Capitolo 3 Studio ed ottimizzazione del Tag ALN-9640 Squiggle

Studio ed ottimizzazione del Tag ALN-9640

Squiggle

®

_{Inlay in presenza di PEC}

Attraverso le prove descritte in [9] è stato possibile verificare sperimentalmente che l’introduzione di uno strato di materiale magnetico tra antenna e PEC riesce a rendere il Tag rilevabile anche se a posto a pochi millimetri di distanza dal materiale conduttore. Naturalmente il valore del reading range è inferiore rispetto a quello che si ha quando l’antenna funziona in spazio libero perché la presenza del materiale magnetico fa in modo che l’efficienza di adattamento Alpha (Matching Efficency) assuma un valore diverso da zero alla frequenza di lavoro ma non garantisce che questo sia anche il massimo valore ottenibile. In base alla formula che lega la massima distanza di lettura al parametro Alpha (vedi 1.6) sappiamo, infatti, che il valore di reading range è direttamente proporzionale ad

Alpha, quindi il massimo della distanza di lettura si ottiene per la frequenza a cui anche il

valore di Alpha risulta essere massimo.

Dopo l’introduzione del substrato magnetico, per migliorare i valori di reading range quello che si può pensare di fare è di intervenire sulla struttura del Tag in modo che il massimo valore che il coefficiente di adattamento può raggiungere, in questa condizione, non si presenti ad una frequenza qualsiasi ma in corrispondenza della frequenza di centro banda dell’antenna.

Quello che viene descritto nel seguente capitolo riguarda lo studio del Tag commerciale ALN-9640 Squiggle® Inlay di Alien Technology affrontato allo scopo di ottimizzarne le prestazioni nel caso in cui si trovi ad operare in prossimità di una piattaforma conduttrice.

3.1 Descrizione del Tag ALN-9640 Squiggle

®

_Inlay

Il Tag commerciale ALN-9640 Squiggle® Inlay di Alien Technology è un Tag di tipo passivo funzionante in banda UHF ed utilizza un chip Higgs-3 le cui caratteristiche, fornite dalla stessa casa costruttrice, vengono di seguito riportate.

Fig. 3.1 – Dimensioni del TagALN-9640 Squiggle® Inlay

Fig. 3.2 – Condizioni di funzionamento e caratteristiche elettriche del chip Higgs-3

Il Tag in esame è stato progettato per funzionare in assenza di materiali conduttori, quindi è in questa condizione che si verifica l’adattamento tra impedenza tra di ingresso del Tag e quella del chip e quindi anche la massima distanza di lettura. La condizione di antenna che opera da sola e in aria costituisce, pertanto, la situazione di riferimento.

A partire dai valori della resistenza Rp e della capacità Cp che il chip presenta in parallelo in ingresso, è possibile calcolare l’andamento in frequenza dell’impedenza di ingresso del chip (Zchip). L’andamento ottenuto per frequenze tra 600 MHz e 1.3 GHz, Rp pari a 1500

Ω e Cp di 0.85 pF è riportato in Fig. 3.3. -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zchip) Im (Zchip) f (GHz)

Fig. 3.3 – Andamento in frequenza di Zchip

Come riportato in 1.5, la reattanza che il chip presenta in ingresso risulta di tipo capacitivo. In particolare, alla frequenza di centro banda del chip, cioè 910 MHz si ha:

3.2 Definizione del modello

Per studiare come il Tag in esame si comporta in presenza di un materiale conduttore ricorriamo alla simulazione. Una volta creato il modello che riproduce l’antenna del Tag, attraverso i dati forniti dalla simulazione se ne possono valutare le prestazioni. In particolare, quello che ci interessa è calcolare l’andamento in frequenza dell’impedenza di ingresso dell’antenna del Tag (Zant), dell’efficienza di adattamento Alpha ed i valori assunti da queste due quantità alla frequenza di centro banda 910 MHz.

