Disseny de sensor d’humitat basat en tag RFIDdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/2092pub.pdf · 2013. 10. 31. · Diagrama de blocs del sistema ..... 11 Figura 2.2. Esquema bàsic

Disseny de sensor d’humitat basat en tag RFID

TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica de Telecomunicacions, especialitat

Telemàtica

AUTOR: Dani Piñol Fernàndez.

DIRECTOR: Antonio Ramon Lázaro Guillén.

DATA: Setembre / 13.

2

Index

1 Introducció .......................................................................................................... 7

1.1 RFID ............................................................................................................ 7

1.2 Regulació internacional ............................................................................... 9

1.3 Objectiu ...................................................................................................... 10

2 Tag RFID........................................................................................................... 11

2.1 Arquitectura del sistema ............................................................................ 11

2.2 Rectificador ................................................................................................ 12

2.2.1 Disseny rectificador ................................................................................ 12

2.2.2 Fabricació rectificador ............................................................................ 17

2.2.3 Simulacions rectificador ......................................................................... 18

2.3 Doblador .................................................................................................... 20

2.3.1 Disseny doblador .................................................................................... 20

2.3.2 Fabricació doblador ................................................................................ 22

2.3.3 Mesures doblador ................................................................................... 22

2.4 Detector sensor d’humitat .......................................................................... 25

2.4.1 Disseny detector sensor d’humitat ......................................................... 25

2.4.2 Fabricació detector sensor d’humitat...................................................... 32

2.4.3 Mesures detector sensor d’humitat ......................................................... 35

2.5 Antena Parche de sortida ........................................................................... 46

2.5.1 Disseny antena parche ............................................................................ 46

2.5.2 Fabricació antena parche ........................................................................ 52

2.5.3 Mesures antena parche ........................................................................... 52

3 Recepció ............................................................................................................ 57

3.1 Filtre Pas Banda ......................................................................................... 57

3.1.1 Filtre salt d’impedància .......................................................................... 57

3.1.2 Filtre pas banda amb línies acoblades .................................................... 58

3.1.3 Filtre pas banda Combline ...................................................................... 59

3.2 Amplificadors ............................................................................................ 60

3.2.1 Era-3SM+ ............................................................................................... 61

3.2.2 Gali-84+ .................................................................................................. 62

4 Conclusions i línies futures ............................................................................... 66

4.1 Conclusions ................................................................................................ 66

4.2 Línies futures ............................................................................................. 66

5 Referencies ........................................................................................................ 67

3

Llistat de figures

Figura 1.1. Configuració bàsica sistema RFID ........................................................ 7

Figura 1.2. Mapa diferents regions de regulació .................................................... 10

Figura 1.3. Sensor d’humitat comercial ................................................................. 10

Figura 1.4. Circuit sensor d’humitat comercial ...................................................... 11

Figura 2.1. Diagrama de blocs del sistema ............................................................ 11

Figura 2.2. Esquema bàsic de recuperació de nivell de contínua........................... 12

Figura 2.3. Antena parche ...................................................................................... 13

Figura 2.4. Línies de camp travessant el dielèctric ................................................ 14

Figura 2.5. Esquema longitud efectiva .................................................................. 15

Figura 2.6. Esquema rectificador ........................................................................... 15

Figura 2.7. Simulació esquema rectificador programa ADS ................................. 16

Figura 2.8. Simulació del conversor utilitzant ADS .............................................. 16

Figura 2.9. Tag RFID ............................................................................................. 17

Figura 2.10. Rectificador........................................................................................ 17

Figura 2.11. Gràfica comparativa nombre de díodes envers l’eficiència. .............. 18

Figura 2.12. Gràfica adaptació ............................................................................... 19

Figura 2.13. Gràfica tensió detectada per a diferents dissenys .............................. 19

Figura 2.14. Gràfica tensió detectada a diferents consums de corrent a la sortida de

la rectena. ......................................................................................................................... 20

Figura 2.15. Gràfica esquema Doblador resistiu de freqüència ............................. 21

Figura 2.16. Layout Doblador resistiu de freqüència ............................................. 21

Figura 2.17. Doblador freqüència. ......................................................................... 22

Figura 2.18. Gràfica pèrdues conversió respecte la freqüència per diferents

potències d’entrada .......................................................................................................... 23

Figura 2.19. Gràfica pèrdues conversió respecte la freqüència. ............................ 24

Figura 2.20. Sensor humitat ................................................................................... 25

Figura 2.21. Disseny condensador programa AutoCAD ....................................... 26

Figura 2.22. Disseny condensador programa ADS ................................................ 26

Figura 2.23. Layout condensador programa ADS Momentum .............................. 27

Figura 2.24. Cap1 sensor humitat 5 pistes (mm) ................................................... 27



Figura 2.27. Gràfica comparativa nombre de dits .................................................. 29

4

Figura 2.28. Gràfica paràmetres S variant distància entre dits. ............................. 30

Figura 2.29. (Ge) “Gap end” espai al final de pista ............................................... 31

Figura 2.30. Gràfica paràmetres S variant distància entre espai final dels dits. .... 31

Figura 2.31. Sensor cas1, cas2 i cas3 respectivament. ........................................... 32

Figura 2.32. Sensors independents més petit tram de pista.................................... 32

Figura 2.33. Gràfica circuit obert petit tram de pista ............................................. 33

Figura 2.34. Gràfica caracterització sensor 5 pistes. .............................................. 33



Figura 2.37. Diagrama de blocs mesures detector ................................................. 35

Figura 2.38. Escenari de proves d’humitat............................................................. 35

Figura 2.39. Gràfiques mesura antena 1 amb sensor 1 .......................................... 37

Figura 2.40. Gràfiques mesura antena 1 amb sensor 1 (mesura 2) ........................ 39





Figura 2.45. Tensió detectada al escombrar la freqüència per diferents nivells de

potència, -5, -10, -13, -15, -18, -20 (dBm) ...................................................................... 44

Figura 2.46. Escombrat en potència a 865 i 868 MHz. .......................................... 45

Figura 2.47. Gràfiques pèrdues de conversió simulat i mesurat. ........................... 46

Figura 2.48. Antena parche 5 pistes (mm) ............................................................. 47

Figura 2.49. Antena parche 5 pistes càlculs teòrics ............................................... 47

Figura 2.50. Layout i esquema antena parche 5 pistes amb programa ADS ......... 48







Taula 2.3. paràmetres substrat ................................................................................ 51

Figura 2.57. Prototip Tag RFID ............................................................................. 52

Figura 2.58. Prototip Tag RFID amb vies .............................................................. 52

Figura 2.59. Diagrama blocs escenari proves ........................................................ 53

Figura 2.60. Escenari de proves ............................................................................. 53

5

Figura 2.61. Mesures sensor humitat escombrat en freqüència mesura potència. . 54

Figura 2.62.Gràfica Vdet vs Potència lineal i logarítmic respectivament.............. 55

Figura 2.63.Gràfica Tag aire 1. .............................................................................. 55

Figura 2.64.Gràfica Tag aire 2. .............................................................................. 56

Figura 2.65. Gràfica capacitat vs RH i freqüència ressonància vs RH. ................. 56

Figura 3.1. esquema filtre salt d’impedància. ........................................................ 57

Figura 3.2. Filtre línies acoblades. ......................................................................... 58

Figura 3.3. Filtre Combline. ................................................................................... 59

Figura 3.4. Layout i esquema filtre Combline amb programa ADS. ..................... 60

Figura 3.5. Gràfica paràmetres S filtre Combline. ................................................. 60

Figura 3.5. Diagrama de blocs sistema receptor. ................................................... 61

Figura 3.6. amplificador Era-3SM+. ...................................................................... 61

Figura 3.7. Data Sheet amplificador Era-3SM+. ................................................... 62

Figura 3.8. amplificador Gali-84+. ........................................................................ 63

Figura 3.9. Esquema filtre Combline, Era-3SM+ i Gali-84 ................................... 63

Figura 3.9. Caixa fabricada per junta filtre i amplificadors ................................... 64

Figura 3.10. Potència vs RH .................................................................................. 64

Figura 3.11. Mesura de l’espectre amb 7 m de distancia entre el tag i el lector.

