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Universidade Federal da BahiaEscola PolitecnicaDepartamento de Engenharia EletricaPrograma de Pos Graduacao em Engenharia Eletrica

Insercao de Etiquetas RFID UHF em Placas

de Circuito Impresso

Luiz Fernando Taboada Gomes Amaral

2018

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Universidade Federal da BahiaEscola PolitecnicaDepartamento de Engenharia EletricaPrograma de Pos Graduacao em Engenharia Eletrica

Insercao de Etiquetas RFID UHF em Placas

de Circuito Impresso

Autor: Luiz Fernando Taboada Gomes AmaralOrientadora: Profa. Dra. Marcela Novo

Dissertacao de mestrado submetida a Coorde-

nacao do Programa de Pos-Graduacao em En-

genharia Eletrica da Universidade Federal da

Bahia, como parte dos requisitos para obtencao

do grau de Mestre em Ciencias no domınio da

Engenharia Eletrica.

Banca ExaminadoraProfa. Dra. Marcela Novo- UFBA (Orientadora)Profa. Dra. Ana Isabela Araujo Cunha - UFBA

Prof. Dr. Antonio Cezar de Castro Lima - UFBAProfa. Dra. Valeria Loureiro da Silva - SENAI CIMATEC

Salvador

2018

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Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Universitário de Bibliotecas (SIBI/UFBA), com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).

Gomes Amaral, Luiz Fernando Taboada Inserção de Etiquetas RFID UHF em Placas deCircuito Impresso / Luiz Fernando Taboada GomesAmaral. -- Salvador, 2018. 94 f.

Orientador: Profa. Dra. Marcela Novo.

Dissertação (Mestrado - Programa de Pós-Graduaçãoem Engenharia Elétrica) - Universidade Federal da Bahia,Escola Politécnica, 2018.

1. RFID. 2. Etiquetas. 3. PCI. 4. UHF. 5. PlacasEletrônicas. I. Novo, Marcela. II. Título.

Luiz Fernando Taboada Gomes Amaral

Insercao de Etiquetas RFID UHF em Placas de

Circuito Impresso

Esta Dissertacao de Mestrado foi julgada adequada para a obtencao do grau de Mestreem Engenharia Eletrica e aprovada em sua forma final pela Comissao Examinadora e peloColegiado de Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica da Universidade Federal da Bahia.

Prof. Dr. Vitaly Felix Rodriguez EsquerreCoordenador Programa de

Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica

Comissao avaliadora

Profa. Dra. Marcela NovoOrientadora - DEE/UFBA

Prof. Dra. Ana Isabela Araujo CunhaExaminador interno - DEE/UFBA

Prof. Dr. Antonio Cezar de Castro LimaExaminador interno - DEE/UFBA

Prof. Dra. Valeria Loureiro da SilvaExaminador externo - SENAI CIMATEC

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Dedicatoria

Dedico este trabalho a minha filha Clara, ao meu filho Tobias e a minha esposa Larissa.

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Agradecimentos

Agradeco primeiramente a Deus, aos meus pais, a minha esposa, a minha orientadorae ao SENAI CIMATEC pelo apoio na realizacao deste trabalho.

Salvador, maio de 2018.Luiz Fernando Taboada Gomes Amaral.

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Resumo

Este trabalho traz um estudo dos efeitos que uma etiqueta RFID (Radio-FrequencyIdentification) passiva UHF (Ultra High Frequency) apresenta quando inserida em umaPCI (placa de circuito impresso). As etiquetas usuais quando coladas nas placas ele-tronicas, sofrem degradacao no desempenho devido a presenca dos planos metalicos edas trilhas e vias presentes nos projetos eletronicos. O objetivo deste estudo e identifi-car as principais caracterısticas que devem ser consideradas em projetos de tags RFIDUHF em placas de circuito impresso e desenvolver um metodo para inseri-las nas placaseletronicas. Foram utilizados quatro designs de antenas diferentes: um dipolo dobrado,um dipolo meander-line, um slot simples e um slot dobrado. Apos a modelagem dasetiquetas, foram realizadas simulacoes no software CST Microwave Studio para adequaros projetos para as PCIs de uma e duas camadas, trabalhando com folhas de cobre ecom o isolante FR-4. Os parametros das antenas foram definidos com o objetivo de casaras impedancias do CI e da antena para que houvesse maxima transferencia de potencia.Os resultados mostram que, se o projeto da antena for desenvolvido com os metodosdescritos neste estudo, a forte interferencia das partes metalicas da PCI no desempenhodas etiquetas sera reduzida significativamente e a insercao de etiquetas RFID em placaseletronicas se torna mais viavel.

Palavras Chave: RFID, Etiquetas, PCI, UHF, Placas Eletronicas

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Abstract

This work presents a study of the effects over an UHF (Ultra High Frequency) Pas-sive RFID (Radio-Frequency Identification) tag suffers when inserted on a PCB (PrintedCircuit Board). The normal tags when are glued to electronic boards, they suffer degra-dation in performance due to the presence of the metals plans and the respective tracesand vias present in the electronics projects. The objective of this study is to identify themain features that should be considered in RFID UHF tags projects designs on printedcircuit boards and develop a method to insert UHF RFID tags on electronics boards. Itwas used here four diferent antennas designs: a folded dipole, a meander-line, a slot andmeandered slot. First of all, it is shown the designs performance out of the PCB, withoutmetals planes, traces and vias interference. After the design modeling, it was carried outsimulations on CST to optimize the projects for one and two layers PCBs, working withthe thickness of the cooper and the PCBs dielectric, the tag position on the PCB and theantennas parameters to attain impedance matching with IC (Integrated Circuit). Theresults show that if the antenna design was developed with the methods described on thisstudy, the strong infuence of the PCB metals parts on tags performance will be reducedsignicantly and the manufacture of RFID tags on electronics boards become possible.

Keywords: RFID, TAGs, UHF, PCB

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SUMARIO

Capıtulo 1—Introducao 1

1.1 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Contribuicoes Inovadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Estrutura do Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Capıtulo 2—Fundamentacao Teorica 7

2.1 Radiofrequencia para RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.1 Dipolo de Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.1.1 Regiao de Campo Proximo: r << λ/2π: . . . . . . . . . 92.1.1.2 Regiao de Campo Intermediario: r na ordem de grandeza

de λ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1.3 Regiao de Campo Distante: r λ/2π: . . . . . . . . . . 92.1.1.4 Aplicacoes RFID x Regioes . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1.5 Equacoes de E e H em regiao de Campo Distante . . . . 102.1.1.6 Relacao entre E e H - impedancia no vacuo . . . . . . . 112.1.1.7 Potencia Eletromagnetica Radiada por um Dipolo de Hertz 12

2.1.2 Antena do tipo Dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.2.1 Dipolo Dobrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.2.2 Meander-Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.3 Antena do tipo Slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2 Antena da Etiqueta RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1 Casamento de Impedancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.2 Parametros de Espalhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.3 VSWR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.4 Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.5 Largura de Banda e Fator de Qualidade . . . . . . . . . . . . . . 202.2.6 Distancia maxima de leitura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Capıtulo 3—Etiqueta RFID em uma Placa de Circuito Impresso 23

3.1 Estrutura de uma PCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.1.1 Substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.1.2 Camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Efeitos de Planos Metalicos em Etiquetas de RFID . . . . . . . . . . . . 273.3 Circuito Integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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Capıtulo 4—Antenas Estudadas 33

4.1 2-wire folded dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.1.1 Insercao em Placa de Circuito Impresso . . . . . . . . . . . . . . . 414.1.2 Placa com Plano Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.1.3 Placa com Planos Top e Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.1.4 Analise simulacoes 2-wire folded dipole . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2 Mini Meander Dipole with Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2.1 Placa com Plano Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.2.2 Placa com Plano Top e Plano Bottom . . . . . . . . . . . . . . . 614.2.3 Analise das simulacoes da antena do tipo Meander Dipole with Loop 64

4.3 Slot simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3.1 Placa com o Plano Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.3.2 Analise simulacoes Slot simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Capıtulo 5—Insercao na placa eletronica Gateway, resultados e Metodologia 77

5.1 Antena Slot Simples no Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2 Antena 2-wire folded dipole no Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3 Antena Mini Meander Dipole with Loop no Gateway . . . . . . . . . . . 865.4 Metodologia de Insercao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.4.1 Definir Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.4.2 Definir tipo e leiaute de antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.4.3 Modelar antena no ambiente da PCI . . . . . . . . . . . . . . . . 885.4.4 Especificar CI adequado para aplicacao . . . . . . . . . . . . . . . 885.4.5 Analisar projeto da PCI e parametros de fabricacao . . . . . . . . 895.4.6 Definir localizacao, inserir na PCI e adequar antena . . . . . . . . 895.4.7 Realizar casamento de impedancia . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Capıtulo 6—Consideracoes finais 91

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LISTA DE FIGURAS

1.1 Os componentes basicos de um sistema de RFID (FINKENZELLER, 2010) 11.2 Leiaute basico de um transponder. Lado esquerdo: Etiqueta para acopla-

mento magnetico, tendo sua antena uma bobina; Lado direito: Etiquetapara faixa UHF (Ultra High Frequency), com uma antena dipolo (FIN-KENZELLER, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Exemplo de uma onda Eletromagnetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Representacao geometrica do filamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Regioes do Espaco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Campo distante, onda plana (PARET, 2008) . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5 Representacao do diagrama teorico da densidade superficial de potencia de

um dipolo de Hertz (PARET, 2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.6 Dipolo com alimentacao central (LIMA, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . 142.7 Diagrama de radiacao tıpico de um dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.8 Distribuicao de corrente de um dipolo dobrado(LIMA, 2010) . . . . . . . 152.9 Exemplo de antena tipo meander-line (LIMA, 2010) . . . . . . . . . . . . 162.10 Antena Slot com seu diagrama de radiacao e seu dipolo complementar

(LIMA, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.11 Diferentes tipos de Etiquetas Passivas UHF (LIMA, 2010) . . . . . . . . 182.12 Circuito equivalente de uma Etiqueta RFID (LIMA, 2010) . . . . . . . . 182.13 Circuito equivalente de uma etiqueta RFID (LIMA, 2010) . . . . . . . . 192.14 Comportamento da impedancia de uma etiqueta de RFID em comparacao

com a distancia de leitura (RAO; NIKITIN; LAM, 2005) . . . . . . . . . 21

3.1 Exemplo de uma Placa de Circuito Impresso . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2 PCI com duas camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3 PCI com quatro camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4 PCI com quatro camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.5 PCI com quatro camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.6 Condicoes eletromagneticas de contorno entre dois meios (YU; HARAC-

KIEWICZ; LEE, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.7 Condicoes eletromagneticas de contorno com um meio PEC (YU; HARAC-

KIEWICZ; LEE, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.8 Circuito equivalente de um CI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.9 Circuito Integrado UCODE G2iL+ de encapsulamento SOT886 . . . . . 303.10 Pinos do Circuito Integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.11 Diagrama de bloco do circuito integrado UCODE G2iL+ (NXP Semicon-

ductor, 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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4.1 Modelo da Etiqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Parte real da impedancia em ohms da antena variando L1 em funcao da

frequencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.3 Parte imaginaria da impedancia em ohms da antena variando L1 em funcao

da frequencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.4 Parte real da impedancia em ohms da antena variando L2 em funcao da






da frequencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.10 Parametro S11 para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5 mm e L4=12 mm,

cenario etiqueta padrao fora da PCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.11 Diagrama de radiacao em 915 MHz para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5

mm e L4=12 mm, cenario com etiqueta padrao fora da PCI . . . . . . . 394.12 Diagrama de radiacao em 915 MHz para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5

mm e L4=12 mm, cenario com etiqueta padrao fora da PCI . . . . . . . 404.13 Diagrama de radiacao em 915 MHz para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5

mm e L4=1 2mm , cenario com etiqueta padrao fora da PCI . . . . . . . 404.14 Parametro S11 para L1=70 mm, L2=11,65 mm, L3=4,5 mm e L4=14,5 mm 414.15 Diagrama de radiacao em 915 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.16 Diagrama de radiacao em 915 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.17 PCI com plano de sinal na camada superior . . . . . . . . . . . . . . . . 434.18 Parametro S11 para L1 = 70 mm, L2 = 11,65 mm, L3 = 4,5 mm e L4 =

14,5 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.19 Diagrama de radiacao em 915 MHz com plano de sinal na camada superior 444.20 Diagrama de radiacao em 915 MHz com plano de sinal na camada superior 454.21 Diagrama de radiacao em 915 MHz com plano de sinal na camada superior 454.22 Placa dupla-face . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.23 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI 474.24 S11 com o plano superior e inferior na PCI . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.25 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI

(theta constante) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.26 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI

(phi constante) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.27 Modelo da Etiqueta do tipo Mini Meander Dipole with Loop . . . . . . . 504.28 Variacao da reatancia em funcao do parametro d . . . . . . . . . . . . . . 514.29 Variacao da resistencia em funcao do parametro d . . . . . . . . . . . . . 51

xiv

4.30 Variacao da reatancia em funcao do parametro h . . . . . . . . . . . . . . 524.31 Variacao da resistencia em funcao do parametro h . . . . . . . . . . . . . 524.32 Variacao da reatancia em funcao do parametro x . . . . . . . . . . . . . . 524.33 Variacao da resistencia em funcao do parametro x . . . . . . . . . . . . . 534.34 Variacao da reatancia em funcao do parametro y . . . . . . . . . . . . . . 534.35 Variacao da resistencia em funcao do parametro y . . . . . . . . . . . . . 534.36 S11 em cenario inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.37 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario inicial . . . . . . . . . . . . . 544.38 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario inicial (theta constante) . . . 554.39 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario inicial (phi constante) . . . . 554.40 Tag Meander Dipole with Loop inserida em placa com plano top . . . . . 564.41 Reatancia em funcao da variacao do parametro Ctop . . . . . . . . . . . 574.42 Resistencia em funcao da variacao do parametro Ctop . . . . . . . . . . . 574.43 Reatancia em funcao da variacao do parametro Ltop . . . . . . . . . . . 584.44 Resistencia em funcao da variacao do parametro Ltop . . . . . . . . . . . 584.45 S11 com o plano TOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.46 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario com o plano TOP . . . . . . 594.47 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario com plano TOP (theta constante) 594.48 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario com plano TOP (phi constante) 604.49 S11 com o plano superior e inferior na PCI . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.50 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI 624.51 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI

(theta constante) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.52 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI

(phi constante) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.53 Modelo da Etiqueta - Slot Simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.54 Modelo da Etiqueta - Slot Simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.55 Reatancia em funcao da variacao do parametro SL . . . . . . . . . . . . . 664.56 Resistencia em funcao da variacao do parametro SL . . . . . . . . . . . . 664.57 Reatancia em funcao da variacao do parametro H . . . . . . . . . . . . . 674.58 Resistencia em funcao da variacao do parametro H . . . . . . . . . . . . 674.59 Reatancia em funcao da variacao do parametro L . . . . . . . . . . . . . 674.60 Resistencia em funcao da variacao do parametro L . . . . . . . . . . . . . 684.61 Reatancia em funcao da variacao da posicao da cavidade em relacao a

placa, considerando uma translacao para esquerda (-x) em relacao ao ce-nario inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.62 Resistencia em funcao da variacao da posicao da cavidade em relacao aplaca, considerando uma translacao para esquerda (-x) em relacao ao ce-nario inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.63 Reatancia em funcao da variacao da posicao do CI em relacao a cavidade,considerando uma translacao para baixo (-y) em relacao ao cenario inicial 69

