Curso SA.3.3: “Telecomunicaciones y...

Curso SA.3.3: “Telecomunicaciones y Defensa”

XI Cursos de Verano de Santander

Principios de Identificación por Radiofrecuencia y Agrupaciones Retrodirectivas

José Angel García GarcíaDpto. Ing. ComunicacionesUniversidad de Cantabria

IndiceIndice

I. Introducción.

II. Sistemas de identificación por RF.

III. Transpondedores para RFID y otros usos.

IV. Antenas activas mezcladoras y/o moduladoras.

V. Antenas rectificadoras.

VI. Conjugadores de Fase y agrupaciones retrodirectivas.

VII. Conclusiones.

I. IntroducciónI. Introducción

Durante los últimos años han proliferado escenarios de comunicaciones inalámbricasmuy diversos, soportados por las potencialidades que ofrecen los modernos formatos de modulación digital:

- protección frente a fenómenos de desvanecimientos debidos a propagación multitrayecto,

- protección frente a ruido e interferencias,

- uso eficiente del espectro radioeléctrico,

- etc.

I. IntroducciónI. Introducción

En cuanto a los nuevos sistemas inalámbricos, de gran difusión y bajo coste, se plantean diversas necesidades:

- Transpondedores sencillos y de elevadas prestaciones para el desarrollo de sistemas de identificación automática

- Antenas reconfigurables e inteligentes, tanto para las estaciones bases como los terminales móviles. Conformado y control automático del haz de radiación (space division multiple access)

Integración de las funciones de los sistemas radiantes con las de los

circuitos cabecera para el desarrollo de sistemas de identificación y

comunicación por RF

RFID

Retro-directivos

Antenas Activas

I. Introducción.






VII. Conclusiones.

II. Sistemas de identificación por RFII. Sistemas de identificación por RF


Identificación, seguimiento y control a distancia mediante RF, tanto de mercancías, como de objetos, animales ó personas, de cara a la automatización de los sistemas.

En la búsqueda de un rango cada vez más amplio de aplicaciones, los transpondedores han de ser simples y baratos

No se pueden convertir en transceptores de radio

Tres grandes hitos en el desarrollo histórico de los sistemas RFID


LF: 125/134 kHz

Ventajas:- Penetra el agua y los tejidos- Penetra finas capas de metales no ferrosos- Tecnología IC simple y barata

Desventajas:- Corto rango de alcance- Bajas tasas de datos

Aplicaciones:- Seguimiento de animales- Control de acceso


Diversas bandas de trabajo y aplicaciones

HF: 13.56 MHz

Ventajas:- Limitada penetración en el agua- Transpondedor simple y pequeño- Tecnología IC simple y barata

Desventajas:- Corto rango de alcance- Tasas de datos moderadas

Aplicaciones:- Etiquetado de mercancías- Tarjetas inteligentes- Control de entrada



UHF: 850-950 MHz

Ventajas:- Largo alcance- Altas tasas de datos

Desventajas:- Tecnología IC compleja- Transpondedor relativamente grande - Ambiente de propagación complejo- Marco regulatorio complejo

Aplicaciones:- Etiquetado de cajas y pallets- ID de automóviles, peaje automático



UHF/Microondas: 2.45 GHz

Ventajas:- Largo alcance- Altas tasas de datos

Desventajas:- Tecnología IC compleja- Transpondedor relativamente pequeño - Ambiente de propagación complejo- Marco regulatorio complejo

Aplicaciones:- Etiquetado de cajas y pallets- ID de automóviles, peaje automático



Se retransmite sólo en la

dirección del interrogador

Se mejora la eficiencia en

potencia y/o el rango de alcance

Se mejora la seguridad al no

responder en otras direcciones

Solución sencilla de bajo coste.

El transpondedor radia omnidireccionalmente.

Baja eficiencia en potenciarerradiada al interrogador.


Sistema RFID (transpondedor) elemental

Sistema RFID (transpondedor) retrodirectivo

III. TranspondedoresIII. Transpondedores

I. Introducción.






VII. Conclusiones.

BackscatteringBackscattering usando AMusando AM

Para crear la señal de respuesta, se modula en amplitud usando una subportadora previamente modulada en FSK (600 kHz y 1200 kHz)

La señal de interrogación viene en formato ASK (modo escritura).

