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Diseño de Antenas y Caracterización de Interferencias entre Lectores RFID

TITULACIÓN: Enginyeria Tècnica de Telecomunicació Especialitat Telemàtica

AUTOR: José Daniel Guzmán Guzmán .

DIRECTORES: Antonio Lázaro Guillén, David Girbau Sala .

FECHA: Abril del 2009.

Índice 1 Introducción....................................................................................... 4

1.1 Objetivos........................................................................................................ 4

1.2 Organización de la Memoria ......................................................................... 5

1.3 Referencias Bibliográficas............................................................................. 5

2 Los Sistemas RFID ............................................................................ 6 2.1 Componentes de un Sistema RFID................................................................ 7

2.1.1 Etiqueta RFID........................................................................................ 8

2.1.2 Lector RFID......................................................................................... 11

2.2 Regulación Internacional............................................................................. 11

2.3 Referencias Bibliográficas........................................................................... 12

3 Diseño de Antenas para Lectores RFID........................................ 13 3.1 Antena Parche con Polarización Circular.................................................... 15

3.1.1 Antena Parche con Polarización Circular............................................ 15

3.1.2 Simulación........................................................................................... 16

3.1.3 Medidas ............................................................................................... 17

3.2 Antena Fractal. ............................................................................................ 18

3.2.1 Diseño.................................................................................................. 18

3.2.2 Simulación........................................................................................... 21

3.2.3 Medidas ............................................................................................... 22

3.3 Referencias bibliográficas. .......................................................................... 23

4 Interferencias en Sistemas RFID ................................................... 24 4.1 Introducción................................................................................................. 24

4.2 Sistema de medida ....................................................................................... 26

4.3 Medidas y comentarios................................................................................ 28

4.4 Conclusión................................................................................................... 39

4.5 Referencias Bibliográficas........................................................................... 39

5 Diversidad en Sistemas RFID......................................................... 40 5.1 Introducción................................................................................................. 40

5.2 Sistema de medida ....................................................................................... 40

5.3 Medidas ....................................................................................................... 41

5.4 Conclusión................................................................................................... 46

6 Conclusiones y líneas futuras ......................................................... 47

7 Anexo ................................................................................................ 48 7.1 Tablas de distribución de medidas............................................................... 48

7.2 Programas de MATLAB utilizados para generar todas las gráficas. .......... 51

- 4 -

1 Introducción

Los sistemas de Identificación por Radio Frecuencia (RFID) están experimentando un crecimiento muy importante respecto a otros sistemas de identificación como el código de barras ya que aporta la posibilidad de realizar una lectura sin campo visual; no es necesario que el lector vea la etiqueta, debido a que las ondas electromagnéticas pueden traspasar la mayoría de medios, y también debido al fenómeno de multicamino; esto y el potencial que ofrece a las empresas en términos de eficiencia y reducción de costes hace que sean necesarios estudios sobre varios aspectos relacionados con la tecnología RFID, como por ejemplo, los propuestos en este proyecto: minimizar las antenas de los lectores RFID y la caracterización de las interferencias entre lectores.

Por lo que concierne al diseño de antenas para lectores RFID, son muchos las propuestas realizadas en la literatura, como por ejemplo en [1,2]. Dos son los objetivos principales en estas estructuras, más allá de los parámetros típicos de una antena (adaptación, frecuencia de operación, ganancia…). El primer objetivo es que tenga polarización circular; esto es importante ya que las tarjetas (o tags) no siempre tendrán la misma dirección, de forma que para una correcta lectura en cualquier dirección se requiere esta polarización circular. El segundo objetivo es la miniaturización, especialmente cuando se piensa en lectores para aplicaciones portátiles.

En el campo de las interferencias entre lectores, este es un aspecto clave en el buen funcionamiento de sistemas con múltiples lectores. La fórmula que actualmente se está empleando para solucionar esta problemática es la de trabajar en slots de tiempo distintos cada lector, con la consiguiente limitación que puede suponer en algún sistema la posibilidad de operación no simultánea de los lectores. De todas formas, esta problemática está muy poco estudiada y caracterizada en la literatura [3,4], y no existe ninguna solución propuesta a nivel de sistema, más allá de la operación en slots de tiempo distintos.

1.1 Objetivos

El primer objetivo de este proyecto es estudiar posibilidades para reducción de las dimensiones de una antena RFID convencional para facilitar su portabilidad en lectores portátiles. Por lo tanto se crearan diferentes antenas con el requisito de que trabajen a la frecuencia central de RFID Europea. Dichas antenas deben ser de tipo impreso para facilitar la producción en grandes cantidades asegurando gran repetibilidad en la fabricación de las mismas. Además deberán utilizarse substratos de bajo coste.

El segundo objetivo es estudiar las interferencias entre lectores; en este sentido, se tomaran medidas para calcular cuanto afecta a la señal una interferencia y para saber a qué distancia mínima deben estar situadas 2 antenas RFID para un funcionamiento simultáneo adecuado. Finalmente, se experimentará una técnica de diversidad angular para mitigar el problema de las interferencias.

Estos dos objetivos, bien diferenciados, responden a la premisa inicial del proyecto de estudiar los RFID desde dos ópticas distintas: una de sistema y otra de diseño que permita un aprendizaje y formación más transversal.

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1.2 Organización de la Memoria La memoria está estructurada en seis apartados:

En el primer capítulo se realiza una breve introducción a los sistemas RFID, se explican los objetivos y necesidades q se quieren cubrir con el proyecto.

En el segundo capítulo se presentan en profundidad los sistemas RFID.

En el tercer capítulo se plantea el diseño de dos antenas para lectores RFID y se especifican todas sus características hasta su fabricación.

En el cuarto capítulo se introduce la interferencia en los sistemas RFID, y se realizan diferentes medidas de interferencias en lectores RFID para analizar el efecto en las lecturas que permita sacar conclusiones, analizar su impacto y abordar soluciones.

En el quinto capítulo se propone la técnica de diversidad angular en los sistemas RFID como solución a las interferencias generadas por otras antenas.

Finalmente el sexto capítulo presenta las conclusiones del trabajo y muestran las líneas futuras del proyecto.

1.3 Referencias Bibliográficas. [1] L.Ukkonen, L. Sydänheimo, M. Kivikoski, "Read Range Performance Comparison of Compact

Reader Antennas for a Handheld UHF RFID Reader", 2007 IEEE International Conference on RFID Gaylord Texan Resort, Grapevine, TX, USA March 26-28, 2007

[2] S.K.Lee, A.Sambell, S.F.Loch, S.F.Ooi, Y.Qin, "A Design Procedure for a Circular Polarized, Nearly Square Patch Antenna", Microwave Journal, 7 January 2005

[3] D.-Y. Kim, J.-G. Yook, “Interference análisis of UHF RFID Systems”, Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 4, 115-126, 2008.

[4] D.-Y. Kim, B.-J. Jang, et al., “Effects of reader interference on the RFID interrogation range”, Proceedings of the 37th European Microwave Conference, pp. 728-731. 2007.

