Ressonador RFID de frequência opticamente reconfigurável

Prévia do material em texto

Ressonador RFID de frequência opticamente reconfigurável 
A.A.C.Alves#1
#Faculdade de Tecnologia da Unicamp
Limeira, São Paulo
 1andreia.castro.unicamp@hotmail.com
�
Resumo—Este trabalho apresenta um ressonador de uma tag chipless RFID com frequência reconfigurável usando uma chave de silício. Ao iluminar esta chave de silício, com luz de comprimento de onda apropriado, as suas propriedades físicas podem ser alteradas de maneira a passar do estado de condutor para dielétrico. Para o sistema de RFID temos que o elemento tag chipless é a etiqueta do objeto a ser identificado, cada ressonador representa um único bit pré definido, com a reconfiguração fazemos com que um único bit possua dois estados diferentes, aumentando assim o número da sequencia binária de cada tag chipless através da comutação óptica. A partir de um modelo teórico que caracteriza o substrato de silício sob iluminação, empregou-se a chave no ressonador utilizando um Software para simulações eletromagnéticas, avaliando assim seu desempenho e validação do ressonador proposto.
Keywords— Include at least 5 keywords or phrases
Introdução
O sistema de identificação por Rádio Frequência ganha cada vez mais espaço no mundo, a valorização do sistema começa a surgir, em seguida a necessidade de tornar o sistema mais eficiente, compacto e inteligente também [1]. Para melhorar o alcance, capacidade de armazenamento de memória e facilitar a implementação de criptografia, pode-se optar por desenvolver o sistema da etiqueta ativa [2], nela temos que o elemento necessita de uma energia interna do sistema para ser identificado.
Neste trabalho combinamos os benefícios da etiqueta ativa com vantagens da implementação de chaves de silício, que são dispositivos opticamente reconfiguráveis, como podemos ver em [3]-[4]; as aplicações da fotônica integrada aos dispositivos de rádio frequência vem crescendo e avançando de uma forma significativa, encontramos nessa área várias antenas [4]-[8], filtros e linhas de transmissão [9]-[11]. 
As chaves fotocondutoras são utilizadas devido ao seu desempenho superior, exibindo uma mudança de estado extremamente rápida se comparadas aos interruptores já usados em RF, os MEMS [12]-[14]. 
Para a implementação do tipo de ressonador a ser utilizado no trabalho, baseamos na referência [15] por ser usado constantemente em pesquisas e produtos de prateleira. Já para a escolha da chave de silício, escolheu-se um modelo mais apropriado, tomando como referência alguns artigos já publicados, o modelo escolhido já foi implementado e testado em [4]. 
O objetivo da implementação da chave no ressonador é fazer com que sua resposta em frequência possa ser modificada pois, um ressonador ressoante na frequência de operação do sistema RFID de 2.45GHz será sempre ressoante nesta frequência, no entanto, com a presença de uma chave, podemos controlar a frequência na qual ele ressonará, logo, temos que um único ressonador, pode ser lido como zero ou um, dependendo do estado da chave inserida. Simulações realizadas no software HFSS, simulador eletromagnético de alto desempenho, foram realizadas para apoiar a discussão. 
Ressonador em espiral
 O esquema e resposta em frequência do ressonador proposto é ilustrado na Fig.1 e Fig.2 respectivamente, tomando como exemplo [15]. Este deve ser acoplado à uma linha de transmissão de microfita e ser totalmente planar. O espaço convencional entre o ressonador e a linha de microfita [16] é utilizado devido a sua largura de banda estreita (20MHz) e a atenuação razoavelmente alta na sua frequência de ressonância (em torno >7dB). A largura da linha de microfita de 50Ω em Taconic TLX-0 foi calculado como sendo 2.26mm. A segui apresenta-se os parâmetros para a construção deste ressonador: para o substrato utilizou-se o Tatonic TLX (r 2.55 e ( 0.0019 , a geometria de uma espira de microfita é definida pelos seguintes parâmetros: Wspiral 5.2mm e Lspiral 7.86mm são o comprimento e a largura do ressonador, respectivamente, Dgap 0.2mm é a separação entre a linha e a espiral, Wfeed 2.26mm é a largura da linha de microfita, Wspiralcond 0.8mm é a largura do condutor em espiral, Dspiralcond 0.3mm é a separação entre os condutores em espiral.
