Naturaleza

Aug 01, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14017 (2023) Citar este artículo

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Este artículo propone una antena lectora de identificación por radiofrecuencia (RFID) de frecuencia ultra alta (UHF) con forma de telaraña inspirada en la naturaleza y un sistema basado en sensores sin batería para aplicaciones de atención médica. Este diseño de antena consta de ocho decágonos concéntricos de varios tamaños y cinco líneas microstrip rectas. Estas líneas se conectan a tierra mediante resistencias de 50 \(\Omega \) en ambos extremos, excepto una línea microstrip que está reservada para conectar un puerto de alimentación. . El diseño de la antena lectora presenta características de campo eléctrico y magnético bastante fuertes y uniformes. También presenta características de banda ancha, que cubre toda la banda RFID UHF (860–960 MHz) y proporciona un volumen de lectura de etiquetas de 200 \(\times \) 200 \(\times \) 20 mm\({^3}\). Además, tiene características de baja ganancia, que son necesarias para la mayoría de aplicaciones de campo cercano para evitar la lectura errónea de otras etiquetas. Además, la distribución de corriente en este diseño es simétrica en toda la estructura, lo que resuelve eficazmente los problemas de sensibilidad de orientación que se encuentran comúnmente en antenas de etiquetas polarizadas linealmente de bajo costo. Los resultados de la medición muestran que la antena del lector puede leer píldoras medicinales etiquetadas con etiquetas RFID pasivas/sin batería de bajo costo, joyas caras etiquetadas, solución intervencionista y bolsas de sangre colocadas en varias orientaciones. Como resultado, el sistema basado en antena lectora propuesto es un fuerte competidor para aplicaciones RFID de campo cercano, atención médica e IoT.

La identificación por radiofrecuencia (RFID) se está combinando con el Internet de las cosas (IoT) para predecir aplicaciones interesantes1,2,3,4,5,6. El sistema UHF RFID tiene las ventajas de un largo alcance de lectura, muchas capacidades de lectura de etiquetas, una estructura de etiquetas simple, una velocidad de lectura rápida, etc., y tiene amplias perspectivas de aplicación7. Los sistemas de etiquetas RFID de campo cercano son más adecuados para etiquetas a nivel de artículo y aplicaciones ambientalmente sensibles. Es necesario leer con éxito objetos de valor con un 100 % de probabilidad, como medicamentos y joyas. Sin embargo, una de las cuestiones técnicas clave en el diseño de antenas lectoras de RFID de campo cercano UHF es generar una distribución de campo suficientemente fuerte y relativamente uniforme8,9,10,11,12,13,14,15. Además, las antenas de etiquetas comerciales de bajo costo están polarizadas linealmente, lo que plantea problemas de sensibilidad a la orientación. Por lo tanto, existe la necesidad de una antena lectora con características de campo magnético y eléctrico uniformes. Además de esto, la antena lectora de campo cercano que resuelve los problemas de sensibilidad de orientación de la etiqueta será más ventajosa.

En16, se ha ideado una antena lectora de RFID de banda ancha con baja ganancia de campo lejano para aplicaciones de campo cercano. La antena estaba formada por varias unidades de bucle, cada una de las cuales tiene una corriente en fase que circula a través del bucle. Produce un potente campo magnético que se distribuye uniformemente sobre una gran zona de interrogación. El área interrogada se puede modificar alterando el número de unidades para adaptarse a diversos escenarios. Las características de la antena sugerida son baja ganancia de campo lejano y características de banda ancha. Sin embargo, esta antena tiene grandes dimensiones 776 mm \(\times \) 120 mm \(\times \) 1 mm.

Una antena lectora de RFID UHF basada en dos líneas meandros de microcinta con extremos abiertos. Las corrientes equivalentes en dos líneas de meandro están invertidas en fase y tienen amplitudes casi iguales. Se utilizaron unidades de líneas de meandro para crear una distribución homogénea de campos magnéticos y eléctricos. El rendimiento de la antena lectora propuesta se analizó utilizando seis pares de líneas meandros. Esta antena lectora logró un pequeño ancho de banda de 914 a 929 MHz con una gran huella de 480 mm \(\times \) 200 mm \(\times \) 1,6 mm17. En 18 se ha propuesto una antena lectora de RFID de campo cercano basada en una estructura de líneas meandros. Este diseño de antena estaba compuesto por una estructura de línea serpenteante de microcinta abierta y otra línea serpenteante con terminación de 50 \(\Omega \) acopladas para obtener un campo eléctrico bastante fuerte en la región del campo cercano.