Inoltre l’antenna è parametrizzata in modo che sia possibile modificarne la struttura senza doverla ridisegnare

8,15 94,80

Fig. 3.4 – Struttura dell’antenna simulata

Le simulazioni sono eseguite utilizzando il software Ansoft Designer, in una banda che va da 600 MHz a 1.3 GHz.

3.3 Tag ALN-9640 Squiggle® Inlay in spazio libero

Una volta disegnata l’antenna e definiti i parametri di simulazione, la prima cosa da fare è verificare che il modello presenti prestazioni simili a quelle del Tag reale. Secondo le specifiche, il Tag funziona nella banda 860 MHz÷960 MHz. Decidiamo di prendere in considerazione la frequenza di centro banda (910 MHz) ed attraverso la simulazione in spazio libero andiamo a verificare se, a tale frequenza, si ha l’adattamento tra impedenza di ingresso dell’antenna e quella in ingresso al chip ovvero se:

Zant@910 MHz = Zchip*@910 MHz = 27.73 + j202.06 Ω

Il procedimento che da adesso in poi seguiremo per ogni simulazione è il seguente:

• Disegnare l’antenna nello scenario stabilito (in questo caso specifico in assenza di materiale conduttore ed in aria).

• Effettuare la simulazione nella banda 600 MHz÷1.3 GHz per ricavare l’andamento in frequenza dell’impedenza di ingresso dell’antenna Zant.

• Calcolare l’andamento dell’efficienza di adattamento Alpha.

• Considerare il valore che Alpha assume alla frequenza di centro banda 910 MHz: più tale valore è prossimo ad uno e più il Tag funzionerà, nello scenario in cui è posto, garantendo (almeno nella simulazione) le migliori prestazioni in termini di distanza massima di lettura dato che reading range ed Alpha sono direttamente proporzionali.

Per calcolare l’efficienza di adattamento Alpha si utilizza un programma Matlab che implementa la formula

{

} {

}

Zant è ricavato per via simulativa.

Zchip è calcolato, nello stesso range di frequenze usato per le simulazioni, a partire

dalla resistenza Rp e dalla capacità Cp che il chip presenta in parallelo in ingresso (Fig. 3.3).

3.3.1 Impedenza di ingresso ed efficienza di adattamento

Di seguito vengono riportati l’andamento di Zant(f) ottenuto attraverso la simulazione del caso di antenna in spazio libero, situazione per cui lo stesso Tag è stato progettato, ed il corrispondente andamento dell’efficienza di adattamento Alpha.

Fig. 3.5 – Modello utilizzato per la simulazione del Tag in spazio libero

Fig. 3.6 – Andamento di Zant(f) per antenna in spazio libero

0 50 100 150 200 250 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.7 – Andamento di Alpha(f) per antenna in spazio libero

I valori che si ottengono alla frequenza di centro banda sono: Zant@910 MHz = 18.54 + j187.6 Ω

Alpha@910 MHz = 0.87

Un’efficienza di adattamento pari a 0.87 indica che i valori di Zant e Zchip, alla frequenza di lavoro, sono piuttosto vicini. Infatti:

Zchip@910 MHz = 27.73 - j202.06 Ω

Inoltre alla frequenza di 925 MHz, quindi in prossimità della frequenza di centro banda, si verifica l’adattamento di impedenza (Alpha=1).

3.3.2 Studio del comportamento dell’impedenza di ingresso al variare

della geometria dell’antenna

Una volta valutate le prestazioni del Tag in spazio libero, andiamo a vedere come cambia l’impedenza di ingresso nel momento in cui si modifica la geometria dell’antenna. In particolare, quello che vogliamo capire è come varia Zant(f) quando a cambiare è la lunghezza dell’antenna e per farlo sfruttiamo la parametrizzazione. Si procede andando prima a modificare la larghezza L dei meandri e poi intervenendo sulle estremità la cui lunghezza è identificata a sinistra dalla variabile SX mentre a destra da DX.