Lawrence Livermore National Lab. Apr. 1993.


Para la lectura, se interroga usando RHCP, mientras que con LHCP para la escritura.

La señal de interrogación viene en formato ASK (modo escritura).

La señal de respuesta va modulada en SSB (modo lectura)

Modulador SSB

La red de transf. de Z, convierte la trayectoria de variación del var en la suma de una componente constante C, y otra que rota alrededor suyo S.

BackscatteringBackscattering usando SSBusando SSB

T. Ohta et. al., IMS 1990.


BackscatteringBackscattering usando un armusando un armóóniconico

R. Page, RF Desing, July 1993.

Se utiliza un diodo (CR1) como doblador de frecuencia, rectificador y modulador AM

CR2 ayuda a mantener la polarización de la memoria de bajo consumo (genera la señal de datos)


Principio de funcionamiento del transpondedor más generalizado:

- Modulación por reflexión (backscatter) con una subportadora

- Transpondedoralimentado por la señal de interrogación

- Código de ID único en memoria


IV. Antenas Mezcladoras y/o ModuladorasIV. Antenas Mezcladoras y/o Moduladoras

I. Introducción.






VII. Conclusiones.


Región de Saturación:

La variación de la transconductanciacon Vgs puede emplearse para el diseño de funciones mezcladoras/moduladoras

de tipo activo

Región Lineal (operación en frío):

La variación de la conductancia de salidacon Vgs permite diseñar funciones de mezcla/modulación de tipo resistivo

Ids

Vds

RegiónsaturaciónConducción

de la uniónde puerta Vgs = 0

Pinch-offTransición saturación-lineal

Ruptura

Regiones de Operación

Regiónlineal

Las antenas activas pueden realizar funciones distintas de la amplificación de la señal(ya sea en Rx ó Tx)

Field Effect Transistor


G

S

D

ZRF/OL

VRF

Vgg

Vdd

ZIF

VOL

G

S

D

ZOL

VRF

Vgg

ZRF/IF

VOL

G

S

D

ZRF

VOL

Vgg

Vdd

ZIF/OL

VRF

Mezclador activo por puertaMezclador resistivo

Mezclador activo por drenador

Esquemas extensivos a los moduladores y otras funciones

Mezclador por Mezclador por puerta activopuerta activo

La señal de OL y la señal de RF se reciben con dos polarizaciones distintas, y se combinan gracias a la antena

Angelov et. al., IMS 1998


Ejemplos de antenas activas mezcladoras/moduladoras

Vgg

VD

ZD

S

VG

D

fD

ZG

G

0

180

fG

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Dra

in C

urre

nt (m

A)

Drain to Source Voltage (V)

VGD = 0.7V

VGD = 0.6V

VGD = 0.5V

VGS = 0.7V

VGS = 0.6V

VGS = 0.5V

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7C

onve

rsio

n Lo

ss (

dB)

Gate to Source Voltage (V)

PLO=-12dBmPLO=-6dBmPLO= 0dBmPLO= 2dBmPLO = 4dBm

Mezclador Mezclador simplemente simplemente balanceadobalanceado

Tensión de threshold ligeramentepositiva

Antena

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Con

vers

ion

Gai

n (d

B)

Gate to Source Voltage (V)

PLO=-10dBmPLO=-5dBmPLO= 0dBmPLO= 5dBmPLO = 11dBm

Modo I: mezcladoractivo por drenador

Modo II: mezcladorresistivo



Conversión óptima sin

polarización DC

Combinación de un dispositivo EpHEMT y una antena de excitación dual: mezclador reconfigurable no polarizadopara aplicaciones RFID

