BR102016023208A2

BR102016023208A2 - Etiqueta passiva rfid com antena de padrão fractal e seu uso

Info

Publication number: BR102016023208A2
Application number: BR102016023208-2A
Authority: BR
Inventors: Arthur Zanatta Da Costa; Hugo Enrique Hernández Figueroa
Original assignee: Universidade Estadual De Campinas - Unicamp
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2019-03-19
Also published as: WO2018064731A1

Abstract

etiqueta passiva rfid com antena de padrão fractal e seu uso a presente invenção refere-se a urna etiqueta passiva de rfid miniaturizada, em que a etiqueta opera na faixa de frequência para rfid em uhf para ser aplicada à etiquetação de objetos preferencialmente confeccionados em metal.

Description

ETIQUETA PASSIVA RFID COM ANTENA DE PADRÃO FRACTAL E SEU

USO

Campo da invenção:

[001] A presente invenção se insere no campo das tecnologias de identificação automática, sem contato, que utilizam campos magnéticos ou eletromagnéticos para transferir potência e dados.

Fundamentos da invenção:

[002] Identificação por radiofrequência (RFID - RadioFrequency Identification) é uma tecnologia de identificação automática (Auto-ID), sem contato, que utiliza campos magnéticos ou eletromagnéticos para transferir potência e dados. Na sua forma mais simples, o sistema é composto por três componentes: (i) um leitor/interrogador equipado com uma antena, responsável por interrogar o ambiente à sua volta com um sinal de RF; (ii) uma etiqueta/tag/transponder, localizada no objeto de interesse, capaz de captar o sinal do leitor e responder enviando dados sobre o objeto; e (iii) uma aplicação que captura os dados brutos do leitor e realiza filtragens e agrupamentos de dados conforme a necessidade da aplicação.

[003] Observa-se solidamente, no campo desta invenção, o grande aumento na popularidade do RFID ao redor do mundo. Isso se deve às suas vantagens em relação às outras tecnologias Auto-ID, como código de barras e reconhecimento óptico de caracteres (OCR). Ademais, ao longo dos anos esta tecnologia se revela muito confiável, flexível, permitindolhe atuar em uma gama de aplicações que vai além de mero mecanismo de identificação. Especula-se que o RFID pode ser uma das tecnologias pervasivas capazes de habilitar a

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Internet das Coisas.

[004] Historicamente, o princípio de funcionamento do RFID foi desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial para identificação de caças aliados por meio de um radar.

[005] Na década de 60 começaram a surgir indícios de que sistemas RFID iriam se tornar importantes para o mercado de massa. Os avanços na eletrônica e na tecnologia de fabricação permitiram a produção em escala de etiquetas de 1 bit. Esse tipo de etiqueta é barato e bastante eficiente para o uso em vigilância eletrônica de produtos (EAS). Seu funcionamento é bastante simples. Cada item é etiquetado antes de ser posto à venda. Ao ser comprado, o vendedor desabilita ou remove a etiqueta, permitindo que o cliente vá embora com seu produto pela porta da loja que é equipada com um leitor. Caso alguém tente sair sem pagar, o leitor detectará a etiqueta e soará o alarme na saída da loja. 0 interesse na fabricação destes itens incentivou o fornecimento de etiquetas de EAS, sendo um grande marco para a comercialização em massa do RFID.

[006] A década de 70 foi caracterizada pelo esforço no desenvolvimento da tecnologia. Até o momento as tecnologias predominantes eram etiquetas nas faixas de baixa frequência (LF) (125 -134 KHz) e alta frequência (HF) (13.56 MHz). Essas etiquetas tinham formato de bobina e possuíam distância de leitura de no máximo 1 metro. A nova linha de P&D (Pesquisa e Desenvolvimento) buscava fabricar etiquetas passivas na faixa de UHF (Ultra High Frequency) na faixa de 8 60 MHz 960 MHz. A ideia era desenvolver etiquetas práticas em UHF, completamente passivas, com distância de leitura máxima podendo ultrapassar lOm. Outra linha de pesquisa crucial foi a microeletrônica. Seus avanços permitiram o uso de circuitos

3/14 lógicos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) de baixa tensão para implementar o Cl (Circuito Integrado), dando às etiquetas mais funcionalidades e tornando-as menores.