Fig. 3.8 – Antenna parametrizzata

PRIMA MODIFICA: raddoppio della larghezza L dei meandri

La prima modifica prevede il raddoppio della larghezza di tutti meandri che passa così da 1.94 mm a 3.88 mm. Il Tag assume la seguente struttura:

Port1

Fig. 3.9 – Antenna con larghezza dei meandri raddoppiata

SECONDA MODIFICA: riduzione delle estremità

La lunghezza delle estremità del Tag è determinata dal valore della variabile SX a sinistra e di DX a destra. Per il Tag non modificato si ha SX = 9.84 mm e DX = 11.12 mm. Per ridurre la lunghezza dell’antenna, ad esempio, di 6 mm per parte, si deve porre SX = 3.84 mm (9.84 mm-6 mm) e DX = 5.12 mm (11.12 mm–6 mm)

Port1

Fig. 3.10 – Antenna con estremità ridotte di 6 mm

Gli andamenti della Zant(f) per le due modifiche proposte vanno confrontati con quello ottenuto per l’antenna non modificata (configurazione di partenza) perché quello che adesso interessa non è conoscere il valore assunto dall’impedenza di ingresso alla frequenza di centro banda ma come varia il suo andamento in relazione alla modifica fatta.

0 50 100 150 200 250 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mod) Im (Zant_mod) Re (Zant_non_mod) Im (Zant_non_mod) f (GHz)

Fig. 3.11 – Zant(f) per raddoppio di L e per antenna non modificata

0 50 100 150 200 250 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mod) Im (Zant_mod) Re (Zant_non_mod) Im (Zant_non_mod) f (GHz)

Fig. 3.12 – Zant(f) per riduzione di 6 mm delle estremità e per antenna non modificata

Cambiare la lunghezza dell’antenna significa andarne a modificarne sicuramente il funzionamento. I valori assunti sia dalla parte reale che da quella immaginaria della Zant cambiano ma è da notare che l’andamento, invece, si modifica di poco. Quello che si osserva è che nel caso di aumento della lunghezza dell’antenna (PRIMA MODIFICA), se si paragona la Zant(f) ottenuta con quella dell’antenna non modificata, questa appare come shiftata in frequenza verso sinistra (Fig. 3.11). Al contrario, se si confrontano gli andamenti dell’antenna più corta (SECONDA MODIFICA) e della configurazione di partenza, si nota uno shift in frequenza verso destra (Fig. 3.12).

Avendo a disposizione i valori di Zant(f) forniti dalle simulazioni, è possibile andare a tracciare anche gli andamenti dell’efficienza di adattamento Alpha e fare il confronto con quello ottenuto nel caso di antenna non modificata.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Alpha_mod Alpha_non_mod f(GHz)

Fig. 3.13 – Alpha(f) per raddoppio di L e per antenna non modificata

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Alpha_mod Alpha_non_mod f(GHz)

Fig. 3.14 – Alpha(f) per riduzione di 6 mm delle estremità e per antenna non modificata

Nel caso di aumento della lunghezza dell’antenna il funzionamento del Tag subisce dei forti peggioramenti: infatti per nessuna frequenza tra 600 MHz e 1.3 GHz si ha un valore di Alpha prossimo ad 1 ed il massimo che si ottiene (0.49) è fuori dalla banda di funzionamento 860 MHz÷960 MHz.

Come per l’impedenza di ingresso, se si va a confrontare l’andamento di Alpha ottenuto con quello dell’antenna non modificata, questo è shiftato in frequenza verso sinistra (Fig. 3.13).

In seguito alla riduzione della lunghezza dell’antenna si ottengono valori di Alpha più bassi, con un massimo di 0.94 fuori banda (1.21 GHz) ed uno shift in frequenza a destra rispetto al caso di antenna non modificata. (Fig. 3.14)

Appare chiaro che, se si effettuano le due modifiche proposte, il Tag non è più in grado di funzionare correttamente perchè con un Alpha<0.2 alla frequenza di centro banda, i valori di reading range sono estremamente ridotti. Inoltre, per nessuna delle due si verifica la condizione di adattamento all’interno della banda di funzionamento del Tag.