Fig.1 Ressonador em Espira feito no HFSS
Fig.2 Resposta em Frequência S11 e S21
Chave de silício
 Apresenta-se aqui uma chave fotocondutora ativada pela luz de um laser com o comprimento de onda adequado de acordo com [4], acoplado através Fig.4 Chave Fechada - teórica criada no HFSS de uma fibra óptica e se estende desde o plano terra para a parte inferior da chave. O modelo teórico para as mudanças eletromagnéticas da chave será apresentado a seguir.
Chave de Silício sob iluminação 
Ao utilizarmos a fibra óptica acoplada ao silício, iluminaremos este para alterar suas características eletromagnéticas, quando iluminado a mobilidade de carga em um semicondutor diminui, mas sua densidade aumenta, ou seja aumentando a densidade de portadores de carga resulta-se num aumento geral da condutividade de um semicondutor como mostra em [17], dado pela equação em [18], utilizamos do modelo testado em [4] para criar uma chave teórica no HFSS, com o tamanho de 1mmx0.8mm, espessura ideal, utilizando uma port Lumped RLC, na qual inserimos os valores desejados do material, sendo esses aproximados da literatura. Na Fig.3 temos o desenho da chave criada, e na Fig.4 seus parâmetros para a chave fechada: 
Fig.3 Chave teórica criada no HFSS
Fig.4 Parâmetros da Chave RLC Fechada
Chave de Silício sem iluminação
Para a resposta da chave de silício sem iluminação, temos uma forma muito simples, basta saber as características do silício utilizado, temos na literatura todas as informações necessárias, podendo extrair assim uma simples condição de condutividade ou resistência para o Lumped RLC, tendo baixa condutividade e alta impedância, ela se comporto como uma chave aberta, fazendo com que a corrente seja praticamente zero. O mesmo modelo da Fig.3 foi utilizando, alterando somente as condições RLC, como mostra a Fig.5 :
Fig.5 Parâmetros da Chave RLC Aberta 
Após a pesquisa de caracterização da chave, temos que: Fechada a sua resistência é de 50 Ohm, indutância de 0.7nH e capacitância de 0.14pF, para a chave Aberta sua resistência é de 1Kohm e sua capacitância e indutância são aproximadamente zero. 
Resultados
As simulações foram realizadas utilizando o Software HFSS da Ansys , É um simulador de campo electromagnético de onda completa (EM) de alto desempenho para modelagem 3D volumétrica de dispositivos passivos. Ele integra simulação, visualização, modelagem de sólidos, e automação.
A. Chave fechada inserida no Ressonador
O primeiro teste realizado foi da inserção da chave no ressonador Fig.6, colocando os valores aproximados da chave para o modelo teórico, obtemos um bom desempenho como mostra a Fig.7, comparando com o desempenho dele sozinho em Fig.2: 
Fig.6 Chave Fechada inserida no HFSS
Fig.7 Resposta em frequência do Ressonador com a chave fechada
O ressonador em espiral cria um caminho de baixa impedância para o terra na sua frequência de ressonância e absorve a maioria da corrente de propagação a partir de uma porta 1 para a porta 2 da linha de microfita, resultando num efeito de paragem de bandas. Como observa-se na Fig.7 não tivemos degradação na resposta do ressonador, apenas um deslocamento menor que 50MHz em frequência, o que não afetará, pois pode ser ajustado no momento da projeção do ressonador, apensas variando o parâmetro Lespiral. Foi necessário então verificar a tolerância do ressonador perante as alterações dos parâmetros RLC, para validar sua futura fabricação. Para isso, utilizou-se o "Optimetric" do HFSS, variando os valores RLC em mais ou menos 5% pra mais ou para menos de forma aleatória, obtendo assim as seguintes curvas apresentadas na Fig.8:
Fig.8 Optimetric variando RLC
De acordo com a Fig.8, podemos afirmar que mesmo com a variância de 5% nos valoresde RLC aleatórios, não temos deslocamento em frequência da resposta, logo os possíveis erros na fabricação não afetam a resposta de forma grosseira.