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2 Los Sistemas RFID

En los últimos años los sistemas de identificación automática (Auto ID) han experimentado un rápido crecimiento en muchas industrias de servicio, venta, distribución, seguimiento de animales, seguridad, etc. [1]. La primera revolución fue la implantación de los sistemas de etiquetas basadas en códigos de barras. No obstante, a pesar de su bajo coste, presentan algunos inconvenientes, como la imposibilidad de ser reprogramados, requerir visibilidad directa con los lectores, y además se degradan con facilidad. La solución más adecuada es almacenar la información de identificación en un chip. Esta solución es la adoptada en las tarjetas smart card (tarjetas de bancos, de teléfonos, etc.). Pero estas requieren contacto para pasar por los lectores de tarjetas. Los sistemas de identificación que no requieren contacto son más útiles, especialmente porque permiten identificar un número de usuarios más grande de forma prácticamente simultánea a distancia. Generalmente estos sistemas transfieren la energía y los datos del lector al sistema a identificar o etiqueta mediante señales de radiofrecuencia, por esto reciben el nombre de sistemas RFID (Radio Frecuency IDentification). El crecimiento de las aplicaciones con RFID está continuamente aumentando a medida que aparecen nuevas tecnologías de menor coste mejorando las prestaciones [2].

Una de las principales razones de este crecimiento, es el potencial que el RFID ofrece a las empresas en términos de eficiencia y capacidad de reducir costes. Muchas empresas consideran el RFID como una inversión de futuro, que provee ventajas como la reducción de coste para mantener los niveles exactos de stocks, reducción de la falta de productos por falta de stocks (out-of-stock), protección contra falsificaciones, y la posibilidad de poder hacer un seguimiento en tiempo real de las mercaderías.

Además, recientes normas y recomendaciones de varias empresas y agencias de gobierno como en el caso del Departamento de Defensa norteamericano, están requiriendo a sus suministradores el uso de RFID. También otras organizaciones norteamericanas como la Administración de Comida y Drogas (FDA Food and Drug Administration) está encorajando las compañías farmacéuticas a utilizar RFID. Estas recientes normas y recomendaciones han causado que en los Estados Unidos, el RFID se haya convertido en importante para una gran cantidad de personas las cuales no estaban familiarizadas con esta tecnología, posibilitando un rápido desarrollo de la misma y haciendo que en el mercado norteamericano el RFID esté mucho mas implantado que en el resto del mundo. RFID implica una reestructuración de procesos teniendo en cuenta las posibilidades que abre la tecnología, más que una tecnología sustitutiva.

En la tabla 2.1 se comparan las ventajas y desventajas de algunos de estos sistemas de identificación: código de barras, Reconocimiento óptico (OCR), reconocimiento de voz, biometría (huellas u otras características), Smart Card, RFID.

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Parámetros Código de barres

OCR Reconocimiento de voz

Biometría Smart Card RFID systems

Cantidad de datos (bytes)

1-100 1-100 - - 16-64k 16-64k

Densidad de datos

Baja Baja Alta Alta Muy alta Muy alta

Lectura automática

Buena Buena Cara Cara Buena buena

Lectura por persones

Limitada Simple Simple Difícil Imposible Imposible

Influencia de la suciedad

Muy alta Muy alta - - Posible (contactes)

No influye

Influencia de la luz y el entorno

Fallo total

Fallo total

- Posible - No influye

Influencia de la dirección y posición

Baja Baja - - Unidireccional No influencia

Degradación Limitada Limitada - - Contactes No influye

Costos lector Muy bajo

Medio Muy alto Muy alto Bajo Media

Costes de operación

Bajo Bajo Ninguno Ninguno Media Ninguno

Copia o modificación no autorizada

Sensible Sensible Posible Imposible Imposible Imposible

Velocidad de lectura

Baja (4s) Baja (3s) Muy Baja(>5s) Muy Baja(>5-10s)

Baja (4s) Muy rápida (<0.5s)

Máxima distancia de lectura

0-50cm <1cm Scanner

0-50cm Contacte directo

Contacte directo

0-5 m (activos)

Tabla 2.1 Comparación entre diferentes sistemas RFID

2.1 Componentes de un Sistema RFID Los principales componentes de un sistema RFID son los siguientes (Figura 2.1).

Etiquetas RFID (tags), las cuales son incorporadas físicamente a los objetos por tal de identificarlos, y están formadas por una antena y un chip con capacidad de almacenar datos.

Lector RFID (reader), que dependiendo del diseño y la tecnología utilizada, puede ser de solo lectura o de lectura / escritura. El lector RFID convierte las ondas de radio

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reflejadas por las etiquetas en datos digitales que son enviadas a la aplicación del ordenador.

Ordenador (o PDA), que contendrá la base de datos y la aplicación que gestionara los datos obtenidos por el lector.

Figura 2.1 Sistema RFID

Los sistemas RFID se pueden clasificar según el tipo de comunicación: unidireccional de tranponder o tag (etiqueta) al lector (half duplex), y bidireccional (full duplex), así como la cantidad de datos transmitidos (desde pocos bits a varios kBytes). Así se distinguen los transponders RFID de 1 bit (1D RFID) que únicamente indican la presencia del transponder con la proximidad del lector, por lo que en general se utilizan para sistemas de seguridad. La cantidad de bytes a transmitir por el transponder influye en la memoria disponible. Existen tres tipos de memorias en sistemas acoplados inductivamente EEPROM (eléctricamente programables), si bien su consumo es elevado en la fase de escritura, las FRAMs (Ferromagnetic Random Acces Memor) que se caracterizan por el menor consumo que las anteriores. En sistemas de microondas activos (con bateria), se utilizan en ocasiones SRAM (Static Random Acces Memory) por su capacidad de almacenaje [1].

2.1.1 Etiqueta RFID

La etiqueta RFID o Tag (transponder) está formada por una antena y un chip que contiene la memoria donde se registran los datos. La frecuencia de resonancia de la antena, que determina la frecuencia de operación de esta, depende de la configuración de la antena. Esta antena está formada por un circuito resonante, con unas líneas de transmisión que simulan un circuito LC (una bobina y un condensador) ajustados para que trabaje a la frecuencia de resonancia deseada fR. Esta está conectada al circuito integrado. Dicha antena debe estar adaptada a la impedancia compleja conjugada del circuito integrado con tal de aprovechar al máximo la potencia de radiofrecuencia. Dicha potencia captada por el circuito integrado se rectifica para obtener una pequeña tensión de alimentación gracias a un circuito convertidor DC. Esta tensión se utiliza bien para despertar el circuito integrado en etiquetas semipasivas o activas o bien para alimentar el circuito integrado durante la transmisión de los datos.

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Las etiquetas pueden presentar diferentes formatos (rígido, flexible, adhesivo, etc.), diferentes medidas, diferentes funcionalidades, diferentes estándares y por tanto diferentes precios. En cuanto a las dimensiones de la etiqueta, existe una amplia gama de ofertas y posibilidades en el mercado que van desde unos pocos milímetros hasta decenas de centímetros dependiendo de la aplicación a la que estén destinadas y bandas de frecuencias utilizadas.

Una característica importante en las etiquetas es su alimentación, con la cual se pueden distinguir tres tipos de diferentes tags: pasivos, semi activos y activos.

La etiqueta puede ser pasiva, es decir, que no es capaz de generar energía, por lo que necesitaría la energía proporcionada por un lector. La mínima corriente eléctrica inducida en la antena por la señal de radiofrecuencia generada por el lector proporciona suficiente energía al circuito integrado de la etiqueta para poder transmitir una respuesta. Debido a la escasa energía disponible en una etiqueta pasiva la respuesta tiene que ser necesariamente breve. La carencia de una fuente de alimentación propia hace que sea un dispositivo bastante pequeño. Las etiquetas pasivas tienen distancia de lectura pueden llegar a los 6 metros, dependiendo del tamaño de la etiqueta, de la frecuencia y de la potencia a la que opera el lector.