3.4 Tag ALN-9640 Squiggle® Inlay in presenza di PEC

Quando un Tag è posto a contatto di un materiale altamente conduttore, non è più in grado di funzionare correttamente a causa della riduzione della resistenza di radiazione dell’antenna (vedi 1.7). Tramite simulazione è possibile verificare come questo accada sia nel caso di contatto diretto tra Tag e piattaforma metallica sia quando il Tag è posto ad una certa distanza. Di seguito riportiamo i dati relativi alla simulazione in cui il Tag si trova ad 1 mm di distanza dal PEC. Va precisato che il software utilizzato per le simulazioni da la possibilità di inserire dei substrati del materiale desiderato, di cui è possibile definire le dimensioni dello spessore ma non della superficie, che viene sempre considerata come infinita. Per questo motivo, il PEC che andiamo a considerare ha dimensione infinita e spessore infinitesimo. Nella tabella (stackup) in Fig. 3.15 sono riassunte le proprietà ed i vari strati (o layer) che compongono la struttura simulata.

Fig. 3.15 –Stackup della struttura da simulare

(a) (b)

Fig. 3.16 – Andamento di Zant(f) e di Alpha(f) per Tag ad 1 mm dal PEC

Dal grafico relativo all’impedenza di ingresso (Fig. 3.16 a) vediamo come, in tutta la banda di funzionamento del Tag, la parte reale risulti nulla.

-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Ad un valore nullo della resistenza di radiazione non può che corrispondere un completo disadattamento come evidenziato dall’andamento di Alpha riportato in Fig. 3.16 (b).

Oltre a quella con il Tag ad 1mm dal PEC, sono state eseguite anche altre due simulazioni in cui la distanza si assume prima pari a 2mm e poi a 3mm ma in entrambi i casi non ci sono stati cambiamenti per i valori della resistenza di ingresso dell’antenna e dell’efficienza di adattamento che continuano a rimanere nulli sull’intera banda 600 MHz÷1.3 GHz presa in esame.

3.5 Tag ALN-9640 Squiggle® Inlay in presenza del

materiale magnetico

Eccosorb

MCS-U

Nel momento in cui viene posto a contatto del PEC la massima distanza di lettura a cui il Tag è rilevabile (reading range) si riduce notevolmente ma l’introduzione di un substrato magnetico tra antenna e PEC riesce, attraverso la modifica dell’impedenza di ingresso dell’antenna Zant, e quindi anche dell’efficienza di adattamento Alpha, a migliorare le prestazioni (vedi 2.2). Sfruttando tale conoscenza andiamo quindi ad analizzare, sempre attraverso simulazione, la situazione in cui tra l’antenna ed il PEC è posto uno strato di Eccosorb® _{MCS-U (}

r

ε

µ

Quella che andiamo adesso a considerare è la configurazione in cui il l’antenna ed il piano di massa sono separati da un substrato di Eccosorb dello spessore di 1mm e che in maniera sintetica è indicata come:

Antenna+Eccosorb(1mm)+PEC

Se al posto dello strato di Eccosorb da 1mm vi fosse il vuoto, abbiamo già dimostrato in 3.4 che il Tag non riesce ad essere rilevato. Andiamo quindi a vedere se con l’introduzione del materiale magnetico si ha qualche cambiamento.

Per valutare le prestazioni facciamo riferimento al valore assunto dall’impedenza di ingresso Zant e del parametro Alpha alla frequenza di centro banda 910 MHz.

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.18 – Zant(f) per Antenna+Eccosorb(1mm)+PEC

Zant@910 MHz = 56.86 - j29.22 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.19 – Alpha(f) per Antenna+Eccosorb(1mm)+PEC

La presenza dello strato di Eccosorb evita l’annullamento della parte resistiva dell’impedenza di ingresso dell’antenna ma non riesce a fare in modo che si verifichi la condizione di adattamento per nessuna delle frequenze all’interno della banda di funzionamento del Tag. Infatti, la parte immaginaria dell’impedenza di ingresso dell’antenna in presenza del materiale magnetico è sempre negativa e, dato che lo è anche quella del chip (Fig. 3.3), appare evidente il motivo per cui, in tali condizioni, non possa realizzarsi l’adattamento coniugato.

