304, 2,45, 3,5547, 4,2684, 5,8 e 7,15GHz. 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 Freq [GHz] -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 d B (S (1 ,1 )) HFSSDesign1 XY Plot 1 m1 m2 m3 m4 Name X Y m1 2.3307 -10.0014 m2 3.5547 -10.0000 m3 4.2681 -9.9995 m4 7.1671 -9.9995 Name Delta(X) d(m1,m2) 1.2240 d(m3,m4) 2.8990 Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep D='3.66045mm' Dfeed='19.2mm' DL='3.3mm' Dw='2.631mm' L...
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Figura 18: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 2,3304GHz.
Figura 19: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 2,45GHz.
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Figura 20: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 3,5547GHz.
Figura 21: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 4,2684GHz.
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Figura 22: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 5,8GHz.
Figura 23: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 7,15GHz.
Nota-se que o padrão de radiação do campo elétrico começa a deformar-se a partir da frequência de 5,8GHz (Figura 22), chegando a um estágio crítico, para os critérios já citados, no início deste Capítulo, de padrões de radiação nos sistemas chipless de RFID, na frequência de 7,15GHz. Portanto, para o projeto do novo dispositivo, ficou estipulado como limite que os ressonadores fossem projetados e sintonizados até a frequência de 7GHz.
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Uma vez concluída de forma satisfatória a etapa de escolha e reprojeto da antena a ser utilizada, foi realizado um estudo para mostrar, pela primeira vez, a necessidade de levar em conta a inserção de bandas de guarda em frequência entre as ressonâncias sucessivas para garantir a adequada operação das etiquetas chipless. Esta é mais uma contribuição do presente projeto.
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