Portanto, novas soluções e abordagens têm sido propostas baseadas em etiquetas RFID sem chip para identificação (TEDJINI et al., 2013) e detecção (AMIN et al., 2014). Uma prova de conceito do tag funcionando como um sensor passivo sem chip também será demonstrada.
PARÂMETROS BÁSICOS DE UMA ANTENA
- Impedância de entrada
- Diretividade
- Eficiência e ganho
- Diagrama de radiação
- Área efetiva
O diagrama de radiação de uma antena é uma representação gráfica tridimensional da distribuição da potência irradiada em função das coordenadas espaciais. 26 2 PARÂMETROS BÁSICOS DE ETIQUETAS RFID UHF PASSIVAS O diagrama em função de θ para alguns valores específicos de φ, mais alguns gráficos em função de φ para alguns valores específicos de θ contêm todas as informações necessárias sobre as características de radiação de a antena.
ESTIMATIVA DO ALCANCE DE UMA TAG PASSIVA
Podemos associar uma área efetiva (ou abertura) (Ae) em m2 a uma antena receptora, de modo que dada uma onda eletromagnética plana incidente com densidade de potência S, a antena absorva uma potência P=AeS. Por exemplo, um pássaro tem uma seção transversal de radar de 0,01 m2, enquanto uma aeronave grande tem uma seção transversal de 100 m2. Um radar monostático usa a mesma antena do transmissor e do receptor, desacoplando os sinais por meio de blocos de RF, como desacopladores ou circuladores.
Este resultado é intuitivo, pois uma impedância muito alta torna impossível que a corrente induzida na etiqueta seja significativa, evitando assim a ocorrência de re-irradiação. Este resultado também é intuitivo, pois uma impedância baixa permite que a corrente induzida seja alta, e a incompatibilidade de impedância entre a antena e a carga faz com que toda essa corrente seja refletida e reirradiada para o leitor.
LIMITAÇÕES FUNDAMENTAIS DE ANTENAS MINIATU-
Para um curto-circuito, ocorre exatamente o oposto, ZL≈0ΩeΓ=−1, aumentando o alcance do sistema por um fator√. Como a dedução apresentada acima pressupõe condições ideais, como correspondência de polarização3, efeitos de multipercurso desprezíveis4 e transmissão desimpedida, decidiu-se introduzir uma constante α que leva em conta todos esses fatores, a fim de obter uma estimativa mais realista da distância de leitura.
TOPOLOGIAS DE ANTENAS UTILIZADAS
Antenas de Microfita e o Patch Retangular
30 2 PARÂMETROS BÁSICOS DE ETIQUETAS PASSIVAS UHF RFID menor em comparação com outros tipos de antenas não planares, compatível com estruturas planares e não planares, relativamente fácil de fabricar usando tecnologia de circuito impresso e também compatível com circuitos integrados de microondas monolíticos (MMICs), entre outras vantagens. A antena de microfita consiste em uma fina tira de metal de espessura t(t≪λ0, onde λ0 é o comprimento de onda no espaço livre) de comprimento L e largura W, sobre um substrato dielétrico com permeabilidade elétrica relativa εre de altura h(h ≪λ0 ), sua área inferior, que é coberta pela placa de aterramento (Figura 3). Em frequências intermediárias, seu valor começa a crescer exponencialmente e eventualmente se aproxima do valor da constante dielétrica do substrato.
Esses valores iniciais de baixa frequência são chamados de valores estáticos e são dados por:. onde o primeiro termo é a média aritmética entre a permissividade relativa do substrato e a do ar, e o segundo termo é um termo de correção. Os valores acima são derivados através do modelo de linha de transmissão e, portanto, são apenas aproximações (BALANIS, 2012).