[007] A década seguinte foi marcada por melhoras nos circuitos CMOS e adoção de memória EEPROM (Electrically Programmable Ready Only Memory) que continuaram a reduzir o tamanho das etiquetas e a aumentar suas funcionalidades. Por último, mas não menos importante, a comunidade de RFID começou a se conscientizar de que, com a crescente miniaturização dos CIs, o próximo gargalo na redução do tamanho da etiqueta seria o tamanho da sua antena.

[008] A década de 90 foi marcada pela difusão das aplicações clássicas do RFID para o resto do mundo, junto a novas aplicações e a uma crescente demanda nos países desenvolvidos. Houve a criação do processo de fabricação de diodos Schottky para micro-ondas em um Cl CMOS regular. Isso possibilitou fabricar etiquetas UHF com somente um Cl, algo que até então só era possível para as tecnologias em LF e HF. Sem dúvida, esse avanço entra na lista das descobertas que colocaram etiquetas de UHF no topo do interesse tanto da pesquisa quanto do mercado.

[009] Atualmente, o interesse em etiquetas passivas de UHF continua alto. Pesquisas são feitas para reduzir o tamanho das etiquetas evitando comprometer a performance, melhorar o desempenho sobre metal, utilizar e otimizar técnicas de energy harvesting, adicionar a funcionalidade de sensoriamento à etiqueta, entre outros desenvolvimentos muito almejados nesta classe da tecnologia.

[010] Dentro da linha de pesquisa de redução do tamanho

4/14 de etiquetas, um dos principais problemas encontrados é a miniaturizaçâo da antena de forma eficiente, comprometendo ao mínimo a distância máxima de leitura, a largura de banda, e o custo de fabricação.

[011] Uma antena é considerada eletricamente pequena (AEP) caso possua sua maior dimensão física, doravante denominada comprimento característico, pequena em comparação com o comprimento de onda. O interesse neste tipo de antena é evidente, pois ao reduzir o tamanho físico das antenas de um sistema, a tecnologia ganha maior mobilidade, portabilidade, flexibilidade e em alguns casos novas aplicações. Por exemplo, pode-se mencionar a evolução do celular ao longo das últimas décadas. Inicialmente, o celular apresentava uma antena grande, e exigia que o usuário a manuseasse para melhorar a recepção. Atualmente, o celular além de não apresentar nenhum desses inconvenientes, também apresenta mais antenas para o uso de GPS, Bluetooth, Wi-Fi e NFC em um espaço muito menor do que seus antecedentes. Futuramente, os AEPs serão essenciais para o futuro da Internet das Coisas (IoT). Isso porque para realizar a conexão entre todas as 'coisas' , será crucial que grande parte delas possa realizar comunicação sem fio, o que irá demandar o uso de AEPs por questões de portabilidade e mobilidade.

Estado da técnica:

[012] 0 documento CN204243184 refere-se a uma antena de RFID que opera na faixa de micro-ondas em torno de 2,45 GHz. A etiqueta consiste de uma antena fractal conectada ao chip por meio de um anel de casamento, o qual é usado para ajustar a impedância da antena ao chip e obter um melhor casamento

5/14 de impedância. A antena é construída sobre um substrato de FR-4 e as dimensões da antena são 24,9 mm x 23,2 mm x 1 mm. No entanto, a mesma apresenta uma maior complexidade de fabricação visto que além da antena fractal, há uma conexão entre o anel de casamento e o terra por meio de um fio metálico.

[013] Diferentemente, a presente invenção propõe uma antena com geometria fractal distinta, com dimensões muito pequenas em comparação ao comprimento de onda, operando na banda de UHF, feita para ser lida sobre metal, mas podendo ser lida em outros materiais, além disso, as dimensões da antena mostram uma diferença substancial na competência de miniaturização de antenas.