También pueden ser etiquetas semi activas, las cuales disponen de una batería interna capaz de alimentar constantemente el chip, no obstante la comunicación la inicia el lector como si se tratara de una etiqueta pasiva. Este tipo de configuración permite sobretodo la utilización de chips de más funcionalidades y consumo, pueden tener más memoria disponible o permiten realizar funciones más complejas de criptografía.

Por último, tendríamos las etiquetas activas, las cuales también disponen de una batería interna pero que, a diferencia de las semi activas, esta alimentaria tanto el chip como la transmisión. Pudiendo enviar la etiqueta una señal al lector y establecer comunicación y pudiendo obtener rangos de lectura mucho más grandes. De todas formas, estas son menos atractivas que las etiquetas pasivas o semi activas, debido al hecho de tener un mayor tamaño y coste delante las anteriores, al tiempo que una limitación de vida en las baterías.

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Espectro de frecuencias

Rango de frecuencia

Rango de lectura Aplicaciones

Low Frequency (LF) 125 kHz < 0.5 m

Control de acceso

Identificación de animales

Inmovilización de vehículos

Aplicaciones POS (SpeedPass de ExxonMobil)

High Frequency (HF) 13.56 MHz ≥ 1.0 m

Control de acceso, Smart cards

Estantería inteligente

Seguimiento a nivel de articulo (equipaje en aeropuertos, préstamo de libros en biblioteca, etc.)

Ultra High Frequency (UHF)*

860 MHz – 930 MHz ≥ 3.0 m Seguimiento a nivel de paleta i caja

Microwave Frequency

2.45 GHz/5.8 GHz ≥ 10.0 m Electronic Toll Collection

*Europa 865-868 MHz – USA Canadá 915 MHz – Japón 950-956 MHz

Tabla 2.2 Etiquetas según su frecuencia de trabajo

Por otra parte, las etiquetas también se pueden clasificar por el tipo de chip de memoria que utilizan, estas pueden ser:

- De lectura/escritura, en los cuales se podrá modificar actualizar la información almacenada en la etiqueta, o añadir una nueva a la existente.

- WORM (Write Once/Read Many), que son chips que se pueden escribir una vez y se pueden leer muchas veces. Se puede solicitar que la memora sea pre programada durante el proceso de fabricación, o bien, el propio usuario la puede programar.

- Solo de lectura, las cuales solo la información es almacenada durante el proceso de fabricación y no se podrá modificar posteriormente.

- La frecuencia de operación determina generalmente el abasto (juntamente con el carácter pasivo o activo del tag) y el modo/método de transmisión. Las diferentes frecuencias de transmisión se pueden clasificar en tres tipos básicos Tabla 2.2.

Existen diferentes procedimientos de transmisión de datos de la etiqueta al lector, utilizando la reflexión o backscatter (la frecuencia de la onda reflejada es la misma que la incidente) o modulación de carga (load modulation), donde el campo o impedancia del lector es influenciado por el transponder, la utilización de sub harmónicos o la generación de harmónicos.

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2.1.2 Lector RFID El lector es un dispositivo que emite ondas de radio a una frecuencia predeterminada,

con la finalidad de interrogar los transponders (o tags) y obtener respuesta.

Está compuesto por una antena, un modulo de radiofrecuencia (transmisor y receptor) y de una unidad de control, en muchos lectores suelen también incorporar interficies adicionales (RS 232, RS 485, RJ45, LAN, WLAN, etc.) para permitir enviar los datos recibidos a otro sistema (PC, PDA, base de datos, etc.)

Los lectores pueden variar en tamaño, funcionalidad y coste. El nivel de complejidad y sofisticación viene dado por el volumen de etiquetas que puede gestionar y controlar. En el caso de las etiquetas pasivas, el lector genera un campo de radiofrecuencia que activa la etiqueta alimentando el chip para que pueda transmitir los datos almacenados. En el casi de las etiquetas activas (batería propia), las propias etiquetas pueden iniciar la comunicación ya que no necesitan la energía del lector.

2.2 Regulación Internacional La banda utilizada en UHF son las antiguas bandas ISM en banda UHF. En la banda

UHF no existe una única banda de frecuencia ISM universal dedicada a RFID, esta depende de cada país. No obstante, se agrupan en tres regiones, tal como e muestra en el mapa de la figura 2.2.

Figura 2.2 Mapa de regiones según sus regulaciones.

Las regulaciones se imponen casi en todos los países (agrupados en 3 regiones) para controlar emisiones y para prevenir interferencias con otro equipo industrial, científico y medico (ISM):

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Región 1: Europa, CEPT

o Para UHF se aplica ERC REC 70-73

o Banda UHF asignada 865-868 MHz

o La potencia (PIRE) está limitada a 2W

o Los lectores tienen que operar con ciclos de trabajo del 10%, sin Frequency hopping

Región 2: En USA, the Federal Communications Commission (FCC)

o Para UHF se aplica FCC-Part 15 (15.249)

o Banda UHF permitida 902-928 MHZ

o Máxima potencia de emisión (PIRE) es de 4W utilizando Frequency hopping

Región 3: Japón, (MPHPT) Ministery of Public Management, Home Affairs, Post and Telecommunication

o Regulación: Japanese Radio Law. ARIB (Standards Association of Radio Industries and business )

o Banda 950 MHz

2.3 Referencias Bibliográficas. [1] Klaus Finkenzeller, RFID Handbook Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and

Identification, Wiley, 1999, ISBN: 0-470-84402-7, pag. 427. [2] D. Engels, “The Use of the Electronic Product Code™,” MIT Auto-ID Center Technical Report MIT-

TR007, February 2003, http://www.autoidcenter.org/publishedresearch/mit-autoid-tr009.pdf. [3] Karthik Moncombu Ramakrishnan and Daniel D. Deavours, Performance Benchmarks for Passive

UHF RFID Tags, Information and Telecommunications Technology Center, pag. 18.

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3 Diseño de Antenas para Lectores RFID

Un lector es un transmisor y receptor de radio frecuencia (RF), controlado por un microprocesador. El lector, mediante la antena, captura datos provenientes de los tags para después pasar los datos a un computador para procesarlos.

En este capítulo se han diseñado dos antenas para el lector RFID, una de topología parche con polarización circular y otra de topología fractal, que permite reducir las dimensiones a costa de ser de polarización lineal.

Para el diseño de las antenas se ha utilizado el software ADS 2006A (Advanced Design System). Esta aplicación permite trabajar a partir de dos modos, el primero de ellos, el modo esquemático permite hacer diseños a partir de librerías que la misma aplicación posee, figura 3.1.

Figura 3.1 Modo esquemático de la aplicación ADS

Como el diseño de antenas requiere simulación electromagnética y análisis de radiación, el modo esquemático solo se ha utilizado para realizar pasos previos de diseño para simplificar la edición de los layouts y para realizar comparaciones entre medidas y simulaciones mediante data ítems.

La segunda manera o modo de trabajo con esta aplicación es el modo diseño o trazo (layout), este modo permite realizar el diseño a partir de trazos con las herramientas de dibujo o trazo que posee la aplicación, figura 3.2.

