Resumen de Advanced wireless systems for identification, sensing and localization
La identificación remota o inalámbrica se utiliza comúnmente en almacenamiento de bienes, logística y trazabilidad de productos o animales. El principal motivo es el control de dichos productos, obteniendo un control eficiente y automático de los mismos. El sistema de identificación más popular y extendido es el código de barras. El código de barras consta de un código compuesto por barras negras ( variando sus grosores y separación entre las mismas) sobre fondo blanco, el cual se coloca adherido directamente al bien a identificar. Existe la variante de códigos en 2D para poder cifrar más información. Para poder leer dichos códigos, el lector consta de una fuente de luz combinada con una lente y un sensor. La gran ventaja de dicho sistema es que su fabricación es muy económico, pero tiene grandes limitaciones: se pueden deteriorar fácilmente y es preciso tener una visión directa y no muy lejana entre el lector y el código de barras para poder leerlo. Para poder superar las limitaciones del sistema de código de barras existe la alternativa de los sistema de identificación por radiofrecuencia (RFID).
Un sistema RFID consta de un lector y una etiqueta adherida al bien a ser identificado. El lector envía una señal por radiofrecuencia hacia la etiqueta y esta le responde con otra señal hacia el lector con su información codificada. Las principales ventajas de los sistemas RFID es que pueden contener mucha más información, que no necesitan una visión directa entre el lector y la etiqueta y que el rango de distancia de lectura de las mismas puede ser mucho mayor. Los sistemas RFID se pueden clasificar en diferentes familias en función de varios factores. Una clasificación posible es en función del tipo de etiqueta. Las etiquetas RFID pueden ser activas (las cuales tienen una fuente alimentación propia para enviar la información que contiene), pasivas (no tienen fuente de alimentación propia y utilizan la energía de la señal del lector para enviar la información que contiene) o semipasivas (tienen fuente de alimentación propia que solo se activa cuando recibe la señal del lector). Por otro lado, se pueden clasificar los sistemas RFID en función del rango de frecuencia que se utiliza para la comunicación: baja frecuencia (LF), alta frecuencia (HF), ultra alta frecuencia (UHF) y microondas.
En esta tesis doctoral, se investiga la utilidad de estructuras de superficies selectivas en frecuencia (FSS) para sistemas de RFID. Las estructuras FSS constan de una distribución periódica de elementos para reflejar, absorber o transmitir campos electromagnéticos. Las FSS se pueden utilizan para incrementar la eficiencia de los reflectores de las antenas, como polarizadoras o filtros. Las FSS se pueden clasificar en función del tipo de elementos que la componen: dipolos, parches o slots.
Se desarrolla un etiqueta basada en una estructura FSS para la identificación, localización y lectura de sensores en sistemas RFID. También se presenta la teoría de como poder utilizar radares comerciales de onda continua de frecuencia modulada (FMCW) para leer la información que contienen las etiquetas FSS y la distancia a la que se encuentra del lector.
En primer lugar se presenta la teoría y demostración de la capacidad de la etiqueta FSS para transmitir información. La etiqueta FSS desarrollada en esta tesis se compone por dipolos, los cuales cada uno contiene un elemento conmutable. Variando el estado del elemento conmutable, se varía la longitud eléctrica de dipolo, por lo que se varía su frecuencia de resonancia. La etiqueta FSS transmite la información modulándola con el cambio de estados de los elementos conmutables de los dipolos, lo que significa una conmutación de las longitudes eléctricas de los mismos. La conmutación de las longitudes eléctricas de los dipolos se traduce en una conmutación de la sección recta (RCS) de la etiqueta cara al radar FMCW, pudiendo detectar dichas variaciones en su RCS (RCS diferencial). Para transmitir información, se varía la frecuencia con la que se modulan los elementos conmutables.
Una vez demostrada la capacidad de la etiqueta FSS para la transmisión de información y localización, se propone un prototipo de etiqueta semipasiva en banda X (10 GHz). Para este rango de frecuencia, el elemento conmutable empleado en cada dipolo son diodos pin. Se estudia la variación de diferentes factores en el proceso de diseño de la etiqueta para optimizar su respuesta y obtener una mayor eficiencia en el rango de frecuencia de trabajo. Los parámetros que se estudian son el número de dipolos y la separación entre ellos. El prototipo diseñado se simula su respuesta informáticamente con el programa Ansoft HFSS. Tras unos resultados satisfactorios, el prototipo se fabrica para ser caracterizado en el laboratorio. Los diodos pin de los dipolos de la FSS se modulan con un generador de onda, alternando su alimentación (y estado) con la frecuencia seleccionada. Por otro lado, se utiliza un generador para enviar una señal de onda continua e iluminar la etiqueta FSS. En un analizador de espectro, se recoge la señal reflejada por la etiqueta FSS, donde se puede distinguir la señal que se ha utilizado para iluminar la etiqueta y la frecuencia con la que se están modulando los diodos pin. En último lugar, se realizan medidas de la etiqueta FSS (modulada con el generador) con el radar FMCW comercial Siversima conectado a un ordenador. Con las medidas realizadas se obtienen excelentes resultados, pudiendo extraer la frecuencia con la que se están modulando los diodos pin, al mismo tiempo que se determina la distancia existente entre el radar y la etiqueta.
