Diseño sostenible de antenas para la recoleccion de energia inalambrica

Las películas pueden ser demasiadas para mencionarlas, pero la escena es siempre la misma. Un grupo ingresa a un enorme almacén que parece recorrer kilómetros, caminando por los pasillos pasando por interminables filas de cajas, tratando de encontrar un artefacto que tenga la clave para resolver un misterio importante. Afortunadamente, esto es en gran parte una obra de ficción, ya que los sofisticados sistemas de etiquetado se han convertido en un estándar de la industria en la gestión de activos de almacén. UWINLOC, con sede en Toulouse, Francia, proporciona un sistema único de ubicación en interiores para una gestión, digitalización y ubicación de activos más eficientes. Es la única solución de ubicación en interiores de Internet de las cosas (IoT) que utiliza etiquetas sin batería. Las etiquetas permiten a los gerentes de planta y almacén etiquetar activos, reducir demoras, rastrear grandes volúmenes de productos y optimizar los flujos de existencias.

Esta solución única utiliza una combinación de etiquetas sin batería con balizas inalámbricas y una plataforma de software para reducir costos y aumentar la eficiencia de la gestión del flujo de mercancías para todas las industrias. Para respaldar la recolección de energía, la operación sin batería requiere un diseño de antena específico. UWINLOC asumió este desafío, en colaboración con CADFEM y Ansys, aprovechando su experiencia en simulación y soluciones de simulación confiables que utilizan  Ansys HFSS. Ansys, junto con CADFEM France, brindaron soporte y servicios para garantizar que UWINLOC lograra el mejor uso de la simulación.

Uso de simulaciones HFSS para mejorar el desarrollo de antenas

Los códigos de barras, códigos QR y etiquetas RFID (identificación por radiofrecuencia) se utilizan ampliamente para administrar el flujo de producción dentro de los almacenes, a pesar de algunas fallas inherentes, como rangos de lectura cortos o, en algunos casos, precisión de lectura deficiente. Por lo general, se considera que RFID es una tecnología pasiva, generalmente sin baterías, que simplemente refleja ondas de radio después de ser excitada por una fuente de energía. Sin embargo, RFID también puede estar activo, lo que permite mayores distancias de transmisión facilitando información como la posición y el movimiento de los activos. La RFID activa en términos de «tiempo real» generalmente se logra con un transmisor alimentado por una batería integrada, lo que lo hace mucho más efectivo. Sin embargo, también es más caro, ya que requiere un mantenimiento frecuente, costoso y que requiere mucha mano de obra, con los cambios de batería asociados. Además, existen problemas de sostenibilidad en torno a la eliminación de baterías que generan mayores costos y cuestiones ambientales.

Uno de los mayores desafíos que enfrentaron los ingenieros de UWINLOC durante el desarrollo de etiquetas sin batería fue cómo lograr una reducción significativa en la cantidad de fuentes de energía y mantener su rendimiento dentro del almacén. El objetivo era diseñar la antena más pequeña con el mayor rango de capacidad de recolección de energía, teniendo en cuenta el ciclo de vida, la calidad y la confiabilidad del producto sin comprometer el rendimiento general. Los costos generales y el tiempo de comercialización fueron igualmente críticos. Aprovechando los conocimientos de simulación de Ansys y el software de simulación HFSS, UWINLOC se dispuso a encontrar una solución confiable.

Cuanto más rápidas y eficientes puedan ser las herramientas para diseñar una antena que funcione mejor, mejor energía se puede recolectar más, desde unos pocos metros hasta 20 metros. La antena tiene cierta ganancia en cierta dirección, por lo que la solución funciona en una dirección, lo que dificulta la recolección. Las herramientas Ansys HFSS ayudan con este esfuerzo y eliminan la necesidad de prototipos. HFSS permite a los ingenieros de UWINLOC adoptar nuevas formas con múltiples antenas a través de un análisis y diseño cuidadosos, eliminando cualquier preocupación sobre la recolección de energía y la orientación de la señal.

