Esquema Resonante Paralelo con Adaptador de Impedancia Acoplado Magnéticamente, para Dispositivos RFID.

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1 Ibersensor, 9- November, isbon, Portugal IB-5 Esquema esonante Paralelo con Adaptador de Impedancia Acoplado Magnéticamente, para Dispositivos FID. Dr. C Juan Carlos Cruz Hurtado* Ing. Arnaldo del isco Sánchez** Profesor Titular del Centro de investigaciones en Microelectrónica (CIME) del Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (ISPJAE). Kilómetro 8 de la antigua carretera de Vento, Apartado postal: 8, Ciudad Habana, Cuba. Teléfonos: y E- mail: juan.cruz@electrica.cujae.edu.cu. Departamento de Matemática del ISPJAE, Ciudad Habana, Cuba. adrisco@ind.cujae.edu.cu. esumen. En el funcionamiento de los dispositivos identificadores por radiofrecuencia (FID por sus siglas en inglés), se requiere de la mayor eficiencia posible en la transmisión de energía, además de mejorar la selectividad que deben presentar, tanto el transmisor como el receptor. En el trabajo se analiza una variante de circuito que garantiza obtener una corriente mayor por la carga receptora, que la hasta ahora alcanzada con los esquemas reportados para estos dispositivos. Con dicho esquema también se consigue aumentar la selectividad del receptor, aspecto importante en los dispositivos FID. a caracterización y comprobación del esquema propuesto, y los resultados alcanzados, se realizan utilizando herramientas de simulación: Matlab y Proteus 7 y mediante mediciones experimentales. Finalmente se analizan los resultados obtenidos, se comparan con los de simulación y los teóricos, lo que demuestra la efectividad del esquema propuesto para lograr los objetivos antes declarados. Palabras Claves: Circuitos resonantes, circuitos acoplados magnéticamente, circuitos adaptadores de impedancia, Sistema de Identificación por adio Frecuencia (FID). I. Introducción os circuitos resonantes acoplados magnéticamente son parte fundamental de los sistemas FID. Éste está constituido por un lector y una etiqueta transceptora (pasiva o activa) [], y entre ambos elementos hay transmisión de energía, comandos y datos. Por lo que son importantes la antena de F y los circuitos asociados a la misma, para lograr el acoplo de impedancia necesario y su sintonía Son en estos circuitos donde se encuentran los esquemas adaptadores de impedancia resonantes. En la figura se muestra un esquema en bloques de un sistema FID, donde se observa la red de acoplo de impedancia, en el transceptor B, entre la antena el resto de los circuitos que constituyen la etiqueta. asociado a un esquema de acoplamiento capacitivo []. En el caso del sistema FID, dicho circuito adaptador presenta la doble función: de adaptador de impedancia entre la antena y la carga (que pueden ser circuitos rectificadores y/o el chip receptor o esquemas de procesamiento), y como parte del circuito resonante sintonizado a la frecuencia de transmisión, entre lector y etiqueta. Se realiza el análisis teórico del circuito propuesto, y se apoya éste con la simulación en Matlab [3], esta herramienta además se utiliza para apoyar la caracterización de las bobinas que simulan las antenas del sistema FID. Se presenta un circuito sintonizado paralelo, acoplado magnéticamente,

2 Ibersensor, 9- November, isbon, Portugal IB-5 Figura. Diagrama en bloques de un sistema FID. Otro aspecto importante de estos sistemas, es que en las etiquetas pasivas, estos circuitos de acoplamiento deben ser también pasivos y con la menor cantidad de elementos posibles, buscando menor volumen y peso. os esquemas resonantes reportados en el receptor para estos dispositivos son los de topología paralelo y serie. En la figura se muestra un esquema con topología paralelo. VIN s Clector lector Bobina lectora etiqueta Bobina etiqueta C etiqueta Figura. Circuito resonante paralelo de un sistema FID. II. ed de Acoplamiento []- [4] Para un circuito con un adaptador de impedancias como el mostrado en la figura 3, la impedancia viene dada por: Z = ( ) jwc jwc jwc jwc () En donde la componente resistiva tiene la expresión de: C = ( C C ) w ( C C ) Y su componente reactiva: () (( C C ) w C C ) X = w( C C ) w ( C C ) 3 (3) Para los valores de capacidad y frecuencia utilizadas para lograr la resonancia se demuestra a continuación que aumenta la corriente por la carga con respecto a un circuito sin acoplamiento capacitivo. Figura 3. ed de Acoplamiento III. Análisis de esonancia [] - esonancia sin Acoplamiento. Un circuito sin acoplamiento se considera un circuito C serie en donde su ecuación de resonancia tiene la expresión: f = (4). π C - esonancia con Condensador Paralelo a la Carga. a impedancia del circuito mostrado en la figura 4 tiene un valor de: jwc Z = jw S (5) jwc En donde se tiene una componente reactiva de: jw C X = jw ( wc) (6) a cual se hace nula para un valor de frecuencia de: w = C ( C) (7) Figura 4 Circuito con Condensador Paralelo a la Carga - esonancia con Acoplamiento Utilizando la ecuación 7 se puede encontrar el condensador paralelo equivalente el cual tiene la expresión: ± 4( ) C = (8) 4 w el cual no es mas que la suma del condensador C y el equivalente reactivo