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Figura 3.2 Modo Layout de la aplicación ADS

El modo en el que se trabajara para el diseño de las antenas será el modo Layout ya que además de permitir modificar directamente el diseño, permite la utilización de una segunda aplicación llamada Momentum que permite la simulación electromagnética de los diseños (o layouts), así como un post-procesado de la distribución de corrientes y parámetros de radiación. Esta aplicación viene integrada al programa ADS, figura 3.3.

Figura 3.3 Menu de Momentum y opciones de diseño.

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3.1 Antena Parche con Polarización Circular

3.1.1 Antena Parche con Polarización Circular La primera antena diseñada es de tipo parche con la la característica particular de

poseer dos cortes en dos de las cuatro esquinas con el objetivo de obtener una polarización circular. El diseño está basado en el propuesto en [1]. El sustrato utilizado en los diseños tiene los parámetros que se muestran en la Tabla 3.1

Sustrato Grosor (mm) Er tgd Grosor metalización (µm)

Fibra 1.6mm 4.7 0.02 34 µm

Tabla 3.1 Parámetros del sustrato utilizado en la antena.

La geometría del diseño final y las dimensiones de la antena optimizadas mediante simulaciones realizadas en Momentum, se muestran en las figuras 3.4, 3.5. Cabe destacar que para llegar a este diseño han sido necesarios un buen número de pasos de simulación y optimización de la estructura.

Figura 3.4 Dimensiones del diseño de la antena RFID

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Figura 3.5 Dimensiones del acceso de la antena RFID (ampliación).

En la figura 3.6 se muestra el modelo finalizado de la antena parche con polarización circular así como una fotografía del prototipo de la antena fabricada.

Figura 3.6 Modelo final de la antena y fotografía del prototipo fabricado.

3.1.2 Simulación Una vez diseñada la antena, se pasa al siguiente paso comprobar que la antena esté

centrada en la banda de la frecuencia Europea, se realiza la simulación de la antena y como resultado de esta simulación, fig. 3.7, se comprueba que la antena esté centrada a la frecuencia interesada (865 MHz). El siguiente punto a ver es si la antena está realmente adaptada; si la antena tiene una adaptación inferior a -10dB se considera que está mal adaptada. El resultado de la simulación nos muestra que su adaptación es de -22.103 dB, lo que significa una buena adaptación.

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Figura 3.7. Simulación de la adaptación de la antena (S11).

En la figura 3.8 se muestra el diagrama de radiación simulado de la antena. Se observa radiación solamente en el hemisferio superior, tal como era de esperar debido al plano de masa presente debajo la antena.

Figura 3.8. Diagrama de radiación 3D de la antena

3.1.3 Medidas Finalmente, en la figura 3.9 se muestra una comparación entre la adaptación

simulada y medida. Las medidas se han obtenido conectando la antena al puerto 1 del analizador de redes y midiendo el parámetro S11. Se observa que el prototipo funciona perfectamente, excepto un ligero desplazamiento de frecuencia. Mientras el diseño estaba centrado a 865.6 MHz, la medida está centrada a 883 MHz. Esto no es debido a ningún error de diseño sino simplemente a que la permitividad relativa considerada en la simulación difiere ligeramente de la real del sustrato utilizado, debido a inhomogeneidades. Una segunda causa probable es la tolerancia del proceso de atacado químico en la fabricación. Este fenómeno de desplazamiento frecuencial es habitual en

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diseños de alta frecuencia y con una simple segunda iteración de fabricación (a partir de la caracterización del sustrato con esta primera iteración) se resuelve el desplazamiento.

m1freq=dB(S(2,2))=-22.059

865.6MHz

m2freq=dB(S(1,1))=-21.558

883.0MHz

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.980.80 1.00

-20

-15

-10

-5

-25

0

freq, GHz

dB(S

(1,1

))

m2

dB(S

(2,2

))

m1

m1freq=dB(S(2,2))=-22.059

865.6MHz

m2freq=dB(S(1,1))=-21.558

883.0MHz

Figura 3.9. Comparación de la adaptación simulada (azul) y medida (rojo).

3.2 Antena Fractal.

3.2.1 Diseño. La técnica fractal fue usada también en este estudio para la miniaturización de la

antena. Los fractales son contornos de espacios rellenados, queriendo decir que a características eléctricamente grandes pueden estar eficazmente colocados en áreas pequeñas. Las geometrías fractal son generadas de un modo iterativo, conduciendo a estructuras similares a ellas mismas. Esta técnica iterativa de generación es mostrada en la figura.

Cuadrado básico Primera iteración fractal

Segunda iteración fractal

Figura 3.10 La técnica de generación fractal.

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Al empezar la antena, geométricamente es un cuadrado Euclidiano. Cada uno de los cuatro segmentos rectilíneos de la estructura inicial es reemplazado con el generador iterativo. Este procedimiento de generación iterativa puede ser continuado un infinito número de veces.

A partir de esta idea y basándose en el diseño propuesto en [2], se procede al diseño de la antena fractal, para el cual se utiliza el mismo sustrato anterior, cuyos parámetros están en la Tabla 3.2. En la figuras 3.11 Y 3.12 se muestra el diseño final de la antena y del acceso, con sus dimensiones respectivas.

Figura 3.11 Dimensiones del diseño de la antena fractal

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Figura 3.12 Dimensiones del acceso a la antena fractal

Sustrato Grosor (mm) Er tgd Grosor metalización (µm)

Fibra 1.6mm 4.7 0.02 34 µm

Tabla 3.2 Parámetros del sustrato utilizado en la antena.

En la figura 3.13 se muestra el modelo finalizado de la antena fractal así como una fotografía del prototipo de la antena fabricada.

Figura 3.13 Modelo final de la antena y fotografía del prototipo fabricado.

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3.2.2 Simulación Idénticamente a como se han presentado las simulaciones de la anterior antena, aquí

se muestran los resultados de la antena fractal. En primer lugar se muestra en la figura 3.14 la adaptación, que se observa perfectamente centrada en la banda UHF europea y un valor cercano a 19 dB.

Figura 3.14. Simulación de la adaptación de la antena (S11).

En la figura 3.15 se muestra el diagrama de radiación simulado de la antena. Se observa también radiación solamente en el hemisferio superior, tal como era de esperar debido al plano de masa presente debajo la antena.

Figura 3.15. Diagrama de radiación 3D de la antena

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3.2.3 Medidas Finalmente, en la figura 3.16 se muestra una comparación entre la adaptación

simulada y medida. Se observa de nuevo que el prototipo funciona perfectamente, excepto un ligero desplazamiento de frecuencia debido a las causas expuestas anteriormente. En este caso, mientras el diseño estaba centrado a 867.2 MHz, la medida está centrada a 906 MHz.

m1freq=dB(S(2,2))=-18.936

867.3MHz

m2freq=dB(S(1,1))=-19.134

906.0MHz

0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.980.80 1.00

-15

-10

-5

-20

0

freq, GHz

dB(S

(1,1

))

m2

dB(S

(2,2

))

m1

m1freq=dB(S(2,2))=-18.936

867.3MHz

m2freq=dB(S(1,1))=-19.134

906.0MHz

Figura 3.16. Comparación de la adaptación simulada (azul) y medida (roja).

