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Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP Faculdade de Tecnologia – FT
NOVA ETIQUETA CHIPLESS DE RFID COM
COMUNICAÇÃO REDUNDANTE
Gilberto de Tadeu Santos Souza
LIMEIRA – SP 2015
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Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP Faculdade de Tecnologia – FT
NOVA ETIQUETA CHIPLESS DE RFID COM
COMUNICAÇÃO REDUNDANTE
Autor: Gilberto de Tadeu Santos Souza Orientador: Prof. Dr. Leonardo Lorenzo Bravo Roger
Dissertação apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia, na área de Tecnologia e Inovação. Linha de pesquisa em Engenharia da Informação.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO
GILBERTO DE TADEU SANTOS SOUZA E ORIENTADA PELO PROF. DR. LEONARDO LORENZO BRAVO ROGER
___________________________________________ Assinatura do orientador
LIMEIRA – SP 2015
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RESUMO
O projeto e a análise teórico-experimental de uma nova etiqueta sem chip para RFID com comunicação redundante é apresentado. Esta nova etiqueta poderá ser capaz de operar em duas bandas de frequências diferentes para a transmissão da informação binária, aproveitando a utilização em sua concepção de antenas dual-band. A técnica aqui mencionada é clássica, conhecida como diversidade de frequência, mas é utilizada neste trabalho pela primeira vez aplicada em etiquetas chipless de RFID visando aumentar a confiabilidade da comunicação com as leitoras de RFID. Simulações realizadas do novo dispositivo proposto com o software HFSS (High Frequency Structural Simulator) mostraram o seu desempenho adequado. A metodologia do projeto é apresentada passo a passo e os resultados são analisados e discutidos no texto.
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ABSTRACT
The project and the theoretical-experimental analysis of a new chipless RFID tag with redundant communication is presented. This new tag may be capable to operate in two different frequencies bands for the transmission of binary information, taking advantage of the use in its design of dual-band antennas. The technique mentioned here is classic, known as frequency diversity, but it is used in this work for the first time applied in chipless RFID tags to increase the reliability of the communication with the RFID readers. Simulations of the proposed new device with HFSS (High Frequency Structural Simulator) software showed an adequate performance. The project methodology is presented step by step and the results are analyzed and discussed in the text.
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SUMÁRIO
RESUMO ... vii
ABSTRACT ... ix
LISTA DE FIGURAS ... xix
LISTA DE TABELAS ... xxiii
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Contribuição desta Dissertação ... 10
1.2. Metodologia e Estrutura do Trabalho ... 10
2. RESSONADORES EM ESPIRAL ... 11
2.1 Ressonador Bit “0” ... 15
2.2 Ressonador de bit “1” ... 17
3. ANTENA DUAL-BAND... 19
4. BANDAS DE GUARDA EM FREQUÊNCIA ... 27
5. ETIQUETA CHIPLESS DE RFID COM COMUNICAÇÃO REDUNDATE ... 32
6. CONCLUSÃO ... 55
6.1 Trabalhos futuros ... 56
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 57
xiii
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AGRADECIMENTOS
A Deus por me dar saúde e capacidade para a realização deste. A minha família que me apoiou em toda a minha vida pessoal e acadêmica, em especial minha mãe que sempre acreditou na minha capacidade e me incentivou aos estudos. A todos os meus amigos, em especial os moradores e ex-moradores da República Toa-Toa, onde encontrei uma segunda família. Aos professores da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação e Faculdade de Tecnologia da UNICAMP, em especial meu orientador Prof. Dr. Leonardo L. B. Roger, pela atenção durante todo o desenvolvimento deste, por acreditar na minha capacidade e por me transmitir valiosos conhecimentos. Ao meu amigo Rafael que me ajudou muito neste último ano. E por fim, ao meu querido irmão Gustavo (in memorian) que de vez em quando encontra um tempo para me dar um abraço nos meus sonhos.
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"Evite a impaciência. Você já viveu séculos incontáveis e está diante de milênios sem fim.”
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Funcionamento de um sistema de RFID. Modificado de [2]. ... 2
Figura 2: Bandas comerciais do espectro de frequências reservadas para aplicações do RFID e alcance de leitura [6]. ... 4
Figura 3: Smart Shelf da HP que utiliza sistema de RFID. Modificado de [11]. ... 7
Figura 4: Funcionamento de um sistema chipless de RFID. Modificado de [2]. ... 9
Figura 5: Geometria do ressonador em espiral. ... 11
Figura 6: Circuito equivalente do ressonador em espiral em sua frequência a) não ressonante b) ressonante. Modificado de [2]. ... 12
Figura 7: Combinações de pares de segmentos que contribuem para qualquer configuração em espiral. Extraída de [21]. ... 13
Figura 8: Geometria do ressonador em espiral circular. Extraída de [22]. ... 14
Figura 9: Parâmetros para a construção do ressonador em espiral. ... 15
Figura 10: Resposta em frequência (S21) do ressonador modelo HFSS... 16
Figura 11: Distribuição da corrente no ressonador em a) 1,83GHz e b) 2,25GHz. ... 16
Figura 12: Modelo HFSS do ressonador bit “1”. ... 17
Figura 13: Resposta em frequência (S21) do ressonador bit “1”. ... 18
Figura 14: Distribuição da corrente do ressonador bit “1” em sua frequência de ressonância. 18 Figura 15: Geometria da antena dual-band. ... 21
Figura 16: Parâmetros para construção da antena dual-band. ... 21
Figura 17: Resposta em frequência (S11) da antena dual-band. ... 22
Figura 18: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 2,3304GHz. ... 23
Figura 19: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 2,45GHz. 23 Figura 20: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 3,5547GHz. ... 24
Figura 21: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 4,2684GHz. ... 24
Figura 22: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 5,8GHz. .. 25
Figura 23: Padrão de radiação do campo elétrico 3D e 2D da antena dual-band em 7,15GHz. 25 Figura 24: Modelo HFSS de uma etiqueta chipless de RFID de seis bits. ... 28
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Figura 26: Projeto 1: distribuição do campo magnético em a) 1,996GHz, b) 2,076GHz, c)
2,154GHz, d) 2,294GHz, e) 2,408GHz e f) 2,502GHz. ... 29
Figura 27: Projeto 2: ressonâncias dos seis bits da etiqueta chipless de RFID. ... 30
Figura 28: Projeto 2: distribuição do campo magnético em a) 1,81GHz, b) 1,972GHz, c) 2,148GHz, d) 2,334GHz, e) 2,502GHz e f) 2,702GHz. ... 31
Figura 29: Primeiro ressonador projetado para codificação da etiqueta. ... 33