Ample de banda de resolució d’espectre de 1 kHz. ......................................................... 65

Figura 3.12. mesura de variació potencia rebuda en funció de la freqüència

d’entrada per a diferents valors d’humitat. Distancia entre tag i lector de 1.5 m. ........... 65

6

Llistat de taules

Taula 1.1. Freqüència vs Potència ................................................................................... 8

Taula 1.2. Freqüència vs Potència 2 ................................................................................ 8

Taula 2.2. Quadre característiques díode Schottky. ...................................................... 22

Taula 2.3. paràmetres substrat ....................................................................................... 51

7

1 Introducció

Cada cop més, la necessitat de que els nostres dispositius funcionin sense cables és

una realitat evident, no només a l'hora d'establir una comunicació o transmetre informació

de la forma més rapida i segura, sinó també en alimentar l'aparell en qüestió, ja sigui amb

cables, piles o bateries. Fent que aquestes ultimes incrementin el cost i disminueixin la

seva vida útil.

Així doncs, aquest projecte d'alguna manera vol desenvolupar un d'aquest

dispositius, absents de cables i bateries integrades, anomenats dispositius passius que

aprofiten l'energia de RF rebuda per donar corrent al aparell i aconsegueixen enviar la

informació desitjada, en el nostre cas el valor d'humitat.

1.1 RFID

Aquest mètode automàtic d'identificació (Radio Frequency Identification) és utilitzat

per emmagatzemar i recuperar dades remotes que utilitza el Tag o l’etiqueta. Sorgeix al

començament de la Segona Guerra Mundial per l'exèrcit britànic amb la finalitat de

distingir els avions aliats, dels enemics que entraven per la costa. Més endavant, a la

dècada dels 60, va tindre una gran importància comercial, apareixent en forma

d'antirobatori de peces de roba feia sonar una alarma a l’ésser detectat.

De forma més genèrica, la tecnologia RFID és emprada per fer el seguiment d'un

producte, identificar el lloc de producció o verificar l'autenticitat. Aquesta tecnologia no

necessita una línia de visió, les etiquetes poden treballar en ambients més hostils. Així

doncs, per solucionar les limitacions que hi ha a la tecnologia del codi de barres,

actualment, aquest últim funciona amb un lector òptic que permet llegir un codi, amb el

qual es podrà fer la comparativa en una base de dades, fet que implica tindre un servidor

amb les referències dels productes. D'altra banda, la tecnologia RFID permet fer aquesta

lectura amb ones electromagnètiques, llegint a mode de codi de barres, les anomenades

etiquetes o tags RFID, i solucionen, així, el fet que no sigui necessari una visió directa

entre l'emissor i l'antena tag receptora, dotant d'informació real al Tag.

La configuració bàsica d’un sistema RFID és la següent: (figura 1.1).

Figura 1.1. Configuració bàsica sistema RFID

- transponedor situat en l’objecte que es vol identificar

- interrogador per llegir (reader).

8

Les bandes de freqüència permeses per a la utilització de la tecnologia RFID son a

125 KHz a la banda LF, a 13,56 MHz a la banda HF i de 860-960 MHz més 2,45 GHz a la

banda de microones.

Una arquitectura molt senzilla és la que adopta aquest sistema compost només pels

tags o etiquetes, el lector de RFID i un sistema de processament.

Les etiquetes o tags poden ser classificats de distintes formes, segons el tipus de

comunicació pot ser unidireccional (halfdúplex) o bidireccional (full dúplex), segons la

quantitat de dades transmeses, pocs bits, detector de presència o varis milers de kBytes,

però la més generalitzada és la que els distingeix per la forma de ser alimentats, així

doncs, es poden diferenciar en actius, semipassius i passius. Aquests primers son tags que

necessiten la presència de bateria per al seu correcte funcionament, tant per alimentar el

xip, com per a enviar la informació desitjada. Els semipassius estarien dotats d'una bateria

o pila amb la finalitat que alimentés el xip solament i utilitzés l’energia de RF per a enviar

la informació, finalment, tenim els passius que, tant al xip com a l'antena, s'alimenten a

partir de les ones electromagnètiques radiades per l'emissor.

Depenent de la freqüència emprada, els nivells de potència venen donats per la taula

1.1 i taula 1.2 següent:

Classe Rang (MHz) ISM-27 MHz ISM-40 MHz ISM-433 MHz

I 25-1000 10 mW 10 mW 10 mW

II 300-1000 25 mW

III 25-300 100 mW 100 mW

IV 300-1000 100 mW

Taula 1.1. Freqüència vs Potència

Freqüència

Classe 1.0-5.0 GHz 5.0-20 GHz > 20 GHz

I 10 mW 25 mW 100 mW

II 500 mW 500 mW 500 mW

III 500 mW 2 W 2 W

Taula 1.2. Freqüència vs Potència 2

Una altra forma de classificar-los pot ser valorant si són de lectura, lectura i

escriptura o anticol·lisió. En aquest primer cas, la informació ja ve inserida en el moment

en que es fabrica el tag, i només és de lectura. El segon tipus permet modificar la

informació que hi ha a la memòria integrada del tag o, simplement, fer una lectura d'ella.

Finalment els tags d'anticol·lisió permeten fer una lectura de molts dispositius tags alhora,

assegurant la visualització de tots.

9

Cada país fixa les regles per assignar les freqüències i potències màximes. Extret de

[1], les principals corporacions que s’encarreguen de la regulació són:

U.S.: FCC (Federal Communications Commission)

Canadà: DOC (Departament de la Comunicació)

Europa: CEPT (sigles del seu nom en francès Conférence européenne des

administrations des postes et des télécommunications), ETSI (European

Telecommunications Standards Institute, creat per la CEPT) i administracions

nacionals

Japó: MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affairs, Post and

Telecommunication)

Xina: Ministeri de la Indústria d’Informació

Austràlia: Autoritat Australiana de la Comunicació (Australian Communication

Authority)

Nova Zelanda: Ministeri de desenvolupament econòmic de Nova Zelanda (New

Zealand Ministry of Economic Development)

1.2 Regulació internacional

Les regulacions [2] s’imposen a gairebé tots els països (3 regions) (Figura 1.2) per a

controlar emissions i per a prevenir interferències amb equips industrials, científics i

mèdics

REGIÓ 1: Europa, CEPT

Banda UHF assignada 865-875 MHz

REGIÓ 2: USA, the Federal Communications Commission (FCC)

Banda UHF permesa 902-928 MHz

REGIÓ 3: Japó, (MPHPT) Ministery of Public Management, Home Affairs, Post and

Telecommunication

Banda 950 MHz

10

Figura 1.2. Mapa diferents regions de regulació

1.3 Objectiu

El propòsit d'aquest projecte és fer l'estudi, el disseny, la fabricació i la comprovació

d'un dispositiu sensor d'humitat de RFID absent de bateries o piles. Així doncs, aquest

aparell passiu aprofita el senyal de radiofreqüència del sistema de processament i

rectificant-lo pot alimentar el mecanisme per respondre amb el nivell d'humitat.

Aquestes últimes proves es realitzaran amb un sensor d'humitat comercial el HIH-

5030 de la casa Honeywell, (Figura 1.3) de dimensions molt reduïdes, té un consum típic

de 200µA i un marge d'error del 3%.

La comparació amb el sensor d'humitat comercial servirà tant per calibrar com per

comprovar el nostre sensor passiu.

Figura 1.3. Sensor d’humitat comercial

11

Figura 1.4. Circuit sensor d’humitat comercial

En la figura anterior podem veure el circuit d'una aplicació típica del sensor

d'humitat (figura 4).

2 Tag RFID

2.1 Arquitectura del sistema

En aquest apartat es vol ensenyar l'arquitectura del sistema de forma més gràfica, així

com alguns petits càlculs necessaris per definir les mides de la rectena i la permeabilitat del

material. Així doncs, tal i com s'aprecia a la Figura 2.1, el sistema consta de tres grans

blocs ben diferenciats, la part transmissora, el tag i la part receptora.

Figura 2.1. Diagrama de blocs del sistema

El conjunt transmissor consta d'un oscil·lador a freqüència central 865 MHz, d’un

amplificador de potència, el filtre pas banda, per minimitzar la transmissió d'harmònics, i

d’una antena transmissora.

El tag conté dues antenes, una per a la recepció a freqüència central 865 MHz i l'altra

per a la transmissió a freqüència doble 1730 MHz, més endavant s'especificarà més sobre

el tag i les seves parts.