Finalmente, en la figura 3.17 se muestra una fotografía con las dos antenas

diseñadas, donde se pueden comparar cualitativamente las dimensiones de ambas.

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Figura 3.17. Fotografía de las dos antenas diseñadas.

3.3 Referencias bibliográficas. [1] L.Ukkonen, L. Sydänheimo, M. Kivikoski, "Read Range Performance

Comparison of Compact Reader Antennas for a Handheld UHF RFID Reader", 2007 IEEE International Conference on RFID Gaylord Texan Resort, Grapevine, TX, USA March 26-28, 2007

[2] S.K.Lee, A.Sambell, S.F.Loch, S.F.Ooi, Y.Qin, "A Design Procedure for a Circular Polarized, Nearly Square Patch Antenna", Microwave Journal, 7 January 2005

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4 Interferencias en Sistemas RFID

4.1 Introducción En este apartado se estudia el efecto que hace una señal de interferencia sobre una

lectura realizada. Debido a la elevada potencia requerida para despertar y alimentar a los tags pasivos, las señales procedentes de otros lectores suponen una interferencia para el lector, figura 4.1. Como consecuencia la probabilidad de error de bit aumenta considerablemente. Por lo tanto en este apartado se desarrollara el segundo objetivo de este trabajo, estudiar los efectos de interferencia para luego poder evaluar los valores de potencia que afectarían a la señal del lector o a qué distancia mínima deben estar situados dos antenas entre ellas.

Figura 4.1 Interferencia entre lectores próximos

Aunque el tag reciba una potencia superior al umbral y responda modulando la sección recta, el lector debe recibir la señal con calidad suficiente para que la tasa de error sea pequeña. La sensibilidad del receptor Smin se puede determinar a partir del factor de ruido F del receptor (incluyendo los cables) y del ancho de banda del receptor B (aproximadamente igual a la velocidad de transmisión Rb, del orden de 40KHz)

min 0( ) 10log ( ) / ( )S dBm kT B F dB S N dB= + +

Donde k es la constante de Boltzman, T0 la temperatura ambiente (290K) y S/N la relación señal a ruido de la señal recibida. En la mayoría de lectores comerciales la sensibilidad para una recepción óptima suele ser del orden de -70 dBm. Destacar que además del ruido del receptor influyen otras fuentes de ruido. En particular como se trata de un sistema radar es muy importante la contribución del ruido de fase procedente de la falta de aislamiento perfecto del circulador del lector (ver figura 4.2). Así parte de la señal de transmisor pasa al receptor, y la contribución del ruido de fase del oscilador puede ser a frecuencias offset pequeñas (del orden del la tasa de bit) mucho mayor que el ruido del receptor (figura 4.3) [1].

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Figura 4.2. Diagrama de bloques de la sección de RF de un lector RFID típico (WJ6000)

Ruido de fase del osciladordBc/Hz

Ruido receptor

frecuencia

S/N

Figura 4.3. Empeoramiento de la relación señal a ruido debido al ruido de fase del

oscilador procedente de señales reflejadas en objetos y aislamiento finito del circulador.

Dado que la tasa de error de bit depende de la relación señal a ruido S/N, en entornos multicamino (como los escenarios típicos RFID en interiores) se debe considerar su valor medio ya que la potencia fluctúa rápidamente según una distribución Rayleigh (fading rápidos) [referencia]. Las interferencias de otros lectores u otras señales en la banda de RFID, al estar incorreladas, son consideradas por el lector como si aumentase el nivel de ruido. La relación señal a ruido efectiva media se puede determinar a partir de la relación entre la potencia media de la señal y la potencia de ruido S/N y la relación señal a interferencia (CIR o SIR) como [2]:

11 1/

SN I

S N CIR

γ = =+ +

26

En el caso de canal sin interferencia la calidad está únicamente limitada por el ruido (canal gausiano), mientras que en presencia de interferencias en la banda depende de dicho nivel a través de la relación CIR. La presencia de lectores RFID próximos suponen una interferencia para otros lectores. Debido a su elevada potencia, es fundamental reducir al máximo las señales interferentes. Por ello la normativa americana utiliza técnicas de salto de frecuencias para evitar las frecuencias interferentes, y la europea selecciona el canal tras examinar los canales ocupados. En ambos casos, la señal interferente se reduce por los obstáculos en la propagación y la selectividad del filtro de banda base del lector (frecuentemente se utiliza un receptor homodino como el del la figura 4.2). La única forma de reducir la interferencia y por tanto aumentar la relación señal a interferencia CIR consiste en aumentar la atenuación en el camino de la señal interferente y con el filtrado de la señal con el filtro en banda base. La selectividad de dicho filtro depende de la separación de frecuencia del canal. En cualquier caso dicha selectividad es difícil que supere los 30 dB para el canal adyacente.

Selectividad

frecuencia

CanalCanal interferente

Selectividad

frecuencia

CanalCanal interferente

Figura 4.4. Aumento de la relación canal a interferencia CIR debido a la supresión de la

interferencia debido a la selectividad del filtro en banda base.

4.2 Sistema de medida

Para realizar el estudio de interferencias se utiliza el siguiente montaje experimental (Figura 4.5). Dicho sistema de medidas esta formado por una antena lectora emite energía para poder buscar tags, un tag pasivo se recarga a partir de dicha energía y responde a la antena lectora, cuando la señal de lectura está llegando al lector se acopla una señal de interferencia generada con el generador SMU300 mediante un acoplador realizado con líneas acopladas con un acoplamiento medido de 15.5 dB, la cual se controlara la potencia, por lo tanto se podrá realizar diferentes estudios ya que sabemos con potencia de interferencia se está trabajando. Para cada nivel de potencia se realizan 100 lecturas con elector, y se obtiene la tasa de lecturas correctas.

27

Figura 4.5 Esquema del sistema de medidas de Interferencias

Para poder observar a mayor escala en cómo afecta la señal de interferencia a la señal de lectura, trabajaremos en diferentes frecuencias, de esta manera se establece una frecuencia de interferencia cocanal, una frecuencia de interferencial de canal adyacente y finalmente una frecuencia de interferencia canal que trabaje a otra frecuencia alejada de la frecuencia en la que trabaja RFID (Figura 4.5).

28

Figura 4.5 (a) Interferencia Cocanal, (b) Interferencia canal adyacente, (c) Interferencia canal fuera del rango.

4.3 Medidas y comentarios Se han realizado medidas en función de la distancia de la antena respecto al tag,

como también la altura a la que se trabajaba, por lo tanto los resultados de estas medidas se encentran plasmados en tres gráficos que representan el porcentaje de acierto de una lectura en relación a la potencia de interferencia, la relación señal e interferencia (CIR) y finalmente la relación distancia de interferencia a porcentaje de lecturas. Se han estudiado dos alturas por polarización del tag y dos distancias entre tag y antena. La antena utilizada es una antena con polarización circular modelo FEIG ANT 250EU y el lector el lector FEIG LRU2000. La antena opera entre 865 MHz y 868 MHz con unas pérdidas de retorno inferiores a 10 dB y una ganancia de 9dB. La comunicación entre el ordenador de control y el lector se ha realizado mediante LAN y el software utilizado fue desarrollado en el marco de un proyecto final de carrera anterior [3]. El tag utilizado es un tag para superficies metálicas y se ha adherido a un plano de masa de 40 cmx30 cm. A continuación, en las figuras siguientes se muestran unas imágenes de la antena, el lector y el tag utilizados en la caracterización experimental.

