Capitolo 2

UHF RFID Tag on metal: Stato dell’arte

Le antenne dei Tag per RFID UHF sono per la maggior parte evoluzioni complesse del semplice dipolo stampato, modificato per realizzare l’adattamento coniugato e ridurre l’ingombro. Per questo motivo le geometrie che si possono incontrare hanno spesso forme non immediatamente riconducibili al dipolo.

Dato che la maggior parte dei Tag UHF deve essere posta a contatto con oggetti di piccole dimensioni, è quindi richiesto di ridurre lo spazio occupato dall’antenna senza che questo influenzi pesantemente le prestazioni di lettura. Le configurazioni più utilizzate sono quelle in cui il conduttore mantiene inalterata la sua lunghezza lineare ma viene ripiegato più volte, dando così origine a strutture di tipo a meandro (Meander Line Antenna- MLA). Alla frequenza di 900 MHz un dipolo a λ/2 ha una lunghezza, in aria, di circa 16 cm. Per ridurne le dimensioni lo si può stampare su di un substrato ad elevata costante dielettrica

r

ε

oppure utilizzare uno strato di materiale magnetico caratterizzato sia da un alto valore di

ε

_r che di permeabilità magnetica

µ

_r.

Proprio basandosi su queste due possibili scelte, si può fare una distinzione tra realizzazioni di Tag RFID UHF on metal che fanno uso di substrati dielettrici e quelle che utilizzano materiali di tipo magnetico interposti tra superficie metallica e Tag.

2.1 TAG con substrato dielettrico

Introducendo un substrato dielettrico, quello che succede è che la lunghezza d’onda cambia secondo: ' r

λ

λ

ε

=

L’utilizzo un materiale ad alta permittività

ε

_r riduce, quindi, la lunghezza d’onda e, conseguentemente, anche la distanza tra Tag e piano di massa che garantisce il corretto funzionamento del Tag.

Anche la lunghezza dell’antenna del Tag diminuisce ma non abbastanza ed è per questo motivo che vengono utilizzate diverse forme come dipoli a meandro in modo da occupare meno spazio possibile.

Una possibile realizzazione è la seguente [3]:

Fig. 2.1 – Geometria dell’antenna per Tag on metal

In questo caso l’antenna è stata stampata sul substrato dielettrico RF30 prodotto da Taconic (

ε

_r=3.0, tan(δ)=0.0014, spessore 0.25 mm) e separata dalla superficie metallica da uno strato di circa 8 mm di Polistirene Espandibile che è un materiale con una permittività molto bassa (

ε

_r tra 1.03 e 1.07) e che ha la funzione di mantenere l’antenna separata dal conduttore, fornendo al tempo stesso un supporto con caratteristiche paragonabili a quelle dell’aria.

Andando a separare di qualche millimetro l’antenna dalla superficie metallica utilizzando un materiale dielettrico (preferibilmente aria) si modifica l’impedenza di ingresso dell’antenna del Tag e si ottiene un significativo aumento dei valori di reading range.

L’andamento dell’impedenza di ingresso dell’antenna Zant al variare della frequenza e quello dell’efficienza di adattamento ottenuti a partire dalle misure effettuate sul prototipo del Tag in Fig. 2.2 sono riportati in Fig. 2.3 e Fig. 2.4.

Fig. 2.3 – Andamento in frequenza dell’impedenza di ingresso Zant(f)

L’antenna ha una frequenza di lavoro di 865 MHz (la banda RFID UHF in Europa è 865 MHz÷870 MHz).

Dal grafico si può vedere come la parte immaginaria di Zant varia rapidamente con la frequenza rendendo complicato l’adattamento dell’antenna.

---- Re{ Zant }

Comunque, alla frequenza di 865 MHz, l’adattamento è piuttosto soddisfacente dato che il valore dell’efficienza è pari a 0.95.

Fig. 2.4 – Andamento dell’efficienza di adattamento

Dai risultati delle misurazioni riportati in Fig. 2.3 e Fig. 2.4 risulta che l’introduzione dello strato di Polistirene Espandibile migliora notevolmente le prestazioni rispetto al caso in cui il Tag si trova direttamente a contatto col metallo.

La soluzione funziona ma lo spessore di 8 mm dello strato di Polistirene rende il Tag troppo spesso ed ingombrante per l’utilizzo a cui è destinato.