12

El conjunt receptor disposa d'antena receptora a freqüència doble 1730 MHz, de filtre

pas banda per evitar interferències que puguin filtrar-se de l'antena transmissora, d’

amplificador de baix soroll i del detector.

2.2 Rectificador

Degut a que el nostre dispositiu és passiu només hi ha una forma per alimentar

l'oscil·lador local, i és aprofitant l'energia electromagnètica que capta l'antena parche

transmesa per l'emissor. Aquest senyal, dèbil i altern, és suficient pel bon funcionament del

dispositiu. [3] ens mostra, tal i com podem veure en l’esquema bàsic de recuperació de

nivell de contínua de la Figura 2.2:

Figura 2.2. Esquema bàsic de recuperació de nivell de contínua

2.2.1 Disseny rectificador

Per realitzar el disseny de tag de RFID s'han utilitzat programes com

ADS/Momentum (Agilent EEsoft EDA), per fer els esquemes, layouts i mesures teòriques;

LineCalc (Aplicació del programa ADS d’Agilent) i txline, pel càlcul de les línies

microstrip.

Mes en davant es pot veure algunes captures dels esquemes del rectificador i resultats

simulats fets amb el programa ADS/Momentum (Agilent EEsoft EDA)

S'ha dissenyat l'antena parche receptora amb unes mesures molt concretes ja que es

vol que el sistema treballi a la banda de 865 MHz, així doncs, els paràmetres que vénen

imposats són la freqüència (fr), la permitivitat del substrat (Er) i l'alçada de les pistes (h).

No obstant, s'ha dissenyat l'amplada (W) i la longitud (L) de l'antena per a que ressoni a la

freqüència desitjada

fr: Freqüència de treball del tag RFID 865 MHz.

εr: permitivitat del substrat 4,7 F/m

h: Alçada de les pistes 1,6*10-3

m.

W: Amplada de les pistes en m.

L: Longitud de la pista en m.

13

∆L: increment de la llargada de la pista en m.

Ereff: Permitivitat elèctrica efectiva

Leff: Longitud efectiva en m.

c: velocitat de la llum en el buit 3*108

1. Determinar amplada W slot ressonant.

A partir de la freqüència, i la permitivitat del substrat s'ha determinat l'amplada de l’

slot ressonant. Tal i com s'aprecia a l’equació (2.1) i Figura 2.3, les mides de l'antena

microstrip són inversament proporcionals a la freqüència.

Figura 2.3. Antena parche

1

2

2

c

1

2

2

1

00

rrrr

ff=W

(2.1)

On: c és la velocitat de propagació del llum en el buit

μ0 és la permeabilitat magnètica en el buit

ε0 és la permitivitat en el buit

2. Estimar Ereff permitivitat elèctrica efectiva

Aquest pas intermedi [Equació (2.2)] és necessari per al càlcul de la longitud de l'antena

receptora del tag que es mostrarà més endavant.

14

11212

1

2

1 2

1

rr h

Wper

W

h=Ereff

(2.2)

La permitivitat i la permeabilitat defineixen les característiques electromagnètiques

del material, així doncs, pot variar el seu comportament depenent d'aquests paràmetres.

La permitivitat provoca canvis a la impedància de l'ona que es propaga, així doncs,

una ona electromagnètica arriba a un superfície separada per un dielèctric, una part de la

ona es reflecteix i una part travessa el dielèctric. Tal i com s'observa a la Figura 2.4:

Figura 2.4. Línies de camp travessant el dielèctric

D'altra banda, cal dir que la permitivitat del substrat ens la dona el fabricant però un

cop fetes les primeres mesures, s'ha aplicat un factor 1.04 per corregir aquesta variació,

descoberta a partir de fer mesures al laboratori, ja que no sempre la permitivitat del substrat

donada pel fabricant és exactament la mateixa a cada procés de fabricació.

Més endavant, es parlarà de l’elecció més idònia de substrat, ja que una permitivitat

alta ens condueix i concentra millor les línies de camp pel dielèctric.

3. Càlcul longitud

S'obté la longitud de l'antena receptora mitjançant la (2.3) Es defineix, així doncs, la

longitud efectiva (Leff) com a la llargada de la pista més dues vegades l’increment de la

longitud (∆L), tal i com es veu a la figura 2.5:

15

(2.3) Figura 2.5. Esquema longitud efectiva

.

On: W és l'amplada de la pista

h és l'alçada de la pista

εreff és la permitivitat elèctrica efectiva

fr és la freqüència central

Aquesta conversió de corrent alterna a corrent contínua (AC-DC) és possible gràcies

a una cascada de díodes tal i com podem apreciar al a Figura 2.6:

Figura 2.6. Esquema rectificador

...

...

VDC

OUT

100pF

...

7.5nH

6.8pF

100pF

100pF

100pF 100pF 100pF

FROM

INPUT

ANTENNA

HSMS-2852

HSMS-2852

HSMS-2852

16

Per realitzar el disseny de l'antena parche s'ha utilitzat el programa ADS/Momentum

(Agilent EEsoft EDA) anteriorment esmentat. A continuació es mostren algunes captures

del programa Figura 2.7 i Figura 2.8:

Figura 2.7. Simulació esquema rectificador programa ADS

-25 -20 -15 -10 -5 0 5-30 10

2

4

6

8

10

12

14

0

16

Pin

rea

l(V

de

t[::,0

])

Readout

m1

m1indep(m1)=plot_vs(real(Vdet[::,0]), Pin)=1.079

-19.600

-25 -20 -15 -10 -5 0 5-30 10

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

-16

0

Pin

dB

(rh

o)

Readout

m3

m3Pin=dB(rho)=-15.581Min

-22.000

Figura 2.8. Simulació del conversor utilitzant ADS

17

2.2.2 Fabricació rectificador

En una placa de circuit imprès (PCB), s'ha fabricat el rectificador junt a la resta de

components que conformen el tag de RFID i en una altra s'hi ha fabricat el rectificador sol

per poder fer la caracterització del mateix.

Es veu a la Figura 2.9 i Figura 2.10 el rectificador de forma integrada en el tag:

Figura 2.9. Tag RFID

Figura 2.10. Rectificador

18

2.2.3 Simulacions rectificador

Les simulacions preses al laboratori són les següents:

Eficiència en funció de la potència d’entrada de la rectena

Adaptació rectena

Tensió detectada en funció de la potència d’entrada

Eficiència vs Potencia entrada rectena

S'ha fet un estudi comparatiu del nombre de díodes en vers l’eficiència, ja que, molts

díodes augmenten el consum del dispositiu i amb pocs, no s’aconsegueix la tensió mínima

per alimentar les portes lògiques de l’oscil·lador del modulador. Així doncs, es pot veure a

la Figura 2.11 aquesta comparativa. És un compromís entre el consum i el suficient

nombre de díodes per a que la ona quedi rectificada amb un rissat aprofitable.

Figura 2.11. Gràfica comparativa nombre de díodes envers l’eficiència.

Adaptació rectena

Té una importància fonamental l’adaptació de l'antena a la freqüència de treball, ja

que, s’assegura l'aprofitament màxim de l'energia electromagnètica rebuda , aquest s’ha fet

adjuntant la xarxa LC a l’antena per a cada cas independent. No s'ha d'oblidar que els

nivells de potència detectada són molt baixos, es veu a la Figura 2.12 com la rectena de 5

díodes està millor adaptada pel nivell de potència típics de l’ordre -25 dB i -20 dB

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10-20

-10

0

10

20

30

40

Pin

Eficie

ncia

Eficiencia

rectena2

rectena3

rectena4

rectena5

rectena6

19

Figura 2.12. Gràfica adaptació

Tensió detectada en funció de la potència d’entrada

Paral·lelament s'ha confeccionat l'estudi comparatiu per a diferents nivells de

potència (-20 dBm i -10 dBm) la tensió detectada pels diferents dissenys, des de 2 fins a 6

díodes tal i com s'aprecia a la Figura 2.13. I la tensió detectada a diferents nivells de

potència d’entrada per la rectena amb 5 díodes com mostra la Figura 2.14.