René Stoll es ingeniero senior de I+D de RF/UWB y experto en antenas a cargo del desarrollo de la solución de etiquetas UWINLOC y tiene una gran experiencia con esta tecnología. En 1991, Stoll fue contratado por Hewlett Packard para ayudar con el prelanzamiento de HFSS, un software que había utilizado durante sus años universitarios. Estaba muy familiarizado con los beneficios de HFSS y estaba ansioso por poner en práctica sus habilidades para abordar este desafío de diseño. Su objetivo era desarrollar una antena conjugada compleja para tecnologías de ultra alta frecuencia (UHF) y ultra banda ancha (UWB).

“En lo que nos enfocamos particularmente cuando construimos antenas conjugadas complejas es en la precisión”, dice Stoll. “Cuando trabaja en este entorno, las desviaciones más pequeñas se magnifican y elegir el solucionador adecuado es especialmente importante. HFSS nos permite desarrollar antenas integradas compactas de próxima generación para llevar la recolección de energía inalámbrica a un nuevo nivel. No habría podido diseñar lo que me propuse hacer sin un simulador como HFSS”.

Averiguar la ubicación óptima de la antena con HFSS

Para Stoll, buenas herramientas de simulación son fundamentales para desarrollar antenas integradas en carcasas, incluso de plástico, debido a la influencia directa de los metales y los dieléctricos por su proximidad. Dependiendo de la longitud de onda, el entorno de las antenas en caja también influye significativamente en las propiedades de radiación. El entorno debe analizarse con precisión, ya que el margen del enlace, o la diferencia entre la potencia mínima esperada recibida y la sensibilidad del receptor con recolección, es mucho menor que en un sistema de comunicación regular.

“Si comienza con modelos parametrizados usando HFSS, un barrido de la posición geométrica puede revelar fácilmente ubicaciones óptimas”, dice Stoll.

Sin las herramientas de simulación de Ansys, el desarrollo de las etiquetas sin batería habría sido mucho más costoso y habría tomado mucho más tiempo. El uso de HFSS también resultó en un 80 % menos de creación de prototipos, lo que redujo significativamente el tiempo de desarrollo transcurrido. HFSS también permite a Stoll importar y exportar libremente sus diseños desde otros sistemas.

“Importo un archivo GDS de mi diseño a HFSS”, dice Stoll. “De esa manera puedo trabajar de manera muy eficiente para generar diseños con muy pocos ajustes. Es una característica clave que me permite importar diseños sin problemas, luego simularlos y documentar los resultados con datos detallados ilustrados con buenas imágenes y gráficos atractivos”.

Diseñando una solución más sostenible

La propuesta de valor de la etiqueta sin batería UWINLOC es única para el seguimiento y la ubicación de activos. La digitalización precisa y la información de ubicación tradicionalmente requieren sistemas activos alimentados por batería que generalmente son mucho más costosos de mantener. Además del gasto adicional, las baterías tienden a durar uno o dos años como máximo, lo que puede parecer trivial con 10 o 50 etiquetas. Si hay miles, o incluso millones de etiquetas involucradas, la escalabilidad se convierte en un desafío mucho mayor al igual que la gestión de los impactos ambientales, incluido el reciclaje y la eliminación de baterías. La energía para producir una sola batería es tres veces mayor que la energía gastada por la etiqueta de la batería durante toda su vida. Con la ayuda del software de simulación HFSS, UWINLOC entregó una solución de etiquetado sostenible con la frecuencia de actualización de antena de mejor rendimiento que se basa en la recolección de energía, en lugar de la energía de la batería, para una ubicación precisa de los activos.

“HFSS es una herramienta más rápida y eficiente que podemos usar para diseñar una antena que funcione mejor, permitiéndonos recolectar más energía, desde unos pocos metros hasta 20 metros”, dice Stoll. “Esto representa una gran innovación, y el software está ayudando”.

En cuanto al futuro de las soluciones de ubicación de rastreo de activos, UWINLOC continúa buscando a Ansys y CADFEM para desarrollar y producir las mejores soluciones de gestión de activos ecológicas de su clase. Descubra cómo HFSS está ayudando a empresas como UWINLOC a transformar la tecnología de antenas a través de la simulación.

En Navarro y Soler te asistiremos en todo el proceso de instalación, formación y soporte. Dar el salto a la digitalización es más fácil que nunca.