4.64 Resistencia em funcao da variacao da posicao do CI em relacao a cavidade,considerando uma translacao para baixo (-y) em relacao ao cenario inicial 69

4.65 Parametro S11 para etiqueta do tipo Slot simples . . . . . . . . . . . . . 70

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Dissertacao de Mestrado PPGEE/UFBA

4.66 Diagrama de radiacao em 915 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.67 Diagrama de radiacao em 915 MHz (theta constante) . . . . . . . . . . . 704.68 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario(phi constante) . . . . . . . . 714.69 Insercao de fenda no plano Bottom, paralelo a cavidade do slot . . . . . . 724.70 Variacao de S11 em funcao da largura da fenda no plano Bottom . . . . . 734.71 Diagrama de radiacao em 915 MHz para largura da fenda igual a 8 mm . 734.72 Diagrama de radiacao em 91 5MHz (theta constante) para largura da fenda

igual a 8 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.73 Diagrama de radiacao em 915 MHz (phi constante) para largura da fenda

igual a 8 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.1 Desenho 3D da placa eletronica do Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . 775.2 Plano Top da placa eletronica do Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.3 Plano Bottom da placa eletronica do Gateway . . . . . . . . . . . . . . . 785.4 Plano Top da placa eletronica do Gateway no ambiente de simulacao . . 795.5 Plano Bottom da placa eletronica do Gateway no ambiente de simulacao 795.6 Antena Slot inserida na placa eletronica do Gateway . . . . . . . . . . . 805.7 Diagrama de radiacao da antena Slot Simples na placa eletronica Gateway

- Vista Plano Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.8 Diagrama de radiacao da antena Slot Simples na placa eletronica Gateway

- Vista Plano Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.9 Diagrama de radiacao da antena Slot Simples na placa eletronica Gateway 815.10 S11 da antena Slot simples inserida na placa . . . . . . . . . . . . . . . . 815.11 Antena 2-wire folded dipole inserida na placa eletronica do Gateway . . . 835.12 Diagrama de radiacao da antena 2-wire folded dipole na placa eletronica

Gateway - Vista Plano Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.13 Diagrama de radiacao da antena 2-wire folded dipole na placa eletronica

Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.14 Diagrama de radiacao da antena 2-wire folded dipole na placa eletronica

Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.15 S11 da antena 2-wire folded dipole inserida na placa . . . . . . . . . . . . 855.16 Antena Mini Meander Dipole with Loop inserida na placa eletronica do

Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.17 Diagrama de radiacao da antena Mini Meander Dipole with Loop inserida

na placa eletronica do Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.18 Fluxograma de atividades da Metodologia de Insercao de Etiquetas em PCIs 87

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CAPITULO 1

INTRODUCAO

Em todo o mundo e em diversos segmentos de mercado, a Identificacao por Radi-ofrequencia (RFID - Radio Frequency Identification) esta em constante evolucao. Asprincipais empresas do mundo utilizam esta tecnologia em implementacoes de grandeescala para melhorar sua eficiencia, aumentar sua visibilidade no mercado e alcancar be-nefıcios em seus respectivos negocios. Embora possua funcoes similares as do codigo debarras, a tecnologia RFID comprova que com suas etiquetas “inteligentes” consegue umalto grau de dinamismo no processo de aquisicao de informacao.

Atualmente as aplicacoes da tecnologia RFID estao sendo direcionadas para a integra-cao de sistemas, gerenciando as informacoes nao apenas no ambiente corporativo, mas emtoda a cadeia de valor dos negocios. Vale ressaltar ainda que e uma tecnologia essencialpara a implantacao de solucoes alinhadas as tendencias da Manufatura Avancada e daIndustria 4.0, gerando uma grande revolucao no fornecimento das informacoes em temporeal para toda cadeia logıstica.

Um sistema basico de RFID e composto pelo interrogador, geralmente chamado deleitor ou leitora, e o transponder, usualmente chamado de Tag ou etiqueta. Considerando-se o cenario de uma etiqueta passiva, que representa a solucao mais utilizada e, portanto, ocenario abordado neste trabalho, o leitor e o responsavel por enviar, nao so as informacoesnecessarias para a sincronizacao de dados, como tambem a energia, conforme pode servisto na figura 1.1.

Figura 1.1 Os componentes basicos de um sistema de RFID (FINKENZELLER, 2010)

A etiqueta de RFID, tema principal deste trabalho, e constituıda por uma antena epor um CI (Circuito Integrado), conforme apresentado na figura 1.2. O formato da antenada etiqueta depende da frequencia de operacao da solucao que esta sendo utilizada. Embaixa frequencia, LF (Low Frequency), a faixa de frequencia de operacao e 125 a 134

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kHz e a antena e uma bobina com cerca de centenas de voltas (FINKENZELLER, 2010).Na faixa de operacao chamada de Alta Frequencia, HF (High Frequency), a frequenciaprincipal de trabalho e 13,56 MHz e a antena do transponder e uma bobina com dezenasde voltas (FINKENZELLER, 2010). As duas tecnologias LF e HF trocam informacoesentre o leitor e os transponders atraves do metodo de acoplamento magnetico que naosera abordado neste trabalho.

Figura 1.2 Leiaute basico de um transponder. Lado esquerdo: Etiqueta para acoplamentomagnetico, tendo sua antena uma bobina; Lado direito: Etiqueta para faixa UHF (Ultra HighFrequency), com uma antena dipolo (FINKENZELLER, 2010)

Em Ultra Alta Frequencia, UHF (Ultra High Frequency), a faixa de frequencia deoperacao mais utilizada se situa em torno de 860 MHz a 960 MHz (PARET, 2008). Atecnologia RFID UHF, diferente da LF e da HF que trabalham utilizando princıpiosfısicos de campo proximo, utiliza o principio fısico de backscatter, onde o leitor emiteuma onda eletromagnetica no espaco em uma determinada area que e chamada de zonade interrogacao. No momento que o transponder entra nesta regiao, uma parte destaenergia e utilizada para alimentar o CI da etiqueta e a outra parte e refletida atravesda emissao de uma onda eletromagnetica modulada pela tag. Respeitando os limitesmaximos de emissao de potencia presentes nas regulamentacoes de cada paıs, consegue-seuma distancia maxima de leitura de cerca de 10 metros utilizando uma etiqueta passiva.

As antenas mais utilizadas em etiquetas RFID UHF sao dipolos ominidirecionais, quesao modificados e otimizados para aplicacoes especıficas com o objetivo de ter alta efi-ciencia e tamanho reduzido (MARROCO, 2008). Quando uma etiqueta e projetada, ocasamento de impedancia entre a antena e o CI e um fator crıtico para o bom funci-onamento do sistema, pois se trabalha com nıveis de sensibilidade baixo, na ordem degrandeza de dezenas de µW. Por exemplo, a potencia mınima necessaria para alimentaro CI da etiqueta e para a emissao da onda eletromagnetica refletida no sentido da tagpara o leitor e de cerca de 10 a 150 µW (PARET, 2008).

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1.1 JUSTIFICATIVA

Uma etiqueta RFID nao pode ser aplicada em diferentes cenarios sem que haja umaanalise detalhada destes, identificando os requisitos mınimos e atualizando o projeto,ou ate mesmo, desenvolvendo um novo leiaute. Entre os diversos setores industriais, osetor eletroeletronico tem um grande potencial para utilizar etiquetas RFID no processologıstico, principalmente na insercao de etiquetas em PCIs (Placas de Circuito Impresso).

A insercao de uma etiqueta RFID em uma PCI desde a sua manufatura, possibilita orastreamento do item em toda a cadeia logıstica, iniciando no chao de fabrica, passandopela areas de armazenamento, montagem final do equipamento e sendo uma caracte-rıstica importante nos processos de manutencao e pos-venda. As principais vantagensda utilizacao de RFID em Placas de Circuito Impresso estao listadas a seguir (COOK;TOMARELLI, 2008):

Individualizacao do item em um unico numero;

Possibilidade de a etiqueta ser inserida e utilizada desde do inicio do processo demanufatura;

Possibilitar protecao e certificado de originalidade ao produto;

Interacao da PCI no nıvel de sistemas, equipamentos e outras PCIs;

Compatibilidade com toda a cadeia logıstica do setor.

A etiqueta RFID poderia ser inserida nas PCIs atraves da fixacao de etiquetas RFIDimpressas em material adesivo. Entretanto, esta nao e a intencao do presente trabalho,pois entende-se que este tipo de solucao esta sujeita a facil violacao, baixo desempenho eprincipalmente pela insercao de uma nova etapa no processo produtivo. O objetivo destetrabalho e projetar e implementar uma etiqueta RFID utilizando as camadas superficiaisda PCI para fabricar a antena das tags, possibilitando a insercao da etiqueta na placaapos o processo de montagem nas linhas dos componentes eletronicos.

1.2 CONTRIBUICOES INOVADORAS

Apos realizacao de pesquisas e estudos sobre o assunto, foram encontrados poucostrabalhos relacionados com o tema de etiquetas de RFID em placas de circuito impresso.Esse tema so foi abordado de maneira mais profunda pelo fabricante de circuitos integra-dos, a empresa NXP, no documento (NXP, 2010). Nesta nota de aplicacao, sao apresentassugestoes de projetos de etiquetas que podem ser inseridas em PCIs, como por exemplo,a antena Slot simples que e analisada nesse trabalho. Nesse documento, a NXP trabalhamais na regiao de campo proximo, nao priorizando o ganho da antena, e sim somente aleitura a poucos centımetros.

Uma outra empresa que possui uma solucao para RFID em PCIs e a Murata, que eum componente eletronico que se chama MagicStrap (MURATA, ). Essa solucao e um CIencapsulado, juntamente com um circuito de adaptacao de impedancia que transforma a

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impedancia de entrada do CI para 50 Ω. Isso e importante para facilitar o casamento comantenas padroes, mas implica em algumas desvantagens; como o maior custo, a menorsensibilidade do CI (-8 dBm) e a distancia maxima de leitura reduzida aquem do potencialda tecnologia.

No quesito de trabalhos academicos, o tema e muito pouco explorado, tendo sidoencontrados somente trabalhos mais relacionados a temas da gestao da producao, como em(COOK; TOMARELLI, 2008). Devido a falta de trabalhos na area, utilizaram-se muitosestudos relacionados a designs de etiquetas RFID para ambientes com objetos ou planosmetalicos, como em (PROTHRO; DURGIN; GRIFFIN, 2006) e (YU; HARACKIEWICZ;LEE, 2010).

O trabalho executado neste estudo traz uma abordagem inovadora, com a identifica-cao e apresentacao de resultados de simulacoes que caracterizam o processo de insercao deetiquetas RFID UHF em placas de circuito impresso. Os dados gerados neste trabalho po-dem ser utilizados para novas pesquisas, como tambem, podem apoiar o desenvolvimentode solucoes aplicadas para atendimento de diversas industrias que utilizam placas eletro-nicas. Outra contribuicao importante e a apresentacao de uma proposta de metodologiapara insercao de tags em placas de circuito impresso.

1.3 OBJETIVOS

O presente trabalho tem dois objetivos fundamentais:

Mostrar a viabilidade tecnica da insercao de etiquetas RFID UHF diretamente nascamadas superficiais das placas de circuito impresso;

Desenvolver uma metodologia de insercao de etiquetas de RFID UHF em placas decircuito impresso.

1.4 ESTRUTURA DO TEXTO

A presente dissertacao e composta por seis capıtulos, sendo esta introducao o primeirocapıtulo.

O Capıtulo 2 apresenta a fundamentacao teorica necessaria para o desenvolvimentodo trabalho. Inicialmente, descreve-se os conceitos de radiofrequencia aplicados a RFIDe em seguida apresenta-se as principais caracterısticas e parametros de uma antena deetiqueta RFID.

O Capıtulo 3 e dedicado ao cenario e as variaveis envolvidas no ambiente quando seinsere uma etiqueta RFID UHF em uma placa de circuito impresso.

O Capıtulo 4 e dedicado a modelagem dos quatro diferentes designs de antenas, identi-ficando as principais caracterısticas na variacao dos parametros das antenas, as influenciasdo ambiente de placa de circuito impresso em cada antena e o levantamento dos diagramasde radiacao, ganho e do parametro S11 para todos os casos.

No Capıtulo 5 as antenas modeladas e simuladas no capıtulo anterior sao projetadas einseridas em uma projeto de uma placa eletronica real, onde sao analisadas mais uma vezem ambiente de simulacao. Ao final do capıtulo e apresentado a metodologia propostapara projetos de etiquetas RFID em placa de circuito impresso.

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O Capıtulo 6 traz as consideracoes finais, e apresenta um resumo do trabalho realizado,reforcando pontos importantes e indicando novas possibilidades de desenvolvimentos notema.

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CAPITULO 2

FUNDAMENTACAO TEORICA

O objetivo deste capıtulo e apresentar, de forma resumida, a fundamentacao teoricados conceitos necessarios para o desenvolvimento deste trabalho. Inicialmente, descreve-seos conceitos de radiofrequencia aplicados a RFID e em seguida apresenta-se as principaiscaracterısticas e parametros de uma antena de etiqueta RFID.

2.1 RADIOFREQUENCIA PARA RFID

2.1.1 Dipolo de Hertz

O Dipolo de Hertz e considerado um condutor fino de comprimento l e diametro Dbem menor que o comprimento de onda λ da onda emitida. Se for aplicado um certopotencial eletrico neste condutor (antena), sera criado ao seu redor um campo eletricoE, cuja aparicao nao e instantanea. Aplicando uma tensao alternada de alta frequencia,obtem-se uma ondulacao do campo eletrico que se desloca em uma determinada direcaona velocidade da luz (c = 3 × 108 m/s). Um campo magnetico H e produzido a partirdo campo eletrico E variavel no tempo, como pode ser visto na figura 2.1.

Figura 2.1 Exemplo de uma onda Eletromagnetica

As equacoes gerais de campo magnetico e campo eletrico para uma fonte de correntesenoidal em um filamento sao:

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Eθ =I0L

4π

[jωµ

r+

√µ

ε

1

r2+

1

jωεr3

]ε−jkr sin(θ) (2.1)

Er =I0L

2π

[√µ

ε

1

r2+

1

jωεr3

]ε−jkr cos(θ) (2.2)

Hφ =I0L

4π

[jk

r+

1

r2

]ε−jkr sin(θ) (2.3)

onde:

I0 e a amplitude da corrente senoidal no filamento;

L e o comprimento do filamento;

k = 2πλ

, k e o numero de Onda;

r e a distancia radial com origem no centro do filamento da fonte;

ω e a frequencia Angular;

µ e a permeabilidade magnetica do meio;

ε e a permissividade eletrica do meio;

Figura 2.2 Representacao geometrica do filamento

A geometria do filamento e apresentada na figura 2.2. Usando as equacoes apresen-tadas, pode-se identificar tres regioes em torno do elemento radiante, conforme ilustradona figura 2.3. Essas regioes sao chamadas de Regiao Reativa de Campo Proximo ou Re-giao Evanescente, Regiao Radiante de Campo Proximo ou Regiao de Fresnel e Regiao deCampo Distante ou Regiao de Fraunhofer.

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Figura 2.3 Regioes do Espaco

2.1.1.1 Regiao de Campo Proximo: r << λ/2π: Nesta regiao do espaco (r <

0, 63√

L3

λ) os valores dos termos 1/r3 e 1/r2 sao preponderantes e os campos E e H

decaem muito rapidamente. Frequentemente chamada de zona de Rayleigh, correspondea regiao chamada de transformador fortemente acoplado, onde a potencia recebida PRe praticamente igual a potencia emitida PE. Nesta distancia trata-se de uma regiaode onda “quase estacionaria” e e impossıvel estabelecer um acoplamento Magnetico ouEletrico entre a fonte e o transponder (PARET, 2008).