Rispetto al caso precedente, in cui tra antenna e piano di massa è presente il vuoto, si ha un miglioramento del 10% dell’efficienza di accoppiamento ma questo non basta a far funzionare correttamente il Tag.

Possiamo pensare di aumentare la distanza tra Tag e PEC aumentando lo spessore dello strato di Eccosorb portandolo a 2mm e 3mm, ottenendo le configurazioni:

Antenna+Eccosorb(2mm)+PEC Antenna+Eccosorb(3mm)+PEC

Come per la precedente, anche queste due soluzioni risultano poco efficaci perché in entrambe la parte immaginaria dell’impedenza di ingresso risulta essere ancora negativa sull’intera banda presa in considerazione. Per completezza si riportano i valori di Zant e di

Alpha ottenuti alla frequenza di centro banda:

Zant@910 MHz = 91.79 - j47.32 Ω Alpha@910 MHz = 0.13 Zant@910 MHz = 105.07 - j62.57 Ω Alpha@910 MHz = 0.13 Antenna+Eccosorb(2mm)+PEC Antenna+Eccosorb(3mm)+PEC

3.6 Tag ALN-9640 Squiggle® Inlay in presenza di

Rohacell

ed Eccosorb

MCS-U

L’utilizzo del solo Eccosorb® _{MCS-U come substrato da interporre tre l’antenna ed il Tag} non ha dato i risultati sperati. Decidiamo così di utilizzare l’Eccosorb insieme ad un altro materiale. Quello che adesso proponiamo è uno studio di configurazioni in cui al substrato magnetico di Eccosorb ne è stato aggiunto uno di Rohacell®, materiale con caratteristiche del tutto simili a quelle dell’aria (

ε

µ

Combinando tra loro diversi spessori dei due substrati, quello che vogliamo trovare è una configurazione Antenna+Substrato1+Substrato2+PEC in cui il valore dell’efficienza di adattamento Alpha raggiunga il valore unitario (valore massimo) all’interno della banda operativa del Tag, in modo che le prestazioni in tali condizioni siano paragonabili a quelle che lo stesso Tag ha quando opera in assenza di PEC. Dato che per i confronti si fa riferimento ai valori di Zant e di Alpha alla frequenza di centro banda, quello che cerchiamo di ottenere è un valore di Alpha simile a quello in spazio libero, cioè 0.87. E’ noto che all’aumentare della distanza, gli effetti che il piano di massa ha sul Tag diminuiscono [10]. Non avrebbe quindi senso cercare delle soluzioni in cui la distanza tra Tag e PEC è elevata anche perché la struttura che ne verrebbe fuori risulterebbe troppo ingombrante per gli usi a cui è destinata. Per ridurre l’occupazione, decidiamo che la configurazione cercata deve avere, al massimo, uno spessore di 3mm. Sia l’antenna che il PEC hanno spessore nullo, quindi lo spessore complessivo della configurazione è dato solamente dallo strato di Eccosorb e di Rohacell. Dalla simulazione in 3.4 sappiamo che se il Tag è posto a 3 mm dal PEC che non è in grado di funzionare ma se riusciamo a trovare una combinazione dei due substrati che, rientrando nel limite imposto, riesce a far in modo che il Tag presenti prestazioni paragonabili a quelle che ha quando opera in spazio libero, possiamo affermare tale configurazione è quella che garantisce le migliori prestazioni del Tag in presenza di PEC.

Tra tutte le possibili combinazioni dei due substrati che rientrano nei 3 mm, vengono scelte quelle in cui i materiali presentano gli spessori con cui sono disponibili in commercio quindi 1 mm e 2 mm per il Rohacell e 1 mm per l’Eccosorb.

