Superficie selectiva en frecuencia y plano conductor magnético artificial a frecuencias inferiores a 1 GHz,

y sus usos.La superficie selectiva en frecuencia (FSS) comprende una estructura periódica de metalizaciones (D) constituida por la repetición de la metalización de una celda unidad sobre un substrato dieléctrico (Y). El plano conductor magnético artificial (AMC) comprende al menos una FSS, situada sobre un plano de masa conductor (F). La invención es aplicable en sistemas de comunicaciones, especialmente en aquellos que requieran tamaños reducidos, como los portátiles, por ejemplo para la implementación de filtros o como plano de masa para antenas. De especial interés es su aplicación en el etiquetado pasivo en sistemas de identificación por radiofrecuencia en las bandas de UHF sobre metales o en entornos con presencia de metales, como en el de logística de hospitales, aeropuertos, estaciones, en la industria manufacturera, transporte, automoción, industria alimentaria y metalúrgica, entre otros

Superficie selectiva en frecuencia y plano conductor magnético artificial a frecuencias inferiores a 1 GHz, y sus usos.

La presente invención se refiere a una superficie selectiva en frecuencia y a un plano conductor magnético artificial a frecuencias inferiores a 1 GHz. La invención también se refiere a los usos de la superficie selectiva en frecuencia y del plano conductor magnético artificial sintetizado con ella, en sistemas de comunicaciones, para la implementación de filtros, como plano de masa para antenas y para etiquetado, y en sistemas de identificación por radiofrecuencia sobre metales, en la banda de UHF.

La invención es de aplicación en los sectores en los que se diseñen, produzcan, fabriquen y/o utilicen materiales y dispositivos para la identificación por radiofrecuencia preferentemente sobre metales o en entornos con presencia de metales, como por ejemplo en el de logística de hospitales, aeropuertos, estaciones, en la industria manufacturera, transporte, automoción, industria alimentaria, metalúrgica y fabricación de productos industriales, entre otros.

Estado de la técnica

Los sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) están experimentando un gran auge debido a sus aplicaciones en la identificación, seguimiento, localización o detección de amplia variedad de objetos y también de seres vivos (L. Boglione, IEEE Microwave Magazine, Vol. 8, No. 6, 2007, pp. 30-32; R. Das, P. Harrop. IDTECHEX 2008. RFID Forecasts, Players & Opportunities 2008-2018; S. Miles, S. Sarma, J. Williams Co-Editors,Cambridge University Press, RFID Technology and Applications. 2008; S. Miles, Auto-ID Research: Auto-ID-Development and Adoption-A Worldwide Perspective. 2008. Laboratory for Manufacturing Productivity. Massachusetts Institute of Technology (MIT); M. Stewart, USA DOD Logistic AIT Office. DLA Expo Workshop, 2005).

Un sistema RFID está compuesto normalmente por tres elementos: la etiqueta (tag o transponder), el lector (reader) y el subsistema de procesamiento de datos (middleware). A su vez, una etiqueta que funcione por acoplo electromagnético está formada por una antena y un circuito integrado o chip (K. Finkenzeller. Wiley, Chichester, 2004). Las etiquetas se clasifican en activas, pasivas y semipasivas dependiendo de si incorporan o no una batería.