2.1.1.2 Regiao de Campo Intermediario: r na ordem de grandeza de λ: Nesta

regiao do espaco ( 0, 63√

L3

λ< r < 2L

2

λ) todos os termos 1/r3, 1/r2, 1/r sao igualmente

conservados. Ondas estacionarias e ondas viajantes estao presentes nesta regiao chamadade regiao de Fresnel. Ha a presenca de um campo proximo radiado ou a componente deFresnel existe quando a dimensao principal da antena L e grande quando comparada aocomprimento de onda λ mas a distancia r e da ordem de λ (PARET, 2008).

2.1.1.3 Regiao de Campo Distante: r λ/2π: Nesta regiao conhecida tambemcomo zona de Fraunhofer, os termos 1/r3 e 1/r2 se tornam desprezıveis e os valores deE e H decaem proporcionalmente a 1/r. Nessa regiao as ondas viajantes transportama energia necessaria para energizar as etiquetas UHF, potencia calculada pelo vetor dePoynting (produto vetorial E × H)(PARET, 2008).

2.1.1.4 Aplicacoes RFID x Regioes Depois de apresentar as respectivas regioes emtorno do Dipolo de Hertz, e importante saber em qual regiao, campo proximo ou distante,

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a solucao RFID vai funcionar. Considerando a velocidade da luz c = 3 × 108 m/s, queo Campo Proximo (acoplamento magnetico) e menor que λ/2π e que o Campo Distante(propagacao de onda) e maior que λ/(2π), foi possıvel construir a tabela 2.1 para ilustraro funcionamento para cada faixa de frequencia. Em LF e HF, as distancias desejadas paraas aplicacoes de RFID sao geralmente bem menores que o valor λ

2π. Nessas situacoes, a

etiqueta trabalha na regiao de Campo Proximo, baseada no princıpio de acoplamentoindutivo ou tambem chamado de acoplamento magnetico.

Nas faixas de frequencia UHF e SHF as distancias de interesse sao bem maiores doque o valor de λ

2π. Nessas situacoes a etiqueta trabalha na regiao de campo distante e

utiliza princıpios de ondas propagantes como, por exemplo, o fenomeno de propagacao ereflexao de onda.

Tabela 2.1 Resumo do princıpio de funcionamento de Sistemas de RFID

Frequencia λ λ/2π Princıpio de Funcionamento

LF 150 kHz 2 km 318 m Campo Proximo

HF 13,56 MHz 22,12 m 3,52 m Campo Proximo

UHF 915 MHz 32,8 cm 5,22 cm Campo Distante

SHF 2450 MHz 12,2 cm 1,94 cm Campo Distante

2.1.1.5 Equacoes de E e H em regiao de Campo Distante Conforme foi vistono item anterior, na regiao de campo distante o fator preponderante da equacao doscampos E e H e o 1/r. Sendo assim as equacoes do campo Eθ e Hφ podem ser escritasda seguinte forma:

Eθ(t, r) =

[jI0l sin(θ)

4πε0ω· k

2

r

]ej(wt−kr) (2.4)

Hφ(t, r) =

[jI0l sin(θ)

4π· kr

]ej(wt−kr) (2.5)

Cabe lembrar que as componentes de campos Er, Eφ, Hr e Hθ tem valores desprezıveisna regiao de campo distante. Como a componente do campo radial Er e nula, pode-sedizer que e uma onda Eletromagnetica Transversal (TEM), conforme ilustrado na figura2.4.

Substituindo, nas equacao 2.4 e 2.5, k por 2π/λ, ω por 2πcλ

e sabendo que ε0 =1

36π× 10−9 F ·m−1 e c = 3× 108m/s obtem-se:

Eθ(t, r) =

[j

60πI0l sin(θ)

λ· 1

r

]ej(wt−kr) (2.6)

Hφ(t, r) =

[jI0l sin(θ)

2λ· 1

r

]ej(wt−kr) (2.7)

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Figura 2.4 Campo distante, onda plana (PARET, 2008)

Os modulos dos campos eletrico e magnetico podem ser calculados atraves das seguin-tes equacoes:

| Eθ |=60πI0l sin(θ)

λr(2.8)

| Hφ |=I0l sin(θ)

2λr(2.9)

2.1.1.6 Relacao entre E e H - impedancia no vacuo A relacao entre os campoE e H pode ser obtida a partir da equacao 2.10:

EθHφ

=

[j I0l sin(θ)

4πε0ω· k2r

]ej(wt−kr)[

j I0l sin(θ)4π

· kr

]ej(wt−kr)

(2.10)

Simplificando a equacao 2.10 tem-se:

EθHφ

=k

ε0ω(2.11)

Logo k = 2πλ

= ωc, entao Eθ

Hφ= Z0 = 1

ε0cΩ . Como ε0µ0c

2 = 1 tem-se:

Z0 =

√µ0

ε0(2.12)

Considerando-se o vacuo como meio, sabe-se que µ0 = 4π × 10−7H · m−1 e ε0 =1

36π× 10−9 F ·m−1, logo a impedancia no vacuo e dada por:

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Z0 =

√µ0

ε0= 377Ω (2.13)

2.1.1.7 Potencia Eletromagnetica Radiada por um Dipolo de Hertz O vetorde Poynting representa a densidade superficial de potencia (a quantidade de energiatransferida por unidade de area, em watts por metro quadrado (W ·m−2)) de um campo

eletromagnetico, sendo definido por ~S = ~E × ~H. A derivada da energia eletromagnetica,W (em J), no tempo e igual a potencia eletromagnetica radiada, P (em W). O teoremade Poynting diz que a potencia eletromagnetica radiada P e igual ao fluxo do vetor dePoynting, S, saindo de uma superfıcie fechada (PARET, 2008). Partindo da equacao do

Vetor de Poynting, ~S = ~E × ~H, pode-se calcular o valor de pico da densidade superficialde potencia, spico = | S |.

Com o objetivo de calcular a potencia radiada de um Dipolo de Hertz na regiao decampo distante, considerando que Hθ = Eφ = 0 e utilizando as equacoes dos camposapresentadas, pode se concluir que os campos Eθ(t, r) e Hφ(t, r) dependem da variavelcomplexa j(wt − kr) e que eles sao funcoes senoidais com amplitudes que decrescemexponencialmente. As equacoes mostram tambem que nas condicoes de campo distanteos vetores Eθ(t, r) e Hφ(t, r) sao ortogonais entre si.

Para um dipolo de Hertz, o vetor de Poynting complexo pode ser escrito como:

S = Sr = Eθ(t, r)×Hφ(t, r) (2.14)

sendo o valor do modulo sr dado por:

sr =| Sr |=| E || H | sin(90o) =| E || H | (2.15)

Considerando-se que o conjugado da componente φ do campo magnetico e dado por:

H∗φ(t, r) =

[−j I0l sin(θ)

4π· kr

]e−j(wt−kr) (2.16)

e que o valor medio de um produto de duas funcoes senoidais em fase e igual a metadedo produto escalar do valor dos modulos das funcoes ou igual a metade do valor real doproduto escalar entre uma funcao pelo conjugado da outra, resulta:

| Sr |= spico =1

2Re(EθH

∗φ) =

1

2Re(E∗

θHφ) (2.17)

Simplificando a equacao 2.17 obtem-se:

Eθ ·H∗φ = (

1

16· Z04f

2

c2) · I

20 l

2 sin2(θ)

r2(2.18)

logo o valor de pico da densidade superficial de potencia e dado por:

spico(r, θ) =Z0

8c2I20 l

2f 2 sin2(θ)

r2W ·m−2 (2.19)

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A figura 2.5 apresenta o diagrama teorico da densidade superficial de potencia de umdipolo de Hertz. Analisando a figura 2.5 e possıvel afirmar que o diagrama de radiacaonao e identico em todas as direcoes, logo o dipolo de Hertz nao e uma antena isotropica,sendo nula a radiacao no eixo principal do dipolo e maxima no plano equatorial.

Figura 2.5 Representacao do diagrama teorico da densidade superficial de potencia de umdipolo de Hertz (PARET, 2008)

Para calcular a potencia eletromagnetica media total, e necessario calcular a integraldupla de superfıcie da densidade de potencia superficial Sr (em W ·m−2):

P =

∫ ∫Srdσ (2.20)

P =

∫ ∫Z0

8c2I20 l

2f 2 sin2(θ)

r2dσ (2.21)

Utilizando coordenadas esfericas, pode-se escrever o elemento infinitesimal de areacomo dσ = (rdθ) · (r · sin θdφ) = (r2 sin θdθdφ). Logo, a integral dupla da equacao 2.21pode ser rescrita como:

P =Z0

8c2I20 l

2f 2

∫ ∫sin3(θ)dθdφ (2.22)

Resolvendo-se a integral em 2.22 e substituindo-se Z0 pelo seu valor no vacuo, aexpressao da potencia radiada por um dipolo de Hertz pode ser reduzida a seguinteexpressao:

P = 40(πI0l

λ)2(W ) (2.23)

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2.1.2 Antena do tipo Dipolo

As antenas do tipo dipolo sao consideradas as mais simples e antigas. Tais antenas saoconstituıdas por filamentos cujas dimensoes dependem do comprimento de onda radiado.A figura 2.6 mostra um dipolo alimentado pelo centro, onde os filamentos que compoemo dipolo possuem tensoes de sinais opostos (LIMA, 2010).

Figura 2.6 Dipolo com alimentacao central (LIMA, 2010)

Pode-se comparar a antena do tipo dipolo com uma linha de transmissao terminadaem aberto. Nesse cenario, sabe-se que a onda reflete totalmente na extremidade aberta,voltando para a linha e, apos interagir com a onda incidente, compoe uma onda estaci-onaria (LIMA, 2010). Se cada filamento do dipolo tiver um quarto do comprimento deonda, a extensao total do dipolo sera meio comprimento de onda, e esse tipo de antenae chamada de dipolo de meia onda (LIMA, 2010). O ganho tıpico de um dipolo de meiaonda e 2 dBi.

A antena do tipo dipolo irradia principalmente nas direcoes perpendiculares a seu eixosendo, portanto, considerada como uma antena do tipo omnidirecional. O diagrama deradiacao tıpico de um dipolo pode ser visto na figura 2.7.

Considerando-se o ambito deste trabalho, ou seja, sistemas que trabalham na faixa defrequencia de 915 MHz, o dipolo tem comprimento aproximadamente igual a 32, 77 cm.As antenas dipolo de meia onda normalmente nao sao utilizadas em etiquetas de RFIDdevido principalmente a sua impedancia de baixa reatancia e ao seu tamanho, consideradogrande demais para os padroes das etiquetas comerciais (LIMA, 2010). Entretanto, odomınio do seu comportamento e de suma importancia para comparacao com outrostipos de antenas, inclusive outras derivacoes de antenas dipolo.

2.1.2.1 Dipolo Dobrado Para evitar os problemas do tamanho e da baixa reatan-cia de uma antena dipolo, uma alternativa e dobrar o dipolo e obter novos formatos deantenas. As estruturas dobradas modificam a dinamica e, consequentemente, o compor-tamento eletrico da antena. Como apresentado na figura 2.8, as correntes eletricas nas

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Figura 2.7 Diagrama de radiacao tıpico de um dipolo

partes retorcidas tem sentidos opostos e, considerando a utilizacao da antena em campodistante, elas se cancelam e nao contribuem para irradiacao (LIMA, 2010). Sendo assim,somente a estrutura original do dipolo contribui para a irradiacao.

Figura 2.8 Distribuicao de corrente de um dipolo dobrado(LIMA, 2010)

Quando se compara a impedancia do dipolo tradicional com a do dipolo dobrado, asegunda apresenta uma diminuicao nos valores de autoindutancia por causa dos sentidosopostos das correntes nas partes retorcidas. A capacitancia tambem diminui, pois em umdipolo as cargas sao armazenadas proximas umas as outras, o que aumenta a tensao nofio para uma mesma carga total.

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Tendo em vista que a frequencia de ressonancia da antena e inversamente proporcio-nal ao produto da indutancia pela capacitancia, a frequencia aumenta quando estas saoreduzidas. Logo, para um mesmo comprimento de fio, um dipolo retorcido possui maiorfrequencia de ressonancia em comparacao ao dipolo normal.

2.1.2.2 Meander-Line As antenas do tipo Meander-Line sao variacoes da antenado tipo dipolo. Devido a seu tamanho final e sua flexibilidade de projeto, elas sao muitoutilizadas para aplicacoes em RFID UHF. A figura 2.9 mostra um exemplo de uma antenameander-line.

A analise apresentada para as mudancas de impedancia e da frequencia de ressonanciapara a antena do tipo dipolo dobrado, tambem sao validas para as antenas do tipoMeander-Line. As antenas do tipo Meander-Line consistem numa solucao interessantepara aplicacoes em RFID UHF, mas sua impedancia e bem sensıvel a pequenas variacoesde parametros, deixando a tarefa do casamento de impedancia entre a antena e o CI maisdifıcil.

Figura 2.9 Exemplo de antena tipo meander-line (LIMA, 2010)

2.1.3 Antena do tipo Slot

Antenas do tipo slot sao constituıdas basicamente por uma cavidade, com geometriae dimensoes adequadas a ressonancia para um diagrama de radiacao especıfico. A teoriaeletromagnetica diz que campos que atravessam uma abertura podem provocar radiacaono espaco (LIMA, 2010). As antenas do tipo slot sao classificadas como um tipo de antenade abertura. As antenas de abertura sao um grupo de antenas que nao sao filamentares, esim de estruturas metalicas que formam determinadas configuracoes que radiam/recebemenergia eletromagnetica de forma eficiente e planejada (LIMA, 2010).

E oportuno comparar o funcionamento de uma antena do tipo slot com uma antenado tipo dipolo de meia onda de mesmo tamanho e espessura da fenda, a qual e chamadade dipolo complementar (LIMA, 2010). O conceito de radiadores complementares mostraque o diagrama de radiacao da antena tipo slot e do dipolo serao iguais para antenas demesmas dimensoes, conforme mostrado na figura 2.10. A grande diferenca e que os camposeletrico e magnetico sao alternados. Sendo assim, a polarizacao e horizontal em um slotvertical, e vice-versa. Entao, pode-se concluir que a antena do tipo slot se comportacomo um dipolo magnetico. Em relacao as linhas campo, no caso do dipolo, as linhasdo campo eletrico tem a mesma direcao e as linhas do campo magnetico sao circulares e

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concentricas. Ja na antena do tipo slot, as linhas de campo eletrico e magnetico revertemabruptamente de um lado para o outro da superfıcie metalica.

Figura 2.10 Antena Slot com seu diagrama de radiacao e seu dipolo complementar (LIMA,2010)

No momento que a antena do tipo slot e excitada, flui uma corrente eletrica em todasuperfıcie metalica. A radiacao ocorre em ambos os lados da superfıcie. Entretanto,no caso do dipolo complementar as correntes estao mais confinadas e, portanto, umaintensidade maior de corrente e requerida para produzir uma determinada potencia desaıda usando a antena tipo dipolo.

As correntes que fluem na superfıcie condutora podem definir o padrao de radiacaoda antena do tipo slot mas, em geral, uma abertura em um plano de terra infinito e equi-valente a distribuicao das correntes magneticas confinadas na area da abertura (LIMA,2010).

A utilizacao de antenas do tipo slot para etiquetas RFID UHF nao e tao comum,porque estas antenas necessitam de plano de terra relativamente infinito, ou seja, comdimensao pelo menos duas vezes maior que o comprimento de onda. Em sistemas RFIDde 915 MHz, dois comprimentos de onda somam 65,6 cm, o que dificulta a aplicacao emsituacoes padroes, mas que no ambiente de uma PCI pode ser uma solucao interessante.