Mezclador simplemente balanceadoMezclador simplemente balanceado

Mezclador resistivo: fresp = fOL – fint, resp = OL - int

fint

fresp

Mezclador activo por drenador:fresp = fOL + fdatos

fdatos

fOL


Agrupacionesretrodirectivas


Data block

VGG 50 Ω

900 MHz

1800 MHz

VDD

Antenna

Rg

112.39

57.7

Antena Dobladora para ModulaciAntena Dobladora para Modulacióón BPSKn BPSK

La señal recibida en una polarización, es devuelta al doble de la frecuencia modulada en BPSK, usando la polarización ortogonal



4

22

4 DGGGP

P RrISOiTTR

GISO = Gt’.Gr’.Gdob

Antena Dobladora para ModulaciAntena Dobladora para Modulacióón BPSKn BPSK


- Se caracteriza el conjunto con nuevas figuras,GCISO = 13 dB (ganancia respecto a un reflector isotrópico) - Se recupera la señal de datos en el extremo

interrogador


V. Antenas RectificadorasV. Antenas Rectificadoras

I. Introducción.






VII. Conclusiones.

RectennaRectenna (antena rectificadora)(antena rectificadora)

Permite la transmisión de potencia inalámbrica, para la alimentación de circuitos a distancia

W. C. Brown, 1964


f2LO stub

PRX sampling

E-pHEMT

RFLO

IF

DC

DC-to-DCConverter

CLK Micro-controller

Vcc = 3.3 VVdet

IF

LG

C_IF

C_LO

RL

f_IF f_2LO

f_2LOf_LO Vdet

IF

LO

RFE-pHEMT

Antena Rectificadora/MezcladoraAntena Rectificadora/Mezcladora


- La no linealidad de salida, Rds(Vds) permite rectificar una señal aplicada en drenador.

- Usando un EpHEMT no se necesita polarizar la puerta

- Aplicando una señal de baja frec. en puerta, se puede emplear también como mezclador por drenador

Vdet

TX

fRFfLO

fIF

DEMOD

fint

fresp

Detectormixer

fLO

fRF

Data generator

fIF

Transceiver Transponder

D

%100···

···4 2

effRTXTX

DCR

AGP

PD

0 0.012 0.024 0.036 0.048 0.06 0.0720

5

10

15

20

25

30

35

40

Received Power Density [mW/cm2]

RF-to-DC Conversion Efficiency [%]

RL = 47 ohm RL = 56 ohm RL = 68 ohm RL = 100 ohm

Antena Rectificadora/MezcladoraAntena Rectificadora/Mezcladora

Sistema de Medida

4 6 8 10 12 14 16-8

-6

-4

-2

0

2

4

PLO [dBm]

Conversion Gain [dB]

RL = 47 ohm RL = 56 ohm RL = 68 ohm RL = 100 ohm


La señal de respuestareproduce la de datos

R =28% (hasta 85% sin modo mezcla)

GCISO = 20.5dB (si VDS=0V)

VI. Agrupaciones RetrodirectivasVI. Agrupaciones Retrodirectivas

I. Introducción.






VII. Conclusiones.


Van Atta, US Patent, Oct. 1959 Agrupaciones Agrupaciones RetrodirectivasRetrodirectivas

62 GHz Van Atta array (Fusco et. al)

Líneas de igual Longitud

Capaces de responder automáticamente en la dirección de interrogación, sin conocimiento previo de la misma, y mediante el uso de electrónica analógica simple.

Pon, IEEE Trans. AP, March 1964


- Se garantiza retrodirectividad, si nout = - n

in

Mezcladores como Conjugadores de

Fase

Agrupaciones Agrupaciones RetrodirectivasRetrodirectivas


)()()( tvtvtv OLRFIF

]))cos(())[cos((21

)cos()cos()(

nRFLOnRFLOLORF

LOLOnRFRFIF

ttVV

tVtVtv

Si aproximamos el funcionamiento de un mezclador como un multiplicador ideal:

Si

Nos quedamos con la banda lateral inferior

))cos((21)(, nRFLORFLSBIF tVVtv RFOL 2

AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva con Conjugacicon Conjugacióón n de Fase de Fase HeterodinaHeterodina


AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva con Mezcladores FETcon Mezcladores FET

Mezclador resistivo: las señales de interrogación (RF) y respuesta (IF) comparten un mismo puerto (la antena)

Mezclador activo por puerta: las señales de interrogación (RF) y respuesta (IF) utilizan polarizaciones ortogonales de la antena

Miyamoto et. al., IMS 1999Miyamoto et. al., IEEE MTT, Sept 2001


Mezclador activo por puerta: la señal de interrogación (RF) y la de respuesta (IF) se separan mediante antenas independientes con polarizaciones diferentes.