Figura 30: Primeiro ressonador projetado com ressonâncias espúrias. ... 33
Figura 31: Primeiro ressonador projetado bit “1” para codificação da etiqueta. ... 34
Figura 32: Primeiro ressonador projetado bit “1” com ressonâncias espúrias. ... 34
Figura 33: Geometria do ressonador para maior espaçamento de espúrias. ... 35
Figura 34: Espúrias fora da banda de operação da antena dual-band. ... 36
Figura 35: Geometria de cinco ressonadores para codificação da etiqueta. ... 36
Figura 36: Resposta em frequência dos cinco ressonadores para codificação da etiqueta. ... 37
Figura 37: Geometria de seis ressonadores para codificação da etiqueta. ... 37
Figura 38: Resposta em frequência dos seis ressonadores para codificação da etiqueta. ... 38
Figura 39: Geometria de dez ressonadores para codificação da etiqueta. ... 38
Figura 40: Resposta em frequência dos dez ressonadores para codificação da etiqueta (apenas assinaturas espectrais da banda alta da antena). ... 39
Figura 41: Geometria final dos dez ressonadores para codificação da etiqueta. ... 40
Figura 42: Resposta em frequência dos dez ressonadores para codificação da etiqueta com bandas de guarda estreitas. ... 40
Figura 43: Resposta em frequência dos dez ressonadores para codificação da etiqueta (vermelho) dentro das bandas de operação da antena dual-band (azul)... 41
Figura 44: Geometria final e parâmetros de construção dos oito ressonadores para codificação da etiqueta. Wespira = 0,2mm; Despira = 0,18mm; gap = 0,2mm e D = 3,66mm. ... 42
Figura 45: Resposta em frequência (S21) dos oito ressonadores para codificação da etiqueta com bandas de guarda adequadas. ... 43
Figura 46: Resposta em frequência dos oito ressonadores para codificação da etiqueta (vermelho) dentro das bandas de operação da antena dual-band (azul)... 43
Figura 47: Geometria do novo dispositivo proposto com a integração dos oito ressonadores com as duas antenas dual-band. ... 44
Figura 48: Parâmetros de construção do novo dispositivo proposto. ... 45
Figura 49: Geometria da linha de microfita da etiqueta. ... 46
xxi
Figura 51: Geometria da integração da antena dual-band com a linha de microfita da etiqueta.
... 47
Figura 52: Comparação da perda de retorno da antena dual-band não integrada (azul) VS
antena dual-band integrada na etiqueta (vermelho). ... 47
Figura 53: Geometria da integração da segunda antena dual-band com a linha de microfita da
etiqueta. ... 48
Figura 54: Comparação da perda de retorno da antena dual-band não integrada (azul) VS
segunda antena dual-band integrada na etiqueta (vermelho). ... 48
Figura 55: Geometria dos oito ressonadores integrados com a etiqueta. ... 49 Figura 56: Assinaturas espectrais dos oito ressonadores integrados com a etiqueta. ... 49 Figura 57: Resposta em frequência dos oito ressonadores para codificação da etiqueta
(vermelho) dentro das bandas de operação da antena dual-band para o pior caso (azul). ... 50
Figura 58: Codificações: 00000000 (azul) e 10101010 (vermelho). ... 50 Figura 59: Codificações: 00000000 (azul) e 01010101 (vermelho). ... 51 Figura 60: Onda plana incidente na antena dual-band integrada com a etiqueta simulando o
sinal de interrogação. ... 52
Figura 61: Assinaturas espectrais obtidas pela simulação do sinal de interrogação (vermelho)
VS perda de retorno da antena dual-band integrada com a etiqueta (azul). ... 52
Figura 62: Onda plana incidente na segunda antena dual-band integrada com a etiqueta
simulando o sinal de interrogação. ... 53
Figura 63: Assinaturas espectrais obtidas pela simulação do sinal de interrogação na segunda
antena (vermelho) VS perda de retorno da segunda antena dual-band integrada com a etiqueta (azul). ... 53
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LISTA DE TABELAS
Tabela I. Parâmetros de construção do ressonador em espiral (mm) ... 16 Tabela II – Parâmetros de construção da antena dual-band (mm) ... 21 Tabela III. Comprimentos dos ressonadores em milímetros (mm) ... 27 Tabela IV. Parâmetros de construção dos ressonadores em milímetros (mm) ... 42 Tabela V. Parâmetros de construção da etiqueta chipless de RFID em milímetros (mm) ... 45
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1. INTRODUÇÃO
A tecnologia de Identificação por Rádio Frequência (RFID – Radio Frequency
Identification), mesmo tendo precedentes anteriores, começou a ser conhecida com esse
nome a partir das últimas décadas do século XX [1]. Hoje em dia, está se aplicando em larga escala, por exemplo, nas áreas de segurança de redes de varejo/vestuários, bibliotecas, cobranças de pedágios, etc. Entretanto, as verdadeiras origens dos sistemas de identificação vieram dos sistemas de radares aprimorados por Robert Alexander Watson-Watt e utilizados na II Guerra Mundial. Naquela época, os alemães descobriram que se os pilotos girassem seus aviões quando estivessem retornando à base, iriam modificar o sinal de rádio refletido de volta ao radar em terra. Isso alertava a base que se tratava de aviões alemães. Esse foi considerado, essencialmente, o primeiro sistema passivo de RFID [1].
Em seguida, os ingleses desenvolveram o primeiro identificador ativo de amigo ou inimigo (IFF – Identify Friend or Foe). Esse identificador é um transmissor que foi colocado em cada avião britânico e, quando esses transmissores recebiam sinais das estações de radar no solo, começavam a transmitir um sinal de resposta, que identificava o avião como Friendly (amigo). Os sistemas de RFID funcionam no mesmo princípio básico. Um sinal de interrogação é enviado à um transponder (transmitter + responder), o qual é ativado e reflete de volta o sinal (sistema passivo) ou transmite seu próprio sinal (sistema ativo).
Depois da II Guerra Mundial, avanços na área de radares e de comunicação RF (Radio
Frequency – Radiofrequência) continuaram através das décadas de 50 e 60. Cientistas e
acadêmicos dos Estados Unidos, Europa e Japão realizaram pesquisas e apresentaram estudos explicando como a energia RF poderia ser utilizada para identificar objetos remotamente. Desde então, as pesquisas relacionadas ao RFID se intensificaram nas últimas décadas do século XX até os dias de hoje [1].
As primeiras aplicações do RFID fora do cenário militar foram a comercialização de sistemas antifurto que utilizavam ondas de rádio para determinar se um item havia sido roubado ou pago normalmente. Esse sistema utiliza etiquetas de RFID denominadas "etiquetas de vigilância eletrônica (EAS – Electronic Article Surveillance)" as quais são
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utilizadas até hoje. Para entender essa aplicação, cada etiqueta utiliza um bit. Se a pessoa paga pela mercadoria, o bit é posto em “0” e os sensores não dispararam o alarme. Caso o contrário, o bit continua em “1” e, se a pessoa sair através dos sensores (leitoras), um alarme será disparado.