2.2 ANTENA DA ETIQUETA RFID

Uma etiqueta RFID e o elemento mais importante do sistema RFID e ela e basica-mente constituıda por uma antena e um CI. A antena da etiqueta e o elemento responsavelpor fazer a interface eletrica entre o CI e as ondas emitidas e recebidas. Quando a an-tena de uma etiqueta e desenvolvida, o seu projeto precisa atender aos requisitos de umadeterminada aplicacao para atingir o desempenho esperado. Isso resulta em tipos di-versos de desenhos, conforme pode ser visto na figura 2.11, que apresentam diferentescaracterısticas descritas a seguir.

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Figura 2.11 Diferentes tipos de Etiquetas Passivas UHF (LIMA, 2010)

2.2.1 Casamento de Impedancia

Durante o projeto de uma etiqueta RFID e necessario garantir que, para uma deter-minada faixa de frequencia, a potencia emitida ou recebida pela etiqueta seja a maiorpossıvel. A figura 2.12 apresenta o circuito equivalente de uma etiqueta RFID, onde RA eXA sao, respectivamente, a resistencia e reatancia da antena, RC e XC sao a resistencia ea reatancia do CI, respectivamente, e Voc representa a fonte de potencia de alimentacao.

Figura 2.12 Circuito equivalente de uma Etiqueta RFID (LIMA, 2010)

Pelo Teorema da Maxima Transferencia de Potencia em circuitos eletricos, sabe-seque a maxima transferencia ocorre quando a impedancia da carga e igual ao conjugadocomplexo da impedancia da fonte. Considerando-se a antena como fonte de tensao parao CI, e este sendo considerado como carga, o casamento de impedancia ocorre quandoXA = −XC e RA = RC . Na figura 2.13 e apresentado o circuito equivalente de umaetiqueta casada com o respectivo circuito integrado.

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Figura 2.13 Circuito equivalente de uma etiqueta RFID (LIMA, 2010)

2.2.2 Parametros de Espalhamento

Os parametros S (ou parametros de espalhamento) sao parametros utilizados pararelacionar as ondas incidente e refletida em um dispositivo de n portas. Para um sistemacom duas portas, as relacoes dos parametros S sao representadas por:

V −1 = S11 · V +

1 + S12 · V −2 (2.24)

V +2 = S21 · V +

1 + S22 · V −2 (2.25)

onde V −1 e V +

1 sao a onda refletida e incidente, respectivamente.Neste trabalho, o parametro S11 e o principal indicador do casamento de impedancia

entre a antena e o CI. Considerando ZA (impedancia da antena) e ZC (impedancia doCI), o parametro S11, no momento que a antena esteja fornecendo energia para o CI,pode ser calculado da seguinte forma:

S11 = 20 log | ZC − Z∗A

ZC + ZA| (2.26)

2.2.3 VSWR

O coeficiente de onda estacionaria, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), e umindicador utilizado para medir a taxa de descasamento de uma linha de transmissao emfuncao de uma determinada carga. Ele e utilizado no estudo de antenas para mensurara eficiencia entre a porta de excitacao e a antena, a partir da relacao entre os sinaisrefletidos e transmitidos. (PARET, 2008).

V SWR =VmxVmn

=Vinc + VrefVinc − Vref

(2.27)

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2.2.4 Ganho

O ganho de uma antena e a relacao entre o campo radiado pela antena na direcao demaxima radiacao e o campo que seria gerado por uma antena isotropica que recebessea mesma potencia. O ganho da antena proporciona a versatilidade de focar a potenciaradiada em uma determinada direcao relativa a um ponto de uma fonte isotropica (NXP,2010). Na forma de equacao, isto pode ser expresso como:

Ganho = 4πr2S

PIN(2.28)

Uma outra definicao para ganho, segundo (PARET, 2008), e a relacao entre a densi-dade superficial de potencia gerada por uma antena na direcao onde a densidade tem ovalor maximo, Santmx, e a densidade superficial de potencia, Siso, de uma antena isotropicade ganho unitario nas mesmas condicoes.

Ganho =SantmxSiso

(2.29)

2.2.5 Largura de Banda e Fator de Qualidade

A largura de banda e a faixa de frequencia onde as caracterısticas da antena (comoimpedancia de entrada, padrao de radiacao, largura de feixe, polarizacao, nıvel de lobolateral e ganho) estao dentro de valores desejaveis. Uma antena pode, simultaneamente,armazenar carga (caracterıstica capacitiva), opor-se a mudancas na corrente (caracterıs-tica indutiva), e radiar potencia para o mundo externo como fosse um resistor (NXP,2010). Do ponto de vista eletrico, uma antena se assemelha a um circuito RLC.

A configuracao do circuito depende do tipo da antena. Como um circuito oscilanteRLC, a antena tambem tem o Fator de Qualidade (Q) como um dos seus parametros. Alargura de banda e inversamente proporcional ao Fator de Qualidade Q, que e a relacao dareatancia total pela resistencia. Modelos de antenas com grandes reatancias e com valoresbaixos de resistencia apresentam um bom desempenho na frequencia central projetada,mas possuem uma degradacao do seu desempenho nas outras frequencias. Ja o inverso,quando as antenas possuem uma reatancia menor, o desempenho sera satisfatorio em umafaixa de frequencia maior.

2.2.6 Distancia maxima de leitura

Neste trabalho serao estudados diferentes designs de antenas em cenarios diversos e,portanto, faz-se necessario definir parametros de comparacao entre os diferentes tipos deantenas analisados.

Um dos parametros mais importantes para uma etiqueta de RFID e a distancia ma-xima de leitura. A distancia maxima de leitura pode ser calculada atraves da Equacaode Friis para o Espaco Livre (RAO; NIKITIN; LAM, 2005):

r =λ

4π

√PleitorGleitorGetiquetaτ

Pth(2.30)

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onde λ e o comprimento de onda, Pleitor e a potencia entregue a antena do leitor, Gleitor

e o ganho da antena do leitor, Petiqueta e a potencia recebida pela etiqueta, Getiqueta e oganho da antena da etiqueta, Pth e a potencia mınima necessaria para alimentar o CI daetiqueta, tambem chamada de Potencia de Threshold, e τ e o coeficiente de transmissaode potencia. τ e calculado pela equacao 2.31:

τ =4RCRA

| ZC + ZA |2, 0 ≤ τ ≤ 1 (2.31)

onde ZC = RC + jXC e a impedancia do circuito integrado da etiqueta e ZA = RA + jXA

e a impedancia da antena.Na figura 2.14 sao apresentados, em funcao da frequencia, o comportamento da impe-

dancia da antena, a impedancia do CI e a faixa de distancia de leitura da etiqueta parauma etiqueta generica de RFID (RAO; NIKITIN; LAM, 2005).

Figura 2.14 Comportamento da impedancia de uma etiqueta de RFID em comparacao com adistancia de leitura (RAO; NIKITIN; LAM, 2005)

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CAPITULO 3

ETIQUETA RFID EM UMA PLACA DE CIRCUITOIMPRESSO

A PCI (Placa de Circuito Impresso) e a estrutura que permite a impressao de umdesenho contendo as ligacoes eletricas (circuito), conectando os componentes em umdeterminado circuito eletronico sobre a chapa de um material resistente (substrato) re-coberta por uma fina camada de cobre (NAKAHARA, 2007). Todos os componenteseletronicos devem ser interligados e montados para constituir um sistema funcional e aPCI e a estrutura que possibilita isso.

O projeto de uma placa de circuito impresso, conforme ilustrado na figura 3.1, envolvediversos aspectos que devem ser considerados pelos projetistas de forma que a mesmaapresente o funcionamento adequado para sua aplicacao final. Questoes como espessurada trilha, numero de camadas de cobre, espessura da camada de cobre, espessura doisolante, frequencia de operacao, densidade de componentes e planos de sinais sao algumascaracterısticas que mudam de um projeto para outro.

Figura 3.1 Exemplo de uma Placa de Circuito Impresso

No momento da insercao de uma etiqueta RFID intrınseca a uma placa, todos ospontos citados acima devem ser observados para que o funcionamento da tag nao influencie

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na operacao da placa e nem a placa inviabilize a implantacao da etiqueta RFID. Dessaforma, a definicao da regiao de insercao deve ser estudada e modelada de forma a atenderaos criterios exigidos no projeto.

Neste trabalho o foco principal e o estudo dos fatores que interferem no funcionamentode uma etiqueta RFID UHF quando inserida na PCI e em seguida a definicao da estrategiae de uma metodologia que auxilie no projeto da etiqueta para que se consiga o desempenhoesperado. Para modelar o sistema de maneira adequada, deve-se considerar os parametroslistados abaixo:

Substrato: O valor da permissividade eletrica necessita ser levado em consideracao,principalmente na simulacao do sistema e para conseguir um bom casamento deimpedancia entre a antena e o circuito integrado. Na maioria das PCIs, o substratoutilizado e o FR4, tendo uma permissividade relativa εR que varia entre 4,1 a 4,5;

Camadas: O numero de camadas e um parametro importante, pois as cargasna superfıcie entre dois planos metalicos geram capacitancias parasitas que podeminterferir no funcionamento das etiquetas. A antena sera projeta para ser inseridanas camadas externas, ou seja, nas camadas Top ou Bottom;

Espessura: A espessura do substrato, assim como a espessura da folha de cobre,ambas influenciam no desempenho da antena;

Geometria: A posicao onde a etiqueta sera inserida tambem modifica o projetoda antena;

Circuito Integrado: O encapsulamento do circuito integrado e a sua montagemna placa influencia nas impedancias parasitas do sistema.

3.1 ESTRUTURA DE UMA PCI

3.1.1 Substrato

O material inicialmente usado como isolante nas placas de circuito impresso (PCIs) foiuma chapa conhecida como fenolite. A base de uma mistura de resina fenolica, o fenoliteera originalmente a marca comercial de um fabricante de chapas isolantes, utilizada pelosfabricantes de maquinas eletricas e transformadores. Na sua composicao ha uma certaquantidade de papel picado ou serragem de madeira, ocasionando a sua cor caracterısticamarrom (SILVA; MARIA; FERNANDES, 2013). O problema principal da utilizacao daschapas de fenolite decorre justamente do uso da carga a base de celulose, que a tornahigroscopica. Sendo assim, em um ambiente umido, a placa absorve certa quantidade deagua e as funcoes do substrato ficam comprometidas.

Motivados pelo problema supracitado, foram desenvolvidas na decada de 1960, comoalternativa de melhor qualidade, as placas conhecidas como fibra de vidro (FV). As cha-pas sao uma mistura de resina epoxi e uma fina manta de tecido de fibras de vidro.A resina epoxi garante que as placas de FV sejam totalmente inertes a agua (SILVA;MARIA; FERNANDES, 2013). Devido a sua excelente capacidade isolante e estabili-dade dimensional, a industria eletroeletronica utiliza preponderantemente placas de FV,

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ficando a fenolite geralmente restrita a projetos de pouca qualidade ou quando se utilizauma tecnica mais artesanal na fabricacao.

Antes da insercao da etiqueta na placa e preciso modelar a PCI que sera utilizada noestudo. As condicoes de contorno deverao ser impostas ao problema e os parametros dosubstrato devem ser definidos, pois sao cruciais para o correto casamento de impedanciados componentes da antena que estarao inseridos na PCI.

A densidade de fluxo eletrico ~D depende do campo eletrico ~E e da permissividadeeletrica do meio ε. A permissividade do meio ε e uma variavel escalar; ~D e ~E sao vetoresparalelos que se relacionam conforme equacao 3.1.

D = εE = ε0εRE (3.1)

onde ε0 e a permissividade do vacuo e εR e a permissividade relativa do meio.

Quando a antena da etiqueta RFID UHF e inserida na placa de circuito impresso,que possui uma permissividade relativa considerada alta, entre 4,1 e 4,5, e necessarioque o projeto consiga diminuir a influencia de dois problemas: a dessintonizacao e aatenuacao do sinal. O primeiro problema esta relacionado com a variacao da impedanciada antena nas frequencias de trabalho, causando o descasamento de impedancia com o CI,consequentemente a dessintonizacao da antena. No segundo caso, a depender da parteimaginaria da constante do dieletrico do material isolante, uma quantidade significativada onda na faixa de frequencia UHF sera absorvida, resultando na reducao da distanciamaxima de leitura da etiqueta.

3.1.2 Camadas

Apos sua invencao durante a Segunda Guerra Mundial, as Placas de Circuito Impressoapresentaram avancos significativos nas ultimas decadas, principalmente permitindo aminituarizacao dos circuitos devido a utilizacao de varias camadas em seus projetos. Emuito comum a fabricacao de placas de circuito impresso com quatro, seis e oito camadas,alem das mais simples e mais fabricadas, as convencionais de duas camadas.

Conforme apresentado na figura 3.2, basicamente a PCI de duas camadas e constituıdapor uma folha de cobre na camada superior, apelidada de camada Top, pelo substratoe pela folha de cobre da camada inferior apelidada de camada Bottom. Na figura 3.3 eilustrado um exemplo de PCI com quatro camadas, que alem das camadas externas Tope Bottom, possui camada internas.

Figura 3.2 PCI com duas camadas

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Figura 3.3 PCI com quatro camadas

Todos os componentes eletronicos estarao nas camadas externas, sendo as camadasinternas utilizadas para plano de alimentacao e terra ou para plano de sinais. Existemalgumas boas praticas de projeto, que, conforme apresentado nas figuras 3.4 e 3.5, sugerema caracterıstica de cada camada.



Neste trabalho sera estudado inicialmente PCIs de duas camadas, sendo as folhas decobre de espessura de 0,035 mm e o substrato sera o FR4 com espessura de 1,6 mm.

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3.2 EFEITOS DE PLANOS METALICOS EM ETIQUETAS DE RFID

Ao projetar uma etiqueta RFID para um ambiente metalico, e muito importanteconhecer o comportamento da onda eletromagnetica perto de um plano metalico a fimde identificar quais parametros (impedancia de entrada, ganho, diagrama de radiacaoe eficiencia de radiacao) da antena podem ser alterados significativamente. A figura3.6 mostra as condicoes eletromagneticas de contorno entre dois meios genericos. Aamplitude e fase da onda transmitida e refletida sofrem alteracoes devido a mudanca decaracterısticas entres os meios (ε, µ, σ). Cabe ressaltar que a amplitude e a fase do sinalrefletidos sao caracterısticas crıticas para uma tag passiva RFID UHF, pois o metodoutilizado para modulacao do sinal e o backscatter (PARET, 2008).