Las dimensiones de la antena son 140 \(\times \) 100 \(\times \) 2 mm\({^3}\) con un volumen de lectura de etiquetas múltiples de 170 \(\times \) 150 \(\times \) 25 mm. \({^3}\). En 19 se ha diseñado otra antena lectora de campo cercano basada en resonador de anillo dividido complementario (CSRR). La antena se basó en un divisor de potencia y dos brazos de microcinta con terminación 50 \(\Omega \). Un brazo está cargado con elementos CSRR, activando la propagación de ondas hacia atrás. La antena del lector alcanzó de 0,76 a 0,88 GHz con un plano de interrogación de 220 mm \(\times \) 180 mm \(\times \) 50 mm. En20, se ha investigado la posibilidad de integrar una antena lectora de campo cercano similar a Yagi en un guante inteligente junto con un pequeño lector RFID. Este diseño se basa en un dipolo plegado en forma de rombo y elementos parásitos (que actúan como reflectores o directores). Se diseñaron diferentes variantes de esta antena Yagi sobre tela estirable y se analiza su rendimiento en términos de distribución de campo cercano y coeficiente de reflexión. En 19 se propuso una antena lectora de RFID de campo cercano multipolarizada basada en dos líneas de microcinta simétricas, serpenteantes y de extremos abiertos. El cambio de fase de 90o en una de las líneas de microcinta logró la multipolarización y un fuerte campo eléctrico en la región del campo cercano. Esta antena lectora tiene un volumen de lectura de 450 mm \(\times \) 450 mm \(\times \) 350 mm con dimensiones de 255,6 mm \(\times \) 220 mm \(\times \) 1 mm. Se ha propuesto un lector RFID UHF multipolarizado de campo cercano con unidades periódicas para aplicaciones de campo cercano basadas en acoplamiento de campo eléctrico21. La mayoría de las antenas lectoras de campo cercano antes mencionadas se basaban en estructuras de líneas serpenteantes que son bastante grandes y tienen un ancho de banda pequeño.

Por lo tanto, en este artículo se propone una antena lectora de RFID de frecuencia ultra alta (UHF) en forma de telaraña para aplicaciones de Internet de las cosas (IoT) y atención médica. La antena lectora propuesta está compuesta por ocho decágonos concéntricos de varios tamaños y cinco líneas rectas de microcinta. Estas líneas están conectadas a tierra desde ambos extremos usando resistencias de 50 \(\Omega \), excepto el extremo que se deja abierto para un puerto de alimentación. El diseño de la antena del lector tiene propiedades de banda ancha porque cubre toda la banda UHF RFID (860–960 MHz) y tiene características de campo eléctrico y magnético bastante fuertes y uniformes. Además, esta antena presenta características de baja ganancia, que son necesarias para la mayoría de aplicaciones de campo cercano para evitar lecturas erróneas de otras etiquetas. Además, la distribución de corriente simétrica de esta estructura aborda los problemas de sensibilidad de orientación con una etiqueta polarizada linealmente de bajo costo. Los resultados de la prueba demuestran que la antena del lector puede leer etiquetas en joyas costosas, bolsas de sangre, soluciones de intervención y frascos de pastillas que han sido etiquetados con etiquetas RFID pasivas/sin baterías de bajo costo. El sistema basado en antena lectora sugerido es un competidor sólido para aplicaciones de IoT y atención médica de campo cercano, como se ilustra en la Fig. 1.

Geometría y estructura de la antena lectora de campo cercano UHF RFID propuesta con dimensiones detalladas (todas las dimensiones están en mm).

La Figura 2 muestra la geometría y estructura de la antena lectora de campo cercano UHF RFID propuesta con dimensiones detalladas. La antena de etiqueta propuesta consiste en una estructura en forma de telaraña grabada sobre un sustrato RF-4 de bajo costo (\(\epsilon r=4.4, \tan \delta =0.02)\)) con un plano de tierra. El diseño propuesto integra siete decágonos concéntricos y cinco líneas de microcintas abiertas que se fabrican sobre un sustrato circular FR4 con un radio de 100 mm y un espesor de 1,5 mm. CST Microwave Studio se utiliza para diseñar y optimizar la antena. Para todas las líneas decágonos y microstrip, el ancho de la traza de cobre es de 2 mm, excepto para el último decágono, cuyo ancho está optimizado a 1 mm.

Geometría y estructura de la antena lectora de campo cercano UHF RFID propuesta con dimensiones detalladas (todas las dimensiones están en mm).