Una successiva selezione è fatta sulla base del peso e del costo che la possibile configurazione avrebbe nel caso venisse fisicamente realizzata: per questo motivo sono scartate tutte le soluzioni che prevedono la presenza di un doppio strato di Eccosorb . Per il fatto che il Rohacell si può avere in due diversi spessori, le configurazioni che andiamo a simulare sono in totale quattro, due con spessore pari a 2 mm ed altre due di 3 mm. Abbiamo quindi : 1. Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC 2. Antenna+Eccosorb(1mm)+Rohacell(1mm)+PEC 3. Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC 4. Antenna+Eccosorb(1mm)+Rohacell(2mm)+PEC

Per ciascuna configurazione si riportano gli andamenti della Zant(f) e di Alpha(f) evidenziandone, come fatto anche in precedenza, i valori assunti alla frequenza di centro banda 910 MHz.

Spessore complessivo 2 mm

Spessore complessivo 3 mm

1. Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC 0 50 100 150 200 250 300 350 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.20 – Zant(f) della configurazione in esame

Zant@910 MHz = 8.42 + j165.91 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.21 – Alpha(f) della configurazione in esame

2. Antenna+Eccosorb(1mm)+Rohacell(1mm)+PEC -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.22 – Zant(f) della configurazione in esame

Zant@910 MHz = 169.36 - j399.94 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig.3.23 – Alpha(f) della configurazione in esame

3. Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC 0 50 100 150 200 250 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.24 – Zant(f) della configurazione in esame

Zant@910 MHz = 4.82 + j142.5 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.25 – Alpha(f) della configurazione in esame

4. Antenna+Eccosorb(1mm)+Rohacell(2mm)+PEC -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.26 – Zant(f) della configurazione in esame

Zant@910 MHz = 136.43 - j465.02 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.27 – Alpha(f) della configurazione in esame

Dai risultati delle simulazioni appare chiaro come nessuna delle quattro configurazioni presenti delle caratteristiche paragonabili a quelle del Tag in assenza di PEC (Alpha@910 MHz = 0.87). Possiamo però osservare che l’introduzione dello strato di Eccosorb unito al Rohacell da un notevole miglioramento specialmente se si adotta la configurazione Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC: infatti si passa da un Alpha paria zero su tutta la banda di funzionamento del caso in cui tra Tag e PEC vi sia solo aria (Fig.3.16 b) ad uno che presenta un massimo pari a 0.85 (Fig. 3.21) appena al di fuori della banda (990 MHz).

3.7 Ottimizzazione dell’efficienza di adattamento

L’introduzione del substrato magnetico Eccosorb e di quello dielettrico Rohacell non sono bastate a rendere “insensibile” il Tag alla presenza del PEC. Il passo successivo consiste nell’intervenire sulla struttura stessa dell’antenna e attraverso alcune modifiche, far in modo che il massimo dell’efficienza di adattamento Alpha si presenti all’interno della banda di funzionamento e che assuma con un valore prossimo a 0.87 (Alpha@910 MHz in assenza di PEC) alla frequenza di centro banda.

Naturalmente, la sola modifica dell’antenna è non è sufficiente se non viene effettuata insieme all’inserimento dei substrati di Eccosorb e di Rohacell.

Quello che dobbiamo adesso andare a capire è attraverso quali modifiche si possono ottenere le prestazioni cercate e quale delle configurazioni esaminate nel precedente paragrafo andare ad utilizzare.

Nello studio affrontato in 3.3.2 si è giunti alla conclusione che un aumento della lunghezza dell’antenna si ripercuote sull’andamento dell’impedenza di ingresso provocandone uno

shift in frequenza a sinistra mentre una riduzione ne provoca uno a destra.

Osservando attentamente gli andamenti di Zant(f) delle quattro configurazioni esaminate si deve capire su quali intervenendo con un opportuno shift, si possono ottenere dei miglioramenti del parametro Alpha.