3 Ibersensor, 9- November, isbon, Portugal IB-5 C y con la expresión: C CP = (9) wc estando C a C P se encuentra C. En la figura 5 se muestra el circuito C con acoplamiento. Figura 6 Circuito Acoplado Magnéticamente V. Simulación de la Corriente Figura 5 Circuito C con Acoplamiento. IV. Corriente por la Carga del Circuito Acoplado Magnéticamente Para un circuito acoplado magnéticamente como el de la figura 6 la corriente por el receptor es: wm I = V in ( T X T X w M ) ( T X X T ) () Siendo: T : componente resistiva en el transmisor. : componente resistiva en el receptor. X T : componente reactiva en el transmisor. X : componente resistiva en el receptor. M: inductancia mutua. V in : tensión de entrada. Si se garantiza resonancia en el transmisor y receptor a una misma frecuencia, la expresión de la corriente por la carga sería: wm I = V in () T w M Utilizando el acoplamiento capacitivo la corriente por la carga sería: I = I () C ( ) ( wc ) C Tanto para la Simulación como para la Comprobación Práctica se utilizará el siguiente juego de valores de componentes: - esistencia serie del generador ( s ) de 5Ω. - a inductancia de la bobina de transmisión ( T ), es de 7.5µH y su resistencia de pérdida ( TS ) de 7mΩ. - a inductancia de la bobina de recepción ( ), es de 8.34µH y su resistencia de pérdida ( S ) es de.33ω. - a resistencia de carga es de Ω. - Frecuencia de esonancia (f) de.6 MHz. - Coeficiente de Acoplamiento (k) de Simulación sin Acoplamiento Para la frecuencia de sintonía, en el transmisor y el receptor, se necesitan condensadores de 3.5pF y 7pF respectivamente, con estos valores se obtiene el diagrama de bode mostrado en la figura Bode Diagram : 6.67e7 : -45. Figura 7. Amplitud y fase en función de la frecuencia sin Divisor Capacitivo. 8 En la figura 7 se aprecia que la máxima amplitud tiene un valor de -45.dB a una frecuencia de 66.7 Mrad/s. Esto equivale a una I de 5.36 ma para una entrada de tensión de V y una frecuencia de.6mhz.

4 Ibersensor, 9- November, isbon, Portugal IB-5 Para la simulación de esta variante circuital se utiliza la herramienta SimPowerSystem de MATAB con la configuración mostrada en la figura 8, y con los valores de componentes anteriores Bode Diagram : 6.66e7 : Figura. Amplitud y fase en función de la frecuencia del esquema paralelo con Acoplamiento. Figura 8. Configuración sin Acoplamiento. En la figura 9 se muestra la respuesta temporal obtenida de la simulación del esquema de la figura. Esta se realiza para una entrada de V y una frecuencia de.6mhz. Donde se comprueba la similitud con los resultados en la corrida en función de frecuencia mostrados en la figura 5. 6 x X: 3.77e-7 Y:.536 Del diagrama de bode se aprecia que la máxima amplitud tiene un valor de - 37.dB a una frecuencia de 66.6 Mrad/s, lo que equivale a 4mA, para una entrada de tensión de V, y una frecuencia de.6mhz. Pero esta no es la corriente que circula por la carga, su valor se encuentra según () y tiene un valor de 6.7 ma. Utilizando la herramienta SimPowerSystem de MATAB, se pasa a simular el esquema de la figura 4. En la figura se muestra el esquema utilizado del Acoplamiento, utilizado por esta herramienta, y con los valores de componentes antes mencionados x -6 Figura 9. espuesta Temporal sin Divisor Capacitivo. En cuanto a la eficiencia; al ser medida la corriente por la fuente utilizando el SimPowerSystem, con un valor de 6.4mA, la eficiencia es de un 3.67%. - Simulación con Acoplamiento Para esta frecuencia y las bobina del transmisor y del receptor anteriores, se necesita un condensador (C T ) de 3.5 pf en el transmisor, y en el receptor un condensador de acoplamiento (C ) de 3 pf y un condensador de ajuste de frecuencia (C ) de 4 pf, con estos valores se obtiene el diagrama de bode mostrado en la figura. Figura. Configuración con Acoplamiento. En la figura se muestra la respuesta temporal del circuito con acoplamiento, simulado para V de V IN y una frecuencia de.6mhz. 8 x X: 3.78e-7 Y: x -6 Figura. espuesta Temporal con Acoplamiento. En cuanto a la eficiencia; debido a que la corriente por la fuente es de.6ma la eficiencia tiene un valor de un 63.%.