Figura 4.6. Antena utilizada en las medidas Feig ANT250EU

29

Figura 4.7. Lector utilizado en banda europea Feig LRU2000

Figura 4.8: OnMetal tag UHF clase 1 Generación 2 de 96 bits de Schreider utilizado en las

medidas

La distribución de las medidas obtenidas y la nomenclatura utilizada en las pruebas de laboratorio, se encuentran en el anexo.

30

Figura Distancia (m) Altura (m) Polarización

Figura 4.9 1.5 1.5 Horizontal

Figura 4.10 1.5 1 Horizontal

Figura 4.11 2 1.5 Horizontal

Figura 4.12 2 1 Horizontal

Figura 4.13 1.25 1.5 Vertical

Figura 4.14 1.25 1 Vertical

Figura 4.15 1 1.5 Vertical

Figura 4.16 1 1 Vertical

Tabla 4.1. Casos estudiados en las medidas

31

Figura 4.9. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización horizontal,

distancia entre lector y tag de 1.5m y altura de antena del lector 1.5m.

32


distancia entre lector y tag de 1.5m y altura de antena del lector 1 m.

33


distancia entre lector y tag de 2 m y altura de antena del lector 1.5 m.

34


distancia entre lector y tag de 2 m y altura de antena del lector 1 m.

35

Figura 4.13. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización vertical,

distancia entre lector y tag de 1.25 m y altura de antena del lector 1.5 m.

36

Figura 4.14. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización vertical,

distancia entre lector y tag de 1.25 m y altura de antena del lector 1 m.

37

Figura 4.15. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización

vertical, distancia entre lector y tag de 1m y altura de antena del lector 1.5 m.

38

Figura 4.16. Porcentaje de lecturas correctas en función de la potencia interferente, la relación CIR y la distancia equivalente entre el lector y la interferencia para polarización

vertical, distancia entre lector y tag de 1m y altura de antena del lector 1 m.

39

4.4 Conclusión De los resultados experimentales anteriores se desprenden las siguientes

conclusiones:

El efecto de las interferencias aumenta la tasa de errores en la identificación de los tags. El lector tolera niveles de relación señal a interferencia de hasta -12 dB. Para niveles mas bajos la tasa de lecturas baja hasta en torno al 80-90% hasta llegar un punto donde la interferencia es demasiado intensa y el porcentaje de lecturas correctas cae muy rápido hasta el 0%.

El nivel de relación señal a interferencia umbral es muy similar para el caso de interferencia cocanal y canal adyacente y es en torno a -15 dB y -16 dB, respectivamente, en el peor caso. Para la interferencia fuera de banda el nivel umbral es de en torno a -18 dB, en el peor caso. Esas diferencia tan pequeñas muestran que la selectividad del filtro de entrada no es suficiente a 870 MHz para filtrar las interferencias, y únicamente filtraría interferencias muy alejadas, por ejemplo de la banda GSM de móviles.

Aunque existe muy poca diferencia entre la relación señal a interferencia umbral a partir de la cual deja de leer correctamente los tags, si se aprecia que en el caso de canal adyacente la tasa de lectura se empieza a degradar unos 2 dB más tarde.

En el caso de interferencias en bandas dicha interferencia debería estar a mas de 15 m para que no degradase la tasa de lecturas. Es imposible leer con dos lectores separados menos de 8 m en espacio libre.

Como en las medidas la interferencia se aplica directamente al lector a través del acoplador la altura de las antenas, polarización del tag y distancia del tag no influye en el nivel de interferencias. No obstante debido a la propagación multicamino influye en el nivel de señal que recibe el tag y en el nivel de señal que recibe el lector procedente del tag. Se observa como para polarización vertical las interferencias afectas mucho mas que en el caso de polarización horizontal. Esto es debido a que en el escenario medido existe mayor atenuación para la polarización vertical. Se observa como existen diferencias también con la distancia del tag, debido a que la atenuación se separa de la atenuación media predecida por el modelo de atenuación en espacio libre, que es el que se utiliza para estimar el nivel de señal. Estas diferencias pueden ser de incluso 8 dB en función de la distancia y polarización.

4.5 Referencias Bibliográficas [1] J. H. Bae, J. C. Kim, B. W. Jeon, J. W. Jung, J. S. Park, B. J. Jang, H. R. Oh, Y. J. Moon, and Y. R.

Seong, “Analysis of Phase Noise Requirements on Local Oscillator for RFID System Considering Range Correlation,” in the 2007 European Conference on Wireless Technology(EcWT’07), October 2007, pp. 385-388.

[2] A.Lázaro, D.Girbau, “Estudio de técnicas de diversidad en entornos RFID”, 2as Jornadas Científicas sobre RFID, Cuenca 5 a 7 de Noviembre de 2008.

[3] D.Salinas, Estudi de sistemes d’identificació per radiofreqüència (RFID) en bandes UHF”, Projecte Final de Carrera, URV, 2007.

40

5 Diversidad en Sistemas RFID

5.1 Introducción Para mitigar los efectos de las ráfagas de errores debido a propagación muticamino y

los efectos de las interferencias entre lectores, este trabajo propone utilizar técnicas de diversidad espacial, similares a las utilizadas en otros campos de aplicación Clarke (1968), Lee (1971). Estas consisten en seleccionar o combinar las señales procedentes de varias antenas que reciben señales incorreladas, de forma que aunque en alguna de ellas esté presente un desvanecimiento de señal, este desvanecimiento no afecte a todas las señales de las antenas. Las señales de salida de cada antena se combinan utilizando dos técnicas básicas: selección (figura 5.1.a) y combinación (figura 5.1.b). En la primera se conmuta entre las antenas y se escoge la mejor señal. Esta técnica es la que mejor se adapta en sistemas RFID. La segunda técnica se basa en combinar con unos pesos las señales de cada antena. Según los pesos utilizados se clasifican en Equal-gain combining (EGC), cuando se utilizan los mismos pesos, an=1, y Maximal ratio combining (MRC), cuando se utilizan los pesos óptimos, an. Esta última ofrece mejores prestaciones pero es difícil de aplicar en entornos RFID sin modificar el lector, mientras que la técnica EGC se puede aplicar utilizando un combinador conectado a la salida de las antenas. La tabla 2 muestra la probabilidad de error de bit media para el caso de canal gausiano, canal multicamino Rayleigh, y canal Rayleigh con diversidad por selección y combinación EGC.

...Antena 1

Antena MLECTOR

...Antena 1

Antena MLECTOR

a1

aM

(a) (b)

Figura 5.1 Técnicas de diversidad espacial: a) por selección, b) por combinación de las señales de cada antena.

5.2 Sistema de medida Para las pruebas de diversidad planteamos la siguiente situación, dos antenas lectoras

que estarán posicionadas a 45º grados entre ellas, en el mismo escenario habrá otra antena que generara la señal de interferencia e impedirá una mejor lectura a una de las antenas más que a otra de ellas, por lo tanto el sistema de diversidad empleado para las medidas es la técnica de diversidad por selección. Figura 5.2.