La Figura 3 muestra una configuración completa de la antena del lector con terminación de 50 \(\Omega \) en ambos extremos de líneas rectas de microcinta. Un extremo de la microcinta única se deja abierto para abrir un puerto de alimentación. Debido a la estructura simétrica de la antena de tela de araña propuesta, el puerto se puede conectar a cualquier extremo de una línea recta de microcinta. Las resistencias de 50 \(\Omega \) están conectadas verticalmente entre los extremos de la línea microstrip y el plano de tierra.

Vista lateral de la antena lectora propuesta con 50 terminaciones de resistencia.

La Figura 4 ilustra el diseño inicial de la antena lectora de campo cercano en forma de telaraña. El diseño inicial se alimenta desde una línea de microstrip recta, mientras que todas las demás líneas de microstrip se dejan abiertas. El parámetro S11 simulado y medido correspondiente de este diseño inicial se muestra en la Fig. 5. El S11 muestra un ancho de banda que oscila entre 900 y 920 MHz. Hay una pequeña discrepancia en el S11 medido, que puede deberse a la diferencia en la constante dieléctrica de los sustratos FR-4 simulados y fabricados. De manera similar, en la Fig. 6 se muestra la distribución de corriente superficial del diseño inicial de antena de tela de araña.

Diseño inicial de antena lectora de campo cercano en forma de telaraña.

Parámetro S11 simulado y medido del diseño inicial de una antena de tela de araña.

La distribución de corriente superficial del diseño inicial de la antena lectora de campo cercano en forma de telaraña.

La Figura 6 muestra una distribución de corriente simétrica del diseño inicial; sin embargo, esta corriente se vuelve cero en los extremos debido a la estructura abierta. El diseño inicial también resuelve los problemas de orientación de las etiquetas debido a la simetría actual. Sin embargo, los parámetros del ancho de banda y del campo eléctrico y magnético necesitan algunas mejoras.

Por lo tanto, la estructura inicial se optimiza aún más utilizando CST Microwave Studio aplicando carga resistiva en los extremos abiertos de líneas rectas de microstrip como se ilustra en la Fig. 7. La configuración final de la antena lectora de campo cercano de telaraña propuesta con puerto de alimentación y 50 \ Las terminaciones coincidentes (\Omega \) se muestran en la Fig. 7. La carga resistiva de 50 \(\Omega \) equilibra la corriente superficial en la antena lectora de telaraña propuesta.

Configuración final de la antena lectora de campo cercano en forma de telaraña propuesta.

La Figura 8 muestra la distribución de corriente superficial de la antena lectora de campo cercano de telaraña final propuesta. La terminación emparejada de 50 \(\Omega \) disminuye los reflejos de corriente en los bordes de las líneas rectas de microcinta. En consecuencia, la corriente superficial parece más justamente distribuida y simétrica en esta configuración final de antena lectora.

Distribución de corriente superficial de la antena lectora de campo cercano de telaraña propuesta final.

La Figura 9 ilustra la distribución del campo eléctrico en el plano xy en z = 5 mm, z = 10 mm, z = 15 mm y z = 20 mm para la configuración final de la antena lectora en forma de telaraña a 915 MHz. Está claro que la zona de lectura indicada por las formas rectangulares superpuestas dentro de las gráficas tiene una distribución uniforme de las intensidades del campo eléctrico producidas por la antena. Además, las intensidades del campo eléctrico disminuyen a medida que aumenta la altura de lectura perpendicular a la antena. Como se menciona en 15, si la distribución del campo eléctrico es superior a 85 dB (1 mV/m), la antena del lector puede leer todas las etiquetas simultáneamente. Como resultado, el rango de distribución del campo eléctrico se estableció entre 70 y 90 dB. Además, esta antena lectora logró una región de lectura de volumen de lectura de etiquetas de 200 mm \(\times \) 200 mm \(\times \) 25 mm con una distribución uniforme del campo eléctrico.

Distribución de campo eléctrico simulada de la antena lectora propuesta a 915 MHz.

Además, se analiza un modelo de circuito para el acoplamiento de campos magnéticos de campo cercano de sistemas RFID UHF para comprender la distribución del campo magnético de la antena lectora de telaraña propuesta. La tecnología de campo cercano UHF RFID utilizó principios de acoplamiento inductivo similares al acoplamiento de transformador18,22 como se muestra en la Fig. 10. Las antenas del lector y de la etiqueta se pueden imitar como bobinas primarias y secundarias, respectivamente. Los sistemas RFID UHF de campo cercano plantean una mayor distancia de lectura de más de una docena de centímetros en comparación con otros sistemas de campo cercano tradicionales, donde la distancia es inferior a 0:16 \(\lambda \) (aproximadamente 5 cm).