Figura 3.6 Condicoes eletromagneticas de contorno entre dois meios (YU; HARACKIEWICZ;LEE, 2010)

As condicoes eletromagneticas de contorno para um caso geral podem ser matemati-camente expressas pelas equacoes 3.2, 3.3, 3.4 e 3.5.

n× (E1 − E2) = 0 (3.2)

n · (D1 −D2) = 0 (3.3)

n× (H1 −H2) = Js (3.4)

n · (B1 −B2) = 0 (3.5)

onde:

n e o vetor normal unitario direcionado do meio 2 para o meio 1;

E e a intensidade do Campo Eletrico (V/m), D e a densidade de fluxo eletrico(C/m2);

H e a intensidade do Campo Magnetico (A/m), B e a densidade de fluxo magnetico(W/m2);

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ρs e a densidade de carga superficial (C/m), Js e a densidade de corrente superficial(A/m2)

Utilizando as equacoes 3.2 a 3.5, pode-se encontrar as condicoes eletromagneticasde contorno para o caso especial onde o meio 2 e um condutor eletrico perfeito - PEC(Perfect Electric Conductor), conforme ilustrado na figura 3.7. Se o meio 2 e um PEC comcondutividade infinita, todas as componentes dos campos sao nulas dentro do respectivomeio e, portanto, pode-se expressar essas condicoes eletromagneticas da seguinte forma:

n× E1 = 0 ou E1t = 0 (3.6)

n ·D1 = ρs ou D1n = ρs (3.7)

n× (H1) = Js ou H1t = Js (3.8)

n ·B1 = 0 ou B1n = 0 (3.9)

Figura 3.7 Condicoes eletromagneticas de contorno com um meio PEC (YU; HARACKI-EWICZ; LEE, 2010)

A partir das equacoes 3.6 a 3.9 e possıvel notar que as componentes tangenciais docampo eletrico sao nulas e que so ha componentes normais do campo eletrico oscilante.Por outro lado, nao existem componentes normais do campo magnetico, somente compo-nentes tangenciais. Vale ressaltar que todas as ondas normais incidentes sao totalmenterefletidas devido a profundidade de penetracao no PEC ser zero. Portanto, a amplitudeda onda incidente e da onda refletida sao iguais, mas as ondas estao defasadas em 180°.Em outras palavras, enquanto a resultante dos campos eletricos incidente e refletido nainterface metalica do PEC e zero, o campo magnetico total (componente tangencial) e odobro.

Como mencionado anteriormente, existem somente a componente normal do campoeletrico e a componente tangencial do campo magnetico proximo a superfıcie metalica.As etiquetas RFID UHF que dependem da componente tangencial do campo eletrico ouda componente normal do campo magnetico terao seu desempenho fortemente afetadoquando colocadas proximas de plataformas metalicas. Parametros como seu ganho, sua

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impedancia de entrada e seu diagrama de radiacao serao afetados por esse cenario (YU;HARACKIEWICZ; LEE, 2010).

E importante frisar tambem que a maxima transferencia de potencia e realizada so-mente se a impedancia da antena da etiqueta estiver casada com a impedancia do CI. Aimpedancia do CI nao tem os valores padroes de 50 Ω ou 75 Ω que geralmente se tra-balha no mundo da radiofrequencia. O valor varia bastante, pois depende da frequenciade operacao e da potencia de trabalho, alem dos CIs de etiquetas RFID apresentaremum alto Q (fator de qualidade) em seus terminais, dificultando assim o casamento deimpedancia entre a antena e o CI. Pequenas alteracoes na impedancia causam serias in-terferencias no desempenho da antena. Ambiente metalicos ou com lıquidos causam odeslocamento da frequencia de ressonancia e a degradacao da eficiencia da etiqueta (YU;HARACKIEWICZ; LEE, 2010).

Conforme apresentado por (YU; HARACKIEWICZ; LEE, 2010), etiquetas RFID dotipo (meandered dipole) quando colocadas proximas de uma superfıcie metalica apresen-tam desempenho degradado, devido a variacao da impedancia por causa das capacitanciasparasitas entre a antena e o plano metalico. Alem da variacao de impedancia, que afetao casamento de impedancia, o diagrama de radiacao da antena e afetado, deixando de seruma antena ominidirecional, passando a ser uma antena direcional.

Segundo (YU; HARACKIEWICZ; LEE, 2010), uma boa solucao para solucoes deRFID que trabalhem proximas de plataformas metalicas e utilizar etiquetas para as an-tenas do tipo microfita. O autor afirma que quando o plano de terra e maior do que0, 25λ em comparacao ao patch (parte radiante da antena), a antena fica estavel perto deregioes metalicas.

3.3 CIRCUITO INTEGRADO

O transponder RFID e constituıdo por uma antena, um circuito integrado, conectorese um substrato que atua como agente isolante da etiqueta. Nesse sistema, o CircuitoIntegrado (CI) e o responsavel por receber, processar, armazenar e retransmitir as infor-macoes referentes a etiqueta.

Quando se trabalha em um sistema UHF passivo, o chip da etiqueta nao possui ne-nhum tipo de fonte interna de alimentacao, seu processo de energizacao vem das ondaseletromagneticas provenientes do leitor RFID. Desta energia que chega ao circuito inte-grado, uma parte e utilizada para energizar o chip e a outra parte para retransmitir osinal. A potencia necessaria para energizar o circuito integrado de uma tag RFID UHFpassiva e cerca de 10 µW a 50 µW (PARET, 2008).

O circuito equivalente de um CI para uma etiqueta UHF RFID e apresentado na figura3.8, onde Rser representa a parte real e Cser e a parte imaginaria, que na frequencia deoperacao da etiqueta UHF tem carater capacitivo.

Geralmente etiquetas RFID utilizam CIs em die que, para um cenario de utilizacao emPCI, nao e uma tecnologia convencional e poderia tornar inviavel a utilizacao nas atuaislinhas de montagem de placas eletronicas. Feita esta analise, foram levantados CIs comencapsulamentos compatıveis com a tecnologia de montagens SMD (Surface MountingDevice) para placas eletronicas e compatıvel com o protocolo ISO/IEC 18000-6C.

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Figura 3.8 Circuito equivalente de um CI

Apos pesquisa entre os componentes eletronicos comerciais, foi especificado o CIUCODE G2iL+ da NXP de encapsulamento do tipo SOT886, ilustrado na figura 3.9.Os CIs de transponder da serie UCODE G2iL da NXP oferecem um bom alcance deleitura, com uma sensibilidade de -18 dBm, para o modo de conexao simples com a an-tena. Ja no modo com alimentacao externa, alcanca sensibilidade de -27 dBm (NXPSemiconductor, 2014).

Figura 3.9 Circuito Integrado UCODE G2iL+ de encapsulamento SOT886

As principais caracterısticas do CI, segundo (NXP Semiconductor, 2014) sao:

Protocolo UHF RFID Gen2 de acordo com a EPCglobal v1.2.0 com 128 bits dememoria de EPC (Electronic Product Code para a faixa de frequencia de 860 MHza 960 MHz);

Protecao para leitura dos enderecos de memoria;

Impedancia caracterıstica do UCODE Zchip = 21−199j na frenquencia de 915 MHze no modo sem alimentacao externa;

Potencia mınima -17 dBm para o modo sem alimentacao externa e -27 dBm para omodo com alimentacao externa.

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Os pinos do CI sao mostrados na figura 3.10 e listados na tabela 3.1. Os terminais dasantenas devem ser conectados aos pinos 1 e 3, respectivamente denominados RFP e RFN.Os terminais 2 e 5 nao devem ser conectados, auxiliando somente na fixacao mecanicano momento da soldagem na PCI. O pino 4, OUT, e uma saıda digital, que pode serutilizada, por exemplo, como uma chave ON/OFF em determinadas aplicacoes. O pino6, VDD, e o que permite que o CI seja alimentado com uma fonte externa de 1,85 V.Com a alimentacao externa, o pino 3 funcionara como o terra da alimentacao.

Figura 3.10 Pinos do Circuito Integrado

Tabela 3.1 Descricao dos Pinos do circuito integrado UCODE G2iL+ com encapsulamentoSOT886

Pino Sımbolo Descricao

1 RFP Porta para conector da antena nao aterrada

2 n.c. Nao conectado

3 RFN Porta para conector da antena aterrada

4 OUT Porta de saıda digital

5 n.c. Nao conectado

6 VDD Pino para alimentacao externa

No diagrama de blocos apresentado na figura 3.11, e possıvel visualizar melhor aestrutura do CI UCODE G2iL+.

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Figura 3.11 Diagrama de bloco do circuito integrado UCODE G2iL+ (NXP Semiconductor,2014)

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CAPITULO 4

ANTENAS ESTUDADAS

O projeto de uma etiqueta RFID, inevitavelmente, envolve uma analise de priorizacaoentre os parametros de ganho da antena, impedancia e largura de banda. A aplicacaodesejada e o ambiente de insercao serao primordiais para a definicao das respectivascaracterısticas de projeto. Nesse trabalho foram estabelecidos alguns requisitos para asetiquetas projetadas e inseridas nas PCIs que sao apresentados a seguir:

Alcance de leitura: No mınimo 4 metros para a potencia maxima permitida pelaAnatel;

Banda de frequencia: A etiqueta deve funcionar na faixa de frequencia de 902 a928 MHz, ou seja apresentar S11 menor que -10 dB nessa faixa;

Tipo da etiqueta: A etiqueta RFID UHF do estudo deve ser do tipo passiva, semalimentacao externa;

Formato: Foram testadas as etiquetas do tipo Folded Dipole, Meander-line, SlotSimples e Slot Dipolo Dobrado;

Tamanho: Como cada antena tem seu formato caracterıstico, o tamanho nao foiuma variavel pre-fixada, mas foi de suma importancia para as analises que foramfeitas no capıtulo seguinte;

Material: A antena da etiqueta deve fazer parte do processo de manufatura daplaca de circuito impresso, sem alterar os procedimentos de fabricacao e montagemdas placas eletronicas. O substrato sera o FR-4 com espessura de 1,6 mm e a folhade cobre tera espessura de 0,035 mm.

Apos aprofundamento e estudo, nos capıtulos anteriores, no tema de etiquetas RFIDUHF em ambiente de Placa de Circuito Impresso, consequentemente ambiente meta-lico, partiu-se para trabalhar com quatro diferentes tipos de etiquetas RFID. O estudonesse capıtulo foi viabilizado pela utilizacao da ferramenta computacional CST MicrowaveStudio para a realizacao de simulacoes eletromganeticas. Este software auxilia na ana-lise e no projeto de componentes como antenas, filtros, linhas transmissao, acopladores eressonadores (LIMA, 2010).

Segundo (RUTSCHLIN; WITTIG; HIRTENFELDER, 2009), para realizar as simula-coes o CST MWS utiliza o metodo FIT (Finite Integration Technique), o qual agrega osmetodos PBA ((Perfect Boundary Approximation) e uma extensao do TST (Thin SheetTechnique) em todos os domınios. O CST apresenta quatro diferentes modos para si-mulacao, transient solver, frequency domain solver, eigenmode solver e modal analysis

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solver, que devem ser escolhidos conforme necessidades especıficas. Nesse trabalho todasas simulacoes foram realizadas no domınio do tempo, ou seja no modo transient solver,pois e o recomendado para as simulacoes de acoplamento de microondas (868 MHz a 5,8GHz) (RUTSCHLIN; WITTIG; HIRTENFELDER, 2009). Sendo assim, com o uso daferramenta de simulacao, consegue-se otimizar o projeto inicial da etiqueta, analisando asvariaveis a que a antena esta submetida, permitindo a avaliacao da solucao por completoe aumentando a confiabilidade final do projeto (RUTSCHLIN; WITTIG; HIRTENFEL-DER, 2009).

4.1 2-WIRE FOLDED DIPOLE

O trabalho foi iniciado com o estudo do modelo da antena do tipo 2-wire foldeddipole (KALAYCI, 2009), tendo como CI (circuito integrado) utilizado o UCODE G2iL+de encapsulamento do tipo SOT886 da NXP Semiconductors. Conforme abordado nocapıtulo anterior, a impedancia caracterıstica do UCODE e Zchip = 21−199j na frequenciade 915 MHz (NXP Semiconductor, 2014). Definido o design desejado da antena e o seurespectivo CI, a proxima etapa do estudo foi projetar a etiqueta para um cenario padrao,em um inlay sem a presenca de um ambiente metalico.

A antena e modelada utilizando os parametros L1, L2, L3, L4, W, lw, ps, Ea eEs, conforme e mostrado pela figura 4.1. Apos analise e estudo do comportamento daantena utilizando o simulador CST Studio, foi possıvel identificar a influencia de cadaparametro no valor da impedancia caracterıstica do modelo apresentado. A frequenciade ressonancia e principalmente determinada pelos parametros L1, L2 e L3 (KALAYCI,2009). Outros parametros como L4, a espessura do metal e do substrato influenciam demodo minoritario na frequencia de ressonancia, mas nao tanto como L1, L2 e L3.

Figura 4.1 Modelo da Etiqueta

O metal utilizado para a antena na simulacao foi o cobre com espessura Ea = 0, 02mm, e o substrato utilizado foi o Arlon AR 320 com εr = 3, 2, tangente de perda δ =0, 0038 e espessura Es = 0, 01 mm. O primeiro passo a partir dos valores inciais, L1=87mm, L2=3 mm, L3=5,4 mm, L4=16 mm, W=26,4 mm, Ea=0,02 mm, Es=0,1 mm,W=26,4 mm, lw=1,0 mm e ps=1,0 mm, foi variar os principais parametros para entender

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o comportamento da antena. Para a variacao de L1 mantendo todos os outros parametrosinalterados, foram obtidos os graficos apresentados nas figuras 4.2 e 4.3 para as partesreal e imaginaria da impedancia respectivamente. E possıvel notar que o comportamentoda parte imaginaria e de caracterıstica indutiva antes da frequencia de ressonancia e decaracterıstica capacitiva apos a frequencia de ressonancia. Pode-se concluir que com oaumento do comprimento L1, a parte imaginaria e a parte real crescem na frequencia de915 MHz, tendo esse comportamento ate o ponto de ressonancia. Para a frequencia de915 MHz o ponto de ressonancia esta proximo de λ/2 = 16,39 cm (MARROCO, 2008).

Figura 4.2 Parte real da impedancia em ohms da antena variando L1 em funcao da frequencia

Figura 4.3 Parte imaginaria da impedancia em ohms da antena variando L1 em funcao dafrequencia

Continuando o estudo, foi realizada a variacao do parametro L2, que pode ser vistonas figuras 4.4 e 4.5. Pode-se notar que para a variacao desse parametro a frequencia

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de ressonancia varia muito menos do que no caso da variacao de L1. Para a faixa defrequencia de interesse na vizinhaca de 915 MHz, aumentando L2 resulta na diminuicaoda parte imaginaria e no aumento da parte real da impedancia.



O estudo em torno do parametro L3 e apresentado nas figuras 4.6 e 4.7. Nota-se que,como o L2, a variacao na frequencia de ressonancia e bem menor quando comparado aL1. Na frequencia de 915 MHz, a parte imaginaria da impedancia cresce com aumentode L3 e a parte real se mantem na mesma ordem de grandeza com pequenas variacoes.

Ja o paramentro L4 apresenta caracterısticas similares a L3, que podem ser vistas nasfiguras 4.8 e 4.9, onde a parte imaginaria cresce com o aumento de L4 e a parte real semantem na mesma ordem de grandeza para a frequencia de 915 MHz.

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Tendo analisado o modelo de comportamento de cada parametro, foi possıvel, aposalgumas simulacoes e utilizando processos de otimizacao, casar a impedancia com o CIUCODE G2iL+ de encapsulamento do tipo SOT886 da NXP Semiconductors para afrequencia de 915 MHz. Os valores sao apresentados na tabela 4.1 e, para os demaisparametros, serao mantidos os apresentados no inıcio deste capıtulo.

Tabela 4.1 Paramentros Otimizados

L1 L2 L3 L4

82 mm 4,75 mm 4,5 mm 12 mm

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A partir dos dados contidos na tabela 4.1, simulou-se o parametro S11 que pode servisto na figura 4.10. A antena projetada apresenta uma faixa de operacao de aproxi-madamente 42 MHz, comecando de 894 MHz a 936 MHz, tendo em seu ponto otimo deoperacao um S11 = −23, 953 dB.

Utilizando o CST foi possıvel tambem obter os diagramas de radiacao da antenaproposta, que podem ser vistos nas figuras 4.11, 4.12 e 4.13.