41

Figura 5.2 Esquema del sistema de medidas de Interferencias

5.3 Medidas Las medidas realizadas para comprobar la interferencia que existe en la lectura de

señal por el lector, no han variado respecto al anterior apartado, se realizan a partir de la variación de la potencia de la antena de interferencia y se estudian los resultados sobre el porcentaje de lectura sobre la antena A (antena que se encuentra situada frontalmente con la antena de interferencia) y antena B que esta desviada 45º de la antena A para evitar dicha interferencia. Se busca mitigar una interferencia producida por una antena directiva como sería la de otro lector del cual se conoce su situación. Debido a propagación multicamino ambas antenas recibirían interferencias procedentes de rebotes en otras direcciones.

En estas medidas, cabe recalcar que el estudio fue realizado solo en la frecuencia de 865.5 MHz.

De los resultados obtenemos el porcentaje de lectura por cada potencia de señal de interferencia de la antena de interferencia para cada antena A y B, y utilizamos el mismo método que en el apartado de interferencias para obtener el resto de gráficos.

Los gráficos de los resultados están ordenados según la tabla 5.1:

Figura Distancia (m) Diferencia º Polarización

Figura 5.3.1 1.25 0º Horizontal

Figura 5.3.2 1.25 45º Horizontal

Figura 5.3.3 1.25 0º Vertical

Figura 5.3.4 1.25 45º Vertical

Tabla 5.1. Casos estudiados en las medidas de diversidad angular

42

Figura 5.3.1 Diversidad horizontal 0º

43

Figura 5.3.2 Diversidad horizontal 45º

44

Figura 5.3.3 Diversidad vertical 0º

45

Figura 5.3.3 Diversidad vertical 45º

46

5.4 Conclusión El comportamiento frente a interferencias radiadas es similar al obtenido cuando la

interferencia se inyectaba a través del acoplador direccional. Se observa a partir de los resultados anteriores que la diversidad angular funciona en ambas polarizaciones. Para inclinación de 0º, las dos antenas reciben el mismo nivel de interferencia no existen mucha diferencia en el nivel de relación señal a interferencia umbral (en torno a 0.5-1 dB). Sin embargo se observan diferencias en el nivel de 4-5 dB en el nivel de CIR umbral cuando se desorientan 45º. Se obtiene que se puede prácticamente duplicar la distancia entre lectores utilizando el concepto de diversidad angular. Generalmente en los lectores se utiliza diversidad espacial donde las antenas están separadas una distancia tal que las señales recibidas están incorreladas. En el caso de diversidad espacial no se utiliza para mitigar las interferencias sino únicamente para aumentar la región de cobertura o evitar zonas donde no existe visibilidad directa entre tag y lector, generalmente por obstacularización por el propio objeto donde esta adherido el tag (caja, palet, etc).

Sin embargo podría utilizarse también para mitigar las interferencias. Por ejemplo, dos antenas a la misma altura pero separadas una cierta distancia, o bien antenas a varias alturas. En este caso de diversidad se obtendrían diferencias entre polarizaciones ya que el camino recorrido por la señal no es el mimo en ambas polarizaciones. A partir de distancias superiores a media longitud de onda (unos 18 cm) las antenas están incorreladas. Se consideran que dos antenas están incorreladas si cuando una de ellas recibe un nivel elevado la otra recibe unible más bajo. Como debido a la propagación multicamino y reflexiones se supone que las señales recibidas llegan uniformemente en todas direcciones. Esta situación no es del todo cierta, en el caso de las interferencias debido a un lector interferente orientado con nuestro lector. Por ello, deberían separarse en torno a 1 m para evitar interferencias de lectores en la línea directa, así al menos una de las antenas vería el lector interferente con un ángulo tal que cayese fuera del ancho de haz del diagrama de la antena del lector interferente. Otra solución para evitar interferencias en línea directa, si bien no siempre va a ser posible, consistiría en aumentar la atenuación intercalando una rejilla o cabina metálica entre el lector y el lector interferente. Con ella no se evitarían las interferencias multicamino pero si el rayo directo. Esta solución puede sir embargo provocar la modificación del canal por lo que pueden aparecer atenuaciones selectivas en al algunos puntos dentro de la región de lectura. En ese caso la utilización de diversidad aumenta también la tasa de lectura.

47

6 Conclusiones y líneas futuras

Con la realización de este proyecto se pueden extraer diferentes conclusiones. La primera es ver que el diseño de las antenas se ha llevado a cabo con resultados satisfactorios. Tanto la antena parche con polarización circular como la antena fractal, para las medidas de antena ya fabricada han sufrido un desplazamiento de frecuencia respecto al diseño, debido a que la permitividad relativa considerada en la simulación varia ligeramente de la real del sustrato utilizado, debido a inhomogeneidades. Por lo tanto para diseños de alta frecuencia este fenómeno de desplazamiento frecuencial se considera habitual.

Como futura ampliación de este proyecto, para corregir el desplazamiento frecuencial se propone una segunda iteración de fabricación, a partir de la caracterización del sustrato con esta primera iteración.

Para el estudio de interferencias el efecto de las interferencias se pudo comprobar que el lector tolera niveles de relación señal a interferencia de hasta -12 dB; para niveles bajos la tasa de lectura baja hasta en 80-90% hasta llegar un punto donde la interferencia afecta demasiado y el porcentaje de lectura cae al 0%. Según la polarización se pudo afirmar que la polarización vertical es afectada mucho más por las interferencias.

También se pudo evitar una degradación por interferencias en la tasa de lecturas la distancia entre dos lectores debería ser de más de 15m.

Como solución al problema que generaban las interferencias se planteo un método de diversidad angular, los resultados para la inclinación de 0º no obtuvieron mayor diferencia en el nivel de relación señal a interferencia umbral que fue entorno a 0.5 – 1 dB; sin embargo el problema tuvo mejor solución para la inclinación de 45º con un resultado de 4 – 5 dB en el nivel de CIR, permitiendo obtener los resultados que se querían.

Como ampliación del estudio de interferencias, se propone introducir nuevos parámetros y sistemas de medida para poder afirmar los resultados obtenidos; implementando también nuevos métodos de diversidad para un mejor estudio de estos.

48

7 Anexo

7.1 Tablas de distribución de medidas. Distribución de medidas según los parámetros de frecuencia, polarización, distancia

y altura tabla 7.1.

INTERFERENCIAS

Nombre fichero Polarización Rango potencias Generador dBm Altura

antena Distancia tag

Frecuencia

Ahord1m_5h1m*.txt Horizontal 0:1:7 7.5:0.5:8 8.2:0.2:10 1m 1.5m 865.5MHz

Ahord2mh1m*.txt Horizontal 0:1:6 6.5:0.5:9.5 9.6:0.1:10 1m 2m 865.5MHz

Ahor1m_5h1_5m*.txt Horizontal 0:1:4 4.5:0.5:8 8.2:0.2:9.4 1.5m 1.5m 865.5MHz

Ahord2mh1_5m*.txt Horizontal 0:1:4 4.5:0.5:8 8.2:0.2:9.4 1.5m 2m 865.5MHz

Aver_d1mh1m*.txt Vertical 0:1:5 .5:0.5:9 9.2:0.2:10.2 1m 1m 865.5MHz

Aver_d1_25mh1m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:9.8*(9.9) 1m 1.25m 865.5MHz

Aver_d1mh1_5m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:10 1.5m 1m 865.5MHz

Aver_d1_25mh1_5m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:10*(10.1) 1.5m 1.25m 865.5MHz

