Performance Prediction of a Reconfigurable Resonator for Chipless RFID Tags

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Abstract— A silicon optical switching has been applied to design 
a reconfigurable spiral resonator to be used in RFID chipless tags. 
The incidence of suitable wavelength light on the switching changes 
from conductive to dielectric its electrical properties. A 
multiresonator has an owner spectral signature defined by a set of 
bits 0 and 1 from each single resonator. In this work, the state of 
each resonator can be at resonance or non-resonance according to 
the optical switching allowing the reconfiguration of the whole 
system. Therefore, the reconfiguration based on optical switching 
can be performed many times allowing us to increase the number 
of access state of the tag. The approach is shown through a 
theoretical model for the characterization of silicon substrate 
behavior on light incidence. The validation of the system operation 
is performed using electromagnetic simulations in HFSS. 
 
Keywords— silicon switch, planar spiral, tag, HFSS. 
I. INTRODUCCION 
OS sistemas de identificación por radiofrecuencia ganan 
cada vez más espacio en el mundo [1], la valorización de 
estos sistemas está en alta y con ella la necesidad de hacerlos 
más eficientes, compactos e inteligentes [2]. Para mejorar la 
capacidad de almacenamiento de memoria y facilitar la 
aplicación de criptografía, es común optar por desarrollar tags 
activos, pero la desventaja es la necesidad de energía interna 
para el funcionamiento de los circuitos integrados. 
 Las etiquetas chipless no necesitan energía interna, pero 
su capacidad binaria está limitada por el tamaño físico de los 
multiresonadores. En ellos es necesario codificar los datos de 
la etiqueta, los bits "1" y "0" necesitan estar representados en 
los resonadores en forma de signaturas espectrales. Para 
representar el bit "0", puede diseñarse el resonador para que 
resuene a una frecuencia determinada. En la Fig. 1 se aprecia 
un resonador espiral convencional. Una de sus partes 
integrantes es una línea microstrip que lleva la señal del 
puerto 1 (entrada) hasta el puerto 2 (salida). Cuando el 
resonador está en resonancia en una banda de frecuencia 
determinada, crea un camino de baja impedancia a tierra, 
derivando gran parte de la corriente de Radiofrecuencia (RF) 
que se propaga entre los puertos 1 y 2 de la línea de 
microstrip, resultando en un efecto de barrera de banda que 
aumenta la atenuación entre los puertos del resonador en un 
determinado rango del espectro. En este caso, un nivel bajo de 
energía se percibe en la salida de la línea, una situación que se 
corresponde al bit "0”. 
 
 A. Alves, Faculdade de Tecnologia da Unicamp, Limeira, Brasil, 
andreia.castro.unicamp@hotmail.com 
L. Roger, Faculdade de Tecnologia da Unicamp, Limeira, Brasil, 
leobravo@ft.unicamp.br 
F. Arnold, Faculdade de Tecnologia da Unicamp, Limeira, Brasil, 
arnold@ft.unicamp.br 
 
 
Figura 1. Resonador en espiral para representar el bit “0”. 
Para representar el bit "1" usando el mismo resonador, será 
necesario remover o al menos desplazar la resonancia para 
fuera de la banda de trabajo. Con tecnología convencional 
existes dos maneras, "cortar" un segmento de la espira, Fig. 2, 
o modificar las dimensiones del resonador. 
 