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Figura 4.10 Parametro S11 para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5 mm e L4=12 mm, cenarioetiqueta padrao fora da PCI

Figura 4.11 Diagrama de radiacao em 915 MHz para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5 mme L4=12 mm, cenario com etiqueta padrao fora da PCI

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Figura 4.12 Diagrama de radiacao em 915 MHz para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5 mme L4=12 mm, cenario com etiqueta padrao fora da PCI

Figura 4.13 Diagrama de radiacao em 915 MHz para L1=82 mm, L2=4,75 mm, L3=4,5 mme L4=1 2mm , cenario com etiqueta padrao fora da PCI

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4.1.1 Insercao em Placa de Circuito Impresso

O proximo passo apos o estudo dos parametros da antena foi levar a etiqueta para umambiente de placa de circuito impresso. A espessura do cobre passou para Ea = 0, 035 mme o substrato foi modificado para o FR-4 com εr = 4, 3, tangente de perda δ = 0, 0025 eespessura Es = 1, 6 mm. Com essas mudancas, os valores das impedancias caracterısticasda antena foram modificadas para Zreal = 27, 83Ω e Zimag = 548, 37 Ω na frequenciade 915 MHz. Sendo assim, a antena nao estava mais casada com o CI utilizado, oque acarretou uma nova otimizacao dos parametros. Apos tecnica similar utilizada naprimeira parte desse trabalho foi possıvel chegar aos valores da tabela 4.2. Ao simulara nova antena foram gerados os graficos das figuras 4.14, 4.15 e 4.16. Comparando onovo S11 com o anterior num ambiente padrao, pode-se notar que, para o segundo caso,a faixa de frequencia e um pouco mais estreita: cerca de 35 MHz em vez dos 42 MHz.Entretanto o valor no seu ponto otimo de operacao passou para S11 = −26, 339 dB. Emrelacao aos ganhos da antena, houve uma pequena reducao no ganho do lobulo principalque passou a ser Gantena = 1, 68 dBi. E notorio que, para esse novo cenario, nao houvenenhuma mudanca significativa no desempenho da etiqueta.


L1 L2 L3 L4

70 mm 11,65 mm 4,5 mm 14,5 mm

Figura 4.14 Parametro S11 para L1=70 mm, L2=11,65 mm, L3=4,5 mm e L4=14,5 mm

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Figura 4.15 Diagrama de radiacao em 915 MHz


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4.1.2 Placa com Plano Top

As placas eletronicas possuem planos de sinais que facilitam o processo de roteamentoe ajudam na miniaturizacao dos projetos. Na figura 4.17 esta representada uma PCIde uma unica camada que possui um plano de sinal. Este, em uma situacao real, teriadiversas trilhas cujos efeitos foram desprezados em um primeiro momento neste trabalho.Inserindo a etiqueta RFID na parte inferior da PCI foi parametrizada a distancia entrea mesma e o plano, como mostrado na figura 4.17. Essa parametrizacao foi realizadacom o objetivo de observar os efeitos do plano sobre o desempenho da etiqueta. Duranteas simulacoes realizadas, foi constatado que com o aumento do parametro C top, nafaixa de frequencia desejavel, a parte real da impedancia da antena aumenta de maneirasignificativa e a parte imaginaria quase nao se modifica. Em relacao ao parametro L top,a sua contracao na faixa de frequencia de trabalho, resulta no aumento da parte real eda parte imaginaria da impedancia caracterıstica.

Figura 4.17 PCI com plano de sinal na camada superior

Os efeitos principais do plano sobre a antena sao a dessintonizacao da faixa de frequen-cia projetada e a degradacao do diagrama de radiacao da antena. Inicialmente devido ainsercao do plano de sinal, houve modificacao no casamento da impedancia da etiquetacom o circuito integrado. Utilizando os parametros C top = 15mm e o L top = 80mm,foram obtidos os graficos das figuras 4.18, 4.19, 4.20 e 4.21. Eles apresentam respectiva-

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mente a variacao do parametro S11 com a frequencia e os diagramas de radiacao nessenovo cenario.


L1 L2 L3 L4

70 mm 11,65 mm 4,5 mm 14,5 mm

Figura 4.18 Parametro S11 para L1 = 70 mm, L2 = 11,65 mm, L3 = 4,5 mm e L4 = 14,5 mm

Figura 4.19 Diagrama de radiacao em 915 MHz com plano de sinal na camada superior

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45


4.1.3 Placa com Planos Top e Bottom

A parte seguinte deste trabalho consiste na insercao de um plano de sinal na faceinferior da PCI, tornando-a uma placa dupla-face, como a especificacao da figura 4.22.Os valores da parte real da impedancia e da parte imaginaria foram significativamentealterados para Zreal = 8, 33 Ω e Zimag = 583, 58 Ω na frequencia de 915 MHz. Aposrealizar tecnica similar aos casos anteriores, o completo casamento de impedancia naofoi alcancado, principalmente por causa da resistencia da antena. O plano Bottom au-mentou muito a frequencia de ressonancia para a antena projetada no cenario anterior,ocasionando um aumento significativo da reatancia, quase triplicando o respectivo valorpara a frequencia de 915MHz. A solucao encontrada, utilizando os parametros apresen-tados na tabela 4.4, foi levar a impedancia na sua parte imaginaria para perto dos 199Ω, e adicionar um elemento resistivo, como por exemplo uma resistencia comercial SMD,encapsulamento do tipo 0402, valor igual a 20Ω com precisao de 0,1% para compensar aresistencia da antena de cerca de 2Ω.


L1 L2 L3 L4 C Top L Top

70,8 mm 8,0 mm 2,0 mm 5,0 mm 45,0 mm 50,0 mm

Apesar de permitir o casamento de impedancia entre a antena e o CI, esse tipo desolucao nao e recomendavel, pois influencia diretamente na eficiencia da antena, adicio-nando um elemento que ira dissipar parte da energia que chega dos leitores. Inserindo oresistor na antena, foram obtidos a curva do parametro S11 apresentado na figura 4.24,o diagrama de radiacao da figura 4.23 e os seus respectivos cortes em theta = 90 ephi = 90 nas figuras 4.25 e 4.26. Nota-se que o plano de sinal na camada inferior,modifica completamente o diagrama de radiacao. Ratifica-se essa afirmacao quando secompara as figuras 4.19 e 4.23.

Figura 4.22 Placa dupla-face

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Figura 4.23 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI

Figura 4.24 S11 com o plano superior e inferior na PCI

Figura 4.25 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI (thetaconstante)

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Figura 4.26 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI (phiconstante)

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4.1.4 Analise simulacoes 2-wire folded dipole

Conforme e esperado, a medida que sao adicionados os planos na PCI, o diagramade radiacao se torna mais diretivo (PROTHRO; DURGIN; GRIFFIN, 2006) e a formada figura tradicional de um “oito” no diagrama de radiacao de um dipolo e distorcidadevido ao aumento da diretividade. Quando o plano bottom e inserido, a frequenciade ressonancia aumenta significativamente e o valor da parte imaginaria da impedanciada antena aproximadamente triplica, enquanto a parte resistiva e reduzida para valoresproximos a 10% do valor inicial na frequencia de 915 MHz.

Na tabela 4.5 e possıvel notar as evolucoes dos cenarios, onde o Cenario 1 representa aantena fora da PCI, o Cenario 2 representa a antena no ambiente de PCI e os Cenarios 3 e4 representam, respectivamente as antenas com o plano Top e, com o plano Top e Bottom.Vale destacar, nessa comparacao, o aumento da diretividade (ganho) com a insercao dosplanos metalicos. Outro ponto de destaque foi a diminuicao da area da antena no cenario4. Isso ocorreu devido a insercao do plano Bottom interferir aumentando os valores dafrequencia de ressonancia e da reatancia da antena, havendo a necessidade de reajustedos parametros para valores menores, buscando o casamento de impedancia entre o CI ea antena.

Tabela 4.5 Resumo dos cenarios da etiqueta tipo 2-wire folded dipole

Cenario 1 Cenario 2 Cenario 3 Cenario 4

Comprimento (L1) 82,0 mm 70,0 mm 70,0 mm 70,8 mm

Area da antena 14,4 cm2 14,0 cm2 14,0 cm2 5,7 cm2

Ganho 1,76 dBi 1,68 dBi 2,4 dBi 2,64 dBi

S11 -23,90 dB -26,41 dB -33,08 dB -23,77 dB

Largura de Faixa 42,45 MHz 35,17 MHz 38,77 MHz 25,11 MHz

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4.2 MINI MEANDER DIPOLE WITH LOOP

O tipo de antena Dipolo de meia-onda e o mais utilizado comercialmente para projetosde etiquetas RFID UHF devido a sua simples estrutura, baixo custo e ganho aceitavel.O fator complicador neste caso e o comprimento do Dipolo de meia-onda, relativamentegrande para o cenario de uma PCI quando se trabalha na faixa de frequencia UHF. Logo,para a frequencia de 915 MHz, tem-se λ/2 = 16,39 cm. Sendo assim, e necessario utilizartecnicas de minituarizacao da antena para que as etiquetas fiquem com dimensoes viaveispara as respectivas aplicacoes (FAUDZI et al., 2013).

O segundo design de antena proposto neste trabalho e a antena do tipo Mini MeanderDipole (FAUDZI et al., 2013), tendo como CI (circuito integrado) utilizado no projeto oUCODE G2iL+ de encapsulamento do tipo SOT886 da NXP Semiconductors. A impe-dancia caracterıstica do UCODE e Zchip = 21 − 199j na frequencia de 915 MHz (NXPSemiconductor, 2014). Definido o segundo design desejado, a proxima etapa do estudofoi projetar a etiqueta para um cenario de uma PCI com a espessura do cobre Ea = 0, 035mm e o substrato FR-4 com εr = 4, 3, tangente de perda δ = 0, 0025 e espessura Es = 1, 6mm.

A antena e modelada utilizando os parametros a, b, c, d, e, f, g, h, x, y, V e W,conforme e mostrado pela figura 4.27 (FAUDZI et al., 2013).

Figura 4.27 Modelo da Etiqueta do tipo Mini Meander Dipole with Loop

Apos analisar os respectivos parametros, buscando casar a impedancia da antena como CI, foi possıvel perceber que os parametros que apresentam uma maior influencia nafrequencia de ressonancia sao os parametros d e h. Nas figuras 4.28 e 4.29, e possıvelobservar que quanto menor o parametro d, maior e a frequencia de ressonancia.

A variacao do parametro h em relacao a frequencia de ressonancia tem um comporta-mento similar ao do parametro d. Reduzindo o parametro h, a frequencia de ressonanciaaumenta. Tal comportamento pode observado nas figuras 4.30 e 4.31. Outro pontoimportante da analise dos parametros foi ratificar que os parametros x e y podem serconsiderados como os parametros de ajuste fino na impedancia da antena. A variacao em

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Figura 4.28 Variacao da reatancia em funcao do parametro d

Figura 4.29 Variacao da resistencia em funcao do parametro d

torno da frequencia de ressonancia e menor, como pode ser observado nos graficos dasfiguras 4.32, 4.33, 4.34 e 4.35.

Apos analise e ajuste dos parametros para o casamento de impedancia, chegou-seaos valores da tabela 4.6. Os graficos das figuras 4.36, 4.37, 4.38 e 4.39 representamrespectivamente o parametro S11, o diagrama de radiacao na frequencia de 915 MHz em3D e nos cortes theta = 90 e phi = 90. O S11 apresenta uma largura de banda de cercade 18 MHz e o valor no seu ponto otimo de operacao e S11 = −31, 655 dB na frequenciade 919,02 MHz. O valor do ganho da antena e Gantena = 1, 15 dBi.

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Figura 4.30 Variacao da reatancia em funcao do parametro h

Figura 4.31 Variacao da resistencia em funcao do parametro h

Figura 4.32 Variacao da reatancia em funcao do parametro x

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Figura 4.33 Variacao da resistencia em funcao do parametro x

Figura 4.34 Variacao da reatancia em funcao do parametro y

Figura 4.35 Variacao da resistencia em funcao do parametro y

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Parametro Dimensao Parametro Dimensao

a 2,0 mm g 9,1 mm

b 9,0 mm h 22 mm

c 1,0 mm v 43,0 mm

d 1,5 mm w 30,0 mm

e 8,0 mm x 11,0 mm

f 10,5 mm y 8,0 mm

Figura 4.36 S11 em cenario inicial

Figura 4.37 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario inicial

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Figura 4.38 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario inicial (theta constante)

Figura 4.39 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario inicial (phi constante)

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4.2.1 Placa com Plano Top

Nesta etapa, sera considerado uma placa de uma unica face, com uma unica camada,com dimensoes 100 mm x 150 mm e plano top, conforme figura 4.40.

Figura 4.40 Tag Meander Dipole with Loop inserida em placa com plano top

Apos a insercao e a parametrizacao do plano nas variaveis Ltop e Ctop, foram reali-zadas as simulacoes para verificar o efeito desses parametros no contexto da antena. Nasfiguras 4.41 e 4.42 e possıvel verificar que a variacao do parametro Ctop nao afeta signifi-cativamente a frequencia de ressonancia, mas afeta os valores da impedancia. Percebe-seque quanto mais perto o plano do eixo principal da antena no eixo x, menor o valor deCtop e a reatancia e a resistencia tem valores reduzidos.

Em relacao a variacao do parametro Ltop, a frequencia de ressonancia e afetadaprincipalmente para os valores que aproximam o plano da antena na direcao do eixo y.Para valores de Ltop acima de 45, a frequencia de ressonancia tem uma variacao pequena,como pode ser visto respectivamente nas figuras 4.43 e 4.44.

Nessa estrutura da antena com o plano Top, o trabalho para casar a impedancia foimais difıcil devido a uma limitacao no comportamento do conjunto antena e plano quenao permitiu facilmente que a impedancia da antena se aproxima do complexo conjugadodo CI na faixa de frequencia desejada (902 MHz a 928 MHz). O casamento de impedanciacom o melhor resultado obtido para esse cenario foi realizado utilizando-se com os valoresde parametros apresentados na tabela 4.7.

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Figura 4.41 Reatancia em funcao da variacao do parametro Ctop

Figura 4.42 Resistencia em funcao da variacao do parametro Ctop

Os graficos das figuras 4.45, 4.46, 4.47 e 4.48 representam respectivamente o parametroS11, o diagrama de radiacao na frequencia de 915 MHz em 3D os diagramas de radiacaona mesma frequencia e nos cortes theta = 90 e phi = 90. O S11 apresenta uma largurade banda de cerca de 57 MHz, com o valor no seu ponto otimo de operacao igual a S11

= −15 dB na frequencia de 902 MHz. Atraves do grafico do parametro S11, ratifica-seque essa etiqueta atende a faixa de frequencia desejada (902 a 928 MHz) que e a utilizadano Brasil conforme resolucao da Anatel (Agencia Nacional de Telecomunicacoes, 2017).Em relacao ao ganho da antena, o seu valor e Gantena = 2, 43 dBi na frequencia de 915MHz.