Figura 2.13. Gràfica tensió detectada per a diferents dissenys

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Pin(dBm)

rho d

B

Adaptació

rectena2

rectena3

rectena4

rectena5

rectena6

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10-5

0

5

10

15

20

Pin (dBm)

Vdet

(V)

Vdet vs Pin

rectena2

rectena3

rectena4

rectena5

rectena6

20

Figura 2.14. Gràfica tensió detectada a diferents consums de corrent a la sortida de la

rectena.

2.3 Doblador

En aquest apartat s'ha dissenyat, fabricat i comprovat un doblador de freqüència.

Extremament necessaris ja que rebem a una freqüència i transmetem a una altra dintre del

mateix sistema, sinó, no es podrà diferenciar un senyal (entrada) de l'altre (sortida). El tag

rep l'energia electromagnètica a 865 MHz. Aquest senyal és rectificat i amplificat. Un cop

doblat a 2f0, es capaç de transmetre el mateix senyal però aquest cop a 1730 MHz.

A continuació s'explicarà com s'ha dissenyat el doblador de freqüència que es troba a

l'antena parche, partint de la base [4].

2.3.1 Disseny doblador

Es proposa un disseny de doblador resistiu amb un díode Schottky tal i com es

mostra al esquema de la Figura 2.15:

Tant la línia d'entrada com la de sortida són sintonitzadors de quart d'ona a la

freqüència fonamental (f0). L'stub λ/4@f0, acabat en curtcircuit de l'entrada, dona a efectes

del ànode del díode circuit obert a f0 i curtcircuit a 2f0. D'altra banda, l'stub en circuit obert

del càtode del díode es troba en curtcircuit a f0 i circuit obert a 2f0. Així, s'aconsegueix

aïllar l'entrada de la sortida. La xarxa de polarització s’utilitza per modificar el punt de

polarització del díode i així modular les pèrdues de conversió.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Pin (dBm)

Vdet

(V)

Vdet vs Pin rectena 5

0uA

1uA

2uA

3uA

4uA

5uA

6uA

7uA

8uA

9uA

10uA

21

Figura 2.15. Gràfica esquema Doblador resistiu de freqüència

No obstant el layout del doblador és el que es veu a la Figura 2.16. L'entrada està

situada a la part inferior, al centre de l'esquema es troba el díode Schottky HSMS-2850 de

la casa AVAGO technologies, algunes característiques s'han extret del data sheet del

fabricant i les més importants es mostren al Taula 2.2 .

Figura 2.16. Layout Doblador resistiu de freqüència

22

SOT-23/SOT-143 DC

Especificacions elèctriques, TC = +25°C

Condicions de test

Màxima tensió directa

VF (mV)

150 0,1 mA

Fuga màxima típica inversa

IR (μA)

175 VR=2V

Capacitat típica

CT (pF)

0,30 VR = 0.5 V to 1.0V

f = 1 MHz

Taula 2.2. Quadre característiques díode Schottky.

2.3.2 Fabricació doblador

S'ha fabricat el doblador de freqüència seguint l’esquema de la figura 2.15 anterior i

també s'ha fet de forma independent, però sense la xarxa de polarització per modular les

pèrdues de conversió, per la caracterització del mateix, tal i com es veu a la fotografia de la

Figura 2.17 següent:

Figura 2.17. Doblador freqüència.

2.3.3 Mesures doblador

Algunes de les mesures preses al laboratori són pèrdues de conversió respecte la

Potència (Figura 2.18), les quals s'han comprovat a 0, -10 i -20 dB, i pèrdues de conversió

respecte la freqüència (Figura 2.19) les quals s'han mesurat a 865, 868, i 869 MHz.

23

Tot seguit es mostren els resultats obtinguts al laboratori

Pèrdues conversió respecte la Potència

0 dBm

-10 dBm

-20 dBm

Figura 2.18. Gràfica pèrdues conversió respecte la freqüència per diferents potències

d’entrada

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 100023

23.5

24

24.5

25

25.5

26

26.5

27

f(MHz)

Convers

ion L

oss(d

B)

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 100015.5

16

16.5

17

17.5

18

18.5

f(MHz)

Convers

ion L

oss(d

B)

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 100039

39.5

40

40.5

41

41.5

42

42.5

43

43.5

44

f(MHz)

Convers

ion L

oss(d

B)

24

S'ha realitzat un escombrat de freqüències de 800MHz fins 1GHz a diferents nivells

de potència i es demostra que, per nivells de potència més baixos, les pèrdues de conversió

són més elevades i augmenten el rissat de la gràfica

Pèrdues conversió respecte la freqüència

865 MHz

868 MHz

869 MHz

Figura 2.19. Gràfica pèrdues conversió respecte la freqüència.

Es demostra a través de la comparació de les gràfiques anteriors que, a mesura que

s'augmenta de freqüència, també augmenten lleugerament les pèrdues de conversió

-20 -15 -10 -5 0 515

20

25

30

35

40

45

Pin(dBm)

Convers

ion L

oss(d

B)

-20 -15 -10 -5 0 515

20

25

30

35

40

45

Pin(dBm)

Convers

ion L

oss(d

B)

-20 -15 -10 -5 0 515

20

25

30

35

40

45

Pin(dBm)

Convers

ion L

oss(d

B)

25

2.4 Detector sensor d’humitat

El principi que regeix el funcionament del sensor d'humitat (Figura 2.20) és el

mateix que el d'un condensador, ja que treballant amb línies coplanar, el fet que un

dielèctric estigui entre dues pistes és suficient per a que actuï com una capacitat. El

funcionament es vasa que al variar la humitat relativa, es modifica la permitivitat de l’altre

extrem de la placa al anar penetrant aigua, de manera que es modifica la capacitat. Al

modificar-se la capacitat es desplaça la resposta de l’antena parche carregada amb aquest

condensador. L’antena parche es dissenya per la capacitat nominal del sensor amb aire sec

Figura 2.20. Sensor humitat

En aquest capítol es farà una explicació específica del disseny, fabricació i les

mesures preses dels sensor d'humitat. A continuació, s'explicarà el disseny de tres tipus de

sensors diferents.

2.4.1 Disseny detector sensor d’humitat

A fi d'optimitzar, el disseny d'un sensor d'humitat s'ha fet a partir de l'estudi de tres

casos. Així, es podrà verificar quin s'adapta millor a les nostres necessitats. En el primer

cas, s’estudia el sensor com si fos una capacitat (cap1) amb 5 pistes; en el segon cas

(cap2), s'ha realitzat amb 7 pistes i en el tercer cas (cap3), amb 9 pistes. D'altra banda s'ha

fet un estudi paral·lel de la variació d'adaptació variant la distància entre pistes (G), la

distància entre final de pistes (Ge) i l'amplada (W).

El disseny final s'ha fet amb el programa AutoCAD 2011 i els càlculs teòrics amb el

programa ADS/Momentum (Agilent EEsoft EDA), alguna de les captures es mostren a la

Figura 2.21, Figura 2.22 i Figura 2.23 següents:

26

Figura 2.21. Disseny condensador programa AutoCAD

Figura 2.22. Disseny condensador programa ADS

27

Figura 2.23. Layout condensador programa ADS Momentum

CAS 1

El primer sensor (Cap1), tal i com es pot veure a l’esquema de la Figura 2.24, consta

de de 5 pistes a cada costat, que s'entrellacen a mode de graella. La distància entre les

pistes del sensor és de 0,3 mm (G), l'amplada de les pistes és de 0,3 mm (W) i la distància

que hi ha entre l'extrem de les pistes és de 0,3 mm. (Ge) tal i com podem veure en l'esquem

acotat de la Figura 2.24

Figura 2.24. Cap1 sensor humitat 5 pistes (mm)

28

CAS 2

El segon sensor (Cap2) és de disseny similar tal i com veiem a la Figura 2.25.

Aquest consta de 7 dits que formen el sensor. La distància entre les pistes del sensor és de

0,3 mm (G), l'amplada de les pistes és de 0,3 mm (W) i la distància que hi ha entre l'extrem

de les pistes és de 0,3 mm(Ge).