Sendo assim, uma das maiores vantagens da tecnologia RFID, em comparação com outras tecnologias de identificação (como exemplo o código de barras), é a opção de identificação automática e rastreamento. Isso é possível devido à identificação sem linha de visão que vem com a utilização de ondas de RF.
Um sistema típico de RFID é mostrado na Figura 1 (o bloco “Rede/Internet” pode existir ou não no sistema). Ele é composto por três componentes principais (retângulos azul, vermelho e amarelo) [2]:
• Etiqueta de RFID (RFID Tag) – contém o código de identificação;
• Leitora/interrogador – sua função é enviar os sinais de interrogação para a etiqueta de RFID que será identificada;
• Software de middleware – mantém a interface e o protocolo de comunicação para codificar e decodificar os dados da identificação, a partir da leitora, para uma estrutura principal ou computador pessoal (PC). O middleware é muito importante com respeito à filtragem das informações identificadas, pois uma leitora pode identificar uma mesma etiqueta centenas de vezes por segundo, ou seja, o middleware também tem como objetivo filtrar e selecionar os dados antes destes serem enviados para um computador hospedeiro a fim de não sobrecarregar o sistema com informações recíprocas, além de também possuir algoritmos anti-colisões para evitar perda de dados.
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Atualmente, as etiquetas de RFID têm encontrado grandes áreas de aplicações além das aplicações militares, pois trata-se de uma forma de identificação inteligente, automática e tendo o diferencial (com respeito a outros métodos de identificação) de que cada objeto individual tem sua própria e única identificação, além de que esta tecnologia pode ser integrada com outras redes de sensoriamentos [3, 4]. Assim, algumas de suas principais aplicações atuais incluem o fornecimento automático na gestão de cadeia de suprimentos (Supply Chain) e logística, vigilância eletrônica de artigos (EAS), rastreamento de documentos, identificação e movimentação de bagagens, automotivo (imobilizador eletrônico de motor, controle de entrada e saída dos veículos e controle de troca de peças nas concessionárias), segurança e controle de acesso, marcação de gado, setor público (controle de passaportes e identificação de ativos em bibliotecas), farmacêutico (autenticidade de produtos), desportivo, etc, [2, 5].
Apesar de o RFID ter encontrado aplicações em muitas áreas, não existe um sistema de RFID único que atenda critérios para todas as aplicações. A razão para isso é que algumas características são necessárias em algumas aplicações, mas em outras não. Por exemplo, algumas aplicações exigem curto alcance (até 1,5m) e etiquetas de baixo custo (identificação de bagagem e controle de acesso), enquanto outras exigem longo alcance (mais de 20m) e etiquetas mais robustas (equipamentos caros e marcação de veículos). Isso tudo deve ser planejado na etapa inicial do projeto de uma etiqueta de RFID, juntamente com o conceito de que a comunicação é estabelecida através de ondas eletromagnéticas, que possuem características diferentes dependendo da frequência de operação das antenas, no ambiente onde se propagam e em qual material essa etiqueta está anexada. Essas características colocam grandes obstáculos principalmente na distância de leitura dessas etiquetas. Assim, a concepção de um sistema de RFID ou escolha de um sistema de RFID é determinada pela aplicação que será utilizada.
A Figura 2, fornecida por cortesia para este trabalho pelo gerente de soluções wireless do CPqD (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações), Alessandro Gonzales Andreo, mostra o espectro de frequência para as principais aplicações do RFID juntamente com seu alcance para a identificação.
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Figura 2: Bandas comerciais do espectro de frequências reservadas para aplicações do RFID e alcance de leitura [6].
A implementação do RFID na gestão de cadeia de suprimentos (Supply Chain) trouxe automação nas operações e protocolos, reduzindo perdas anuais devido a erros humanos (digitalização de artigos manualmente) e rápida reposição de estoques em pontos de vendas, pois o RFID permite a deteção precoce de bens e recursos esgotados. A primeira rede de varejo que implementou com sucesso o RFID em sua cadeia de suprimentos foi o WalMart [2].
Como dito anteriormente, outra grande aplicação do RFID é a vigilância eletrônica. Essa aplicação utiliza etiquetas de RFID de um bit com custos muito baixos prevenindo o roubo de bens. Embora essas etiquetas possuam quase nenhuma flexibilidade em termos de programação, seu baixo custo e razoável alcance de deteção (~0,5m) tornou-os extremamente populares em redes de varejo. Também a utilização do RFID na rastreabilidade de documentos proporciona redução de custos, redução do esforço para localizar documentos ou refazer um documento, aumentando a confidencialidade e impedindo a perda de documentos.
Assim, existem muitas outras aplicações onde os sistemas de RFID estão sendo utilizados. A maioria dessas e outras aplicações utilizam etiquetas de RFID com chip para gerar o código de identificação. Na literatura, existem três tipos de etiquetas com chip [7]:
5 • Etiquetas ativas
Essas etiquetas não necessitam da energia do sinal de interrogação proveniente da leitora para energizar o processamento de dados internos, pois possuem baterias, sendo a etiqueta a primeira a se comunicar com a leitora (gera seu próprio sinal), alcançando maiores distâncias de leitura, pois também amplificam o sinal recebido e transmitido para a leitora. Geralmente são diferenciadas por sua seção digital que fornece o código de identificação, como também os protocolos de segurança embutidos e as técnicas de criptografia. Os processamentos de dados e os protocolos de execução são controlados por um processador, que, em alguns casos, tem coprocessadores adicionais para executar o processamento de dados e instruções de criptografia. Como essas etiquetas possuem baterias, técnicas adicionais para estender a vida útil com baixo consumo de energia foram implementadas na forma de modos de suspensão. Algumas etiquetas ativas permanecem em estado de hibernação quando não detectam a zona de interrogação da leitora economizando bateria [8]. Porém outras etiquetas, como as etiquetas RTLS (Real Time Location System – Sistema de Localização em Tempo Real) necessitam permanecer constantemente “ligadas” a fim de identificar a posição do objeto/pessoa [9]. Por fim, as principais vantagens das etiquetas ativas são que podem processar e armazenar mais dados do que as etiquetas passivas, além de serem reprogramáveis e, portanto, podem ser usadas em diversos itens repetidamente até sua bateria se esgotar.