Una diversa proposta di antenna per Tag è quella riportata in Fig. 2.5: la struttura è molto semplice e rispetto ad altri tipi di antenne ha il vantaggio di essere poco costosa, leggera e facile costruzione [4].

Fig. 2.5 – Configurazione dell’antenna proposta

Il corpo dell’antenna è costituito da un dipolo a spirale interno, un dipolo curvato esterno e da una rete di adattamento. Il dipolo esterno è caratterizzato dalle lunghezze L1 e L2 mentre quello a spirale si trova a distanza G3 dal dipolo esterno e a G4 dalla rete di alimentazione a doppio T-match. L’antenna è stampata sopra un sottile substrato di PET (Polyethylene,

ε

_r=3.9, tan(δ)=0.003) dello spessore di 50 µm e montata sopra un substrato di polistirolo (

ε

r=1.0) di 3 mm.

La forma a spirale del dipolo interno funziona bene quando il Tag è posto in spazio libero ed è adottata per ridurre le dimensioni dell’antenna. Il dipolo esterno è aggiunto per allargare la banda quando il Tag è in spazio libero e per migliorarne il funzionamento quando è montata su materiali altamente conduttori

Grazie a tale geometria, l’antenna proposta ha buone prestazioni sia quando è posta sopra oggetti metallici sia quando si trova in spazio libero [4].

Altra tra le varie realizzazioni studiate per consentire la lettura dei Tag sia nelle vicinanze che a contatto dei metalli, è quella di un folded dipole con due patch parassiti [5].

L’antenna è stampata su un substrato di FR4 ed ha la seguente geometria:

Fig. 2.6 – Geometria dell’antenna proposta

La struttura fisica del patch a forma di forchetta e la presenza due patch parassiti nella parte superiore del substrato realizzano l’adattamento tra l’impedenza di ingresso dell’antenna e quella del chip. Mentre nelle antenne convenzionali, per ottenere l’adattamento coniugato, viene modificata la linea di alimentazione o il patch radiante, l’antenna proposta sfrutta i patch parassiti per un facilitare l’adattamento di impedenza senza apportare rilevanti modifiche all’elemento radiante.

Da evidenziare come sia la presenza di un piano di massa nella struttura stessa dell’antenna a renderne possibile l’utilizzo anche nel momento in cui vi è contatto con una superficie conduttrice.

I Tag commercialmente disponibili che utilizzano antenne planari a spirale (planar coil antenna) lavorano bene solamente se sono abbastanza lontani dagli oggetti metallici. Il principio su cui si basa il loro funzionamento è il seguente: quando il Tag transita attraverso il campo magnetico prodotto dal Reader, ai terminali dell’avvolgimento che costituisce l’antenna del Tag, viene indotta una tensione in grado di attivare il chip se superiore alla tensione di soglia del chip del Tag (Vth) .

Il valore della tensione indotta risulta proporzionale al numero di spire dell’antenna ed alla variazione temporale del flusso del vettore induzione magnetica (integrale esteso all’area della spira del Tag del vettore induzione magnetica).

La distanza a cui un Tag passivo può essere letto e/o scritto dipende dalla quantità di flusso magnetico che attraversa l’antenna a spira del Tag. Per questo motivo la posizione assunta dall’antenna rispetto al piano di massa influisce sul funzionamento del Tag. Infatti, solamente quando il piano di metallico si trova dietro la spira, come mostrato in Fig. 2.7(a), si ha una forte riduzione delle prestazioni, mentre una sistemazione laterale e/o al di sotto della spira ha poca influenza[6].

(a) (b) (c)

Fig. 2.7 – Configurazioni tipiche antenna/piano conduttore

Quello che viene in seguito considerato è il caso in cui la spira è parallela al piano di massa perché, come è facile intuire, questa è la tipica configurazione in cui l’antenna RFID è utilizzata.

La prima importante conseguenza derivante dall’avvicinamento al metallo è la variazione della frequenza di risonanza dell’antenna che può portare all’impossibilità, da parte di questa, di fornire l’energia necessaria per l’attivazione del chip RFID.

Il secondo effetto, che influenza pesantemente le prestazioni del Tag, è la deviazione del campo magnetico in prossimità della superficie metallica.

In Fig. 2.8 è mostrato come le linee di campo magnetico tendono a diventare parallele alla superficie metallica quando si avvicinano a questa.