Figura 2. Resonador en espiral para representar el bit “1”. 
Ambas técnicas son eficientes, pero implican en 
modificaciones definitivas en la geometría de los resonadores. 
Una vez aplicada estas técnicas y retirada la resonancia del 
resonador, no es posible recuperar la misma. En este trabajo 
se propone como solución para ese problema aplicar por 
primera vez alguna técnica de reconfiguración de la etiqueta 
que permita almacenar “0” o “1” sin modificar su estructura 
física. 
II. TÉCNICAS DE RECONFIGURACIÓN 
En principio la idea de la reconfiguración puede ser 
aplicada a cualquier dispositivo de RF con el objetivo de 
obtener diversos comportamientos del mismo sin modificar 
sustancialmente su estructura física. En la literatura abundan 
los ejemplos de antenas reconfigurables. Un reciente tutorial 
sobre este asunto muestra que la idea de la reconfiguración ya 
existía en 1930 y que han sido diversas las técnicas aplicadas 
para conseguirla, comenzando por técnicas rudimentarias que 
envolvían movimientos mecánicos de partes de la estructura, 
para hacer variar su patrón de radiación, su polarización, o 
cualquier otro parámetro deseado [3]. 
A veces la reconfiguración de un dispositivo se consigue 
manualmente ligando o desligando algún elemento de circuito, 
un capacitor, por ejemplo, como se muestra en [4]. Con el 
auge de la electrónica aparecieron técnicas que conseguían la 
reconfiguración de las estructuras de RF. Una de ellas consiste 
A. A. D. C. Alves, F. J. Arnold and L. L. B. Roger, Member, IEEE 
Performance Prediction of a Reconfigurable 
Resonator for Chipless RFID Tags 
 
L 
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 13, NO. 3, MARCH 2015 623
 
 
en insertar un diodo PIN, aprovechando su condición de 
poseer dos estados de comportamiento bien diferentes: 
conducción y/o no conducción y con ello variar el 
comportamiento del dispositivo, como se muestra en [5]. Con 
la evolución tecnológica llegaron los conmutadores MEMS 
(Micro Electromechanical Systems) introducidos en la década 
de los 90`s y ampliamente utilizados en la concepción de 
dispositivos de RF reconfigurables o no [6]. Es incuestionable 
que la reconfiguración continúa siendo una característica 
extremamente deseada en los dispositivos de RF. 
Recientemente han aparecido trabajos en los que se integran 
elementos de óptica o fotonica en los dispositivos de RF para 
tornarlos reconfigurables [7-9], debido a que la conmutación 
es más rápida, no precisan de tensiones de polarización y son 
inmunes a las interferencias eléctricas. 
Precisamente siguiendo esa tendencia es que se propone el 
presente trabajo, sustituyéndose el clásico método manual de 
reconfiguración de resonadores de tags chipless, mostrado en 
las Figs. 1 y 2, por una nueva técnica de reconfiguración 
óptica. 
III. NUEVA TÉCNICA DE RECONFIGURACIÓN PARA 
RESONADORES DE TAGS DE RFID 
La nueva técnica que está siendo presentada permite 
aumentar la capacidad de almacenamiento de información sin 
necesidad de aumentar los elementos de circuitos de las 
etiquetas pasivas. La idea básica es utilizar conmutadores 
ópticos de silicio [10], [11] para desarrollar tags chipless 
reconfigurables en los que se pueda controlar el código de la 
identificación de la etiqueta (ID), trayendo la posibilidad de 
cambiar su estado en cualquier momento a través de una 
conmutación óptica simple de encendido y apagado. Con una 
fibra óptica y un láser, se puede reconfigurar el ID del 
resonador sin la necesidad de diseñar otra etiqueta. La 
propuesta prevé implementar el conmutador en el dominio 
óptico e integrarlo al resonador en el dominio electrónico (RF) 
y seguidamente mostrar que la presencia de la llave óptica 
torna reconfigurable al resonador. 
 
IV. COMPORTAMIENTO DEL RESONADOR EN 
ESPIRAL CONVENCIONAL 
 
En esta sección se presentan las simulaciones de un 
resonador en espiral cuando los estados de resonancia y no 
resonancia son obtenidos con la técnica convencional 
mostrada en las Figs. 1 y 2. Los detalles de la geometría del 
modelo implementado en HFSS para reproducir un resultado 
ya publicado [12], son mostrados en la Fig. 3, en la situación 
de resonancia. El resonador se compone de una bobina plana 
acoplada a una línea de transmisión de microstrip. Tanto la 
espira como la línea tienen impedancia característica de 50 Ω 
y se implementaron en un substrato Taconic TLX-0, con 
constante dieléctrica igual a 2.55 y tangente de pérdida de 
0.0019. 
Las dimensiones del resonador son: W1=5.2mm, 
W2=2.26mm, W3=0.8mm,W4=0.2mm, W5= 0.3mm, 
s1=8.15mm. La separación entre la espira y la línea de 
microstrip, W4, está diseñada cuidadosamente para conseguir 
que en resonancia la espira absorba energía de la línea en una 
banda de frecuencia lo más estrecha posible. 
 