Loop pequeno
METAMATERIAIS E ANTENAS MINIATURIZADAS
Ressonador de ordem zero
O modelo composto de linha de transmissão destro/canhoto (CRLH) é ilustrado na Figura 6 (LAI et al., 2004). Ao aplicar condições de contorno periódicas, o diagrama de dispersão da linha de transmissão CRLH pode ser determinado, o que mostra que a estrutura fornece propagação de ondas LH em baixas frequências e propagação de ondas RH em altas frequências. Ao colocar em cascata uma célula unitária de comprimento p N vezes, uma linha de transmissão CRLH de comprimento L=N×p pode ser implementada.
Se a linha de transmissão CRLH tiver condição de contorno de circuito aberto, a frequência de ressonância é dada por ωsh, e se tiver condição de contorno de curto-circuito, por ωse (LAI et al., 2007). Neste caso, não precisamos realmente da capacitância LH CL na linha de transmissão CRLH, então usaremos uma pequena variação dela conhecida como linha de transmissão carregada com indutor paralelo.
Antenas miniaturizadas carregadas com MTMs
Como as expressões acima também são derivadas utilizando condições de contorno periódicas, como no caso da linha de transmissão CRLH, onde se considera que a estrutura se estende ao infinito, o truncamento da estrutura pode gerar variações na frequência de ressonância. 42 3 PROJETO DA ANTENA ZOR A ideia crucial aqui é diminuir a frequência de ressonância aumentando CRe/ou LL. Portanto, reduzir a espessura do substrato para aumentar o CR não terá praticamente nenhum efeito real na frequência de ressonância, uma vez que diminuirá LL=Lvia aproximadamente na mesma proporção em que aumentará o CR.
Neste caso, CR continua sendo a capacitância de acoplamento entre o patch e a placa de aterramento, mas a nova indutância passa a ser LL=Lvia+Linductor, e dependendo do tamanho da indutância, a frequência de ressonância pode ser significativamente reduzida (BAEK; LIM, 2009 ). Conhecendo o valor da indutância Lvia e simulando a estrutura ZOR apenas com o caminho, é possível calcular o valor de CR e assim determinar o valor da indutância série necessária para deslocar a ressonância para uma frequência de 1 GHz.
CÉLULA UNITÁRIA SEM INDUTOR ESPIRAL
PROJETO DO INDUTOR ESPIRAL
O fator de qualidade Q do indutor também foi otimizado para reduzir perdas na frequência de operação. Observe que o fator de qualidade definido aqui inclui apenas a energia armazenada ou dissipada, e não a energia irradiada. Aqui Rs é a resistência em série que representa as perdas ôhmicas ao longo do indutor espiral.
O indutor espiral quadrado foi inserido no plano de terra e a antena ZOR com célula unitária foi simulada usando o método dos elementos finitos. O resultado das simulações da antena ZOR com indutor no plano de terra é mostrado na Figura 14.
RESULTADOS
O coeficiente de reflexão na entrada da antena foi medido utilizando um analisador de rede, ou analisador vetorial de rede (VNA), e é mostrado na Figura 16. Como não podemos realizar outras medições aqui, a antena foi enviada para a universidade. Campina Grande (UFCG) para estimativa do ganho da antena. As medições foram realizadas em espaço livre ou em ambiente de local de teste de área aberta (OATS), usando três antenas de referência: uma antena log-periódica R&S HL040 cujo ganho especificado pelo fabricante está entre 5 e 7 dBi, uma antena log-periódica SAS-510 -7 com ganho de 5,8 dBi e uma antena tipo corneta BBHA 9120 E 413 com ganho especificado de 6 dBi.
PROJETO DO SRR
Conforme ilustrado no Capítulo 2, uma maneira bem conhecida de obter permissividade negativa de condutores é através de ressonadores em anel, aqui chamados de SRRs, cuja estrutura é mostrada no lado esquerdo da Figura 21. Quando um campo magnético variável no tempo é aplicado perpendicularmente Uma densidade de corrente é induzida na superfície do SRR, e é mínima nas lacunas e máxima no lado oposto, coletando assim cargas opostas nas extremidades de cada anel e gerando assim ' uma capacitância distribuída significativamente alta (LEE et al., 2010). As fendas de cada anel individual são projetadas com tamanho reduzido para garantir um alto fator Q, conforme mostrado por (CHEN et al., 2009), o que é conveniente para aplicações de detecção onipresentes no domínio da frequência, pois, portanto, reduz a sobreposição evitar. do espectro é alcançado e permite uma melhor identificação do parâmetro que está sendo medido.