Recientemente, la tecnología RFID en la banda de UHF ha ganado popularidad en muchas aplicaciones, dado que proporciona un amplio rango de lectura de las etiquetas, capacidad de almacenamiento de información más grande y mayor velocidad de lectura de las etiquetas que bandas de frecuencia inferiores (LF y HF). (S. R. Aroor, D. Deavours, IEEE Systems Journal, Vol. 1, No. 2, December 2007; EPCglobal Inc.: EPC radio frequency identification protocols class-1 generation-2 UHF RFID protocols for communication at 860-960 MHz, V 1.2.0. Technical report, Octubre, 2008; ISO/IEC Standard: ISO 18000-6C). Además, en esta banda de UHF es posible la lectura simultánea de un número considerable de etiquetas. Sin embargo, uno de los grandes inconvenientes para el desarrollo e implantación de los sistemas de RFID en la banda de UHF en, por ejemplo, las cadenas de producción y suministro, es la naturaleza metálica de los objetos a identificar o la presencia de metales en los alrededores (L. Mo, H. Zhang, IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies For Wireless Communications. 2007, pp 803-806; D. M. Dobkin, S. M. Weigand, IEEE APS 2005, pp135-138; J. T. Prothro, G. D. Durgin, J. D. Griffin IEEE APS 2006, pp 3241-3244). Esto se hace extensivo a la identificación de seres vivos en dichos ambientes.

En los sistemas RFID el material al que se adhiere la etiqueta debería tener un mínimo efecto sobre ella, para que funcione adecuadamente. Sin embargo, las antenas de las etiquetas no operan independientemente de los objetos que tienen cerca, sino que éstos pueden degradar sus propiedades de radiación en diferente grado. De hecho, el rango de lectura de las etiquetas y su estabilidad cambian dependiendo de las características de los materiales de las superficies sobre las que se colocan. Así, por ejemplo, si las superficies están hechas con materiales dieléctricos, el rango de lectura puede decrecer debido al desplazamiento de la frecuencia de resonancia. También puede verse mermada la eficiencia de radiación basada en la propiedad eléctrica de los materiales de la superficie. Más aún, si los objetos tienen conductividades altas, como sucede en el caso de objetos metálicos, entonces la degradación del rendimiento en las lecturas se hace significativa, dado que la componente tangencial del campo eléctrico sobre la superficie de metal decrece mucho (en el supuesto de un conductor eléctrico perfecto (PEC) se anula). Esta desventaja es más acusada al aumentar la frecuencia, por lo que las etiquetas de la banda de UHF son más susceptibles que las de bandas inferiores a los inconvenientes derivados de la presencia de metales en el sistema y su entorno.

Otro problema causado por la colocación de una antena cerca de una superficie metálica es el decrecimiento de su impedancia. Para que un sistema RFID pasivo funcione, es necesario conseguir que se entregue al chip de la etiqueta un nivel de potencia suficiente, procedente de la onda que incide sobre la etiqueta. La presencia de metales y degradación de la impedancia de entrada hace que se acople muy poca potencia al chip, y muy poca de la señal modulada puede ser devuelta desde el chip. Este inconveniente se solventa en parte con el uso de etiquetas activas, si bien a costa de un incremento en el precio de la etiqueta, por la necesidad de incluir una batería en la misma.

Además, el diseño de antenas para etiquetas RFID está sujeto a una serie de restricciones, si se pretende que las etiquetas reemplacen a un sistema de etiquetado masivo como el código de barras a nivel de objeto. Estas restricciones son de coste, ya que la antena ha de ser barata; de tamaño, para que la huella de la antena sea pequeña y así poder identificar objetos de dimensiones reducidas; y de pequeño espesor para que, por ejemplo, sean flexibles.