La etiqueta FSS desarrollada presenta el inconveniente de que para poder ser leída, la señal enviada desde el radar tiene que se lo más perpendicular posible a la misma. Para poder obtener un ángulo de lectura mayor, se desarrollan dos alternativas: una etiqueta en forma de diedro y otra en forma de cruz. Tras presentar la simulaciones, se fabrican ambos diseños para poder ser caracterizados en laboratorio y medidos con el radar. Los resultados obtenidos confirman un ángulo de lectura satisfactorio de hasta 90º en el caso del diedro y de 360º para la etiqueta en cruz.
Los prototipos semipasivos propuestos, tienen la limitación de un rango de lectura (10 m) que puede resultar insuficiente para algunas aplicaciones en las que la medida debe realizarse a mayores distancias. Para solventar dicho inconveniente, se propone una etiqueta activa, basada en dos antenas bowtie conectadas entre si por una etapa amplificadora, donde la señal recibida desde el lector es modulada por la frecuencia que nos interesa transmitir (la información de interés de la etiqueta) y amplificada para su transmisión hacia el lector. El prototipo de simula y fabrica para su caracterización con el radar. Se obtienen resultados excelentes hasta 18 m de distancia.
Una vez confirmada y probada la eficiencia de las estructuras FSS como etiquetas para sistemas FSS, se propone un segundo diseño en una banda de frecuencia de microondas (2.45 GHz) para su uso en aplicaciones vestibles (wearables). Para este tipo de etiqueta, se emplean como elementos conmutables diodos varactores. Se expone un estudio analítico de los efectos electromagnéticos sobre el comportamiento en frecuencia de las etiquetas FSS cuando se emplazan sobre el cuerpo humano.
Se simulan y optimizan diferentes factores (número de dipolos, separación entre ellos, efecto de separadores entre etiqueta y cuerpo o variaciones en la estructura del cuerpo humano) en el diseño de la etiqueta para su funcionamiento más óptimo cuando se sitúa cerca del cuerpo humano. También se analiza la respuesta de la etiqueta desde diferentes ángulos cuando esta está situada sobre el brazo (en curvatura). Por otro lado, se analiza la capacidad de lectura de la etiqueta cuando esta situada en varias partes del cuerpo, para poder garantizar la lectura satisfactoria de la misma en casos reales (cuando están situadas en el usuario y este se encuentra en movimiento dentro del campo de lectura). Cuando se obtienen los parámetros optimizados para el diseño de la etiqueta, se propone la inclusión de un sensor de temperatura en la misma. En el trabajo desarrollado se caracteriza y diseña el circuito para el sensado de temperatura, utilizando un sensor de temperatura comercial. Las variaciones de temperatura influyen directamente en la variación de la frecuencia de modulación de los varactores de la etiqueta FSS, mediante un circuito oscilador basado en un ICM7555. Por otro lado, se diseña un lector específico para la lectura de las etiquetas FSS en la banda de frecuencia de trabajo. El lector, de bajo coste y dimensiones reducidas, está basado en una placa Arduino UNO. El prototipo de etiqueta FSS con el sensor de temperatura y se caracteriza en laboratorio. Tras obtener unas medidas satisfactorias, se realizan medidas de la etiqueta situada sobre el cuerpo humano y realizando las lecturas con el lector diseñado. Se logran excelentes resultados para medidas con rangos de temperatura de 31 a 44 ºC, obteniendo en el sensor un margen de error de 0.05 ºC.
Finalmente, se desarrolla un sensor capacitivo microfluidico para la medida de temperatura o presión, poder ser integrado en etiquetas pasivas de RFID y poder ser leído con una radar comercial FMCW. El sensor, diseñado en una estructura microstrip, se basa en dos lineas encaradas que forman una capacidad, donde se encuentra un micro canal (por donde circulará un fluido, en este caso agua) en el espacio que existe entre ambas partes del condensador. El principio del sensor se basa en la variación de la capacidad del condensador en función del nivel de agua que existe dentro del micro canal. Se realizan diferentes simulaciones, obteniendo variaciones de capacidad para diferentes niveles de agua dentro del mico canal, que producen una variación de hasta 11 dB en el parámetro S11 del sensor. El prototipo se fabrica y se caracteriza en laboratorio con un analizador de redes vectorial (VNA), confirmando los resultados obtenidos en la simulaciones previas. Tras su caracterización, se realizan medidas con el radar FMCW a 2.3 m de distancia. El sensor se conecta, de forma totalmente pasiva, a una antena con la que recibirá la señal del radar y reflejará su respuesta hacia el mismo. Se obtiene un rango de medida de 5 dB para diferentes niveles de agua dentro del micro canal (desde totalmente vacío a totalmente lleno).