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Figura 4.43 Reatancia em funcao da variacao do parametro Ltop

Figura 4.44 Resistencia em funcao da variacao do parametro Ltop



a 2,0 mm g 9,1 mm

b 7,0 mm h 21 mm

c 1,0 mm v 150,0 mm

d 1,5 mm w 100,0 mm

e 8,0 mm x 13,0 mm

f 10,5 mm y 11,5 mm

Ctop 40 mm Ltop 50 mm

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Figura 4.45 S11 com o plano TOP

Figura 4.46 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario com o plano TOP

Figura 4.47 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario com plano TOP (theta constante)

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Figura 4.48 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario com plano TOP (phi constante)

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4.2.2 Placa com Plano Top e Plano Bottom

Conforme foi realizado com o primeiro design de etiqueta deste trabalho, foi inseridoum plano na camada inferior da PCI chamado de Plano Bottom. Ao inserir essa camadafoi constatado novamente que a frequencia de ressonancia aumentou significativamente, oque dificultou o casamento de impedancia entre a antena e o CI. Variando os parametrosem busca do casamento de impedancia, novamente a resistencia da antena fica bem infe-rior ao valor desejado quando a reatancia do conjugado da impedancia do CI e alcancada,devido ao aumento da frequencia de ressonancia ocasionado pela adicao do plano Bottom.O valor de impedancia mais perto do desejado foi obtido com os parametros da tabela4.8, onde RA = 8 Ω e XA = 198 Ω



a 3,0 mm g 9,1 mm

b 10,0 mm h 26 mm

c 1,0 mm v 150,0 mm

d 6,8 mm w 100,0 mm

e 11,0 mm x 16,0 mm

f 10,5 mm y 12,0 mm

Ctop 40 mm Ltop 50 mm

A solucao novamente encontrada foi a adicao de um elemento resistivo, nesse casoum resistor de encapsulamento do tipo 0402, valor igual a 12 Ω com precisao de 0,1%para compensar a resistencia da antena de cerca de 8 Ω. Novamente vale frisar queapesar de permitir o casamento de impedancia entre a antena e o CI, esse tipo de solucaonao e recomendavel, pois influencia diretamente na eficiencia da antena, adicionando umelemento que ira dissipar parte da energia que chega dos leitores. Inserindo o resistor naantena, foram obtidos a curva do parametro S11 apresentado na figura 4.49, o diagramade radiacao da figura 4.50 e os seus respectivos cortes em theta = 90 e phi = 90 nasfiguras 4.51 e 4.52.

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Figura 4.49 S11 com o plano superior e inferior na PCI

Figura 4.50 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI

Figura 4.51 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI (thetaconstante)

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Figura 4.52 Diagrama de radiacao em 915 MHz com o plano superior e inferior na PCI (phiconstante)

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4.2.3 Analise das simulacoes da antena do tipo Meander Dipole with Loop

E possıvel constatar tambem nessa antena que, a medida que foram adicionados osplanos na PCI, o diagrama de radiacao se tornou mais diretivo e a forma da figuratradicional de um “oito” no diagrama de radiacao de um dipolo foi distorcida.

Na tabela 4.9 e possıvel notar as evolucoes dos cenarios, onde o Cenario 1 e a antenano ambiente de uma PCI, o Cenario 2 e a antena na PCI com o plano Top e o Cenario 3e a antena com o plano Top e com o plano Bottom.

Tabela 4.9 Resumo dos cenarios da etiqueta tipo Meander Dipole with Loop

Cenario 1 Cenario 2 Cenario 3

Area da antena 10,34 cm2 9.03 cm2 15,12 cm2

Ganho 1,15 dBi 2,43 dBi 4,06 dBi

S11 -31,66 dB -15,04 dB -13,70 dB

Largura de Faixa 18,10 MHz 57,65 MHz 21,96 MHz

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4.3 SLOT SIMPLES

O terceiro design de antena estudado foi a Slot do tipo simples. O seu design pode serobservado nas figuras 4.53 e 4.54 (NXP, 2010). O CI utilizado novamente foi o UCODEG2iL+ de encapsulamento do tipo SOT886 da NXP Semiconductors. A impedanciacaracterıstica do UCODE e Zchip = 21 − 199j na frenquencia de 915 MHz (NXP Semi-conductor, 2014). Para essa antena, a modelagem foi baseada nos parametros SL, H e L,tendo a espessura da abertura do slot Ps = 1 mm, a espessura do cobre Ea = 0, 035 mme o substrato FR-4 com εr = 4, 3, tangente de perda δ = 0, 0025 e espessura Es = 1, 6mm.

Figura 4.53 Modelo da Etiqueta - Slot Simples

Figura 4.54 Modelo da Etiqueta - Slot Simples

Uma antena RFID do tipo slot simples pode ser considerada como uma linha detransmissao curto-circuitada, onde a fonte seria o circuito integrado da etiqueta (NXP,

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2010). Inicialmente foi investigado o seu comportamento em funcao da variacao dos seusparametros. O primeiro parametro estudado foi o comprimento da cavidade (SL), cujovalor foi idealizado inicialmente para que o perımetro da cavidade fosse a metade docomprimento de onda na frequencia de 915 MHz, λ/2 ' 16, 40 cm. Nas figuras 4.55 e4.56, pode-se observar que, com o aumento do comprimento da cavidade, os valores deresistencia e reatancia aumentam na mesma proporcao. Os valores da reatancia estaocompatıveis para o casamento de impedancia com o CI, mas os valores de resistenciaestao bem mais altos, demonstrando que somente trabalhando com o parametro SL naosera possıvel casar a impedancia.

Figura 4.55 Reatancia em funcao da variacao do parametro SL

Figura 4.56 Resistencia em funcao da variacao do parametro SL

O segundo parametro analisado e o parametro H, cujos comportamentos da reatanciae da resistencia sao apresentados nas figuras 4.57 e 4.58. Com o aumento do parametroH, a reatancia e resistencia da antena diminui, sendo a variacao proporcional para ambos.Tambem nao sera possıvel casar a impedancia com o CI variando somente o parametroH.

O terceiro parametro analisado foi o parametro L, cujos comportamentos da reatanciae da resistencia sao apresentados nas figuras 4.59 e 4.60. O parametro L, diferente dosdemais, altera sensivelmente o cenario. Ele influencia diretamente na frequencia de resso-nancia da antena, sendo o primeiro a ser ajustado na busca pelo casamento de impedanciacom o CI.

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Figura 4.57 Reatancia em funcao da variacao do parametro H

Figura 4.58 Resistencia em funcao da variacao do parametro H

Figura 4.59 Reatancia em funcao da variacao do parametro L

Alem dos parametros testados anteriormente, foi analisada tambem a mudanca deposicao tanto da cavidade em relacao a placa, como do CI em relacao a cavidade. Nasfiguras 4.61 e 4.62 e possıvel notar que quanto maior a assimetria, menores sao os valoresda impedancia, o que demonstra um distanciamento da frequencia de ressonancia.

Nas simulacoes anteriores, o CI foi posicionado na parte superior da etiqueta, locali-zado 0,5 mm abaixo da borda da placa. As figuras 4.63 e 4.64 apresentam a variacao daimpedancia em funcao da translacao do CI na direcao inferior (-y). Percebe-se que os va-lores de impedancia diminuem a medida que o CI e deslocado nesta direcao -y e se afasta

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Figura 4.60 Resistencia em funcao da variacao do parametro L

Figura 4.61 Reatancia em funcao da variacao da posicao da cavidade em relacao a placa,considerando uma translacao para esquerda (-x) em relacao ao cenario inicial

Figura 4.62 Resistencia em funcao da variacao da posicao da cavidade em relacao a placa,considerando uma translacao para esquerda (-x) em relacao ao cenario inicial

da borda da placa. Isso acontece devido ao comportamento da antena se assemelhar aode duas linhas de transmissao, uma acima e outra abaixo da fonte (CI). Nesse caso, comoa linha de cima esta aberta, quando o CI e deslocado na direcao -y so permanece a linhade baixo, gerando uma consequente diminuicao da impedancia da antena.

Apos essas analises foi realizado o casamento de impedancia levando em consideracaotodos os aspectos apresentados anteriormente, resultando nos parametros da tabela 4.10.

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Figura 4.63 Reatancia em funcao da variacao da posicao do CI em relacao a cavidade, consi-derando uma translacao para baixo (-y) em relacao ao cenario inicial

Figura 4.64 Resistencia em funcao da variacao da posicao do CI em relacao a cavidade, con-siderando uma translacao para baixo (-y) em relacao ao cenario inicial

Os graficos das figuras 4.65, 4.66, 4.67 e 4.68 representam respectivamente o parametroS11, o diagrama de radiacao na frequencia de 915 MHz em 3D e nos cortes theta = 90

e phi = 90. O S11 apresenta uma largura de banda de cerca de 28,8 MHz, com ovalor no seu ponto otimo de operacao em cerca de S11 = −52 dB na frequencia de 912,7MHz. Atraves do grafico do parametro S11, ratifica-se que essa etiqueta atende a faixade frequencia desejada (902-928 MHz), que e a utilizada no Brasil conforme resolucao daAnatel. Em relacao ao ganho da antena, o seu valor e de Gantena = 2, 19 dBi na frequenciade 915 MHz.



SL 36,8 mm H 40,0 mm

L 80,0 mm aj 0 mm

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Figura 4.65 Parametro S11 para etiqueta do tipo Slot simples


Figura 4.67 Diagrama de radiacao em 915 MHz (theta constante)

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Figura 4.68 Diagrama de radiacao em 915 MHz cenario(phi constante)

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4.3.1 Placa com o Plano Bottom

Ao adicionar o plano Bottom a placa a frequencia de ressonancia da antena aumentousignificativamente causando o descasamento de impedancia entre a antena e o CI. Aposanalises da estrutura e simulacoes variando os parametros, nao foi possıvel casar a im-pedancia da antena com o CI. Os parametros nao apresentavam uma flexibilidade paraalterar somente a reatancia sem alterar de maneira proporcional a resistencia e os valoresda impedancia estavam bem abaixo dos valores que eram esperados, Z∗

chip = 21 + 199i,sendo Zchip a impedancia do CI especificado para o projeto.

O melhor resultado obtido foi ZA = 52, 9 + 115, 49i, onde ZA e a impedancia daantena, resultando em um S11= -1,92 dB. Buscando solucionar o problema, apos estudose revisao de algumas biografias, retirou-se parte do plano Bottom paralelo a cavidade daantena slot, conforme apresentado na figura 4.69.

Figura 4.69 Insercao de fenda no plano Bottom, paralelo a cavidade do slot

Os valores de S11 em funcao da largura da fenda estao apresentados na figura 4.70.Analisando o grafico e possıvel ver que para os valores de largura da fenda menores que6 mm nao ha casamento de impedancia entre a antena e o CI. Para valores maiores que6 mm, cerca de 6 vezes a largura da cavidade da antena, o plano Bottom nao provocauma dessintonizacao significativa na antena Slot estudada. Fixando a largura da fendaem 8 mm e considerando os outros parametros conforme a tabela 4.11, os diagramas deradiacao resultantes sao apresentados nas figuras 4.71, 4.72 e 4.73.



SL 36,8 mm H 40,0 mm

L 80,0 mm aj 0 mm

fenda 8 mm ajp 0 mm

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Figura 4.70 Variacao de S11 em funcao da largura da fenda no plano Bottom

Figura 4.71 Diagrama de radiacao em 915 MHz para largura da fenda igual a 8 mm

Figura 4.72 Diagrama de radiacao em 91 5MHz (theta constante) para largura da fenda iguala 8 mm

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Figura 4.73 Diagrama de radiacao em 915 MHz (phi constante) para largura da fenda igual a8 mm

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4.3.2 Analise simulacoes Slot simples

A antena do tipo Slot simples e possıveis variacoes se apresentaram como uma boaalternativa para solucoes de RFID que envolvam a etiquetagem de PCIs. Conforme podeser visto na tabela 4.12 a area radiante necessaria nao e a menor comparando com as deoutras antenas, mas, por outro lado, nao ha a necessidade de retirar partes significativasdo plano de sinal, ocasionando um menor impacto no projeto e na funcionalidade da PCI.Para a solucao contendo o plano Bottom, a opcao foi retirar uma pequena area da parteinferior da placa, conseguindo enfim casar a impedancia. Entre as antenas, a do tipoSlot simples foi a que apresentou o diagrama de radiacao com a menor degradacao aposa inclusao dos planos de sinal.

Tabela 4.12 Resumo dos cenarios da etiqueta tipo Slot simples

Cenario 1 Cenario 2

Area da antena 32,00 cm2 32,00 cm2

Ganho 2,19 dBi 2,08 dBi

S11 -51,68 dB -44,08 dB

Largura de Faixa 28,81 MHz 35,17 MHz

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CAPITULO 5

INSERCAO NA PLACA ELETRONICA GATEWAY,RESULTADOS E METODOLOGIA

As analises e os estudos realizados nos capıtulos anteriores ajudaram a levantar emodelar as principais variaveis envolvidas quando se projeta uma etiqueta RFID UHFpara ser inserida numa PCI. Nesse capıtulo os objetivos sao projetar uma etiqueta paraa placa eletronica de um Gateway, desenvolvida pela equipe da Eletronica Embarcada doSENAI CIMATEC juntamente com o autor deste trabalho e elaborar uma metodologia deinsercao de etiquetas em uma placa de circuito impresso. O desenho da PCI do Gatewayem 3D e apresentado na figura 5.1.

Figura 5.1 Desenho 3D da placa eletronica do Gateway

Tendo definido a placa eletronica que recebera as etiquetas, o primeiro passo e analisara estrutura da PCI para identificar e especificar a localizacao da etiqueta, pensandoprincipalmente em evitar qualquer tipo de modificacao no leiaute inicial da placa. Oideal e que o projeto da placa seja feito junto com o projeto da etiqueta RFID paraevitar qualquer tipo de retrabalho e possıveis inviabilidades tecnicas na insercao. A placaem questao tem duas camada, cada camada de cobre com espessura Ea = 0, 035 mm eisolante FR-4 com εr = 4, 3, tangente de perda δ = 0, 0025 e espessura Es = 1, 6 mm.

Nas figuras 5.2 e 5.3 e possıvel ver os respectivos leiautes dos planos Top e Bottom.Nota-se que o lado direito (regioes numeradas 2 e 4) da placa e muito mais denso do queo lado esquerdo (regioes numeradas 1 e 3), alem de nao possuir o plano Bottom do ladoesquerdo (regiao numerada 3), deixando evidente que a melhor localizacao para insercaodas etiquetas sao as regioes numeradas 1 e 3, sendo a 1 a mais indicada para insercao da

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parte radiante da antena. Analisando a regiao escolhida, ela tem uma area de 42,9 cm2

(5,5 cm x 7,8 cm), com a presenca de componentes eletronicos somente no plano Top.

Figura 5.2 Plano Top da placa eletronica do Gateway

Figura 5.3 Plano Bottom da placa eletronica do Gateway

Apos esta analise preliminar, o passo seguinte foi reproduzir um modelo dessa PCIno ambiente de simulacao, o CST Studio. As figuras 5.4 e 5.5 apresentam a placa mode-lada em ambiente de simulacao, desconsiderando nesse primeiro momento as trilhas, oscomponentes eletronicos e o verniz isolante.

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Figura 5.4 Plano Top da placa eletronica do Gateway no ambiente de simulacao

Figura 5.5 Plano Bottom da placa eletronica do Gateway no ambiente de simulacao

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5.1 ANTENA SLOT SIMPLES NO GATEWAY

A antena Slot simples foi inserida na placa de circuito impresso conforme figura 5.6.Os parametros SL, H e L foram definidos respectivamente como 36,8 mm, 40 mm e 78mm. Simulando esse cenario proposto obtem-se nas figuras 5.7, 5.8 e 5.9.

Figura 5.6 Antena Slot inserida na placa eletronica do Gateway

Figura 5.7 Diagrama de radiacao da antena Slot Simples na placa eletronica Gateway - VistaPlano Top

O parametro S11 pode ser visto na figura 5.10, onde pode-se observar o bom casamentode impedancia entre a antena e o CI e a largura de faixa de 26,9 MHz. A impedancia daantena e ZAntenaSlot = 16,78 + 194i Ω.