Son conocidas etiquetas pasivas basadas en antenas de parche microstrip, antenas planas con forma de F invertida (PIFA) y dipolos sintonizados sobre espuma (foam). Sin embargo, las antenas de parche microstrip tienen un escaso ancho de banda, necesitan un grosor no despreciable y normalmente son frágiles (quebradizas), eliminando la posibilidad de emplearlas en etiquetas flexibles de tipo pegatina. Las antenas planas con forma de F invertida (PIFA) son más pequeñas y tienen mayor ancho de banda, pero aún pequeño para identificación por radiofrecuencia RFID. Los intentos para aumentar el ancho de banda han conducido a estructuras complejas que implican un aumento de la dificultad de fabricación y del coste (M. Hirvonen, P. Pursula, K. Jaakkola, K. Laukkanen, Electron. Lett., vol.40, pp 848-850, Julio 2004). Además, el espesor sigue sin ser despreciable. Asimismo, las antenas PIFA necesitan al menos una pequeña metalización (shorting plate o shorting pin) lateral de conexión del elemento radiante con el plano de masa metálico, lo que hace que no sean apropiadas para etiquetas flexibles de tipo pegatina pues al doblar la etiqueta, dicha metalización podría quebrarse con facilidad. Los dipolos sintonizados para trabajar a una altura de un cuarto de longitud de onda a la frecuencia de interés sobre el plano de masa, requieren separar el dipolo del plano de masa mediante una capa de espuma (foam) del espesor mencionado, es decir, de un cuarto de longitud de onda a la frecuencia de interés, el cual no es despreciable a las frecuencias de la banda de UHF. Una versión mejorada lo constituyen las denominadas FAT Tags (Foam Attached Tags), que también hacen uso de una capa de espuma (foam) situada entre la etiqueta y el objeto a identificar. Algunos diseños son antenas PIFA que incorporan además espuma (W. Choi et al, ETRI Journal, Vol 28, No 2, Abril 2008). Si bien el espesor es más reducido que un cuarto de longitud de onda, sigue siendo considerable (ya que normalmente se intercalan capas de substrato dieléctrico y espuma) para etiquetado de objetos pequeños. Además, cuanto mayor sea el espesor de la capa de espuma, menos adecuado resulta el diseño para una etiqueta flexible o de tipo pegatina.

No se conocen diseños de conductores magnéticos artificiales (AMCs) que operen en frecuencias inferiores a 900 MHz y que tengan un tamaño de celda unidad lo suficientemente pequeño como para ser utilizables como...

1. Superficie selectiva en frecuencia que comprende una estructura periódica de metalizaciones (D) constituida por la repetición de la metalización (X) de una celda unidad (Z) sobre un substrato dieléctrico (Y), caracterizada porque la celda unidad (Z) es de un tamaño no superior a λ/25, porque la constante dieléctrica relativa del sustrato dieléctrico (Y) toma valores entre 18 y 140, porque carece de agujeros metalizados que atraviesan el substrato (Y), y porque la frecuencia de resonancia es menor o igual a 1 GHz, siendo λ la longitud de onda en espacio libre a la frecuencia de resonancia de la estructura.

2. Plano conductor magnético artificial que comprende una o más superficies selectivas en frecuencia según la reivindicación 1 situada sobre un plano de masa conductor (F), caracterizado porque la frecuencia de resonancia es menor o igual a 1 GHz.

3. Plano conductor magnético artificial según reivindicación 2 caracterizado porque su espesor es no superior a λ/100.

4. Plano conductor magnético artificial según reivindicación 2 caracterizado porque las metalizaciones (D) son de cobre.

5. Plano conductor magnético artificial según reivindicación 2 caracterizado porque las metalizaciones (D) son de plata.

6. Uso de la superficie selectiva en frecuencia de la reivindicación 1 en sistemas de comunicaciones.

7. Uso del plano conductor magnético artificial de la reivindicación 2 en sistemas de comunicaciones.

8. Uso según la reivindicación 7 como plano de masa para una antena.

9. Uso según la reivindicación 7 para la implementación de filtros en sistemas de comunicaciones.

10. Uso del plano conductor magnético artificial de la reivindicación 3 en sistemas de comunicaciones.

11. Uso según la reivindicación 10 como plano de masa para una antena.

12. Uso según la reivindicación 10 para la implementación de filtros en sistemas de comunicaciones.

13. Uso según la reivindicación 11 como plano de masa para una antena de una etiqueta para objetos metálicos en sistemas de identificación por radiofrecuencia.

14. Uso según las reivindicación 11 como plano de masa para una antena de una etiqueta pasiva sobre objetos metálicos en sistemas de identificación por radiofrecuencia en la banda de UHF.