Fig. 2.8 – Distribuzione dei campi magnetici nelle vicinanze di una superficie metallica

Tale comportamento è dovuto al fatto che quando la spira è posta nelle vicinanze del piano metallico, l’andamento delle linee di campo magnetico deve essere tale da soddisfare le condizioni al contorno che impongono l’annullamento della componente di campo magnetico normale alla superficie.

La conseguenza è che il flusso magnetico che attraversa la spira diminuisce fino a diventare pari a zero quando la distanza tra spira e il metallo diventa piccola. Dato che non si ha alcuna tensione indotta ai capi dell’antenna a spira, il chip non può essere attivato e quindi il Tag RFID non ha energia sufficiente a trasmettere.

Il motivo per cui l’antenna a spira non funziona più una volta che è posta su una superficie metallica è facilmente deducibile anche andando ad applicare il teorema delle immagini ad una spira percorsa da corrente: la situazione che si viene a creare è quella di due spire parallele, molto vicine tra loro, percorse da correnti uguali e opposte che quindi tendono ad annullarsi.

Una soluzione [7] per realizzare un Tag con antenna a spirale che sia in grado di lavorare su superfici metalliche, sfrutta a suo vantaggio la deviazione delle linee del campo magnetico.

L’idea di base è realizzare un Tag in cui la spirale si accoppia al campo magnetico che ha la tendenza ad essere parallelo alla superficie metallica.

Lo schema della struttura è di seguito riportato:

Fig. 2.9 – Illustrazione schematica del Tag realizzato per funzionare su metallo

Il sottile strato di metallo presente nella parte inferiore del Tag in Fig. 2.9 rende possibile la lettura del Tag anche quando non è a contatto una superficie conduttrice.

All’ interno della spirale è presente un nucleo di ferrite che, andando a costituire una via ad alta permeabilità, fa sì che le linee di flusso si concentrino all’interno della spirale, con conseguente aumento di flusso magnetico attraverso la spira stessa.

In generale, esistono due approcci per progettare i Tag RFID su metallo: nuovi progetti di antenne che non si basano sulla struttura del dipolo e l’adozione di materiale elettromagnetico per isolare il Tag dal conduttore.

Il problema delle nuove strutture, come quelle appena viste, è lo spessore mentre per quanto riguarda l’utilizzo di materiale elettromagnetico, il problema riguarda il costo che risulta piuttosto elevato.

Negli ultimi anni c’è stato un interesse sempre maggiore nei riguardi dei materiali elettromagnetici artificiali tra cui le strutture EBG (Electromagnetic Band-Gap) che manifestano caratteristiche che non si possono trovare in natura.

Tra tutte le proprietà, quella che rende le superfici EBG uniche è la fase del campo elettrico riflesso.

Dalla teoria sappiamo che quando un’onda incide ortogonalmente su un conduttore elettrico perfetto (PEC), subisce uno sfasamento di 180˚, mentre se incontra un conduttore magnetico perfetto (PMC), che non esiste in natura, non ne subisce alcuno.

Quando invece un’onda piana illumina normalmente una struttura EBG, la fase del campo riflesso cambia in maniera continua da 180˚a -180˚ al variare della frequenza. In Fig. 2.10 è riportato il confronto tra una possibile variazione di fase introdotta dalla riflessione su di una struttura EBG è i 180˚ gradi, indipendenti dalla frequenza, di una riflessione su PEC.

Fig. 2.10 – Esempio di variazione della fase di un’onda riflessa da una struttura EBG

Una importante applicazione di questa caratteristica è la possibilità di sostituire un piano di massa PEC con un piano di massa EBG per progettare antenne filari con un basso profilo [8].

Antenne adatte per l’identificazione degli oggetti metallici sono per esempio le Microstrip Patch Antenna, le IFA (Inverted-F Antenna) e le PIFA (Planar Inverted-F Antenna). Queste antenne possono operare bene sui materiali altamente conduttori ma, rispetto alle altre tipologie di Tag, hanno lo svantaggio di risultare più costose e molto più ingombranti.