 
Figura 3. Modelo HFSS del resonador en espiral. 
El desempeño del resonador es evaluado simulando el 
comportamiento en frecuencia de sus parámetros S, 
específicamente se analiza la pérdida de retorno en la entrada 
(parámetro S11) y la pérdida de inserción o atenuación de 
entrada-salida (parámetro S21). 
El análisis fue realizado en una amplia gama de 
frecuencias, donde está contenido el espectro liberado para 
RFID, según la ley brasileña, que especifica el segmento de 
2.4 a 2.4835 GHz [13]. La Fig. 4 muestra que en la frecuencia 
de resonancia de 2.405 GHz, el resonador alcanza un valor de 
atenuación, S21=-6.834 dB. Este valor se considera apropiado 
[14], porque garantiza una señal de bajo nivel en la salida del 
resonador, equivalente al bit "0". 
 
Figura 4. Respuesta en frecuencia del resonador en resonancia. 
También, en la misma banda de frecuencia, fue simulada la 
técnica convencional de la Fig. 2, para representar el bit "1". 
Se mantuvieron las mismas dimensiones de los parámetros 
geométricos, con excepción de la inserción de un corte en la 
espira con dimensión igual a W3. Los resultados se muestran 
en la Fig. 5. Téngase en cuenta que la resonancia ha sido 
removida de la gama de frecuencias de RFID, en las cercanías 
de la frecuencia de 2.4 GHz. El valor obtenido del parámetro 
S21=-0.066 dB, garantiza una pérdida de inserción 
despreciable y por lo tanto habrá un alto nivel de señal en la 
salida del resonador, que corresponde a el bit "1". 
 
 
Figura 5. Respuesta de frecuencia del resonador fuera de resonancia. 
 
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V. COMPORTAMIENTO DEL CONMUTADOR DE 
SILÍCIO 
 
Los conmutadores fotoconductores cuando se activan con 
la luz de un láser con la longitud de onda adecuada, muestran 
un cambio de estado extremadamente rápido en comparación 
con los conmutadores MEMS [15], [16], esto justifica su 
creciente uso en dispositivos de RF. 
La nueva técnica propuesta en este artículo consiste en 
introducir una conmutador óptico en el resonador de RF 
causando que su respuesta de frecuencia pueda modificarse de 
forma controlada. Sin conmutador, el resonador es una 
estructura rígida que resuena en una frecuencia única dentro 
de la gama de operación de RFID. Cuando se inserta el 
conmutador óptico en el resonador, éste se torna 
reconfigurable. Así, podemos controlar externamente la 
frecuencia de resonancia, además de que un mismo resonador 
puede almacenar los bits "0" o "1", según el estado abierto o 
cerrado del conmutador insertado. Simulaciones realizadas 
con el software HFSS, simulador electromagnético de alto 
rendimiento, demostraron la viabilidad de la técnica 
propuesta. 
VI. MODELO TEÓRICO DEL CONMUTADOR DE 
SILÍCIO 
La Fig. 6 muestra el modelo teórico propuesto para simular 
el comportamiento del conmutador óptico. 
 
 
Figura 6. Modelo de circuito del conmutador óptico. 
A. Conmutador de Silicio bajo iluminacioón 
Cuando se ilumina el semiconductor de silicio, este altera 
sus características electromagnéticas disminuyendo la 
movilidad de carga eléctrica, pero aumenta su densidad de 
portadores, resultando en un aumento general de 
conductividad [17], [18]. Este caso coincide con el 
conmutador en estado cerrado. Esta situación puede ser 
simulada insertando en el modelo de la figura 4a, los valores 
experimentales de los parámetros RLC. Es decir, resistencia 
de 50 Ω, inductancia de 0.5 nH y capacitancia de 0.1 pF. La 
Fig. 7 muestra la respuesta teórica del comportamiento del 
conmutador óptico en esta situación obtenida por simulación 
con el software ANSYS Designer. Obsérvese el bajo valor de 
atenuación, S21, introducido por el conmutador, 
correspondiente al caso de conducción (conmutador cerrado). 
Observe también que el conmutador mantiene un excelente 
casamiento con el resonador, pues S11<-17.5 dB en la banda 
de RFID. 
 