CAS 3

Finalment, també s'ha dissenyat un tercer sensor (Cap3) per poder fer un petit estudi

comparatiu envers el nombre de dits del sensor, format per 9 dits, la distància entre les

pistes del sensor són de 0,3 mm (G), l'amplada de les pistes és de 0,3 mm (W) i la distància

que hi ha entre l'extrem de les pistes és de 0,3 mm (Ge). tal i com ja em vist anteriorment

en l'esquema acotat de la Figura 2.26:


29

A continuació, es veuran diferents gràfiques comparant el comportament dels

paràmetres S. A la primera s'ha comparat el mateix sensor variant el nombre de dits, a la

segona s'ha comparat el sensor variant la distància que hi ha entre els dits, a la tercera s'ha

comparat el sensor variant la distància que hi ha entre el final dels dits, i a la quarta gràfica

s'ha variat l'amplada dels dits

L'estudi comparatiu dels tres casos ens demostra que el nombre de dits influeix en

l'adaptació de l'antena tal i com podem veure a la gràfica de la Figura 2.27. Es pot apreciar

com a l’augmentar de dits i mantenint la mateixa distància de separació entre les pistes,

disminueix la freqüència a la que s'adapta, per un sensor amb 13 dits el sensor ressona a

1660 MHz i per un sensor amb 5 dits el sensor ressona a 1750 MHz.

Figura 2.27. Gràfica comparativa nombre de dits

A l’augmentar la distància entre els dits de forma desproporcionada disminueix

l'adaptació i, per tant, modifica la impedància característica de la línia, tal i com podem

apreciar a la gràfica de la Figura 2.28:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 109

-25

-20

-15

-10

-5

0

X: 1.734e+009

Y: -21.05

Frequency

Mag[d

B]

S11

cond 5p 03g 03ge

cond 7p 03g 03ge

cond 9p 03g 03ge

30

Figura 2.28. Gràfica paràmetres S variant distància entre dits.

També podem veure com la desadaptació és més notòria a l'hora de no respectar les

proporcionalitats de les pistes i la distància entre elles, ja que, comparant el mateix

condensador i fent que la distància entre les pistes sigui molt més gran, els resultats teòrics

són desfavorables.

El condensador amb 5 pistes i una separació entre elles de 5 mm queda adaptat a

1660 MHz, mentre que els altres, que només tenen una separació entre pistes de 0,1, 0,3 i

0,5 mm, queden adaptats al voltant dels 1740 MHz.

Finalment, s'ha comprovat variant la distància que hi ha en l'espai buit del final de les

pistes, tal i com veiem a la figura 2.29. Els resultats són una altra vegada els esperats, ja

que si fem aquest espai més estret, la desadaptació és més abrupta tal i com podem veure a

la gràfica de la figura 2.30:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 109

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequency

Mag[d

B]

S11

cond 5p 01g 01ge 01w



cond 5p 5g 01ge 01w

31

Figura 2.29. (Ge) “Gap end” espai al final de pista

Figura 2.30. Gràfica paràmetres S variant distància entre espai final dels dits.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 109

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequency

Mag[d

B]

S11




cond 5p 01g 5ge 01w

32

2.4.2 Fabricació detector sensor d’humitat

En aquest punt i després d’estudiar els resultats teòrics s'ha optat per fabricar tres

tipus de sensor, un grup de tres de forma adherida a l'antena, tal i com es veu a la Figura

2.31, i l'altre grup de tres de forma independent per poder caracteritzar el seu

comportament, com es mostra a la Figura 2.32.

Figura 2.31. Sensor cas1, cas2 i cas3 respectivament.

Figura 2.32. Sensors independents més petit tram de pista.

La caracterització dels components ens descobreix el seu comportament davant de

diferents situacions. S'ha comprovat com respon el dispositiu quan es troba en circuit obert

tal i com podem apreciar a la Figura 2.33, també com respon davant curtcircuit, així doncs,

a continuació, es mostren alguns dels resultats obtinguts al laboratori Figura 2.34, Figura

2.35 i Figura 2.36.

33

Figura 2.33. Gràfica circuit obert petit tram de pista

Figura 2.34. Gràfica caracterització sensor 5 pistes.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

X: 1731

Y: 0.01938

f(MHz)

C(p

F)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

X: 1731

Y: 2.28

f(MHz)

C(p

F)

34



0 500 1000 1500 2000 2500 3000-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

X: 1731

Y: 4.841

f(MHz)

C(p

F)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-10

-5

0

5

10

15

20

X: 1731

Y: 3.672

f(MHz)

C(p

F)

35

2.4.3 Mesures detector sensor d’humitat

L'escenari emprat al laboratori per realitzar aquest tipus de mesures és el que es

mostra al diagrama de blocs de la Figura 2.37, format per un generador de funcions , el

detector a mesurar, un multímetre i un ordinador. Controlat per ordinador, el multímetre

llegeix els valors de mesura que rep del detector i són processats per l'ordinador.

Figura 2.37. Diagrama de blocs mesures detector

A fi de tindre les condicions el màxim controlades possible s'ha enginyat un escenari

que consta d'una caixa, on es troba el sensor i el sensor comercial HIH-5030, per controlar

i concentrar la humitat en un sol punt, ja que, variar la humitat relativa d'una habitació

sencera és més difícil i costós, un sistema de control per vàlvules, que distribueix el pas del

vapor d'aigua (100% d'humitat) o de l'aire comprimit (0% d'humitat) cap a la caixa o cap a

un desguàs, i una sortida d'aire comprimit connectat al sistema de control per vàlvules. El

vapor s'ha aconseguit escalfant aigua en un matràs Erlenmeyer i guiant-la pel sistema de

control per vàlvules tal i com podem veure a les fotografies de la Figura 2.38 següent:

Figura 2.38. Escenari de proves d’humitat

36

Tot seguit es mostraran un sèrie de gràfiques preses al laboratori per tal d'explicar les

característiques més importants dels resultats obtinguts, també s'ha pres mesures junt amb

el sensor comercial HIH-5030, esmentat en el capítol 1, per tal de calibrar i verificar el

correcte funcionament del dispositiu.

Com s'observa a la Figura 2.39 la variació de freqüència va lligada amb la variació

d'humitat. S'han realitzat diferents tests de 2 minuts aproximadament (120 segons), per

veure la variació al llarg del temps, ja que, augmentar i disminuir la humitat relativa és un

procés lent.

Es veu com, a partir del segon 100, comença a pujar la humitat relativa i que, abans

del segon 150, ja ha arribat al 100%, després ve un tram de saturació en el que, si més no,

la humitat relativa ja ha arribat al seu màxim i salta a la vista el punt de rosada que entela

les parets de la caixa de proves d'aigua. En aquest moment aproximadament en el segon

200 es canvia l'entrada de vapor per l'entrada d'aire comprimit amb el sistema per control

de vàlvules i la humitat relativa comença a baixar de forma simètrica amb la que ha pujat.

La resposta en freqüència, segueix la mateixa tendència que la corba del sensor comercial

però sense passar per aquest estat de saturació que presenta la gràfica humitat(%) vs

temps(s).

En primer lloc, s'han pres mesures al tag del cas 1, amb un sensor de 5 pistes. Es veu

com la freqüència de recepció va fent salts de forma escalonada, i a la gràfica de la

freqüència normalitzada (Figura 2.39 i Figura 2.40) es reflecteix en salts equidistants entre

ells, formant unes línies paral·leles imaginàries.

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 4001.715

1.72

1.725

1.73

1.735x 10

9

Time(s)

fres(H

z)

37

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

H norm

fres n

orm

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

Figura 2.39. Gràfiques mesura antena 1 amb sensor 1

38

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 4001.72

1.725

1.73

1.735x 10

9

Time(s)

fres(H

z)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

H norm

fres n

orm

39

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

Figura 2.40. Gràfiques mesura antena 1 amb sensor 1 (mesura 2)

La gràfica humitat ven funció del temps està feta a partir de les mesures preses amb

el sensor d'humitat comercial HIH-5030.

En segon lloc, s'ha mesurat el sensor de 7 pistes del cas 2, el qual es mostra a les

gràfiques de la Figura 2.41 on es demostra, un cop més, que el fet de variar la humitat

relativa de l’ambient, fa canviar la freqüència donant, així, un valor d'humitat conegut. Es

demostra també com la desadaptació de l'antena, que baixa en freqüència quan puja la

humitat, dóna lloc a una disminució de la potència del senyal.