2.2 TAG con substrato magnetico

Tra le tante soluzioni che il mercato propone per la realizzazione di Tag RFID on metal, quella che risulta più interessante e di semplice realizzazione, è quella che prevede l’utilizzo di Tag commerciali a cui viene applicato un substrato di materiale magnetico. Un substrato magnetico ha la proprietà di avere una alta permittività elettrica

ε

_r ma anche una elevata permeabilità magnetica

µ

_r ed è proprio questa caratteristica che fa sì che la lunghezza d’onda non diminuisca solamente di un fattore 1

r

ε

, come visto nel caso di

substrato dielettrico, ma si abbia un ulteriore fattore pari a 1

r

µ

dato dalla permeabilità magnetica. In formule: 1 '' r r

λ

ε µ

=

Il substrato magnetico permette all’antenna di stare sopra una superficie conduttrice mantenendo le proprietà radiative ed i valori dei range di lettura vicini a quelli che si avevano prima dell’applicazione sull’oggetto metallico.

L’unico inconveniente è il fatto che questi materiali magnetici sono molto difficili da reperire.

Per dimostrare come la presenza di questi substrati migliori le proprietà radianti ed il reading range dell’antenna quando è posta a contatto di una superficie metallica, vengono di seguito riportati i risultati di uno studio effettuato presso l’Università di Pisa nell’ambito di un lavoro di tesi [9].

Il materiale magnetico è fornito dalla Emerson&Cuming Microwave Products e, in particolare, sono utilizzati due materiali: Eccosorb® _{MCS-U ed Eccopad}®_.

Fig. 2.12 – Eccosorb® MCS-U

Eccosorb® _{MCS-U è una gomma di uretano con caratteristiche magnetiche, sottile,} flessibile, resistente alle abrasioni, isolante ed a elevata perdita magnetica. E’ scelto come materiale su cui applicare il Tag per gli elevati valori di permittività e permeabilità che presenta. Gli andamenti di

ε

_r e

µ

_r al variare della frequenza sono forniti dalla stessa ditta produttrice e vengono di seguito riportati:

Eccopad® _{è un isolante costituito da un elastomero duro, sottile, flessibile, che quando è} posto tra la superficie metallica ed il Tag RFID permette al Tag di funzionare.

Dato che tale materiale è brevettato, la Emerson&Cuming, Inc non fornisce alcuna caratteristica tecnica ma si limita a dire che Eccopad® è formato da uno strato con una alta permeabilità accoppiato ad un altro a bassa costante dielettrica.

Fig.2.14 – Sezione di uno strato di Eccopad®

Lo studio è condotto utilizzando il Tag UHF ALN-9540 Squiggle® _{(Alien Technology) il} cui chip Higgs-2 presenta le caratteristiche di seguito riportate.

Fig.2.15 – Tag UHF ALN-9540 Squiggle® - Alien Technology

Note quindi resistenza e capacità parallele in ingresso al chip, è possibile ricavare l’andamento in frequenza dell’impedenza di ingresso Zchip riportato in Fig. 2.17.

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Re(Zchip) Im(Zchip) f (GHz)

Fig. 2.17 – Andamento in frequenza di Zchip

Si considerano adesso le seguenti configurazioni:

CASO 1: Antenna in spazio libero CASO 2: Antenna+PEC

CASO 3: Antenna+Eccosorb (1mm)+PEC

CASO 4: Antenna+Eccosorb (1mm)+Rohacell1 (2mm)+PEC CASO 5: Antenna+Rohacell (2mm)+Eccosorb (1mm)+PEC

Per ciascuna di queste si vuol andare a tracciare l’andamento dell’efficienza di adattamento Alpha per valori di frequenza compresi tra 400 MHz e 1.8 GHz.

Nella formula:

{

} {

}

2 4 Re Zchip Re Zant Alpha Zchip Zant = + i

l’unico valore che ancora non è noto è Zant. Per risolvere tale problema si ricorre al simulatore elettromagnetico HFSS di Ansoft attraverso il quale è possibile, per ogni caso preso in esame, calcolare Zant al variare della frequenza. Proprio per tale motivo non vengono prese in considerazione configurazioni con Eccopad: infatti, di questo materiale non sono fornite le caratteristiche elettriche e magnetiche e ciò rende impossibile qualsiasi tipo di simulazione.