• Etiquetas semiativas ou semipassivas
Ambas as etiquetas ativas e semiativas possuem baterias, a diferença entre elas é que as semiativas utilizam a energia da bateria apenas para processamentos de sinais internos, não utilizando essa energia para a amplificação dos sinais recebidos da leitora e nem transmitidos de volta. Assim, essas etiquetas consomem menos bateria comparadas com as ativas. Ao se comunicar com a leitora, a etiqueta deve primeiro reconhecer o sinal de interrogação a fim de responder. Algumas etiquetas semiativas ainda podem executar tarefas complexas, tais como processamento de dados e criptografia, e podem alcançar leituras quase tão boas quanto as etiquetas ativas. Essas vantagens são amplamente exploradas com o intuito de minimizar os custos utilizando microprocessadores de baixa potência altamente eficientes encontrados no mercado, garantindo distâncias de leitura equiparáveis às das etiquetas ativas e, principalmente, quando não há necessidade de que a
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etiqueta fique “ligada” constantemente, entrando em modo de hibernação até encontrar uma zona de interrogação.
• Etiquetas passivas
Essas etiquetas se caracterizam por não necessitarem de baterias internas, ou seja, precisam estar na presença do campo eletromagnético da leitora para se energizar. O sinal de interrogação da leitora induz uma corrente elétrica na etiqueta e, assim, o CI a utiliza para habilitar as funções de leitura, escrita e transmissão. A maioria dessas etiquetas são pequenas e têm uma longa vida útil. O alcance de sua leitura é limitado pela potência que as antenas dessa etiqueta possam receber proveniente da leitora. Essas etiquetas são as mais econômicas e mais comuns na indústria atual do RFID. As desvantagens delas são o alcance restrito de leitura e a necessidade de alta potência da leitora.
Dentro do conjunto de etiquetas passivas, existem as etiquetas chipless que são etiquetas que não possuem chips. Basicamente seu funcionamento é parecido com uma etiqueta passiva com chip, porém a codificação é realizada através do hardware da etiqueta. A etiqueta chipless é a escolhida para este trabalho e suas características serão abordadas detalhadamente mais adiante.
Como foi mostrado até aqui, inúmeras aplicações podem ser realizadas por meio dos sistemas de RFID dependendo apenas da imaginação do ser humano para implementá-las. Atualmente, tem-se notado que cada vez mais as organizações necessitam da automação de seus processos, rastreamento de objetos, segurança e controle. Consequentemente, mais objetos estão sendo etiquetados para as aplicações já citadas e para outras também. Muitas organizações e centros de pesquisa no mundo perceberam que as aplicações do RFID não devem permanecer apenas nas grandes organizações, mas devem ser integrados com a sociedade aproveitando que muitos de seus produtos já estão sendo vendidos com etiquetas de RFID [10]. A Figura 3 exemplifica uma aplicação dessa integração de etiquetas de RFID com os usuários da empresa fabricante de impressoras, HP, por meio de uma Smart Shelf (prateleira inteligente).
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Figura 3: Smart Shelf da HP que utiliza sistema de RFID. Modificado de [11].
Essa Smart Shelf possui internamente alguns cartuchos de tintas para vendas com etiquetas de RFID e é, também, uma leitora de RFID integrada com sistemas de GPS para sua localização e está conectada à Internet. Dessa maneira, a HP tem o controle da quantidade de cartuchos em cada Smart Shelf realizando as eventuais reposições dos cartuchos quando necessário. Quando um usuário da HP necessitar trocar seu cartucho de tintas vazio, ele procurará na Internet a Smart Shelf mais próxima de sua casa, depositará o cartucho vazio na Smart Shelf ganhando descontos na compra de um novo cartucho, contribuindo para a reciclagem, e comprará um novo cartucho. Todo esse processo automatiza tanto os estoques da HP quanto o número de cartuchos recolhidos para reciclagem.
Essa integração de sistemas de RFID com a Internet vem trazendo um novo conceito da Internet do futuro, conhecido como Internet das Coisas (IoT – Internet of Thinks) [1]. A IoT é um conjunto de hardwares (redes de sensores, etiquetas de RFID, equipamentos de rede, servidores, etc.) e ferramentas de software que visam gerenciar objetos (“coisas”) conectados à Internet a partir de qualquer localização global. Dessa maneira, os objetos serão identificados de forma única, com capacidade de interagir e de se conectarem a outros objetos, com o sistema e de perceberem o ambiente, sem a intervenção humana. Embora a tendência da tecnologia esteja caminhando nesse sentido, muitas pesquisas ainda devem ser
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realizadas para solucionar alguns obstáculos para a implementação da IoT. No atual estado da arte, esses obstáculos podem ser resumidos em dois:
• Segurança da Internet: Não há dúvidas que a IoT trará grandes transformações no cotidiano das empresas e das pessoas. Porém, isso também significa que mais informações pessoais e de negócios serão passadas na nuvem e, com isso, surgem novos riscos de segurança e tipos de ataques. Com tantas empresas visando o futuro dos seus negócios e apostando nas vantagens que o mundo da IoT promete, líderes empresariais precisam capacitar suas equipes técnicas para criar redes de IoT mais seguras. No ambiente doméstico, a falta de segurança da IoT poderá ocasionar o acesso de hackers em contas bancárias pessoais, além de poder aumentar o número de assaltos, pois esses hackers poderão visualizar as “coisas” que as pessoas possuem nas casas. Portanto, aumentar a segurança da Internet é um dos principais pilares para que a IoT seja implementada.
• Custo das etiquetas de RFID: Para que a IoT seja tangível, muitos objetos devem ser etiquetados e, naturalmente, a maioria dessas etiquetas devem ser passivas para minimizar os custos. Apesar de que algumas projeções mostrarem que as etiquetas passivas de RFID com chip estarem ficando cada vez mais baratas (em torno de US$10₵) [12], a tecnologia desse tipo de etiqueta precisa evoluir para que a IoT possa ser viável.
Visando minimizar esses dois obstáculos citados, os sistemas de RFID que utilizam etiquetas sem chip (Chipless RFID Tags), são uma alternativa para contornar alguns problemas de segurança e custos [2]. Nesses sistemas, as etiquetas não contêm chips, e as informações binárias relativas aos produtos são guardadas utilizando técnicas de Rádio Definido por Hardware (HDR - Hardware Defined Radio) em forma de uma assinatura espectral impossível de ser fraudada via software. Além disso, como essas etiquetas não possuem chips, seu custo poderá ser inferior a uma etiqueta que possui chip. Elas também são mais robustas nos termos de variações das condições ambientais do local onde elas estejam operando, por exemplo, severas variações climáticas poderiam danificar o chip de uma etiqueta comprometendo seu funcionamento, o que não ocorre com as etiquetas
chipless. Entretanto, essas etiquetas chipless não possuem grandes distâncias de leitura
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apenas para certas aplicações. A Figura 4 mostra o funcionamento clássico de um sistema
chipless de RFID.
Figura 4: Funcionamento de um sistema chipless de RFID. Modificado de [2].