Figura 7. Comportamiento teórico del conmutador óptico en “on”. 
B. Conmutador de Silicio sin iluminacioón 
 Sin iluminación el conmutador de silicio tiene baja 
conductividad y alta impedancia. Los parámetros del modelo 
RLC en esta situación muestran una resistencia de 1 kΩ y 
valores nulos de capacitancia e inductancia. En la Fig. 8, se 
observa el alto valor de S21 (grande atenuación) , asi como un 
bajo valor de S11 que muestra una grande perdida de retorno 
en la entrada del resonador. Los valores de ambos parámetros 
indican el comportamiento del conmutador en estado “off ”. 
Así, el circuito equivalente propuesto en la figura 4 representa 
muy bien el comportamiento del conmutador óptico en estado 
“off” (sin luz) y en estado “on” (con iluminación), 
justificándose su uso en las simulaciones del resonador 
reconfigurable. 
 
 
Figura 8. Comportamiento teórico del conmutador óptico en “off”. 
 
VII. RESONADOR CON CONMUTADOR DE SILÍCIO 
Utilizando la opción port Lumped RLC, en el ambiente de 
HFSS 15.0, un componente teórico fue creado con un tamaño 
de 0.3 x 0.8 mm y espesor nulo (ideal), para implementar el 
conmutador óptico, que fue insertado en el resonador en 
espiral como se muestra en la Fig. 9. 
 
 
Figura 9. Modelo HFSS del resonador con el conmutador óptico insertado. 
APARECIDA DE CASTRO ALVES et al.: PREDICTION 625
 
 
VIII. PREDICCIÓN DEL DESEMPEÑO DEL 
RESONADOR CON CONMUTADOR ÓPTICO 
La alta confiabilidad ya demostrada por el simulador 
electromagnético de onda completa HFSS permite predecir 
con gran precisión el desempeño del resonador en espiral con 
el conmutador óptico insertado. En esta sección se presentan 
los resultados de las simulaciones del nuevo resonador 
propuesto ópticamente reconfigurable, demostrándose que los 
bits "0" y "1" pueden grabarse indistintamente en el mismo 
dispositivo. 
C. Conmutador en "on" insertado en el Resonador 
 La Fig. 10 muestra el comportamiento del resonador bajo 
iluminación (conmutador de silicio en conducción). Obsérvese 
que en la frecuencia de resonancia la atenuación es -4,022 dB 
y por lo tanto habrá un nivel bajo de señal en la salida del 
resonador lo que corresponde a un nivel lógico "0". 
Comparando este resultado con la Fig. 4, se observó una 
correspondencia excelente, demostrándose que cuando el 
interruptor óptico está en “on” el desempeño del resonador 
reconfigurable es similar a un resonador simple en resonancia. 
 
 
Figura 10. Respuesta en frecuencia del Resonador con el conmutador en 
“on”. 
D. Conmutador en “off” insertado en el Resonador 
El conmutador en “off” corresponde al caso donde el 
“chip” de silicio no está siendo iluminado. En este caso, la 
resonancia del resonador en espiral debe ser removida 
totalmente de la banda de frecuencia de interés (banda de 
RFID). La Fig. 11 muestra exactamente ese hecho. Nótese que 
se mantiene un bajo valor de S21=-0,0901 dB casi constante a 
lo largo de toda la vecindad de la banda de RFID. En este 
caso, se obtiene un alto nivel de la señal en la salida del 
resonador, correspondiente a un nivel lógico "1". Comparando 
este resultado con la Fig. 5, concluyese que el desempeño del 
resonador con el conmutador en “off” es equivalente al 
resonador convencional con un corte practicado en su 
estructura. 
 