40

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)H

um

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 4001.7

1.72

1.74

1.76

1.78x 10

9

Time(s)

fres(H

z)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

H norm

fres n

orm

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-3

-2

-1

0


41

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

50

100

150

Time(s)H

um

edad(%

)

0 100 200 300 400 500 600 700 8001.72

1.74

1.76

1.78x 10

9

Time(s)

fres(H

z)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

H norm

fres n

orm

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 100 200 300 400 500 600 700 800-2

-1.5

-1

-0.5

0


42

D'altra banda, la gràfica de freqüència normalitzada vs humitat normalitzada (Figura

2.42) dóna a conèixer un petit inconvenient, no és a partit del 40% - 50% que es fa evident

la desviació en freqüència i es pot quantificar de forma fiable el nivell d'humitat.

En tercer lloc, s'ha mesurat al laboratori el sensor del cas 3 amb 9 pistes, ja que,

donava els millors resultats tant d'adaptació, com de nivell de potència detectats, així

doncs, algunes de les mesures preses són: l’escombrat en freqüència amb la respectiva

mesurar de tensió detectada a diferents potències, tal i com podem veure a la taula de la

Figura 2.43, i l’ escombrat en potència a dues freqüències concretes, 865 i 868 MHz,

veient la tensió detectada, com es veu més avall a la taula de la Figura 2.44.

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 4001.71

1.72

1.73

1.74

1.75x 10

9

Time(s)

fres(H

z)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

H norm

fres n

orm


0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

43

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 4001.68

1.7

1.72

1.74

1.76x 10

9

Time(s)

fres(H

z)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

H norm

fres n

orm


Tensió detectada en funció de la freqüència per diferents nivells de potència.

El resultat d'aquest escombrat en freqüència a diferents potències (Figura 2.45)

demostra que a l’aplicar una major potència al sensor (-5 dBm), la tensió detectada a 865

MHz és de 3,7 V però, el seu màxim, és a 880 MHz. Per contra, si apliquem una potència

més baixa, de -20 dBm la tensió detectada és de 0,379 V. Tot i ser una tensió molt dèbil,

resultat ja esperat, el punt màxim es troba centrat a 865 MHz, fet molt interessant, ja que,

normalment els nivells de potències detectat seran del ordre del -20 dBm i, justament és la

freqüència i la variació de freqüència el que ens donarà els valor d'humitat.

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

Hum

edad(%

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-3

-2

-1

0

44

-5 dBm

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2

x 108

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

Freq(Hz)

Vdet

-10 dBm

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2

x 108

1.6

1.65

1.7

1.75

1.8

1.85

1.9

1.95

Freq(Hz)

Vdet

-13 dBm

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2

x 108

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

Freq(Hz)

Vdet

-15 dBm

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2

x 108

0.76

0.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

Freq(Hz)

Vdet

-18 dBm

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2

x 108

0.46

0.47

0.48

0.49

0.5

0.51

0.52

0.53

0.54

0.55

0.56

Freq(Hz)

Vdet

-20 dBm

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2

x 108

0.32

0.33

0.34

0.35

0.36

0.37

0.38

Freq(Hz)

Vdet

Figura 2.45. Tensió detectada al escombrar la freqüència per diferents nivells de

potència, -5, -10, -13, -15, -18, -20 (dBm)

45

Caracterització del rectificador en funció de la potència d’entrada

L'escombrat en potència dóna la informació de fins a quin punt es detecta tensió a

partir de la potència d'entrada, així doncs, si ens centrem en 865 MHz es veu que no són

tensions acceptables a partir del -25, -20 dBm. En la gràfica logarítmica de la Figura 2.46

es veu com la línia recta comença a desviar la seva trajectòria a partir d'aquests valors.

865 MHz Vdet logarítmica

865 MHz Vdet

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 00

1

2

3

4

5

6

7

8

Input Power(dBm)

V

868 MHz Vdet logarítmica

868 MHz Vdet

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 00

1

2

3

4

5

6

7

8

Input Power(dBm)

V

Figura 2.46. Escombrat en potència a 865 i 868 MHz.

S'han comparat les pèrdues de conversió teòriques amb les mesures preses al

laboratori i es pot veure a la gràfica de la Figura 2.47 com els resultats obtinguts i els

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

Input Power(dBm)

V

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

Input Power(dBm)

V

46

resultats estimats segueixen la mateixa tendència, essent més òptims els resultats simulats,

ja que per un nivell de potència d'entrada alt, les pèrdues de conversió són més baixes.

Figura 2.47. Gràfiques pèrdues de conversió simulat i mesurat.

2.5 Antena Parche de sortida

En aquest apartat es dóna a conèixer el tag RFID complet, ajuntant el rectificador,

vist en el capítol 2.2; el doblador, vist en el capítol 2.3 i el sensor d'humitat, vist en el

capítol 2.4. També es mostra el conjunt d'aparells de mesura emprats al laboratori tal com

són: l'analitzador de xarxa, l'analitzador d'espectres, el generador, etc.

Aquest sistema es caracteritza per ser passiu i utilitzar l'energia electromagnètica per

donar un paràmetre d'humitat, així doncs, cal entendre que el senyal rebut ha de ser

suficient per fer treballar l'oscil·lador i emetre un senyal el qual canvia depenent de la

humitat ambiental del moment. I això s'aconsegueix fent que l'antena emissora s'adapti a la

freqüència de treball o es desviï a partir d'una capacitat variable adherida a ella.

2.5.1 Disseny antena parche

A l'hora de dissenyar l'antena parche s'ha fet servir el programa ADS/Momentum

(Agilent EEsoft EDA) que ens permet fet càlculs teòrics a partir de l’esquema dibuixat, tal

i com podem veure en la captura de la Figura 2.48, i s’ha consultat a [5] i [6]. Així doncs,

en aquest apartat, igual que en l’anterior, s'ha realitzat l'estudi a partit de 3 casos

1r cas

A partir del disseny del sensor d'humitat del cas 1 de l’apartat anterior(capítol 2.3),

s'han concretat les mides de l'antena parche emissora. Amb l'ajuda del programa ADS s'ha

especificat l'amplada del dispositiu a 51 mm i la llargada a 39,5 mm tal i com es mostra en

l'esquema acotat de la Figura 1

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 510

20

30

40

50

60

Input Power (dBm)

Convers

ion L

oss (

dB

)

Simulated

Measured

47

Els càlculs teòrics ens mostren com queda adaptada a 1736 MHz, tal i com es veu a

la gràfica de paràmetres S de la Figura 2.49, també es mostra, amb captures, a la Figura

2.50 el layout i l'esquema de l'antena parche que s'ha fet amb el programa ADS.

Figura 2.48. Antena parche 5 pistes (mm)

Figura 2.49. Antena parche 5 pistes càlculs teòrics

1.65 1.70 1.751.60 1.80

-20

-15

-10

-5

-25

0

Frequency

Mag.

[dB

]

Readout

m1

S11

m1freq=dB(patchloaed1710biscap1_mom_a..S(1,1))=-24.752Min

1.736GHz

48

Figura 2.50. Layout i esquema antena parche 5 pistes amb programa ADS

2n cas

Arrel del cas 2 de l’apartat anterior (capítol 2.4) detector sensor d'humitat, s'ha

dissenyat amb l’ajut del programa ADS l'antena parche amb 51 mm d'amplada i 38,5 mm

de llargada com es veu en l'esquema acotat de la Figura 2.51

En aquest cas, l'antena parche emissora, queda adaptada a 1733 MHz tal i com

s’aprecia en la gràfica de paràmetres S que es mostra a la Figura 2.52.

Amb el programa ADS s'ha generat el layout i l'esquema tal i com es pot veure a la

captura de la Figura 2.53

49




1.65 1.70 1.751.60 1.80

-20

-15

-10

-5

-25

0

Frequency

Ma

g. [d

B]

Readout

m1

S11


1.733GHz

50

Finalment amb l’ajut del programa ADS s'ha dissenyat l'antena parche amb 9 dits

adaptada a la freqüència de ressonància de 1731 MHz (figura 2.54) i el seu respectiu layout

tal i com es veu a les captures de la Figura 2.55. Així doncs, les mesures finals d'aquest

dispositiu són de 51 mm d'amplada i 37,5 de llargada tal i com s’observa a l'esquema

acotat de la Figura 2.56



1.65 1.70 1.751.60 1.80

-15

-10

-5

-20

0

Frequency

Mag. [d

B]

Readout

m1

S11


1.731GHz

51


Sorgeix el problema que no es coneix gairebé la permitivitat del substrat, ja que, pot

variar en cada procés de fabricació. Així doncs, es mostra a la taula 2.2 següent els

paràmetres utilitzats en la simulació

H 1.6 mm

εr 4.25

µr 1

Conductor conductivity en Siemens/metre 1.0E+50

Hu (Cover height) 1.0e+033 mm

T (Conductor thickness) 34 µm

Tangent de pèrdues del dielèctric 0.01

Taula 2.3. paràmetres substrat

Després d'estudiar les diferents parts per separat, s'ha agrupat la rectena, conjunt

d'antena parche i rectificador, més el doblador i l'antena amb el sensor per formar el tag,

tal i com podem veure a la Figura 57 que hi ha a continuació:

52

Figura 2.57. Prototip Tag RFID

2.5.2 Fabricació antena parche

A l'hora de fabricar el tag, s'ha comprovat que amb unes vies al sensor, tal i com es

mostra a la fotografia de la Figura 2.58, es millora l'adaptació de l'antena, i s'ha tingut en

compte en tots els estudis anteriorment esmentats.