Conforme mostra a Figura 4, a etiqueta chipless de RFID utiliza o espectro de frequências para codificar os dados em forma de uma assinatura espectral única. Na sua forma clássica, a etiqueta é composta por um circuito multiressonador projetado de maneira a guardar os dados de informação nas suas múltiplas frequências de ressonâncias; duas antenas (uma receptora e outra transmissora) dispostas em polarização cruzada (90º uma da outra) para minimizar o acoplamento entre elas; e uma linha de transmissão que integra esses elementos. A assinatura espectral é obtida pelo leitor de RFID por meio de um sinal interrogador. A antena receptora da etiqueta recebe da leitora o sinal de interrogação que comumente é um sinal de onda contínua (CW - Continuum Wave) multifrequencial de amplitude constante (observe na Figura 4 o espectro do sinal de interrogação). Esse sinal passa pelo circuito multiressonador que nada mais é do que um filtro multi-banda composto por um conjunto de ressonadores em cascata projetados para ressonar em frequências particulares. As ressonâncias introduzem atenuações de magnitude e saltos de fase no sinal de interrogação modulando-o em ambas as grandezas antes de reenviar o sinal de volta para
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a leitora de RFID através da antena transmissora da etiqueta (veja o espectro do sinal de resposta da etiqueta).
1.1 Contribuição desta Dissertação
Na literatura, existem diversas pesquisas de etiquetas chipless de RFID mostrando que essa tecnologia vem trazendo soluções para certas aplicações [13-16]. Contribuir para essas pesquisas tem sido a motivação desse trabalho, colocando como objetivo introduzir, pela primeira vez, nos sistemas de RFID (sejam eles chipless ou não) um conceito clássico da teoria das comunicações, conhecido como diversidade de frequência, visando aumentar a confiabilidade da comunicação das etiquetas de RFID com as leitoras e tornando essa comunicação mais segura. A diversidade de frequência é uma técnica que transmite uma mesma informação em duas frequências diferentes para o receptor [17]. Dessa maneira, além de garantir que a informação não seja perdida, pois ela pode ser recuperada em outra frequência, a diversidade de frequência garante uma segurança na transmissão dos dados. Aliando esse conceito de segurança que a diversidade de frequência proporciona com os sistemas chipless de RFID de baixo custo, uma nova etiqueta chipless de RFID com comunicação redundante é apresentada.
1.2. Metodologia e Estrutura do Trabalho
• O Capítulo 2 traz o estudo dos ressonadores em espiral que são os componentes responsáveis pela codificação das etiquetas chipless de RFID;
• O Capítulo 3 apresenta uma antena dual-band que será utilizada para garantir a diversidade de frequência na comunicação entre a etiqueta e a leitora;
• O Capítulo 4 mostra um trabalho paralelo realizado pelo autor sobre alguns cuidados da necessidade de bandas de guarda em frequência adequadas durante o projeto de uma etiqueta chipless de RFID;
• No Capítulo 5 é apresentado o novo dispositivo proposto juntamente com a metodologia para sua concepção;
• No Capítulo 6 é apresentada a conclusão do trabalho;
• O Apêncice A mostra a teoria dos parâmetros S que é fundamental para o entendimento desse trabalho.
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2. RESSONADORES EM ESPIRAL
Os ressonadores em espiral são os elementos responsáveis pela codificação dos dados das etiquetas chipless de RFID, portanto, o objetivo desse capítulo é de apresentar um estudo detalhado desse componente. Várias tecnologias de ressonadores em espiral podem ser encontradas na literatura [18-20]. Alguns são gravados no plano terra, enquanto outros são gravados em linhas de microfita ou CPW (Coplanar Waveguide).
A Figura 5 mostra a geometria de um ressonador em espiral. A linha de microfita (50Ω) e o ressonador em espiral estão no mesmo plano (camada superior) e são separadas do plano terra (camada inferior) por um substrato, que nesse trabalho será o FR4 (r = 4,4;
tan = 0,02 e h = 1,6mm, sendo r a permissividade elétrica, tan a tangente de perda e h a
espessura do substrato, respectivamente).
Figura 5: Geometria do ressonador em espiral.
Todos os ressonadores utilizados nesse trabalho são acoplados por linhas de microfita. Por acoplamento entende-se a transferência de energia de um elemento para outro, isto é, no caso dos ressonadores, a transferência da energia da linha de microfita para o ressonador. Isso ocorre devido o ressonador em espiral possuir a característica de criar um efeito corta-banda, drenando energia da linha de microfita, quando este está em sua
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frequência de ressonância. Para entender de forma qualitativa esse fenômeno, pode-se utilizar a Teoria de Circuitos que, embora limitada quando aplicada em radiofrequência, oferece um circuito equivalente do ressonador em espiral acoplado com a linha de microfita como mostrado na Figura 6.
Figura 6: Circuito equivalente do ressonador em espiral em sua frequência a) não ressonante b) ressonante. Modificado de [2].
O conjunto linha de transmissão e ressonador em espiral pode ser modelado como mostrado na Figura 6, em um circuito RLC em série (representando o ressonador) acoplado de forma indutiva com a linha de microfita. O parâmetro LM quantifica o maior ou menor
acoplamento entre o ressonador e a linha de microfita, que depende principalmente da distância geométrica entre ambos. Os circuitos RLC em série possuem a característica de criar um caminho de baixa impedância quando entram em sua frequência ressonância [2]. A Figura 6a mostra que o ressonador em espiral não acopla com a linha de transmissão quando este não está em sua frequência de ressonância. Quando o ressonador em espiral entra em sua frequência de ressonância, Figura 6b, há o acoplamento com a linha de microfita e todo o circuito é remodelado como um RLC em paralelo, que em ressonância apresentam uma alta impedância, realizando um efeito corta-banda. Esse efeito corta-banda é modelado por meio da alta resistência RE do ressonador em espiral que, em sua frequência
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frequência de ressonância é definida pela indutância LE e capacitância CE do ressonador por
meio de (1):
𝑓
𝑟=
1
2𝜋 𝐿
𝐸𝐶
𝐸 (1)A frequência de ressonância é inversamente proporcional à indutância e a capacitância do ressonador em espiral, ou seja, para sintonizar um ressonador nas baixas frequências, deve-se elevar a indutância e/ou a capacitância do ressonador.
O método para o cálculo da indutância distribuída dos ressonadores em espiral calcula a indutância de espiras individuais e a indutância mútua entre as voltas do ressonador, Figura 7, [21]. Aplicando este método, a indutância total distribuída LE é definida por (2).
Figura 7: Combinações de pares de segmentos que contribuem para qualquer configuração em espiral. Extraída de [21].