Para o calculo da distancia maxima de leitura e fazendo as seguintes consideracoes:

Potencia maxima permitida PleitorGleitor = 1 W = 30 dBm, conforme resolucaonumero 680 de 2017 da ANATEL (Agencia Nacional de Telecomunicacoes, 2017);

Potencia mınima para alimentar o CI, Pth= -17,6 dBm= 17,38 µW (NXP Semicon-ductor, 2014);

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Figura 5.8 Diagrama de radiacao da antena Slot Simples na placa eletronica Gateway - VistaPlano Bottom

Figura 5.9 Diagrama de radiacao da antena Slot Simples na placa eletronica Gateway

Figura 5.10 S11 da antena Slot simples inserida na placa

λ = 32,8 cm para 915 MHz ;

Zchip = 21 - 199i Ω;

ZA = ZAntenaSlot = 16,78 + 194i Ω;

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Coeficiente de transmissao de potencia, τ , calculado a partir da equacao 2.31 iguala 0,97.

O valor da distancia maxima de leitura e igual a 7,00 m.

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5.2 ANTENA 2-WIRE FOLDED DIPOLE NO GATEWAY

A antena 2-wire folded dipole foi inserida na regiao definida do lado esquerdo da placa,conforme figura 5.11. Devido ao seu princıpio de funcionamento (KALAYCI, 2009), foinecessario retirar parte do plano TOP da PCI para que a antena operasse normalmentee para permitir o casamento entre a antena e o CI. Os parametros L1, L2, L3 e L4 foramdefinidos respectivamente como 65,0 mm, 11,5 mm, 4,5 mm e 14,5 mm. Simulando essecenario proposto obtem-se os resultados das figuras 5.12, 5.13 e 5.14.

Figura 5.11 Antena 2-wire folded dipole inserida na placa eletronica do Gateway

Figura 5.12 Diagrama de radiacao da antena 2-wire folded dipole na placa eletronica Gateway- Vista Plano Top

O parametro S11 pode ser visto na figura 5.15, onde pode-se observar o bom casamentode impedancia entre a antena e o CI e a largura de faixa de 22,18 MHz. A impedanciada antena e ZAntenaSlot = 21,54 + 197i Ω.



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Figura 5.13 Diagrama de radiacao da antena 2-wire folded dipole na placa eletronica Gateway

Figura 5.14 Diagrama de radiacao da antena 2-wire folded dipole na placa eletronica Gateway


λ = 32,8 cm para 915 MHz ;

Zchip = 21 - 199i Ω;

ZA = ZAntena2−wire = 21,54 + 197i Ω;

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Figura 5.15 S11 da antena 2-wire folded dipole inserida na placa

Coeficiente de transmissao de potencia, τ , calculado a partir da equacao 2.31 e iguala 0,99;

Gantena = 3,13 dBi.

O valor da distancia maxima de leitura igual a 11,02 m.

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5.3 ANTENA MINI MEANDER DIPOLE WITH LOOP NO GATEWAY

A terceira antena inserida na placa do Gateway foi a Mini Meander Dipole with Loop,inserida no mesmo local das anteriores, como mostrado na figura 5.16 , do lado esquerdoda placa, com pequenos ajustes para nao se sobrepor as vias dos componentes. Partedo plano Top tambem foi retirado para nao interferir no funcionamento da antena. Odiagrama de radiacao da antena pode ser visto na figura 5.17.

Figura 5.16 Antena Mini Meander Dipole with Loop inserida na placa eletronica do Gateway

Figura 5.17 Diagrama de radiacao da antena Mini Meander Dipole with Loop inserida na placaeletronica do Gateway




λ = 32,8 cm para 915 MHz ;

Zchip = 21 - 199i Ω;

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ZA = ZAntenaMiniMeander= 12 + 190i Ω;

Coeficiente de transmissao de potencia, τ , calculado a partir da equacao 2.31 iguala 0,86;

Gantena = 3,46 dBi.

O valor da distancia maxima de leitura igual a 10,80 m.

5.4 METODOLOGIA DE INSERCAO

Neste trabalho foi executada uma sequencia de atividades com o objetivo de inseriretiquetas de RFID UHF em placas de circuito impresso. Por se tratar de um procedimentoque envolve diversas variaveis que podem influenciar o desempenho da etiqueta e dapropria placa eletronica, e importante seguir um fluxo de etapas que levam ate o objetivofinal, reduzindo os riscos do projeto. E apresentado na figura 5.18 o fluxograma deatividades que e sugerido na metodologia que foi elaborada neste trabalho.

Figura 5.18 Fluxograma de atividades da Metodologia de Insercao de Etiquetas em PCIs

5.4.1 Definir Requisitos

O primeiro passo em um projeto de insercao de uma etiqueta RFID em uma placaeletronica e definir os requisitos que nortearao todo o trabalho de inclusao da tag nas

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camadas de cobre das PCIs. E importante definir que requisitos sao caracterısticas efuncionalidades do resultado do projeto, que delimitam e qualificam o desempenho doconjunto etiqueta mais PCI, sendo importante fator de comparacao entre diferentes ele-mentos e arranjos.

Por exemplo, sao requisitos deste tipo de projeto:

A definicao da faixa de frequencia de funcionamento;

A definicao do protocolo de comunicacao entre tag ↔ leitor;

Definicao do alcance de leitura da etiqueta;

Definicao do tamanho e do formato da etiqueta;

Definicao do tipo de polarizacao da antena da etiqueta;

Definicao do alinhamento para leitura entre a PCI e o leitor;

Definicao da taxa de leitura por minuto.

5.4.2 Definir tipo e leiaute de antena

Conforme foi mostrado anteriormente nesse trabalho, a tecnologia RFID UHF possuiuma variedade enorme de tipos de etiquetas, possibilitando customizacoes para atenderaplicacoes especıficas. Destacam-se neste contexto, as etiquetas do tipo dipolo que sao asmais utilizadas nas suas diferentes variacoes.

Nesse sentido e importante analisar e estudar as diferentes opcoes, sempre atentandopara a necessidade de fazer um trade-off entre tamanho, ganho/diretividade, polarizacao,sensibilidade a fatores externos e flexibilidade para o casamento de impedancia. E reco-mendavel sempre buscar etiquetas que permitam a utilizacao, por exemplo, de tecnicasde miniaturizacao.

5.4.3 Modelar antena no ambiente da PCI

As caracterısticas das antenas dependem do meio onde elas estao inseridas, do tipode materiais dos elementos condutores e isolantes constituintes da antena e das suasdimensoes. Cada antena e mais ou menos sensıvel a uma determinada variavel que podealterar, por exemplo, sua diretividade e frequencia de ressonancia. E essencial para osucesso da insercao entender o comportamento de cada variavel, pois se reduz o tempo deprojeto, o casamento de impedancia e a otimizacao dos parametros se torna uma tarefamais facil, alem das distorcoes no desempenho serem notadas e retificadas de maneiraeficiente.

5.4.4 Especificar CI adequado para aplicacao

Diferentemente dos leiautes de antenas, nao existe uma variedade tao grande de cir-cuitos integrados para etiquetas RFID UHF. Como o mercado e dominado pelas empresas

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NXP e Impinj, as opcoes nao sao tao variadas, principalmente quando nao se deseja tra-balhar com o CI em DIE, e sim com encapsulamentos que permitam a montagem em umalinha automatizada padrao para placas eletronicas.

Pode-se considerar o CI como o“coracao”da etiqueta, ele que dara o ritmo de todas ascomunicacoes com o leitor, impora a impedancia que devera ser casada com a da antena elimitara o alcance da leitura com sua potencia mınima de funcionamento (sensibilidade).Com a especificacao do CI, ja se sabe qual devera ser a impedancia e o ganho da antenapara que seja possıvel ler um item a uma determinada distancia.

5.4.5 Analisar projeto da PCI e parametros de fabricacao

O objetivo da presenca da etiqueta RFID na placa eletronica nao interfere e nem deveinterferir no no seu funcionamento. O seu objetivo e agregar mais uma funcionalidade aplaca: a identificacao por radiofrequencia do item. Sendo assim, e de suma importanciaconhecer e identificar todos os elementos e componentes da placa, de modo que a tag naoatrapalhe o funcionamento da placa e que nem a placa atrapalhe o funcionamento da tag.Aspectos relacionados as normas de compatibilidade eletromagnetica, nao consideradosnesse trabalho, podem impedir a comercializacao e utilizacao dessas placas eletronicascom etiquetas, caso essas solucoes alterem suas caracterısticas de funcionamento.

Alem das caracterısticas funcionais da placa, os parametros de fabricacao sao de sumaimportancia para o projeto da etiqueta RFID, especialmente nas definicoes dos elemen-tos constituintes com suas respectivas caracterısticas e nas limitacoes de fabricacao quepodem gerar distorcoes do projeto, principalmente para parametros mais sensıveis.

5.4.6 Definir localizacao, inserir na PCI e adequar antena

Durante este trabalho foi comprovado que os planos de sinais influenciam significa-tivamente no desempenho das etiquetas RFID, causando principalmente mudanca nafrequencia de ressonancia, degradacao do diagrama de radiacao e descasamento de impe-dancia entre CI e antena. Cada design tem suas particularidades que devem ser entendidaspara que no momento da insercao a antena possa funcionar conforme esperado. Definir alocalizacao na placa pode demandar a adicao ou a remocao de areas dos planos de sinais,aumento da placa em relacao ao projeto inicial e alteracoes no leiaute da placa eletronica.

Outro aspecto importante a ser observado e que, a partir do diagrama de radiacao edo tipo de polarizacao da etiqueta, a definicao do local de insercao resultara em limitacoesda posicao de leitura da tag, facilitando esta leitura em determinados arranjos com asantenas do leitor e dificultando em outros. Com a insercao na PCI, o proximo passo eadequar os parametros da etiqueta com possıveis otimizacoes que permitam o seu melhordesempenho na placa e que deixem a antena menos suscetıvel a variacoes, principalmenteno processo de fabricacao.

5.4.7 Realizar casamento de impedancia

A etapa final da insercao de uma etiqueta RFID em uma placa de circuito impresso e ocasamento de impedancia entre a antena e o circuito integrado. Diferentemente do padrao

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utilizado em sistemas de radiofrequencia, que geralmente trabalham com elementos comimpedancias padroes de 50 Ω, com alguns casos variando para 75 Ω, a impedancia doCI tem caracterısticas capacitivas com a parte real pequena, em media de 15 a 30 Ω eparte imaginaria grande, em torno de 150 a 300 Ω, resultando em um alto Q (fator dequalidade) em seus terminais. Isso torna uma tarefa complexa o casamento de impedanciaentre a antena e o CI.

Para aumentar a confiabilidade da etiqueta e necessario garantir uma certa estabili-dade no casamento de impedancia, sempre buscando um parametro S11 de no mınimo-10 dB, pois pequenas alteracoes na impedancia da antena causam serias interferenciasno seu desempenho devidas ao descasamento. Outra questao relevante e que os processosde manufatura inserem pequenas variacoes nos parametros das antenas, podendo resultarem mudancas que afetem o casamento entre a antena e o CI.

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CAPITULO 6

CONSIDERACOES FINAIS

Vivendo a era dos conceitos da Industria 4.0 e do IOT (Internet of Things), a identi-ficacao de itens e a possibilidade de comunicacao entre eles sera fundamental para todosos sistemas e o RFID em PCIs pode ser uma ferramenta de suma importancia nesse ce-nario. Essa nova funcionalidade nas placas permite processos de validacao, comunicacaoentre itens e viabilidade de rastreio em toda a cadeia logıstica do setor eletroeletronico.Um sistema de Identificacao por Radiofrequencia e composto por um leitor, o qual enviainformacoes para o ambiente sob a forma de ondas eletromagneticas, e uma etiqueta, aqual recebe essas ondas e responde adequadamente de acordo com a sua tecnologia e osdados armazenados. O desempenho desses sistemas depende de todos os seus componen-tes, entretanto, as etiquetas nos ultimos anos constituem o campo com o maior numerode estudos e trabalhos que resultaram em avancos e aprimoramentos que ajudaram novasaplicacoes com RFID.

O presente trabalho focou na insercao de etiquetas RFID passivas em placas de circuitoimpresso, pois a utilizacao das tradicionais etiquetas autocolantes nao apresenta um bomdesempenho, principalmente devido a presenca dos plano metalicos que geram degradacaoe dessintonizacao da frequencia de operacao. Dessa maneira, a busca por etiquetas deRFID adequadas para insercao em placas eletronicas se justifica quando se considera quea antena da etiqueta e apenas mais um item no projeto eletronico e seu respectivo circuitointegrado e mais um componente que sera montado junto com os demais nas linhas demanufatura de placas eletronicas.

As simulacoes foram realizadas no software CST Microwave Studio. A PCI foi mo-delada sempre com a folha de cobre tendo espessura de 35 µm ou o equivalente a 1 oze o substrato sendo do material FR-4 com εr = 4, 3, tangente de perda δ = 0, 0025 eespessura Es = 1, 6 mm. O CI (circuito integrado) utilizado no projeto foi o UCODEG2iL+ de encapsulamento do tipo SOT886 da NXP Semiconductors. A sua impedanciacaracterıstica e Zchip = 21− 199j na frequencia de 915 MHz.

Com as simulacoes de quatros projetos de antenas para etiquetas de RFID, foi possıvelconcluir que as tradicionais antenas dipolo nao sao as mais indicadas para a utilizacaoneste ambiente, devido ao seu comprimento, sensibilidade aos planos de sinais e baixaeficiencia de radiacao apos a inclusao na PCI. As antenas do tipo Slot aparecem comouma alternativa melhor, devido a uma maior eficiencia de radiacao e estabilidade nocasamento de impedancia, mas em compensacao apresentam ganhos inferiores, o quereduz a distancia maxima de leitura. E importante frisar que a opcao do melhor designde antena vai depender dos requisitos priorizados em cada aplicacao.

Logo, esse trabalho ratifica que nao existe uma solucao padrao para insercao de etique-tas RFID em placas eletronicas, pois qualquer tipo de mudanca no projeto ou fabricacaoda etiqueta pode resultar em impactos significativos no desempenho da antena projetada,

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modificando suas caracterısticas. Sendo assim, qualquer projeto de antena para placa decircuito impresso devera passar por todas as etapas descritas na metodologia proposta.

Vale ressaltar que nesse trabalho nao foi abordada a analise das interferencias que ainsercao da etiqueta causaria na funcionalidade das placas eletronicas, sendo um estudobem abrangente que seria necessario para cada tipo de placa utilizada. Fatores comofrequencia de clock, portas de comunicacao e modulos de alimentacao e de radiofrequenciapodem sofrer fortes interferencias pela insercao das etiquetas no circuito. Esse e um temainteressante que pode ser a base de estudos futuros.

O presente trabalho forneceu base teorica para outras analises que podem ser realiza-das na pratica. E de interesse dos autores fabricar e realizar testes na placa Gateway paraauxiliar em futuras publicacoes que possam vir a colaborar ainda mais com o tema. Alemdisso, pode-se projetar essas etiquetas para a analise em novas placas com mais camadas,podendo-se utilizar a mesma metodologia apresentada para levantar novas peculiaridadesdo processo.

Ressalta-se que foi gerada a publicacao a seguir durante o desenvolvimento destetrabalho.

L. F. T. G. Amaral; M. S. Novo, Effects of printed circuit board on the performanceof tag antennas for passive RFID, 2017 Progress In Electromagnetics Research Sym-posium - Spring (PIERS),Pages: 621 - 626, IEEE Conferences

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inserc˘~ao de etiquetas rfid uhf em placas de circuito ... · main features that should be...

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