I grafici di Alpha(f) ottenuti per le diverse configurazioni sono riportati di seguito:

(a) 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 x 109 0 1 2 3 4 5 6x 10 -4 frequency a lf a alfa parameter alfa 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 x 109 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 a lf a frequency alfa parameter alfa CASO 2: Antenna+PEC CASO 1:

(c) (d) (e) 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 x 109 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 frequency a lf a alfa parameter alfa 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 x 109 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 frequency a lf a alfa parameter alfa 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 x 109 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 frequency a lf a alfa parameter alfa CASO 4: Antenna+Eccosorb+Rohacell+PEC CASO 5: Antenna+Rohacell+Eccosorb+PEC CASO 3: Antenna+Eccosorb+PEC

Il grafico relativo all’antenna in spazio libero (Fig. 2.18 a) rappresenta la situazione di riferimento poiché risulta essere la configurazione per cui l’antenna è stata progettata, ovvero quando è montata su materiali a conducibilità nulla. Attraverso il confronto dei risultati ottenuti è chiaro quale tra le soluzioni risulti la migliore tra quelle proposte, ovvero quella che permette di utilizzare il Tag su superfici metalliche. L’introduzione di un substrato di Eccosorb e di Rohacell permette di ottenere buoni risultati specialmente nella configurazione Antenna+Eccosorb+Rohacell+PEC (CASO 4) in cui si riesce ad ottenere il miglior valore possibile di Alpha, cioè 1, che vuol dire che antenna a chip risultano perfettamente adattati. L’unico problema è che il valore di frequenza per cui ciò accade non si trova in banda UHF ma tra 600 MHz e 800 MHz. Il fatto stesso che comunque sia possibile raggiungere un valore di Alpha uguale a uno fa ben sperare che, modificando le dimensioni dell’antenna, sia possibile riportare tale comportamento all’interno della banda UHF.

In [9] segue una parte sperimentale in cui, per quattro delle configurazioni appena viste, viene misurato il reading range.

Le prove sono eseguite in spazio libero utilizzando un Reader che lavora alla frequenza di 868 MHz.

In Tab. 2.1, insieme ai valori delle massime distanze di lettura rilevate, vengono riportati anche i valori di Alpha ottenuti dalle relative simulazioni.

Alpha

Reading Range

(cm) CASO 1:

Antenna in spazio libero 0.5 242

CASO 2: Antenna+PEC 0 0 CASO 3: Antenna+Eccosorb+PEC 0.27 16 CASO 4: Antenna+Eccosorb+Rohacell+PEC 0.25 51 CASO 5: Antenna+Rohacell+Eccosorb+PEC 0.05 1

A queste cinque configurazioni ne vengono aggiunte altre tre in cui il substrato di Eccosorb viene sostituito con uno di Eccopad di pari spessore: dato che Emerson&Cuming, Inc non fornisce le caratteristiche elettriche di tale materiale, non è possibile ricavare l’Alpha tramite simulazione e, per questo motivo, in Tab. 2.2 sono riportati solamente i valori del reading range ottenuto.

Tab. 2.2 – Valori di reading range per le configurazioni che utilizzano Eccopad

Dall’osservazione dei dati raccolti è possibile constatare come sia l’introduzione di un substrato di Eccosorb che di Eccopad aumenti il reading range del Tag e che i valori più alti si ottengono con l’Eccopad.

Ulteriori incrementi di reading range si ottengono andando ad aggiungere tra Eccopad e PEC uno strato di Rohacell, come nel CASO 7: si passa così da 43 cm a 71 cm. Tale miglioramento è ragionevolmente dovuto al solo fatto che l’aggiunta del Rohacell non fa che distanziare l’antenna dalla superficie metallica. Da notare, infine, come l’inserimento dello strato di Rohacell tra Eccopad ed antenna (CASO 8) aumenti ulteriormente il valore della massima distanza di lettura rilevata.

Attraverso tali prove è stato quindi possibile dimostrare come l’utilizzo di materiali magnetici aumenti la distanza di reading range di un Tag applicato sopra una superficie metallica e come l’introduzione di un ulteriore strato di Rohacell ne migliori le prestazioni.

Reading Range (cm) CASO 6 : Antenna+Eccopad+PEC 43 CASO 7 : Antenna+Eccopad+Rohacell+PEC 71 CASO 8 : Antenna+Rohacell+Eccopad+PEC 91

Nel momento in cui tra antenna e PEC si interviene aggiungendo substrati di tipo magnetico e di Rohacell, ogni antenna reagisce in maniera diversa. Per questo motivo non esiste una soluzione generale ma, per ciascuna antenna, deve essere studiato l’andamento dell’efficienza di adattamento Alpha al variare della frequenza e trovata la configurazione migliore, cioè quella per cui, alla frequenza di lavoro, il valore di Alpha è prossimo ad 1.