B. Chave aberta inserida no Ressonador
Para a chave aberta, temos que a chave de silício não encontra-se iluminada, é necessário codificar os dados na etiqueta para que ela tenha uma identificação dupla, no caso do ressonador proposto, ele poderá responder com duas representações 1 ou 0, a resposta para o Bit 0 foi apresentada na seção anterior com a chave fechada, para o bit 1 será apresentada nesta seção. Isto pode ser feito removendo ressonâncias do multirressonador. Há duas maneiras convencionais de se fazer isso: a primeira seria “cortando” um pedaço da espira em curto-circuito e a segunda seria diminuindo o número de espiras do ressonador. Ambas são eficientes, porém são definitivas e não se pode recuperar a ressonância do mesmo, logo a proposta de fazê-lo com uma chave óptica é a solução mais vantajosa pois preserva a ID da etiqueta, trazendo a possibilidade de alterar seu estado a qualquer momento através de uma simples comutação óptica de liga e desliga, logo, com uma simples fibra óptica e um laser a ID do ressonador já é reconfigurada sem que haja a necessidade de projetar uma outra etiqueta. Desejava-se então obter um deslocamento em frequência de tal forma que, ao verificarmos a sua resposta em frequência ele se comporte como um ressonador não ressonante, não estando dentro da banda de RFID em torno de 2.45GHz, logo a necessidade de encontrar a posição ideal na chave da tag foi testada. Como pode se observar nos dois testes a baixo, quando mais próximo da linha de transmissão Fig.9 e Fig.10 projeta-se a chave aberta, mais longe o deslocamento em frequência, que é a condição desejável, no entanto, em outra tentativa Fig.11 e Fig.12 quando se afasta a chave da linha de transmissão, temos um deslocamento em frequência não tão longe quanto desejável.
Fig.9 Chave próxima a Linha de Transmissão
Fig.10 Resposta em Frequência para a chave distante da Linha de Transmissão
Utilizando agora outra posição para a chave Fig.11, obtemos a seguinte resposta em frequência Fig.12. 
Fig.11 Chave distante da Linha de Transmissão
	Fig.11 Resposta em Frequência para a chave distante da Linha de Transmissão
 
V- Conclusão
 Este artigo apresenta um novo designer de ressonador reconfigurável com base em comutação óptica. O comportamento eletromagnético da chave de silício sob iluminação foi modelada e simulada no HFSS, em seguida a implementação desta no ressonador concebeu um único Bit da tag de RFID, podendo operar em dois estados diferentes, esta abordagem se torna útil principalmente em criptografia de informações identificadas por RFID, além de aplicações simples, podendo diminuir consideravelmente o número de bits necessários para trazer a identificação do objeto. 
A validação da pesquisa se deu através das simulações propostas, de tal forma que não tivemos nenhum ponto crítico nos testes, foi realizado também uma variação dos parâmetros de resposta da chave, considerando que na prática, dificilmente a exatidão dos valores seria realizada, resultando assim em uma resposta agradável, demonstrando que mesmo com alguns erros de fabricação pode-se conseguir a resposta desejada. Logo, para futuros projetos, pode-se explorar métodos de fabricação e teste com a potência do laser bombeado e outros formatos de Ressonadores da literatura. 
VI- Referências 
Po-Wei Lin,Jium-Ming Lin "Bio-Sensing and Monitor System Design by Integrating Replaceable Micro Array Probes and Amplifier with an Wireless Active RFID Tag," Bioinformatic and Bioengineering, IEEE International Symposium on, October 2011.