𝐿
𝐸=
𝐿
𝑜𝑖+ 2[ 𝑀
+− 𝑀
−+
𝑀
𝑗 ,𝑗 +1 𝑗 𝑗 =1±
𝑘𝑘=1𝑀
𝑘,𝑘+2 𝑛 𝑖=1]
(2)onde 𝐿𝑜𝑖 são as auto-indutâncias das voltas, 𝑀+ é a indutância mútua entre as espiras quando a corrente está em direções concorrentes, 𝑀− é a indutância mútua entre espiras quando a corrente está em direções opostas, a indutância mútua entre o encontro dos seguimentos adjacentes no ponto 𝑀𝑗 ,𝑗 +1 e o desencontro dos seguimentos mais próximos do
14
ponto 𝑀𝑘,𝑘+2, também devem ser levados em conta. Onde 𝑛 é o número máximo de seguimentos de espiras. Como (2) é linear, aumentar os seguimentos das espiras aumentará também a indutância do ressonador, sintonizando-o nas baixas frequências.
Lembrando que essas análises são de forma qualitativa, a Figura 8 [22] mostra a geometria de um ressonador em espiral circular para se calcular a capacitância do ressonador. A geometria circular foi escolhida para simplificar o entendimento desse cálculo e serve como base para entender como é distribuída a capacitância para outras geometrias de ressonadores.
Figura 8: Geometria do ressonador em espiral circular. Extraída de [22].
Os equacionamentos das distribuições de carga sobre o ressonador em espiral são complexos, envolvendo cálculos através do Método dos Momentos e Equações de Green, e podem ser encontradas em [22]. Porém, de uma maneira geral, conhecendo as distribuições de carga, é possível se calcular a capacitância distribuída, C1, de uma volta em espiral
conforme (3).
𝐶
1=
12𝑞 = 𝜋𝐻
𝑁1𝑟
𝑖𝜌
𝑖𝑖=1 (3)
A curva de superfície das espiras é dividida em subanéis, onde o raio médio da espiral é 𝑟, a densidade de carga é 𝜌 e a quantidade de carga é 𝑞. A espessura do substrato é definida
15
por 𝐻. Assim, a capacitância total distribuída, CE, no ressonador em espiral é definida por
(4).
𝐶
𝐸=
𝐶1(𝑅2𝑟𝑖+ 𝑅0) (4) onde 𝑅𝑖 é o raio mais interno e 𝑅0 mais externo, respectivamente.Analisando o cálculo da capacitância total distribuída em um ressonador (4), pode-se concluir que mesmo com a complexidade para se calcular C1 através de (3), aumentando-se
o raio mais interno, Ri, e/ou o raio mais externo, R0, do ressonador, estará aumentando sua
capacitância total. Dessa maneira, aumentar o tamanho de qualquer ressonador, independente de sua geometria, sua capacitância também estará sendo elevada sintonizando sua frequência de ressonância nas baixas frequências conforme mostrado em (1).
2.1 Ressonador Bit “0”
As Figuras 9 e 10 mostram a configuração do ressonador em espiral para a codificação de dados através de sua frequência de ressonância (1,83GHz) projetada no software HFSS conforme suas dimensões (Tabela I) e sua resposta em frequência (S21), respectivamente.
16
Tabela I. Parâmetros de construção do ressonador em espiral (mm)
L W Wespira Despira gap WLinha
8,5 5,2 0,8 0,3 0,2 3,66
Figura 10: Resposta em frequência (S21) do ressonador modelo HFSS.
A Figura 11 mostra a distribuição da corrente no mesmo ressonador em dois casos: quando este está em sua frequência de ressonância (m1 = 1,83GHz), Figura 11a, e quando o ressonador não está na sua frequência ressonância, Figura 11b.
a) b)
Figura 11: Distribuição da corrente no ressonador em a) 1,83GHz e b) 2,25GHz.
1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 Freq [GHz] -4.50 -3.50 -2.50 -1.50 -0.50 d B (S (2 ,1 )) XY Plot 1 m1 Curve Info dB(S(2,1)) Setup1 : Sweep Name X Y m1 1.8300 -4.3980
17
Analisando essas figuras, nota-se que o ressonador cria um caminho de baixa impedância com o terra apenas em sua frequência de ressonância, assim, a distribuição da corrente se concentra no ressonador em espiral, fazendo uma atenuação apenas nesta frequência (Figura 11a). Quando o ressonador está fora de sua frequência ressonância, a distribuição da corrente permanece concentrada na linha de transmissão de microfita (Figura 11b).
2.2 Ressonador de bit “1”
É necessário codificar os dados do ressonador para que ele tenha uma identificação única. Isto pode ser feito removendo ressonâncias do ressonador. Há duas maneiras de se fazer isso: a primeira seria curto-circuitar o ressonador e a segunda seria diminuindo o número de espiras do ressonador. Ambas são eficientes, porém a primeira solução é mais vantajosa, pois preserva a identidade (ID) do ressonador, assim, com um simples laser ou uma técnica de ataque químico, a ID do ressonador já é reconfigurada sem que haja a necessidade de projetá-lo novamente.
As Figuras 12 e 13 mostram o ressonador em espiral curto-circuitado codificando o bit “1” e sua resposta em frequência, respectivamente.
18
Figura 13: Resposta em frequência (S21) do ressonador bit “1”.
A Figura 13 mostra a resposta em frequência do ressonador de bit “1” do modelo HFSS. Como esperado, não houve uma grande atenuação em nenhuma frequência onde opera o ressonador, assim, o bit “1” foi construído curto-circuitando uma espira do ressonador.
A Figura 14 mostra a corrente de distribuição de carga no ressonador em espiral bit “1” quando este está em sua frequência de ressonância (1,83GHZ). Porém, mesmo que o ressonador tenha criado um caminho de baixa impedância com o terra, como ele está em curto, o ressonador não acopla muita energia da linha de microfita. Portanto, a distribuição da corrente se concentra na linha de microfita e quase não circula pelo ressonador.
Figura 14: Distribuição da corrente do ressonador bit “1” em sua frequência de ressonância. 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 Freq [GHz] -5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 d B(S(2 ,1 )) HFSSDesign1 XY Plot 1 m1 Curve Info dB(S(2,1)) Setup1 : Sweep Name X Y m1 1.8300 -0.1947
19
3. ANTENA DUAL-BAND
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
20
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.
21
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
22
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 dual-banda ultra larga (UWB – Ultra Wide-dual-band) com larguras de dual-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...
23
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.
24
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.
25
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.
26
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.
27
4. BANDAS DE GUARDA EM FREQUÊNCIA
Como em alguns sistemas de comunicação (telefonia, rádio, tv, etc) existe a necessidade de um intervalo de frequência entre os canais de comunicação para que não haja interferências. Esse conceito, conhecido como banda de guarda em frequência, é determinado pela frequência de operação da tecnologia e a largura de banda de cada canal. Entretanto, não há uma fórmula genérica para todas as tecnologias e, dessa maneira, cada tecnologia adota uma banda de guarda em frequência de acordo com as necessidades de suas aplicações, isto é, até que seja satisfeito um nível de interferência entre canais adjacentes que não comprometa a qualidade da comunicação. De forma análoga, não existe na literatura um estudo de bandas de guarda em frequência para etiquetas chipless de RFID. Sendo assim, este Capítulo tem como objetivo alertar aos projetistas de etiquetas chipless de RFID da necessidade de bandas de guarda em frequência entre as ressonâncias dos ressonadores adjacentes para evitar interferências que possam causar erros de leitura. Os resultados deste estudo foram apresentados no congresso internacional IEEE RFID Brazil 2014 intitulado “Numerical Determination of Frequency Guard Band Resonances for
Chipless RFID Tags”.