El OL se recibe espacialmente con otra antena operando al doble de frecuencia

AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva con Mezcladores FETcon Mezcladores FET

Forsyth et. AP, May 2002

AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva usando Mezcladores usando Mezcladores SubarmSubarmóónicosnicos no Polarizadosno Polarizados


Mezclador subarmónico resistivo

Estructura balanceada para evitar la retransmisión de la señal de interrogación, siguiendo la ley de Snell

9.9217.288.791.5

RF-IF [dB]LO-IF [dB]CL [dB]PLO[dBm]

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Scattering angle [º]

BIS

TATI

C R

CS

[dB

rel.]

Theory - TX at 0º Measured - TX at 0º Theory - TX at -45º Measured - TX at -45º

AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva usando Mezcladores usando Mezcladores SubarmSubarmóónicosnicos


Sistema de medidas (entrada de la escuela)

- Se asegura la retrodirectividad en el ancho de diagrama del elemento (parche)


AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva para Comunicacipara Comunicacióón n SemiSemi DDúúplexplex

Modo I: receptor de conversión directa

Modo II: array retrodirectivo con transmisión de información

Miyamoto et. al., IMS 2001


Recepción y transmisión de señales moduladas BPSK

-Se necesita extraer la información y recuperar la portadora antes de demodular

AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva para Comunicacipara Comunicacióón Full Dn Full Dúúplexplex

DiDomenico and Rebeiz, IEEE MTT, Apr. 2001

La componente de fase geométrica se puede separar del mensaje mediante filtrado o con el uso de un multiplicador x2

- Procesado de la señal bastante complejo


K. Leong et. al., IEEE MTT, May 2004

Recepción de señal AM y retransmisión de señal con cualquier formato

- Se necesita extraer la información y recuperar la portadora antes de demodular(detector de envolvente y limitador)

En el proceso de remodulaciónse utiliza la mezcla de 3 señales: OL, Int. y Datos.

- La eficiencia de conversión es extremadamente pobre



K. Leong & T. Itoh, IEEE MTT, Dec. 2005

Recepción de señal con modulación en el dominio del tiempo (ASK, BPSK, etc.), y remodulación usando la polarización

- Se necesita usar formatos de modulación mutuamente exclusivos

Controlando con la señal de datos una de las tensiones (V1 o V2), se puede conmutar entre polarización circular a derechas (RHCP) y a izquierdas (LHCP)

- Se necesita un detector de polarización en el interrogador



Recepción y transmisión de señales, usando modulaciones mutuamente excluyentes

- Se remodula sobre la señal incidente en el conjugador de fase

- Dos modos de operación



para optimizar simultáneamente su operación como amplificador y mezclador

Fase 0º

Fase 180º

Haciendo variar VGS entre las dos zonas, con la señal de datos, se remodularía en BPSK la respuesta sin distorsionar la señal recibida

- Se caracterizó el comportamiento de un PHEMT, excitado con una señal de gran nivel y otra pequeña

Análisis mediante Matriz de

Conversión



Unidad conjugadora de fase/moduladora Estructura balanceada



Modo I

Modo II

Control de la amplitud o fase de la componente de señal conjugada en fase, sin distorsionar la amplitud o fase al amplificar lacomponente recibida




Recepción y respuesta a diferentes frecuencias y con diferentes formatos de modulación

- Elevadas prestaciones

Utilización de agrupaciones independientes para recepción y transmisión

- Sistema altamente complejo

G. Shiroma et. al., IEEE MTT, Jan. 2006

Detector del ángulo (dirección) de llegada



Recepción y respuesta con array full-dúplex

- Elevadas prestaciones

Utilización de agrupaciones independientes para recepción y transmisión

- Sistema altamente complejo

R. T. Iwami et. al., IMS 2010

Detector del ángulo (dirección) de llegada


S. Lim et. al, IEEE MTT, Dec. 2005

Ante la presencia de una señal de interrogación, se activa la conexión a la batería

- Se conserva la batería en una especie de modo ocioso.

AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva con Optimizacicon Optimizacióón del Consumo de DCn del Consumo de DC

El comportamiento en frec. de la impedancia de entrada de la antena permite evitar la radiación de armónicos (originados en el detector)

- Las pérdidas por acoplo deben compensarse con los amplificadores


AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva para Comunicaciones Seguraspara Comunicaciones Seguras

D. Goshi et. al, IEEE MTT, Nov. 2005

Mediante el subarray receptor se busca fijar nulo en la dirección de la señal interferente

- Se reduce la respuesta de la agrupación (factor de multiplicación en dicha dirección)

VI. Agrupaciones RetrodirectivasVI. Agrupaciones RetrodirectivasSimulaciones

Diagrama biestático: retrodirectivo

Diagrama del subarray

Multiplicación

Medidas



Mediante la agrupación para seguimiento del nulo se logra transmitir “jammer” en cualquier dirección diferente a la respuesta

- Se reduce la posibilidad de intercepción de la comunicación

Retrodirectivo

Seguimiento de nulo

R. Miyamoto et. al, IMS, 2004


- Patente de la Univ. Hawaii, adquirida por Pipeline Communications andTechnology

- La empresa ofrece soluciones, WaveCloakTM y RF CamouflageTM, que añaden una capa de seguridad a los sistemas de comunicaciones inalámbricas móviles.

- Complementa el cifrado o encriptado de datos, protegiendo la señal de interés de ser interceptada gracias a la difusión simultánea de una señal interferente hacia el resto de direcciones.

- Aplicaciones diversas en ambientes hostiles, por ej. para mantener un enlace mientras se transmite simultáneamente una señal “jamming” para inhibir la activación de IEDs.



Agrupación ágil en frecuencia y con capacidad de comunicación full-dúplex

Parche sintonizable a varactor

- La frec. del enlace puede saltar para evitar la intercepción



Mezclador EpHEMT no polarizado con dos modos de operación:

- Simplemente balanceado (recepción)- Subarmónico (retrodirectivo)

Capacidad de recepción AM

Remodulación BPSK


AgrupaciAgrupacióón Reflectora con Funcin Reflectora con Funcióón n RetrodirectivaRetrodirectiva

Agrupación reflectora (reflectarray) pasiva, con capacidad de reconfiguración a retrodirectiva:

- Tecnología EpHEMT: no requiere alimentación- Distribución espacial de OL desde el foco

La detección de señal de OL provoca la activación de los conjugadores de fase:

Modo reflectarray (receptor)

Modo retrodirectivo


AgrupaciAgrupacióón n RetrodirectivaRetrodirectiva para para RadarsRadars de Correlacide Correlacióón de Ruidon de Ruido

Radar arranca automáticamente ante la presencia de un objetivo- Tiempo de respuesta record

La correlación entre elementos contiguos permite determinar el ángulo de arribo de la señal

Prof. E. Brown, UCLA


Radar Radar RetrodirectivoRetrodirectivo de Respuesta Rde Respuesta Ráápidapida

N. B. Buchanan et. al., IMS 2010

VII. ConclusionesVII. Conclusiones

Los transpondedores, y en especial las agrupaciones retrodirectivas, vienen encontrando cada vez mayor aplicación en los sistemas modernos de comunicación y radar.

Existen un gran número de topologías y variantes´.

Cada vez ganan más adeptos, tanto en los escenarios de comunicación civil como militar…

Quedan muchos problemas por resolver.

Agradecimientos:

L. Cabria, C. Gómez, A. De Diego, etc. por sus contribuciones a los trabajos realizados en el Grupo de RF y Microondas en este tema.

La financiación recibida a través de los Proyectos Coordinados TEC2005-07985-C03, y TEC2008-06684-C03

MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN PRESTADA

[email protected]

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