I più promettenti risultano quelli delle configurazioni 1 e 3 che, inoltre, presentano anche il valore più alto di Alpha a centro banda.

Mentre per la struttura Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC è necessario uno shift a sinistra, per Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC ne è richiesto uno verso destra.

Di quanto aumentare o diminuire la lunghezza dell’antenna dipende da come questa modifica va ad influenzare l’andamento di Zant(f) ed è proprio questo studio che sta alla base dell’ottimizzazione dell’efficienza di adattamento.

Si decide di apportare delle modifiche che siano facilmente riproducibili in laboratorio in modo da consentirne anche una successiva realizzazione fisica. Si scarta quindi ogni intervento sui meandri e tutto quello che comporta un allungamento della struttura. Così facendo, delle due configurazioni selezionate rimane solo la terza ovvero Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC.

Sapendo su quale configurazione lavorare e che modifica eseguire, non resta che individuare il punto in cui andarla ad effettuare.

La cosa più naturale è iniziare scorciando le estremità. Grazie alla parametrizzazione dell’antenna, per apportare tale modifica basta andare a cambiare il valore delle variabili SX e DX.

SX DX

Fig. 3.28 – Modifica della lunghezza attraverso le variabili SX e DX

Per semplicità decidiamo di intervenire nello stesso modo sia a destra che a sinistra quindi poniamo SX = DX = 5 mm.

Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

SX = DX = 5 mm

Oltre all’indicazione delle variabili SX e DX, nel modello da simulare è riprodotto il profilo che l’antenna viene ad avere nel momento in cui si decida di realizzare fisicamente la modifica. La struttura dell’antenna è quindi la seguente:

Port1

Fig. 3.29 – Antenna modificata

Con questa modifica si ha una riduzione della lunghezza complessiva dell’antenna pari a 10.96 mm. I grafici relativi alla Zant(f) e all’efficienza di adattamento Alpha(f) sono riportati di seguito.

0 50 100 150 200 250 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.30 – Zant(f) dell’antenna modificata

Zant@910 MHz = 7.82 + j130.96 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.31 – Alpha(f) dell’antenna modificata

Se confrontiamo l’andamento ottenuto in Fig. 3.30 con quello in Fig. 3.24 (stessa configurazione ma antenna non modificata) appare evidente come la Zant abbia subito uno spostamento verso destra insieme ad un cambiamento dei valori che però non sono ancora tali da consentire l’adattamento all’interno della banda di funzionamento. I due picchi presenti tra 600 MHz 1.3 GHz, generati dall’andamento della parte immaginaria, continuano a riproporsi anche se a frequenze più alte ed assumendo valori maggiori.

Per aumentare il valore di Alpha continuiamo a ridurre la lunghezza dell’antenna ma questa volta, anziché procedere scorciando ulteriormente le estremità, si decide di intervenire rimuovendo la parte centrale evidenziata in Fig.3.32.

Fig. 3.32 – Eliminazione della parte centrale dell’antenna

Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC SX = DX = 5 mm ed eliminazione parte centrale Con queste modifiche l’antenna assume il seguente aspetto:

Fig. 3.33 – Antenna modificata

I risultati di seguito riportati mostrano come la rimozione della parte centrale porti ad un radicale cambiamento dell’andamento dell’impedenza di ingresso dell’antenna e, grazie a questo, si riesce ad avere un valore di Alpha pari a 0.79 a 910 MHz ed un valore massimo di 0.95 a 935 MHz quindi all’interno della banda di funzionamento dell’antenna.

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.34 – Zant(f) dell’antenna modificata

Zant@910 MHz = 37.86 + 170.64 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.35 – Alpha(f) dell’antenna modificata

L’eliminazione della parte centrale risulta molto efficace per lo scopo che ci siamo proposti, cioè raggiungere un Alpha di 0.87 a centro banda, tanto che adesso quello di cui abbiamo bisogno non è più uno shift in frequenza verso destra ma verso sinistra, ottenibile semplicemente riallungando le estremità precedentemente ridotte.