A Figura 24 mostra uma clássica etiqueta chipless de RFID de seis bits [2] no substrato Taconic TLX-0 (
r
= 2,45; 𝑡𝑎𝑛 𝛿 = 0,0019 e ℎ = 0,87mm) que foi reproduzida com algumas alterações no software HFSS em dois projetos. Os parâmetros internos para a construção de cada ressonador foram mostrados na Figura 10 do Capítulo 2, porém aqui possuem gap = 0,4mm, Despira = 0,3mm, Wespira = 0,8mm, W = 5,2mm e os valores de L decada ressonador são mostrados na Tabela III.
Tabela III. Comprimentos dos ressonadores em milímetros (mm)
PROJETO L1 L2 L3 L4 L5 L6
1 10,1 9,7 9,1 8,7 8,4 8,1
28
Figura 24: Modelo HFSS de uma etiqueta chipless de RFID de seis bits.
No projeto 1, existem ressonâncias muito próximas de ressonâncias correspondentes de ressonadores adjacentes. O projeto 2 mostra um caso onde as ressonâncias são separadas por bandas de guarda em frequências apropriadas. As seis ressonâncias obtidas no projeto 1 quando o circuito multirressonador é excitado por frequências na banda S são mostradas na Figura 25. Analisando a segunda e a terceira ressonância (correspondentes aos comprimentos dos ressonadores L2 e L3), há uma separação de apenas 78MHz entre suas
frequências centrais de ressonâncias (pior caso).
29
A Figura 26 mostra a distribuição do campo magnético no circuito multirressonador quando este é energizado com as frequências de ressonâncias dos ressonadores, projeto 1,
L1 (1,996GHz), L2 (2,076GHz), L3 (2,154GHz), L4 (2,294GHz), L5 (2,408GHz) e L6
(2,502GHz). Claramente é observado que as ressonâncias ocorrem no ressonador esperado e também no ressonador adjacente em cada frequência (exceto na frequência de L3, porque
este possui uma banda de guarda em frequência relativamente grande com respeito à ressonância de L4), absorvendo energia da linha de transmissão, o que pode causar erros de
leitura no código da etiqueta.
a) b)
c) d)
e) f)
Figura 26:Projeto 1: distribuição do campo magnético em a) 1,996GHz, b) 2,076GHz, c) 2,154GHz, d) 2,294GHz, e) 2,408GHz e f) 2,502GHz.
30
Obviamente uma solução para esse problema é aumentar a banda de guarda em frequência entre as ressonâncias adjacentes. Contudo, separações excessivas são inaceitáveis, pois podem ocasionar que as ressonâncias sejam sintonizadas fora da banda de operação da antena da etiqueta, além de poder diminuir o número de bits.
Para separar as frequências de ressonâncias de cada ressonador para se obter uma melhor banda de guarda, basta que suas dimensões físicas sejam reprojetadas para que haja uma maior diferença de seus tamanhos, conforme mostra o projeto 2 na Tabela III. A Figura 27 mostra essa melhor distribuição das seis ressonâncias dentro da banda S, onde a menor banda de guarda em frequência, 162MHz, agora ocorre entre os ressonadores de comprimentos L1 e L2.
Figura 27:Projeto 2: ressonâncias dos seis bits da etiqueta chipless de RFID.
A Figura 28 mostra que quando a etiqueta é excitada com as frequências de ressonâncias dos comprimentos dos ressonadores, projeto 2, L1 (1,81GHz), L2 (1,972GHz),
L3 (2,148GHz), L4 (2,334GHz), L5 (2,502GHz) e L6 (2,702GHz), não há ressonâncias em
31
a) b)
c) d)
e) f)
Figura 28:Projeto 2: distribuição do campo magnético em a) 1,81GHz, b) 1,972GHz, c) 2,148GHz, d) 2,334GHz, e) 2,502GHz e f) 2,702GHz.
Depois de vencidas as etapas até aqui descritas (estudo dos ressonadores, escolha da antena e inserção das bandas de guarda), é possível conceber uma nova etiqueta chipless de RFID tendo como inovação a utilização de duas bandas de comunicação redundante. Os detalhes desse projeto são descritos no Capítulo 5, a seguir.
32
5. ETIQUETA
CHIPLESS
DE
RFID
COM
COMUNICAÇÃO
REDUNDATE
Neste Capítulo, será mostrado passo a passo a formação e os resultados da etiqueta
chipless de RFID com comunicação redundante. Para tal, duas antenas similares, mostradas
no Capítulo 3, trabalhando em polarização cruzada (antena transmissora e receptora), serão integradas aos ressonadores binários através de uma linha de transmissão. Alguns parâmetros do projeto inicial são:
• Linha de transmissão de microfita (50Ω);
• Duas antenas dual-band em polarização cruzada;
• Faixas de operação entre 2,3304 à 3,5547GHz e 4,2684 à 7GHz;
• 10 bits implementados (5 bits em cada sub-banda de operação) com ressonadores passivos do tipo espiral.
Muitas das figuras mostradas neste Capítulo não possuem os parâmetros de construção dos componentes, sendo apenas o protótipo final especificado, pois cada vez que algum componente é inserido para a formação da etiqueta, a resposta anterior obtida é modificada devido à interferências desse novo componente inserido. Essas interferências são extremamente normais em simulações de radiofrequência devido às indutâncias e capacitâncias parasitas que esses componentes inseridos geram. Dessa maneira, constantes ajustes nos componentes são realizados para que as soluções anteriores sejam retomadas.
A Figura 29 mostra o primeiro ressonador projetado para operar na primeira frequência de operação da antena dual-band seguido de sua resposta em frequência (S2,1) na Figura 30. Nesta última figura, fica claro que a primeira ressonância do ressonador ocorre em m1 (2,25GHz) e está muito próxima da primeira frequência de operação da antena em 2,3304GHz. Porém, essa figura mostra um detalhe importante que são as ressonâncias espúrias (harmônicas) m2 (5,1GHz), m3 (7,75GHz) e m4 (9,15GHz). Essas ressonâncias espúrias são diretamente proporcionais com o tamanho do ressonador, pois, fazendo uma analogia com antenas, que também são dispositivos ressonantes, seu tamanho influencia no número de ressonâncias. Por exemplo, se uma antena dipolo possui o comprimento de onda
33
de /2, haverá apenas uma ressonância, mas se ela possuir o comprimento de , haverá duas ressonâncias [27]. Os ressonadores em espiral funcionam de maneira semelhante.