Figura 2.58. Prototip Tag RFID amb vies

2.5.3 Mesures antena parche

Tot seguit es mostren un conjunt de gràfiques per veure quina és la resposta dels

diferents tag i el muntatge de l’escenari de la Figura 2.59 per prendre les mesures

53

pertinents. L'antena de transmissió de UHF RFID de polarització circular PATCH A0025

de la casa Poynting, connectada al generador de RF SMF-10A de la casa Rohde &

Schwarz, es comunica amb el tag sense fils enviant la resposta a l'antena receptora de la

casa Geozondas AU-0,5G 2,5G-1 de polarització lineal que està connectat a l’analitzador

d'espectres de la casa Rohde & Schwarz FSP 30 (30GHz). Tant el Generador de RF com

l'analitzador d'espectres s'han connectat a l'ordinador a fi de gestionar tota aquesta

informació. Es mostra tot l'escenari de proves a la il·lustració de la Figura 2.60.

Figura 2.59. Diagrama blocs escenari proves

Figura 2.60. Escenari de proves

Algunes de les mesures preses al laboratori són les següents:

54

- Adaptació xarxa entrada rectificador.

- Escombrat freqüència 850-900MHz.

- Corba potència tensió detectada.

- Mesures del tag a varies distancies.

- Mesures del tag amb humitat comparació sensor comercial.

Escombrat freqüència 850-900MHz

850 855 860 865 870 875-64

-63

-62

-61

-60

-59

-58

-57

-56

-55

f(MHz)

dB

m

850 855 860 865 870 875

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

f(MHz)

dB

m

Figura 2.61. Mesures sensor humitat escombrat en freqüència mesura potència.

El resultat de les gràfiques anteriors (Figura 2.61), realitzats al laboratori, ens

demostren com, a la freqüència desitjada, 865 MHz, hi ha detecció de nivell de potència

quan s’injecta un senyal.

Corba potència vs tensió detectada

A continuació es demostra a partir de la gràfica de la Figura 2.62 com el nivell

mínim d'entrada ha d'estar per sobre dels -20 dBm, ja que si no és així, la tensió detectada

no és suficient per fer funcionar el sistema correctament. La línia verda marca el nivell de

voltatge mínim.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 010

-2

10-1

100

101

Input Power (dBm)

Dete

cte

d V

oltage (

V)

55

Figura 2.62.Gràfica Vdet vs Potència lineal i logarítmic respectivament.

Mesures del tag a varies distàncies

Es mostra a les gràfiques de la Figura 2.63 i la Figura 2.64, com el nivell de

potència detectat i la nitidesa, varia segons la distància. Ja que, el primer cas, s'ha realitzat

sobre 1 metre de separació del tag amb les antenes transmissora i receptora i, en el segon

cas, s'ha realitzat al voltant dels 3 metres.

Es veu en la gràfica de la Figura 2.63 com la influència del multipath o multicamí

afecta la recepció donant un rissar més pronunciat al senyal.

Figura 2.63.Gràfica Tag aire 1.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 00

1

2

3

4

5

6

7

8

Input Power (dBm)

Dete

cte

d V

oltage (

V)

850 855 860 865 870 875-64

-63

-62

-61

-60

-59

-58

-57

-56

-55

f(MHz)

dB

m

56

Figura 2.64.Gràfica Tag aire 2.

Es demostra també, com l'increment en distància dóna lloc a una disminució del

senyal rebut, es veu a la Figura 2.64 on el tag està situat a 1 metre de distància, com la

potència rebuda és aproximadament d'uns -55,5 dBm, mentre que a la Figura 1, on el tag

està situat a 3 metres, el nivell de potència rebuda es de -60 dBm, més de la meitat en

termes lineals.

Es demostra a partir de les gràfica de la Figura 2.65, com la freqüència de

ressonància va lligada amb la capacitat del sensor, i que no es fa evident el canvi de

variació d'humitat a partir del 50%

Figura 2.65. Gràfica capacitat vs RH i freqüència ressonància vs RH.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1003.6

3.7

3.8

3.9

4

4.1

4.2

4.3

Relative Humidity %

Capacitance (

pF

)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001726

1728

1730

1732

1734

1736

1738

1740

1742

Relative Humidity (%)

Ressonance F

requency (

MH

z)

850 855 860 865 870 875-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

f(MHz)

dB

m

57

3 Recepció

En recepció apareix el problema de que amb dues antenes tant pròximes, una de

transmissió i l’altre de recepció, és fàcil llegir en recepció el que emet l’antena

transmissora, fet que no permet la bona recepció del senyal provinent del Tag, es vol

filtrar la freqüència de l’emissor a 865 MHz per llegir el senyal provinent del tag a 1740

MHz. Donat que el senyal reflexat pel tag és molt dèbil, cal amplificar-lo abans de

detectar-lo amb l’analitzador d’espectres. S’utilitza un amplificador després del filtre, per

tal de baixar el factor de soroll de l’analitzador d’espectres. Aquest, no es pot col·locar

abans del filtre, ja que, es podria saturar per l’acoblament del senyal del transmissor. A

continuació estudiem diferents tecnologies de filtres i la emprada en el disseny del sistema

de comunicació del Tag de RFID.

3.1 Filtre Pas Banda

3.1.1 Filtre salt d’impedància

Aquesta tecnologia ens permet realitzar filtres amb línies microstrip, combinant

línies estretes d’alta impedància amb línies amples de baixa impedància com es veu a [7] i

la figura 3.1 següent:

Figura 3.1. esquema filtre salt d’impedància.

En el cas que Z0 sigui molt elevat (línia microstrip estreta) la línia es comporta com

una inductància de valor (3.1)

58

d=L 0Z

(3.1)

En el cas que Z0 sigui molt baixa (línia microstrip ampla) la línia es comporta com

un condensador de valor (3.2)

0Z

d=C

(3.2)

Es pot comparar la resposta del filtre pas baix amb components discrets a la

freqüència de tall ω1, tal i com es mostra a l’equació (3.3)

)(Z

Z

Z

1

)(Z

ZZ

0

0

01

0

0

0

1

radgLg

=C

radgLg

=L

MAX

C

C

P

MAX

L

L

S

(3.3)

3.1.2 Filtre pas banda amb línies acoblades

Les línies acoblades amb l’accés 2 i 3 (figura 3.2) acabat en circuit obert actua com

inversor amb longitud de desfasament de 90º (longitud λ/4) tal i com s’estudia a [8].

Figura 3.2. Filtre línies acoblades.

Per tant si unim dues etapes de línies acoblades, s’obtenen dos inversors i una línia

intermèdia de longitud efectiva λ/2 (circuit ressonant). S’extreu de [9]. La línia a λ/2

determina el valor del ressonador i, d’aquí, el valor de la constant d’inversió, i d’aquesta

s’extreu les impedàncies parell i senar de cada acoblador en línia. Ara, les línies no són

d’impedància Z0 no obstant s’ha de calcular l’amplada i la separació (3.4).

59

0

12

210

1

1,

1

1,0

,

222

f

ffWfff

on

ggJ

ggJ

g=J

NN

NN

ii

ii

i

i

(3.4)

3.1.3 Filtre pas banda Combline

Aquest tipus de filtre consisteix en un conjunt de línies acoblades a mode

d’agrupació amb acoblament entre ressonadors veïns. Com es pot veure a la figura 3.3 les

línies estan acabades en circuit obert per un extrem, i carregades amb capacitats

connectades a terra, per l’altre.[10]

Figura 3.3. Filtre Combline.