Para validar o projeto, foi realizada uma simulação utilizando uma linha de transmissão com impedância característica de 50Ω acoplada ao SRR (PUENTES et al., 2011), conforme ilustrado na Figura 22(a). Nesta configuração, o campo magnético é perpendicular ao plano dos anéis e é gerado um acoplamento eletromagnético que induz correntes no SRR e faz com que a perda de inserção apresente um mínimo local na frequência de ressonância do SRR.
PROJETO DA TAG
Tag em substrato de FR4
Conforme explicado na Seção 2.4.2, esta propriedade pode ser explorada para aumentar a eficiência de radiação de antenas loop. A frequência ressonante simulada da etiqueta está de acordo com a simulação SRR anterior em 1 GHz. Observa-se que a auto-ressonância da versão sem carga ocorre na frequência de 2,2 GHz, enquanto a versão com carga SRR apresenta ressonâncias em frequências mais baixas.
58 4 ANTENA LOOP CARREGADA COM SRR a parte reativa intrínseca da antena loop é adequadamente compensada pelas altas capacitâncias do SRR. Como pode ser observado, a diretividade máxima no plano horizontal foi obtida com uma eficiência de radiação de 35,55% em 1 GHz.
Tag em substrato de papel
Portanto, se considerarmos novamente um leitor RFID comercial com sensibilidade de -80 dBm, a distância máxima de interrogação, calculada através da equação (14), com valor de 10%, foi ligeiramente superior a 6 metros. Uma linha de transmissão é carregada com um stub de um quarto de comprimento de onda e, como resultado, ressonâncias são geradas em múltiplos ímpares da frequência fundamental. A dependência das ressonâncias da permissividade do material permite a extração, e o fator de qualidade Q das ressonâncias permite determinar tanδ.
IMPLEMENTAÇÃO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Implementação em FR4
Neste trabalho, preferimos demonstrar a capacidade de detecção capacitiva do tag, adaptando-o para atuar como sensor de umidade devido à simplicidade de sua configuração de medição. Essa solução foi deixada por três horas em agitação magnética em temperatura ambiente e em seguida a solução foi vertida na face superior do tag feito de substrato FR4 e deixada secar. A frequência de ressonância após aplicação da substância diminuiu para 980 MHz, o que representou uma variação de 3% em relação ao caso sem PVA.
A repetibilidade do sensor foi testada retirando o rótulo do recipiente e observando a variação da frequência de ressonância ao ar livre. Foi observada uma variação máxima de 25 MHz, dando-nos uma flutuação percentual de 2,5% em relação à frequência de ressonância inicial.
Implementação de baixo custo em papel
Como esperado, a etiqueta de papel responde sem a necessidade de camada de PVA, resultando em uma variação de 77 MHz ao longo de 1 hora de duração do experimento. Dado que a espessura do substrato do papel é inferior à do FR4, esperava-se que o efeito do PVA na marca do papel fosse de facto maior. Considerando a UR no início e no final do experimento de uma hora como 60% e 100%, respectivamente, a sensibilidade no caso do rótulo de papel sem PVA resultou em 1,9 MHz/% UR e no caso com PVA em 4,4 MHz /% UR.
Os resultados mostraram que a etiqueta de papel com PVA possui maior sensibilidade do que sem PVA, e ambas as etiquetas de papel apresentam maior sensibilidade que o protótipo FR4. Também foi demonstrado que uma sensibilidade de 1,9 MHz/%UR pode ser alcançada com a etiqueta de papel sem PVA, utilizando apenas as propriedades de porosidade inerentes ao papel.