Modelo de circuito para acoplamiento de campos magnéticos de campo cercano de sistemas RFID UHF.

En lo que respecta al modelo de circuito, Rs y Zr son la resistencia de la fuente de alimentación del lector (que suele ser 50 \(\omega \)) y la impedancia de la antena del lector, respectivamente. X1 y X2 son los componentes reactivos asociados con una impedancia de la antena del lector. Mientras que Ztag es la impedancia de la antena de etiqueta. Si el coeficiente de coincidencia de la antena del lector es igual a 1 y Rs-jX2 es igual a Zr/jX1, la corriente I0 y la potencia de acoplamiento se pueden representar de la siguiente manera23:

mientras que \(P_{coupling}\) potencia entregada al chip de la etiqueta, M es el coeficiente de acoplamiento mutuo entre las antenas del lector y de la etiqueta. \(Zr = Rr+ jwMLr\) y ​​\(Ztag = Rtag+ jwMLtag\) son impedancias de etiqueta y antena del lector.

Por lo tanto, en la Fig. 11 se ilustra la distribución simulada del campo magnético de la antena lectora de telaraña propuesta a 915 MHz. La distribución del campo magnético se representa en el plano xy en z = 5 mm, z = 10 mm, z = 15 mm. y z = 20 mm. La combinación de decágonos y líneas rectas de microcintas terminadas con carga coincidente produce un mecanismo de acoplamiento electromagnético que puede detectar/leer etiquetas RFID UHF en una zona de campo cercano. Está claro que la zona de lectura indicada por las formas rectangulares superpuestas dentro de las gráficas tiene una distribución uniforme de las intensidades del campo magnético producido por la antena.

Distribución simulada del campo magnético de la antena lectora propuesta a 915 MHz.

Esta antena lectora propuesta también logró una región de lectura de volumen de lectura de etiquetas de 200 mm \(\times \) 200 mm \(\times \) 20 mm con una distribución uniforme del campo magnético. Además, la uniformidad de la intensidad del campo magnético cae repentinamente después de z = 25 mm.

La Figura 12 muestra un porotipo fabricado de una antena lectora de telaraña con puerto de alimentación y resistencias de 50 \(\omega \) grabadas en un sustrato FR-4. Esta antena fabricada se utiliza para S11 y propone pruebas de lectura de etiquetas. La configuración de medición S11 para la antena lectora de telaraña también se ilustra en la Fig. 12. El parámetro S11 se mide utilizando el analizador vectorial de redes (VNA) Agilent E8363B.

Configuración de medición de parámetros S11 para antena lectora de telaraña.

La Figura 13 muestra el parámetro S11 medido y simulado de la antena lectora de telaraña propuesta. Se puede observar que la antena del lector presenta un amplio ancho de banda que va de 800 a 1000 MHz y cubre toda la banda UHF RFID (860–960 MHz). Recordando la Fig. 5, el parámetro S11 de la versión inicial con una línea microstrip recta de extremo abierto tiene un ancho de banda muy estrecho (900–920 MHz) en comparación con la antena de araña final con 50 terminaciones coincidentes \(\Omega \).

S11 medido y simulado de la antena de telaraña propuesta.

De hecho, la terminación adaptada disminuye los reflejos de corriente en los extremos abiertos de líneas rectas de microcinta, contribuyendo así a aumentar el ancho de banda de la antena lectora de telaraña propuesta. Además, existe una pequeña discrepancia en los resultados simulados y medidos del parámetro S11 que puede deberse a la diferencia en la constante dieléctrica simulada y real del sustrato FR.

Como se ilustra en la Fig. 14, la antena fabricada se conectó a una configuración de lector Impinj con una potencia de salida de 30 dBm para experimentos de lectura de etiquetas. El recuadro izquierdo de la Fig. 14 muestra que la antena lectora puede leer ampollas de pastillas medicinales etiquetadas que se colocaron sobre espuma de 10 mm en varias orientaciones. Además, esta antena lectora puede leer con éxito todos los blísteres de medicamentos etiquetados con una probabilidad de lectura del 100 % hasta una distancia de 20 mm.

Aplicaciones del sistema basado en antena lectora de telaraña propuesto para detección biomédica y otros escenarios de etiquetado a nivel de artículo.