Es basa en l’augment de les capacitats dels condensadors, ja que les línies de

transmissió, es comporten com elements inductius i ressonen amb els condensadors a una

freqüència per sota de la longitud d’ona λ/4. S’ha utilitzant un applet per fer el disseny

inicial del filtre Combline, tal i com s’observa en la figura 3.4. Així doncs, les simulacions

ens els paràmetres S ens mostra que la freqüència desitjada de 1766 MHz queda dintre de

la freqüència de pas del paràmetre S(21). Com es mostra en la gràfica de la figura 3.5

següent:

60

Figura 3.4. Layout i esquema filtre Combline amb programa ADS.

Figura 3.5. Gràfica paràmetres S filtre Combline.

3.2 Amplificadors

El nivell de senyal que rep el receptor provinent del tag és extremadament dèbil, així

doncs, un cop filtrat el senyal s’ha d’amplificar. Es veu en el diagrama de blocs, de la

figura 3.5, la configuració emprada pel correcte funcionament del sistema.

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.50.5 5.0

-60

-50

-40

-30

-20

-10

-70

0

freq, GHz

dB

(S(1

,1))

dB

(S(2

,1))

Readout

m1

m1freq=dB(S(2,1))=-0.073

1.766GHz

61

Figura 3.5. Diagrama de blocs sistema receptor.

En el disseny d’aquesta etapa, s’ha utilitzat dos tipus d’amplificadors, el Eras-3SM+

de baix soroll i Gali-84+, ambdós de la casa Mini-circuits

3.2.1 Era-3SM+

Aquest amplificador (figura 3.6), situat just després del filtre pas baix Combline,

explicat en el tema 3.1.3, és de baix soroll, les seves característiques i mides el fan idoni, a

continuació, es mostra alguns dels paràmetres més importants extrets del Data Sheet del

fabricant (figura 3.7).

Figura 3.6. amplificador Era-3SM+.

62

Figura 3.7. Data Sheet amplificador Era-3SM+.

3.2.2 Gali-84+

Aquest segon amplificador (figura 3.8), es situa a continuació del Era-3SM+ ja que,

amb ell solament no és suficient per rebre el senyal provinent del tag de forma intel·ligible.

63

Figura 3.8. amplificador Gali-84+.

Finalment, es connecta al analitzador d’espectre on es farà la lectura del senyal.

Aquest sistema s’ha construït de forma compacta en una caixa de 60 mm x 100 mm el qual

veiem el seu disseny en la figura 3.9 següent:

Figura 3.9. Esquema filtre Combline, Era-3SM+ i Gali-84

Es veu a la fotografia de la figura 3.10, com queda de forma integrada el filtre

Combline, l’amplificador Era-3SM+ i l’amplificador Gali-84 en una caixa de 60 mm x 100

mm.

64

Figura 3.9. Caixa fabricada per junta filtre i amplificadors

Es mostra a la gràfica de la Figura 3.10 Potència respecte Humitat relativa (RH) com

a l’augmentar la humitat relativa també varia els nivells de potència. A la figura 3.11 es

mostrar la lectura des de l’analitzador d’espectre, i a la figura 3.12

Figura 3.10. Potència vs RH

0 50 100 150 200 250 300 350 400-72

-70

-68

-66

Time(s)

dB

m

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

Time(s)

%R

H

65

Figura 3.11. Mesura de l’espectre amb 7 m de distancia entre el tag i el lector. Ample

de banda de resolució d’espectre de 1 kHz.

830 835 840 845 850 855 860 865 870 875-85

-80

-75

-70

-65

Input Frequency (MHz)

dB

m

10% RH

60% RH

100% RH

Figura 3.12. mesura de variació potencia rebuda en funció de la freqüència d’entrada

per a diferents valors d’humitat. Distancia entre tag i lector de 1.5 m.

1729.5 1729.6 1729.7 1729.8 1729.9 1730 1730.1 1730.2 1730.3 1730.4 1730.5-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

Frequency(MHz)

dB

m

66

4 Conclusions i línies futures

4.1 Conclusions

En aquest projecte, s’ha estudiat la viabilitat d’utilitzar tags harmònics per

aplicacions de sensors d’humitat integrats amb tags passius RFID. El tag extreu l’energia

necessària per alimentar el circuit del modulador, a partir de la rectificació del senyal de

RF. El tag s’il·lumina amb una senyal de UHF que mitjançant un doblador es reenviat al

lector a freqüència doble, facilitat així, la seva detecció. Aquest punt, es deu a que el senyal

acoblada entre el transmissor i el receptor, en el lector, és a freqüència meitat de la

reflectida pel tag, i per tant es pot filtrar fàcilment. Aquest fet, fa que aquest tipus de radar

harmònics tinguin millor sensibilitats que el sistemes RFID tradicionals per backscattering

a la mateixa freqüència, utilitzats normalment en banda UHF. Tot i així, el transmissor del

lector emet també, degut als efectes no lineal, el senyal a freqüència doble. Per evitar

interferència d’aquesta senyal cal modular el tag. Per aquest motiu es requereix un

oscil·lador implementat amb portes NAND per modular el doblador.

Utilitzant una antena parche adaptada a 865 MHz i una cascada de díodes

s’aconsegueix la conversió de corrent alterna a corrent continua, un cop preses aquestes

mesures i caracteritzar el dispositiu, s’ha estudiat i dissenyat un doblador de freqüència,

amb la finalitat de canviar a una freqüència més alta per la seva posterior lectura d’humitat.

Partint de la tecnologia de línies microstrip, es dissenyen i s’estudia una antena parche a

1730 MHz i el seu respectiu sensor d’humitat. Aquest consisteix en un condensador

interdigital que a la banda de 1730 MHz es comporta com un condensador, tot i que per

sobre pot ressonar.

Aquesta variació d’humitat, canvia la capacitat elèctrica del sensor al variar la

permitivitat relativa a la superfície, depenent de la humitat relativa de l’ambient.

D’altre banda, en recepció, s’ha estudiat i dissenyat dues etapes prèvies a la lectura

amb l’analitzador d’espectres, el filtre pas banda per rebutjar freqüències no desitjades i

dos amplificadors, un de baix soroll i l’altre d’alt guany, per poder rebre el senyal tant

debilitat.

4.2 Línies futures

És una evidencia que l’aprofitament de la energia electromagnètica de

radiofreqüència per fer funcionar altres dispositius, és un exemple a segui optimitzant, així

doncs, possibles estudis futurs poden ser aquests.

Altres línies futures de treball, es troben en la miniaturització de les etiquetes o tags,

ja que, els prototips experimentals utilitzats al laboratori son de mides considerables (degut

a l’antena de UHF).

No s’ha de deixar de banda la possibilitat que el sensor sigui d’una altre cosa, el

estudiat en aquest projecte refereix a la humitat relativa de l’ambient, però, també poden

ser sensors de diversos tipus, tal com sensor de temperatura o sensor de moviment.

67

5 Referencies

[1] Ramón Villarino, Sistema de Telecomunicació Industrial.

[2] Pàgina Web http://www.proteccioncivil.org/catalogo/carpeta02/carpeta24/vademecum12/vdm020.htm

[3] Pàgina Web http://gomyshop.info/hc/rectificador-de-onda-completa

[4] Pàgina Web

http://ursi.usc.es/articulos_modernos/articulos_zaragoza_2000/ursi2000/trabajos/cm0232.pdf

[5] Pàgina Web http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/hernandez_a_r/capitulo3.pdf

[6] Pàgina Web http://deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1932pub.pdf

[7] Pàgina Web http://ursi.usc.es/articulos_modernos/madrid2008/PDF/CMiA08.pdf

[8] Llibre: A. Lázaro, Tecnologia de la radiofreqüència, publicacions URV, 2010

[9] Pàgina Web http://e-

archivo.uc3m.es/bitstream/10016/16737/1/PFC_Maria_Rodriguez_Garcia__Octubre2012.pdf

[10] Pàgina Web http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/6254/1/memoria.pdf

Documents

Disseny de sensor d’humitat basat en tag RFIDdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/2092pub.pdf · 2013. 10. 31. · Diagrama de blocs del sistema ..... 11 Figura 2.2. Esquema bàsic