Hyunwoo Kim, Dept. Comput.Eng.,Pusan Nat. Univ.,Busan, South Korea;Wooseok Ryu;Bonghee Hong,"Extension of RFID Middleware Platform for Handling Active Sensor Tags,". 
D. Draskovic, C. Panagamuwa, D. Budimir, J. C. Vardaxoglou “Frequency Switchable Dual-BandBranch-Line Couplers,” #Wireless Communications 	Research Group, University of Westminster, 115 New Cavendish 	Street, London, U.
Y. Tawk, Alex R. Albrecht, S. Hemmady, Gunny Balakrishnan, and Christos G. Christodoulou, “Optically Pumped Frequency Reconfigurable. 
Christos G. Christodoulou, Fellow IEEE, Youssef Tawk, Steven A. Lane, and Scott R. Erwin, Senior Member IEEE, "Reconfigurable Antennas for Wireless and Space Applications"
Chinthana J. Panagamuwa, Alford Chauraya, Member, IEEE, and J. (Yiannis) C. Vardaxoglou, Member, IEEE, “Frequency and Beam Reconfigurable Antenna Using Photoconducting Switches,” IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 54, NO. 2, FEBRUARY 2006.
C. J. Panagamuwa, A. Chauraya, and J. C. Vardaxoglou, "Frequency and beam reconfigurable antenna using photoconducting switches,"Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 449-454, 2006. 
C. J. Panagamuwa, A. Chauraya, and J. C. Vardaxoglou, “Frequency and beam reconfigurable antenna using photoconducting switches,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 54, no. 2, pt. 1, pp. 449–454, Feb. 2006.
L. Athukorala, K. Rabbi, C. Panagamuwa, J.C. Vardaxoglou, M. Philippakis, D. Budimir, "Optically Reconfigurable Microstrip UWB Bandpass Filters," Wireless Communications Research Group, School of Electronics and Computer Science,University of Westminster, 115 New Cavendish Street, London, W1W 6UW, UK , 2010 Loughborough Antennas & Propagation Conference.
Emma K. Kowalczuk1, Chinthana J. Panagamuwa2, Rob D. Seager3, J. (Yiannis) C. Vardaxoglou4, "Characterising the Linearity of an Optically Controlled Photoconductive Microwave Switch," 2010 Loughborough Antennas & Propagation Conference.
A. Chauraya, J. Kelly, R. D. Seager, and J. C. Vardaxoglou, "Frequency switchable microstrip filter for microwave frequencies,"presented at European Microwave Conference, 2005 2005.
C. W. Jung,M. Lee, G. P. Li, and F. De Flaviis, BReconfigurable scan-beam single-arm spiral antenna integrated with RF-MEMS switches, IEEE Trans. Antennas Propag.,vol. 54, no. 2, pp. 455–463, Feb. 2006.
B. A. Cetiner, G. R. Crusats, L. Jofre, and N. Biyikli, BRF MEMS integrated frequency reconfigurable annular slot antenna, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 3, pp. 626–632, Mar. 2010.
D. E. Anagnostou, G. Zheng, M. T. Chryssomallis, J. C. Lyke, G. E.Ponchak, J. Papapolymerou, and C. G. Christodoulou, “Design, fabrication, and measurement of an RFMEMS-based self-similar reconfigurable antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 54, no. 2, pp.422–432, Feb. 2006.
Preradovic, S. ; Karmakar, N. C. “Multiresonator-Based Chipless RFID, Barcode of the Future” Springer (2012).
H. Lim, J. Lee, S. Lim, D. Shin, N. Myung, “A novel compact microstrip bandstop fi lter based on spiral resonators”, Asia-Pacifi c Microwave Conference APMC 2007 , paginas 1–4, Bangkok, Thailand, Dezembro de 2007.
 C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetic. New York: Wiley, 1989.
R. S. Muller, T. I. Kamins, and M. Chan, Device Electronics for Integrated Circuits, 3rd ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.