[014] Desse modo, apesar da etiqueta apresentada pelo documento CN204243184 ter um perfil menor em termos absolutos, a mesma opera em uma frequência 2,66 vezes maior do que a etiqueta da presente invenção. Ou seja, em termos de comprimento elétrico ela é muito inferior na questão de miniaturização.

[015] 0 documento BR102012025416 refere-se a uma antena de RFID de tamanho pequeno e com substrato de fibra de vidro. No entanto, o mesmo não apresenta uma solução completa de RFID, não mencionando o casamento de impedância com o chip e não determinando a distância de leitura. Ainda, o modelo construído sobre FR-4 é muito grande para aplicações práticas de RFID. Diferentemente, a presente invenção apresenta uma solução completa de etiqueta para RFID, a qual é uma etiqueta muito pequena e consegue ler sobre metal.

[016] 0 documento WO9925044 refere-se a um conjunto de antenas eletricamente pequenas fractais, fabricadas sobre

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FR-4. 0 autor reivindica um design usando as seguintes geometrias fractais: Koch, Minkowski, Cantor, torn square, Mandelbrot, Caley Tree, monkey's swing, Sierpinski gasket e Julia, quando usadas para fazer uma antena fractal de microfita. Ademais, o autor reporta ter conseguido fabricar antenas com comprimento igual a um oitavo do comprimento de onda, operando em 900 MHz.

[017] No entanto, de maneira diferencial, a presente invenção apresenta uma tecnologia diferenciada porque fornece a antena em um maior grau de miniaturização e uma geometria fractal não reportada pelo autor. Enquanto o documento WO9925044 reporta reduções para tamanhos da ordem de um oitavo do comprimento de onda (0,125), a presente invenção reporta reduções da ordem de 0,073, por meio de um método especialmente desenvolvido que possibilita aprimoramento na fabricação da etiqueta e ajustes finos através dos quais o resultado final é muito fiel a uma simulação virtual. Ademais, o documento WO9925044 não se refere a antena de RFID, logo nenhuma de suas soluções levam em conta o casamento com o chip (ASIC - Application Specific Integrated Circuit) de RFID.

[018] Buscando solucionar as deficiências do estado da técnica, a presente invenção revela uma etiqueta passiva de RFID que promove a miniaturização da antena conservando uma boa distância de leitura, principalmente sobre metal, sendo que ainda tem a vantagem diferencial de utilizar em sua construção o substrato de laminado de vidro FR-4, que é um material menos oneroso que os propostos no estado da técnica.

[019] Por meio destas características, a principal aplicação da tecnologia proposta é a etiquetação de metais,

7/14 sendo ainda muito interessante sua aplicação na identificação de objetos de madeira, plástico, entre outros.

[020] Etiquetar metais é um mundo por si só. Em uma linha de produção, é possível etiquetar todas as partes metálicas de um automóvel, avião, notebook, celular, embalagens de refrigerante, por exemplo e, tendo em vista as características da presente invenção, a etiqueta RFID aqui revelada pode ser acomodada em mais produtos (tanto os grandes quanto os pequenos), revelando mais uma vantagem de sua matéria aqui descrita.

Breve descrição da invenção:

[021] A presente invenção refere-se a uma etiqueta passiva de RFID (1) miniaturizada que opera na faixa de frequência para RFID em UHF, e compreende:

—Antena do tipo microfita (2) com geometria fractal, e área reduzida entre 86,5 % e 89,8% da área de uma antena de microfita clássica de comprimento igual a metade do comprimento de onda guiado; e — Meios para armazenar os dados e retornar os referidos dados para o leitor de RFID.

[022] Sendo que o meio para armazenar os dados e retornar os referidos dados para o leitor de RFID ser preferencialmente o ASIC de RFID (7).

[023] Sendo que a referida antena (2)é compreendida por:

— Substrato (3) isolante;

— Padrão fractal condutivo (4);

—Conector (6) entre o padrão fractal condutivo (4) e o ASIC de RFID (7); e — Plano terra condutivo (5).

[024] A presente invenção se refere, ainda, ao uso da

8/14 etiqueta passiva de RFID (1) miniaturizada que opera na faixa de frequência para RFID em UHF, conforme definida acima, para etiquetação de objetos preferencialmente confeccionados em metal.