Bhord1m_5h1m*.txt Horizontal 0:1:8 8.5:0.5:9.5 9.6:0.1:10.3 1m 1.5m 866.5MHz

Bhord2mh1m*.txt Horizontal 0:1:7 7.5:0.5:8 8.2:0.2:10 1m 2m 866.5MHz

Bhor1m_5h1_5m*.txt Horizontal 0:1:4 4.5:0.5:9 9.2:0.2:9.6 1.5m 1.5m 866.5MHz

Bhord2mh1_5m*t.t Horizontal 0:1:5 5.5:0.5:8 8.2:0.2:9.6 1.5m 2m 866.5MHz

Bver_d1mh1m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:10*(10.1) 1m 1m 866.5MHz

Bver_d1_25mh1m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:10.2 1m 1.25m 866.5MHz

Bver_d1mh1_5m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:10.2 1.5m 1m 866.5MHz

Bver_d1_25mh1_5m*.txt Vertical 0:1:5 5.5:0.5:9 9.2:0.2:10 1.5m 1.25m 866.5MHz

Chord1m_5h1m*.txt Horizontal 0:1:7 7.5:0.5:12.5 12.6:0.1:13 1m 1.5m 870.0MHz

Chord2h1m*.txt Horizontal 0:1:7 7.5:0.5:12 12.2:0.2:12.4 1m 2m 870.0MHz

49

Chor1m_5h1_5m*.txt Horizontal 0:1:8 8.5:0.5:11 11.2:0.2:12.2 1.5m 1.5m 870.0MHz

Chor2mh1_5m*.txt Horizontal 0:1:8 8.5:0.5:11 11.2:0.2:12.2 1.5m 2m 870.0MHz

Cver_d1mh1m*.txt Vertical 0:1:8 8.5:0.5:12 12.2:0.2:12.6 1m 1m 870.0MHz

Cver_d1_25mh1m*.txt Vertical 0:1:8 8.5:0.5:12 12.2:0.2:12.6 1m 1.25m 870.0MHz

Cver_d1mh1_5m*.txt Vertical 0:1:8 8.5:0.5:11 11.2:0.2:12.2 1.5m 1m 870.0MHz

Cver_d1_25mh1_5m*.txt Vertical 0:1:8 8.5:0.5:11 11.2:0.2:12.4 1.5m 1.25m 870.0MHz

Tabla 7.1 Organización de las medidas de Interferencias

50

Distribución de las medidas de Diversidad según el ángulo de la antena y la polarización. Tabla 7.2.

ANGULO 45º ANGULO 0º

FREQ. 865.5MHz FREQ. 865.5MHz

POLARIZACION HORIZONTAL

Fichero Potencia (dBm) Fichero

Potencia (dBm) Fichero


Potencia (dBm)

diver_A_1 7 diver_B_1 13 diver_A_1 11 diver_B_1 11


diver_A_3 9 diver_B_3 14,2 diver_A_3 12,5 diver_B_3 12,5

diver_A_4 9,5 diver_B_4 14,4 diver_A_4 13 diver_B_4 13

diver_A_5 9,6 diver_B_5 14,6 diver_A_5 13,1 diver_B_5 13,2


diver_A_7 9,8 diver_B_7 15 diver_A_7 13,3 diver_B_7 13,6


diver_A_9 10 diver_B_9 15,2 diver_A_9 13,5 diver_B_9 14




POLARIZACION VERTICAL

Fichero Potencia (dBm) Fichero



Potencia (dBm)


diver_A_2 9 diver_B_2 13 diver_A_2 11,5 diver_B_2 12

diver_A_3 9,5 diver_B_3 13,5 diver_A_3 12 diver_B_3 12,5

diver_A_4 10 diver_B_4 14 diver_A_4 12,5 diver_B_4 13

diver_A_5 10,1 diver_B_5 14,2 diver_A_5 13 diver_B_5 13,2







diver_A_12 10,8 diver_B_12 15 diver_A_12 13,7 diver_B_12 14

diver_B_13 14,1

51

Tabla 7.2 Organización de las medidas de Diversidad.

7.2 Programas de MATLAB utilizados para generar todas las gráficas. Para generar las graficas de las lecturas de los tags se han utilizado dos programas,

uno que convierte los datos del fichero de texto a tablas enteras para poder trabajar con ellas convert.m, otro que trata los datos para obtener las graficas graf.m. Y diferentes programas para mostrar las medidas obtenidas utilizando formulas teóricas.

convert.m function [Data,DataTag]=convert(filename) DataTag=[]; %% Open the file and extract data (save data in the variable Data) fid=fopen(filename); contador=0; while 1 tline = fgetl(fid); if ~ischar(tline), break, end %disp(tline) d=sscanf(tline,'%i').'; tline = fgetl(fid); contador=contador+1; Data(contador,:)=d; if d(3)>0, for i=1:d(3), tline = fgetl(fid); d=sscanf(tline,'%x'); tend=dec2hex(d(end)); DataTag(contador).clase{i}=tend; tline = fgetl(fid); end; end; end fclose(fid);

graf.m %Fitxer de mesures filename='Ahor1_5mh1m'; %Nom fitxers Nmesures=100; %Nombre de tags per fitxer %Nombre fitxers Nfiles=20;%Tants com potencies %vector potencies %Pintv=linspace(8,13,Nfiles); Pintv=[0,1,2,3,4,5,6,7,7.5,8,8.2,8.4,8.6,8.8,9,9.2,9.4,9.6,9.8,10];

52

%Vectors de potencies Pv=30;%Potencia Reader en W %Captura lectures for k=1:Nfiles, filename0=[filename,int2str(k),'.txt']; %lectura del fitxer [Data,DataTag]=convert(filename0); I=find(Data(:,2)==Pv); Porcentatge(k)=sum(Data(I,3))/length(I); end; %end k %Grafiques t1='-o'; plot(Pintv,Porcentatge*100,t1) xlabel('Pint (dBm)'); ylabel('% Lecturas');

Cabe destacar que el programa grafica.m genera el CIR de cada medida y la función de distancia interferente.

grafica.m %Distancia entre tag i reader d=2;%2m Vmes=Pintv; Pormes=Porcentatge/max(Porcentatge)*100; %% Caso EU PT=(10^(28/10))*1e-3; %W GT=9; %dBi Gtag=0; %dBi rho1=0.1; %en Rx rho2=0.9; %en Tx f=866e6; l=3e8/f; R0=1000; %m alfa=4; %factor atenuacio n1=1.6; %factor atenuacio en zona 1 n1=2; Acoplament=15.5;%Acoplamiento del acoplador L=-20*log10(l/(4*pi))+n1*10*log10(d)+(alfa-n1)*10*log10(1+d/R0); Prup=10*log10(PT)+30+Gtag+GT+10*log10(1-rho1^2)-L; Prdown=10*log10(PT)+30+2*Gtag+2*GT+10*log10(rho2^2)-2*L; CIRmes=Prdown-(Vmes-Acoplament);

53

Lint=-(Vmes-Acoplament)-(GT+GT+20*log10(l/(4*pi))); rintmes=10.^(Lint/20); figure plot(CIRmes,Pormes,'-o') xlabel('CIR(dB)'); ylabel('% Lecturas'); figure plot(rintmes,Pormes,'-o') xlabel('Distancia interferente(m)'); ylabel('% Lecturas');

memoria diseño de antenas y caracterización de...

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