De manera similar, la antena del lector también se prueba para leer múltiples etiquetas colocadas en varias orientaciones sobre espuma de 10 mm. Además, la antena del lector puede detectar las etiquetas de las bolsas de sangre o de las bolsas de solución intravenosa (IV)3 para evitar errores de verificación humanos o escritos a mano. De manera similar, esta antena lectora puede detectar rollos de boletos de bajo costo con alta precisión y exactitud. Los hallazgos experimentales demuestran una lectura completa de las etiquetas hasta 20 mm por encima de la superficie de la antena y además indican que no se leen etiquetas fuera de la superficie de la antena, lo cual es muy útil para la mayoría de las aplicaciones de campo cercano para evitar lecturas erróneas de las etiquetas.

Además, se probaron los artículos de joyería etiquetados colocados en cajas de cartón cubiertas con telas de seda para demostrar la efectividad de la antena de campo cercano propuesta para el etiquetado de artículos costosos, como se muestra en la Fig. 15. La configuración experimental muestra que esta antena lectora detecta con éxito todas las joyas etiquetadas. elementos con 100 % de precisión de lectura.

Prueba experimental del diseño de antena propuesto para leer artículos de joyería etiquetados en todas las orientaciones.

En este artículo, se propone un sistema basado en antena lectora RFID de frecuencia ultra alta (UHF) en forma de telaraña para Internet de las cosas (IoT) y aplicaciones de atención médica. La antena lectora se basa en ocho decágonos concéntricos de varios tamaños que se conectan a tierra mediante 50 resistencias, a excepción del extremo que se deja abierto para un puerto de alimentación. El diseño de la antena del lector tiene propiedades de banda ancha porque cubre toda la banda UHF RFID (860–960 MHz) y tiene características de campo eléctrico bastante fuertes y uniformes. Para evitar que otras etiquetas se lean erróneamente en la mayoría de las aplicaciones de campo cercano, también tiene características de baja ganancia. Además, los problemas de sensibilidad de orientación con antenas de etiqueta polarizadas linealmente de bajo costo se abordan mediante la distribución simétrica de corriente en toda la estructura en este diseño. Los resultados de la medición demuestran que las etiquetas pueden leer joyas costosas, pastillas medicinales etiquetadas, solución intermedia y bolsas de sangre colocadas en diferentes direcciones. En el futuro, el conjunto basado en esta antena lectora y etiqueta pequeña a nivel de artículo se podrá utilizar para contar y facturar artículos de joyería costosos con el fin de realizar una solución completa basada en RFID.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este artículo cuenta con el apoyo de la Beca de Investigación Interna de la Universidad de Ajman No. 2022-IRG-ENIT-26. Los resultados de la investigación presentados en este artículo son responsabilidad exclusiva del autor.

Estos autores contribuyeron igualmente: Rajesh Kumar, Kamran Arshad y Qammer Hussain Abbasi.

Instituto de la Región del Delta del Yangtze (Huzhou), Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China (UESTC), Huzhou, China

Abubakar Sharif y Rajesh Kumar

Departamento de Ingeniería y Tecnología Eléctrica, Government College University Faisalabad (GCUF), Faisalabad, Pakistán

Abubakar Sharif

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información, Universidad de Ajman, Ajman, Emiratos Árabes Unidos

Kamran Arshad y Khaled Assaleh

Centro de Investigación de Inteligencia Artificial (AIRC), Universidad de Ajman, Ajman, Emiratos Árabes Unidos

Kamran Arshad y Khaled Assaleh

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Hassan Tariq Chattha

Escuela de Ingeniería James Watt, Universidad de Glasgow, Glasgow, G12 8QQ, Reino Unido

Muhammad Ali Imran y Qammer Hussain Abbasi

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AS y QA concibieron la idea y desarrollaron la metodología relativa al sistema de RF. AS realizó las simulaciones electromagnéticas y los cálculos de circuitos, y RK realizó las simulaciones. MA proporcionó las directrices relativas a la integración de RFID y conceptos de aplicaciones sanitarias. Todos los demás autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Rajesh Kumar o Qammer Hussain Abbasi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sharif, A., Kumar, R., Arshad, K. et al. Antena lectora UHF RFID con forma de telaraña inspirada en la naturaleza para aplicaciones de IoT y atención médica. Informe científico 13, 14017 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39825-9

Descargar cita

Recibido: 26 de mayo de 2023

Aceptado: 31 de julio de 2023

Publicado: 28 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39825-9

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