Breve descrição das figuras:

[025] Para obter total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.

[026] A Figura 1 é uma vista frontal da concretização da etiqueta (1) .

[027] A Figura 2 é uma vista lateral da etiqueta (1).

[028] A Figura 3 apresenta as cinco primeiras iterações da construção do padrão fractal T-square usado na antena. A quinta e última iteração mostrada nesta figura é a geometria fractal usada na antena (1).

[029] A Figura 4 apresenta um gráfico do coeficiente de transmissão de potência (casamento de impedância), com o cume localizado dentro da faixa de frequência entre 900 MHz e 928 MHz.

Descrição detalhada da invenção:

[030] A presente invenção refere-se a uma etiqueta passiva de RFID (1) miniaturizada que opera na faixa de frequência para RFID em UHF e compreende:

— Antena do tipo microfita (2) com geometria fractal, e área reduzida entre 86,5 % e 89,8% da área de uma antena de microfita clássica de comprimento igual a metade do comprimento de onda guiado; e — Meios para armazenar os dados e retornar os referidos dados para o leitor de RFID.

[031] Sendo que o meio para armazenar os dados e retornar

9/14 os referidos dados para o leitor de RFID ser preferencialmente o ASIC de RFID (7).

[032] Sendo que a referida antena (2) é compreendida por:

— Substrato (3) isolante;

—Padrão fractal condutivo (4);

— Conector (6) entre o padrão fractal condutivo (4) e o ASIC de RFID (7); e — Plano terra condutivo (5).

[033] Em que substrato (3) é confeccionado em um material selecionado dentre laminado de vidro FR4, polímeros, como teflon, cerâmicas, como alumina e outros materiais de PCB (Printed Circuit Board) de forma geral, preferencialmente laminado de vidro FR4.

[034] Em que o padrão fractal condutivo (4) tem geometria fractal preferencialmente T-square.

[035] Em que o padrão fractal condutivo (4) é responsável pela irradiação da antena (2).

[036]	Em	que	o	padrão	fractal condutivo (4)	está
conectado	ao	ASIC	(7)	por meio	do conector (6).
[037]	Em	que	o	conector	(6) é selecionado	dentre

conectores T-match e loop indutivo, preferencialmente Tmatch.

[038] Em que a etiqueta (1) é capaz de ser lida a uma distância de pelo menos 1,0 m.

[039] Em que a antena (2) é confeccionada em metal, selecionado dentre cobre; alumínio; prata; ferro; e ouro, preferencialmente cobre.

[040] Em que o substrato (3) apresenta entre 1,6 mm e 9,6 mm de espessura, preferencialmente 4,8 mm.

[041] Em que o plano terra condutivo (5) é confeccionado

10/14 em metal preferencialmente cobre.

[042] Em que o substrato compreende um lado o plano terra condutivo (5) que pode apresentar face lisa ou uma geometria fractal e do outro lado a antena (2) com geometria fractal.

[043] Em que o plano terra condutivo (5) pode ser opcional devido ao fato de o próprio objeto metálico a ser etiquetado poder servir de plano terra condutivo.

Exeznplo de Concretização:

[044] Para a concretização da etiqueta (1), objeto da presente invenção foram realizadas as seguintes etapas detalhadas a seguir: desenhar antena de microfita (2) de meio comprimento de onda guiado em um software CAD (Computer Aided Design), embutir o padrão fractal (4) na antena (2), realizar o corte do padrão fractal (4) em uma altura prédeterminada, projetar o conector (6) e conectá-lo à antena (2) e simular eletromagneticamente para ajustar o tamanho da antena (2) e do conector (6). O ajuste foi realizado conforme a faixa de frequência de operação, que para essa concretização foi de 900 MHz até 928 MHz. Por fim, foram fabricadas três amostras com uma variação no tamanho do conector (6) e foi realizada a medição da distância de leitura das etiquetas (1).