5 Ibersensor, 9- November, isbon, Portugal IB-5 Al comparar los resultados obtenidos en la simulación se nota que al utilizar el acoplamiento se obtiene un aumento de la corriente por la carga de un 5.37% y una mejora de la eficiencia de un 3.67% a un 63.%. VI. Análisis de Selectividad [5] Para un circuito C serie como el mostrado en la figura 3 el ancho de banda S tiene un valor de w = (3), utilizando el acoplamiento el nuevo valor de la componente resistiva es la mostrada en la ecuación por lo cual el ancho de banda utilizando el acoplamiento tiene un valor de C S ( C C) w ( CC ) w = (4) Figura 3 Circuito C serie Según la ecuación 3 el ancho de banda es de.9 MHz lo cual se comprueba en la figura 4. Para la simulación de la selectividad con acoplamiento capacitivo se necesita un condensador de acoplamiento de pf y otro de ajuste de 8.5 pf. El diagrama de bode para esta configuración se muestra en la figura : 5.69e7-4 : : 6.8e7 Bode Diagram : -4.4 : 6.95e7 : Figura 5 Diagrama de Bode para el circuito con acoplamiento Según la ecuación 4 el ancho de banda es de.99 MHz lo cual se comprueba en la figura 4. Al comparar los resultados de la simulación del ancho de banda se nota una mejora en la selectividad del circuito de.9 MHz sin acoplamiento capacitivo a.99 MHz utilizando el acoplamiento. VII. Simulación de la Selectividad VIII. esultados Experimentales Para la simulación de la selectividad se utiliza el siguiente juego de valores: - Inductancia de la bobina () de 8.34µH y su resistencia de pérdida ( S ) es de.33ω. - esistencia de Carga de Ω. - Frecuencia de esonancia de MHz. Para la simulación de la selectividad sin acoplamiento se utiliza un condensador de 3 pf y su diagrama de bode muestra en la figura 4 Para comprobar los resultados teóricos se utilizan inductores con valores similares a los de la simulación, un generador de señales DDS y un osciloscopio IGO DS5CA. En la figura 6 se muestra una foto del setup de medición. -4 Bode Diagram : 6.8e7 : : 5.47e7 : 7.3e7-5 : : Figura 4 Diagrama de Bode para el circuito C serie Figura 6. Puesto de medición. Para la validación práctica del esquema serie sin Acoplamiento Capacitivo, se utiliza un condensador de sintonía en el transmisor (C T ) de 3 pf, un

6 Ibersensor, 9- November, isbon, Portugal IB-5 condensador en el receptor (C ) de 3pF y una carga de Ω. Se llega a la resonancia a los.8 MHz con una amplitud de 4 mv en la carga a una distancia entre el transmisor y receptor de 84 cm, para una tensión en el generador de V. Para la validación práctica del esquema serie con Acoplamiento Capacitivo, se utiliza un condensador de sintonía en el transmisor (C T ) de 3 pf, y en el receptor un condensador de acoplamiento (C ) de 4 pf y un condensador de ajuste de frecuencia (C ) de 4 pf. Para estos valores se consigue la resonancia a una frecuencia de. MHz, con una amplitud de 3 mv en la carga, a la misma distancia entre receptor y transmisor. Según los resultados experimentales se nota el aumento de la tensión en la carga de un 33.3% al utilizar el acoplamiento capacitivo. Para la comprobación de la selectividad en el caso de la selectividad del circuito C serie se utiliza un condensador de 3 pf. a máxima amplitud se logra a los 9. MHz con un valor de 4.6 V y un ancho de banda de 3MHz. En el caso de la comprobación de la selectividad del circuito C con acoplamiento serie propuesto, se utiliza un condensador en paralelo de 8 pf y otro en serie de pf. a máxima amplitud se logra a los 9. MHz con un valor de 4.8 V y un ancho de banda de.4 MHz. sintonizado de antena de los sistemas FID. Esto constituye un ahorro importante de componentes, en estos sistemas, fundamentalmente en el caso de etiquetas pasivas de FID. En la simulación y en las mediciones prácticas, se observa un aumento importante, para los requerimientos de funcionamiento de estos dispositivos FID, de la selectividad cuando se utiliza el circuito resonante con acoplamiento capacitivo. eferencias. [] Zangl, H. and Bretterklieber, T. (7b). imitations of range of operation and data rate for 3.56 MHz loadmodulation systems, First International EUASIP Workshop on FID Technology, Vienna, Austria, pp. 7. Sherif H. K. Embabi, Pasive C Networks, Technical report, de 998. [] Sherif H. K. Embabi, Pasive C Networks, Technical report, de 998. [3] MATAB, MathWork Inc.; Versión 7; mayo de 4. [4] Michael Tse, IMPEDANCE MATCHING for High-Frequency Circuit Design Elective, Technical report. September 3. IX. Conclusiones. Tanto en la simulación como en la comprobación experimental, se aprecia un aumento de la tensión en la carga de un 33.3% cuando se utiliza el acoplamiento capacitivo, para el caso de comprobación práctica. Existe coincidencia, tanto en la simulación como en la práctica, del aumento aproximado de un 5.37% de la corriente por la carga y una mejora de la eficiencia de un 3.67% a un 63.%, cuando se utiliza el esquema propuesto. Constituye un aspecto novedoso, el hecho que el esquema se asocie al circuito