 
 
Figura 11. Respuesta en frecuencia del Resonador con el conmutador en 
“off”. 
IX. TESTE DE TOLERANCIA 
Finalmente fueron realizadas pruebas de tolerancia del 
resonador a posibles cambios de los parámetros RLC del 
conmutador ópticos, que pueden suceder en la fabricación. 
Para esto, fue utilizadala función Optimetric del HFSS, 
variando los valores RLC al azar en ±10% de sus valores 
nominales. Los resultados obtenidos son observados en la 
familia de curvas presentadas en la figura 12. 
 
 
Figura 12. Variación aleatoria de los parámetros RLC con tolerancia de ±10 
% 
Téngase en cuenta que incluso con las variaciones 
aleatorias de valores RLC, no hay ninguna pérdida 
significativa de la sintonía en la respuesta de frecuencia del 
resonador. Por lo tanto, posibles errores en la fabricación no 
afectará el desempeño del resonador desde que los desvíos se 
mantengan en ± 10 %. 
 
X. CONCLUSIONES 
Se introdujo un novedoso procedimiento para conseguir la 
reconfiguración de tags chipless de RFID, basado en la 
utilización de un conmutador óptico insertado en los 
resonadores en espiral que componen dichos tags. La nueva 
técnica permite la grabación de los dígitos "0" y "1" 
indistintamente en la misma estructura física, permitiendo 
reducir considerablemente el número de elementos de 
circuitos necesarios para la implementación de bits de 
identificación de objetos usando etiquetas pasivas de RFID. 
Simulaciones electromagnéticas precisas y rigurosas con el 
software HFSS 15.0 permitieron predecir el comportamiento 
del resonador reconfigurable y validar la nueva técnica 
propuesta, considerando una gama de variabilidad de los 
parámetros característicos del conmutador óptico de silicio, 
llevando en cuenta que en la práctica esos parámetros 
difícilmente permanecen constantes. Todos los testes 
demostraron la viabilidad del nuevo resonador propuesto, 
bastando para sua implementación fisica el desarollo de uma 
llave óptica de silicio sensible a luz. El proyecto y 
construcción de ese conmutador es el objeto de un trabajo que 
actualmente se realiza por nuestro grupo. 
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[18] C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetic. New York: 
Wiley, 1989. 
 
 Andreia A. C. Alves received the Technologist degree in 
Telecommunications Systems from School of Technology of 
UNICAMP, Limeira, São Paulo, Brazil, in 2013. Is a 
Masters degree student in technology and innovation for 
Optical communication systems and Via Radio in School of 
Technology of UNICAMP . His current research interest are 
optical integrated RFID and microwave sensing devices. 
 
 
Francisco J. Arnold received the Physics graduation degree 
from Instituto de Geociências e Ciências Exatas, University 
of São Paulo State (UNESP), Rio Claro, São Paulo, Brazil, in 
1986; the M.Sc. degree in Applied Physics from Faculdade 
de Ciências e Letras de Ribeirão Preto, University of São 
Paulo (USP), Ribeirão Preto, São Paulo, Brazil, in 1990; and 
the Ph.D. degree in Electric Engineering from Faculdade de 
Engenharia Elétrica, University of Campinas (UNICAMP), Campinas, São 
Paulo, Brazil, in 1995. Since 1994, he is with School of Technology of 
UNICAMP, Limeira, São Paulo, Brazil. His research activities are in the areas 
of piezoelectric transducers and electronic instrumentation. 
 
L. L. Bravo-Roger received the B. S. and M.Sc. degree in 
Telecommunication Systems from University of Oriente 
(UO), Santiago de Cuba, in 1985 and 1998, respectively, and 
the Ph.D. degree in Electric Engineering from Faculty of 
Electrical and Computer Engineering, University of 
Campinas (UNICAMP), Campinas, São Paulo, Brazil, in 
2003. Since 2004, he is with School of Technology of 
UNICAMP, Limeira, São Paulo, Brazil. His research activities are in the areas 
of RF and microwave technologies and radar sensing systems and Wireless 
Sensor Networks. 
APARECIDA DE CASTRO ALVES et al.: PREDICTION 627