[045] A primeira ação tomada para concretizar a presente invenção foi projetar em CAD a antena de microfita (2) de acordo com o comprimento de onda guiado do substrato (3) . Projetando uma antena de microfita (2) com substrato (3) FR4 e operando na ressonância, chegou-se em uma antena (2) com comprimento de 77,8 mm e largura de 100, 00 mm. A altura do substrato foi de 4,8 mm. A Figura 2 mostra o perfil da antena (2) .

11/14 [046] Em seguida, foi embutido o padrão fractal (4) Tsquare na antena de microfita (2) . Primeiramente, foram ajustadas as dimensões da antena de 77,8 mm x 100 mm para 88,1 mm x 100 mm. Depois foi colocada no meio da antena de microfita (2) uma fenda quadrada, com comprimento igual a 42,3 mm. Em seguida, realizou-se o seguinte procedimento para construir o padrão fractal (4) T-Square: (a) Identificou-se todos os cantos convexos da fenda atual;

(b)Criou-se novas fendas quadradas, centralizadas em cada canto encontrado no item a. As fendas quadradas desse passo sempre têm lado igual à metade do lado das fendas da iteração anterior; (c) voltou-se para o item (a) e foi realizada uma nova iteração.

[047] Foram realizadas 4 iterações chegando ao quinto estágio do fractal. Como convenção, considerou-se a fenda quadrada inicial como o primeiro estágio. A Figura 3 mostra os cinco primeiros estágios da construção do fractal.

[048] Em seguida, o padrão fractal (4) foi cortado na altura de 68% a partir do conector (6) para redistribuir a corrente ao longo da antena (2) e promover a miniaturizaçâo, resultando em uma antena com comprimento igual a 59,92 mm. A Figura 1 ilustra a antena cortada.

[049] 0 modelo de conector (6) usado na concretização foi o T-match. O conector (6) é conectado à antena (1) pela base da mesma, na metade da largura dela. O conector (6) também reside sobre substrato (3) de FR-4 de comprimento igual a 11,36 mm, logo o novo comprimento da antena passou a ser 71, 21 mm. É importante notar que as dimensões e a distância entre os pés do conector (6) dependem do ASIC (7) utilizado. Nessa concretização, essas dimensões estão de

12/14 acordo com o tamanho do ASIC Higgs 4 com encapsulamento strap.

[050] Terminada a construção da antena (2) com o conector (6), foi necessário determinar qual o tamanho da estrutura que a permite operar de forma ótima em uma subfaixa da banda UHF de RFID (860 MHz - 960 MHz). Para isso, a antena (2) foi simulada eletromagneticamente em várias escalas de grandeza, sendo que a escala altera somente o perfil, ou seja, nâo altera o valor da altura. Ademais, as dimensões e a distância entre os pés dos conectores é mantida constante, para a inserção do ASIC (7) . Em cada simulação, a impedância da antena (2) foi calculada e, junto à impedância do ASIC (7), pode-se determinar o coeficiente de transmissão de potência, que quantifica o casamento de impedância entre a antena (2) e o ASIC (7). O casamento de impedância desejado ocorre quando o cume do gráfico do coeficiente de transmissão de potência estiver na região desejada, neste caso (900 MHz 928 MHz). O fator de escala usado para reduzir o tamanho da antena e chegar nessa região foi de 0.355. Um gráfico mostrando o cume do casamento de impedância na faixa de frequência desejada é mostrado na Figura 4. Para o ajuste fino do cume, em algum ponto específico dentro desse intervalo de frequência, foi alterado ligeiramente o tamanho do conector. As dimensões finais da etiqueta são 25,25 mm x 35,50 mm e 4,8 mm de altura. As dimensões finais do conector são mostradas na Figura 5. A presente invenção apresenta uma miniaturizaçâo de 88,5%.