Figura 29: Primeiro ressonador projetado para codificação da etiqueta.
Figura 30: Primeiro ressonador projetado com ressonâncias espúrias.
O problema dessas ressonâncias espúrias é que não há uma lógica para controlá-las. Por exemplo, a Figura 31 mostra o mesmo ressonador, porém agora em curto circuito para a
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 Freq [GHz] -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 d B (S (2 ,1 )) HFSSDesign1 XY Plot 2 m1 m2 m3 m4 Name X Y m1 2.2500 -2.3054 m2 5.1000 -3.1278 m3 7.7500 -3.3513 m4 9.1500 -3.4121 Curve Info dB(S(2,1)) Setup1 : Sweep
34
codificação do bit “1”, seguido de sua resposta em frequência (S21) na Figura 32. A curva em vermelho é com respeito ao ressonador em curto e a em azul é a mesma curva da Figura 30. Nota-se que a primeira ressonância e a primeira espúria foram anuladas, mas entre elas apareceu outra espúria, além das outras permanecerem.
Figura 31: Primeiro ressonador projetado bit “1” para codificação da etiqueta.
Figura 32: Primeiro ressonador projetado bit “1” com ressonâncias espúrias.
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 Freq [GHz] -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 Y1 HFSSDesign1 XY Plot 2 m1 m2 m3 m4 Curve Info dB(S(2,1)) Setup1 : Sweep dB(S(2,1))_1 Imported Name X Y m1 2.2500 -0.2099 m2 5.1000 -0.4798 m3 7.7500 -2.3651 m4 9.1500 -1.9376
35
Dessa maneira, a melhor solução foi manipular o ressonador para que as espúrias caíssem fora da frequência de operação da antena diminuindo o tamanho do ressonador. Entretanto, realizando isso, tanto as espúrias quanto a primeira ressonância serão deslocadas para as altas frequências. Com isso, a melhor solução encontrada foi a de controlar a primeira ressonância não apenas com o tamanho do ressonador, mas também com o número de espiras que contribuem, principalmente, com as indutâncias desse elemento. Assim, as Figuras 33 e 34 mostram esse ressonador e sua resposta em frequência (S21), respectivamente, provando que pode-se controlar as espúrias também com as espiras sem deslocar muito sua primeira ressonância.
Como mencionado no Capítulo 3, o padrão de radiação da antena já começa a se deformar a partir da frequência de 7,15GHz, portanto os ressonadores serão sintonizados até a frequência de 7GHz, assim, as espúrias que caírem depois dessa frequência não irão influenciar no desempenho da etiqueta.
36
Figura 34: Espúrias fora da banda de operação da antena dual-band.
Em seguida, os cinco ressonadores foram projetados em cascata com diferentes tamanhos para operarem na primeira banda de frequência da antena dual-band, deixando as espúrias fora da banda de operação da antena conforme mostram as Figuras 35 e 36.
37
Figura 36: Resposta em frequência dos cinco ressonadores para codificação da etiqueta.
Com os cinco ressonadores já projetados na primeira banda da antena, começa o projeto dos ressonadores na segunda banda. A Figura 37 mostra o sexto ressonador, que é o primeiro ressonador codificando nas altas frequências da antena, em cascata com os outros cinco, seguido da sua resposta em frequência (S21) na Figura 38.
38
Figura 38: Resposta em frequência dos seis ressonadores para codificação da etiqueta.
Finalmente, os dez ressonadores são projetados com diferentes tamanhos para ressonarem em frequências diferentes, Figura 39. A resposta em frequência (S21), Figura 40, mostra apenas as ressonâncias na segunda banda de operação da antena, pois os cinco ressonadores da primeira banda foram retirados do modelo para que a simulação fosse completada mais rapidamente.
39
Figura 40: Resposta em frequência dos dez ressonadores para codificação da etiqueta (apenas assinaturas espectrais da banda alta da antena).
Contudo, os cinco ressonadores projetados para as altas frequências possuem tamanhos muito pequenos que podem dificultar a construção da etiqueta. Portanto, para resolver esse problema, o comprimento desses ressonadores foi aumentado, fazendo com que suas ressonâncias fossem para as baixas frequências, mas foram realizados ajustes nos tamanhos das espiras para que retornassem para sua frequência anterior. As Figuras 41 e 42 mostram esse processo. A Figura 43 mostra que as ressonâncias estão bem projetadas com a perda de retorno (S11) da antena dual-band.
40
Figura 41: Geometria final dos dez ressonadores para codificação da etiqueta.
Figura 42: Resposta em frequência dos dez ressonadores para codificação da etiqueta com bandas de guarda estreitas.
2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 Freq [GHz] -5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 d B (S (2 ,1 )) HFSSDesign1 XY Plot 1 m1 m2 m3 m4 m5 m6 m8 m9 m10 m7 Name X Y m1 2.4800 -4.9340 m2 2.6550 -4.0885 m3 2.9100 -4.4784 m4 3.1900 -4.1032 m5 3.4900 -4.3837 m6 4.4850 -3.2232 m7 5.0200 -3.5130 m8 5.5000 -3.7626 m9 6.1750 -4.3380 m10 6.8300 -4.6334 Curve Info dB(S(2,1)) Setup1 : Sweep
41
Figura 43: Resposta em frequência dos dez ressonadores para codificação da etiqueta (vermelho) dentro das bandas de operação da antena dual-band (azul).
Todavia, como foi discutido no Capítulo 4, há a necessidade de bandas de guarda em frequência entre as ressonâncias para que não ocorram erros de leitura da etiqueta, pois, sem as bandas de guarda, alguns ressonadores podem acoplar com a linha de transmissão na frequência de ressonância de ressonadores adjacentes.
Sendo assim, o projeto inicial de 10 bits (5 ressonadores em cada banda de operação da antena) foi modificado para 8 bits (4 ressonadores em cada banda de operação da antena) como mostra a Figura 44. Esta figura mostra os parâmetros de construção dos ressonadores para a codificação da etiqueta chipless de RFID seguido da Tabela IV com seus respectivos valores em milímetros (mm) e, portanto, é o projeto final para o tamanho dos ressonadores. A Figura 45 mostra a resposta em frequência (S21) dessas ressonâncias e, em seguida, a Figura 46 mostra que essas ressonâncias estão bem projetadas com a perda de retorno (S11) da antena dual-band.
42
Figura 44: Geometria final e parâmetros de construção dos oito ressonadores para codificação da etiqueta. Wespira = 0,2mm; Despira = 0,18mm; gap = 0,2mm e D = 3,66mm.
Tabela IV. Parâmetros de construção dos ressonadores em milímetros (mm)
L1 K1 L2 K2 L3 K3 L4 K4 L5 K5 L6 K6 L7 K7 L8 K8 Dbit