Per DX = SX = 6mm si ha un Alpha pari a 0.94, addirittura migliore di quello del Tag in spazio libero.

Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

SX=DX=6 mm ed eliminazione parte centrale

MODIFICA OTTIMALE

Port1

Fig. 3.36 – Antenna ottimizzata

-500 0 500 1000 1500 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.37 – Zant(f) dell’antenna ottimizzata

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.38 – Alpha(f) dell’antenna ottimizzata

Alpha@910 MHz = 0.94

Possiamo concludere che interponendo tra l’antenna e il PEC uno strato di Rohacell da 2mm ed uno di Eccosorb da 1mm, ed intervenendo sulla struttura dell’antenna eliminando la parte centrale e riducendone le estremità delle opportune quantità, è stato possibile far in modo che il Tag ALN-9640 Squiggle® Inlay posto a 3mm dal PEC non risenta della presenza della superficie conduttrice dato che i valori dell’efficienza di adattamento, all’interno della banda operativa del Tag, sono confrontabili con quelli che lo stesso Tag presenta in spazio libero.

La configurazione appena trovata viene indicata in maniera sintetica come:

Antenna_Modificata+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

dove compare l’ordine di successione e lo spessore dei due substrati ed è evidenziato il fatto che l’antenna è stata modificata.

Ci chiediamo se apportando la modifica che prevede la rimozione della parte centrale dell’antenna alla configurazione Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC precedentemente scartata, si riesca ad ottenere un andamento della Zant(f) sul quale poter intervenire, per aumentare il valore dell’efficienza di adattamento, attraverso una riduzione della lunghezza dell’antenna anziché su un allungamento (motivo dello scarto).

Eliminiamo quindi la parte centrale lasciando inalterate tutte le altre lunghezze.

Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC Eliminazione parte centrale

L’antenna che andiamo a simulare ha la seguente struttura:

Port1

Fig. 3.39 – Antenna modificata

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.40 – Zant(f) dell’antenna modificata

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.41 – Alpha(f) dell’antenna modificata

Alpha@910 MHz = 0.09

Confrontando il grafico in Fig. 3.41 con quello nel caso di stessa configurazione ma antenna non modificata (Fig. 3.21), vediamo che il valore di Alpha a centro banda è notevolmente diminuito, passando da 0.36 a 0.09, ma l’andamento di tale parametro adesso, contrariamente a prima, è tale che attraverso uno shift in frequenza verso destra è possibile riportare il massimo all’interno della banda 600 MHz÷1.3 GHz. A questo punto si tratta di trovare i valori di SX e DX che, insieme all’eliminazione della parte centrale, fanno in modo che il massimo si trovi in banda e che il valore alla frequenza di 910 MHz sia vicino a 0.87, valore a centro banda ottenuto per Tag in spazio libero.

Dopo varie prove, il risultato ottimale si ottiene per SX = DX = 0.5 mm.

Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC DX = SX = 0.5mm ed eliminazione parte centrale

MODIFICA OTTIMALE

Port1

-500 0 500 1000 1500 2000 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant) Im (Zant) f (GHz)

Fig. 3.43 – Zant(f) dell’antenna ottimizzata

Zant@910 MHz = 50.21 + j203.9 Ω 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 f (GHz)

Fig. 3.44 – Alpha(f) dell’antenna ottimizzata

Anche per la configurazione inizialmente scartata siamo riusciti a trovare una modifica facilmente riproducibile in laboratorio che, con all’introduzione dei due substrati, garantisce il funzionamento del Tag in presenza di un piano conduttore posto a 2mm di distanza.

La configurazione che ne risulta viene indicata come:

Antenna_Modificata+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

Possiamo quindi concludere che lo per ottimizzare il funzionamento del Tag ALN-9640 Squiggle® Inlay in presenza di PEC sono state trovate due diverse soluzioni: entrambe utilizzano un substrato di Rohacell e di Eccosorb ma si differenziano per lo spessore di Rohacell e per modifiche apportate alla struttura dell’antenna.