[051] Por fim, três amostras de etiqueta (1) foram fabricadas. Na fabricação foram usadas três dimensões para o conector (6), a projetada no simulador, uma pequena

13/14 variação positiva e uma pequena variação negativa. 0 motivo dessas variações foi de garantir que pelo menos uma das amostras funcionará bem na prática, dado que algumas condições do mundo real não são modeladas no simulador. Após a fabricação, as amostras foram postas sobre chapas metálicas e lidas com o leitor móvel de RFID MC309Z. A melhor amostra apresentou distância de leitura superior a 1 m, sendo que no melhor caso a distância foi próxima de 1,6 m. É importante ressaltar que o leitor móvel de RFID trabalha com um quarto da potência disponível pelos leitores fixos. Portanto, a distância de leitura deve ser aproximadamente o dobro para leitores fixos operando na potência máxima.

Fabricação da etiqueta:

[052] Para fabricar as etiquetas, imprimiu-se o layout da etiqueta, antena (2) com geometria fractal e o conector (6), em papel transfer. A resolução da impressão deve ser alta o bastante para capturar os detalhes da geometria fractal. Em seguida, usou-se uma prensa térmica, com temperatura uniforme, para transferir a tinta do papel para o cobre dos laminados. A tinta serve de máscara para proteger o cobre da corrosão que será realizado em seguida. Após a inserção da máscara, é realizada a corrosão das antenas com percloreto de ferro dissolvido em água para corroer o cobre não protegido pela máscara. O resultado final, é a antena (2)sem o ASIC.

[053] Para montar a etiqueta (1) , foram empilhados 3 blocos de laminado de vidro FR-4, sendo que cada bloco possui 1,6 mm de espessura. O primeiro bloco contém o padrão fractal condutivo (5) . O bloco do meio foi totalmente corroído e consiste apenas de um bloco de FR-4. O terceiro bloco tem a

14/14 face simples, constituindo um plano terra condutivo (5).

[054] A etapa final de fabricação foi adicionar o ASIC RFID (7) na etiqueta (1). Nessa etapa, usou-se o ASIC Higgs 4, da Alien. A razão de se usar esse chip é o encapsulamento sobre strap, que facilita a conexão dele ao conector (6). Para realizar a conexão, usou-se cola de prata.

Claims

1. Etiqueta passiva de RFID (1) caracterizada por ser miniaturizada, operar na faixa de frequência para RFID em UHF e compreender:

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6. Etiqueta (1) , de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o padrão fractal condutivo (4) estar conectado ao ASIC (7) por meio do conector (6) . 7. Etiqueta (D , de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de o conector (6) ser selecionado

dentre conectores T-match e loop indutivo, preferencialmente

T-match.

8. Etiqueta (1) , de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser capaz de ser lida a uma distância de pelo menos 1,0 m. 9. Etiqueta (1) , de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a antena (2) ser confeccionada em metal, selecionado dentre cobre; alumínio; prata; ferro ; e ouro, preferencialmente cobre. 10. Etiqueta (1) , de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o substrato (3) apresentar entre 1, 6 mm e 9,6 mm de espessura , preferencialmente 4,8 mm. 11. Etiqueta (1) , de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de c 3 plano terra condutivo (5) ser

confeccionado em metal preferencialmente cobre.

12. Etiqueta (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato do substrato compreender de um lado o plano terra condutivo (5) que pode apresentar face lisa ou uma geometria fractal e do outro lado a antena (2) com geometria fractal.

13. Etiqueta (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o plano terra condutivo (5) ser opcional.

14. Uso da etiqueta passiva de RFID (1) conforme definida em qualquer uma das reivindicações anteriores,

2, caracterizada pelo fato da antena (2) compreender:

— Substrato (3) isolante;

—Padrão fractal condutivo (4);

4. Etiqueta (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato do substrato (3) ser confeccionado em um material selecionado dentre laminado de vidro FR4; polímeros; cerâmicas; e materiais de PCB, preferencialmente laminado de vidro FR4.

5. Etiqueta (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o padrão fractal condutivo (4) ser de geometria preferencialmente T-square.

2. Etiqueta passiva de RFID (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio para armazenar os dados e retornar os referidos dados para o leitor de RFID ser preferencialmente o ASIC de RFID (7).

3. Etiqueta (1), de acordo com a reivindicações 1 e

3/3 caracterizada por ser aplicada à etiquetaçâo de objetos preferencialmente confeccionados em metal.