Ein RFID-Etikettensystem wird mit der XFdtd EM-Simulationssoftware untersucht, um seine Leistung in Situationen zu validieren, in denen hohe Stückzahlen sehr kostengünstige Komponenten erfordern. Dieses Beispiel ist von einem System abgeleitet, das in einer veröffentlichten Fachzeitschrift beschrieben wurde [1]. Das RFID-Etikett besteht aus einem Microstrip-Bauteil mit Spiralresonatoren, die auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind, welche die einzelnen Bits des Etikettencodes darstellen. Die Resonatoren sind mit zwei kreuzpolarisierten Ultrabreitband (UWB)-Monopol-Scheibenantennen verbunden, die das Signal des Scannersystems empfangen und senden. Das System wird mit einem Design demonstriert, das sechs Bits kodieren kann, die durch Resonanzen im Abstand von 100 MHz zwischen 2,0 und 2,5 GHz gebildet werden. Die Tests werden mit zwei kreuzpolarisierten Log Period Dipole Array (LPDA) Antennen durchgeführt, die das Signal des RFID-Tags senden und empfangen.
Das Design des Sechs-Bit-RFID-Tags ist in XFdtd in Abbildung 1 dargestellt, wobei das rote Material ein 0,787 mm dickes Taconic TLX0-Substrat (relative Dielektrizitätskonstante 2,45, Verlusttangens 0,0019) darstellt und das grüne Material ein perfektes Leitermaterial ist. Die beiden kreuzpolarisierten UWB-Monopol-Scheibenantennen sind links (horizontal) und rechts (vertikal) des Mittelteils zu sehen, der sechs Spiralresonatoren enthält, die die sechs Bits des Tags bilden. In Abbildung 2 ist eine Nahaufnahme eines der Spiralresonatoren zu sehen. Die Abmessungen jeder Spirale sind leicht verändert, um die Resonanz für jede aufeinanderfolgende Spirale um 100 MHz zu verschieben. Eine Grundplatte bedeckt einen Teil der Rückseite des RFID-Tags unter den Spiralresonatoren, nicht aber die Scheibenantennen.
Abbildung 1: Der RFID-Tag, bestehend aus zwei UWB-Monopol-Scheibenantennen und sechs Spiralresonatoren, ist als CAD-Modell in XFdtd dargestellt.
Abbildung 2: Eine Detailaufnahme eines der Spiralresonatoren ist zu sehen. Die Abmessungen der Spirale sind leicht verändert, um die Resonanz der Spirale zu verschieben und ein anderes Bit für den RFID-Tag zu erzeugen.
Das System empfängt ein Signal von einer externen Quelle, die mit einer der beiden Antennen polarisiert ist. Die Resonanzen der Spiralen werden dann über die zweite, kreuzpolarisierte Antenne übertragen und von einer zweiten externen Antenne mit der passenden Polarisation empfangen. Die Antennen sind kreuzpolarisiert, um das Übersprechen zwischen ihnen zu reduzieren und das Signal vom RFID-Tag zu isolieren.
Die in Abbildung 3 gezeigte UWB-Monopol-Scheibenantenne wird zunächst allein analysiert. Es wird festgestellt, dass sie ein typisches Monopolmuster mit gleichmäßigem Gewinn für den ko-polarisierten Fall in der azimutalen Richtung (Abbildung 4) und niedrigem kreuzpolarisierten Gewinn (Abbildung 5) aufweist. Die Rückflussdämpfung der Antenne liegt in einem sehr breiten Frequenzbereich auf einem akzeptablen Niveau, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 3: Die UWB-Monopol-Scheibenantenne ist als CAD-Modell in XFdtd dargestellt.
Abbildung 4: Das co-polarisierte Gewinndiagramm der UWB-Monopolscheibe ist gleichmäßig um die Antenne herum.
Abbildung 5: Die UWB-Monopol-Scheibenantenne hat eine sehr geringe Verstärkung, die dazu beiträgt, Störungen durch Übersprechen im RFID-Tag zu reduzieren.
Abbildung 6: Die Rückflussdämpfung der UWB-Monopol-Scheibenantenne zeigt eine gute Leistung über einen breiten Frequenzbereich.
Die Abmessungen der in Abbildung 7 gezeigten Spiralresonatoren in der Mitte des RFID-Tags sind so abgestimmt, dass jeder von ihnen ein einzelnes Bit von 2,0 GHz bis 2,5 GHz in gleichmäßigen 100-MHz-Intervallen darstellt. Wenn die Resonatoren allein simuliert werden, erzeugen sie tiefe Nullen bei den gewünschten Frequenzen in den S21-Magnitudenplots, wie in Abbildung 8 gezeigt. Die Phase des S21-Signals kann auch zur Kennzeichnung eines Bits verwendet werden, indem die Phasenverschiebungen bei bestimmten Frequenzen ermittelt werden. Dies wird in Abbildung 9 gezeigt, wo eine steile Phasenverschiebung an jeder der gewünschten Stellen zwischen 2,0 und 2,5 GHz zu finden ist.
Abbildung 7: Es wird ein RFID-Tag mit sechs Elementen gezeigt, der einen Sechs-Bit-Code für den RFID-Tag erzeugt.
Abbildung 8: Der Amplitudengang des RFID-Tags zeigt bei der Analyse eine klare Definition der sechs Bits von 2,0 bis 2,5 GHz. Hier wird die Antwort von 000000 gezeigt.
Abbildung 9: Der Phasengang des RFID-Tags selbst zeigt bei der Analyse steile Phasenverschiebungen an jeder der sechs Bitpositionen für den 000000-Tag.
Um die Leistung eines vollständigen Systems zu testen, wird eine externe Quelle benötigt, um ein Signal an den RFID-Tag zu senden und die kodierte Antwort von ihm zu empfangen. Dies wird von zwei kreuzpolarisierten LPDA-Antennen übernommen. Eine der LPDA-Antennen ist in Abbildung 10 dargestellt. Die LPDA-Antenne ist so konzipiert, dass sie ein starkes co-polarisiertes Signal in Vorwärtsrichtung mit geringem Kreuzpolarisationsgewinn überträgt. Der co-polarisierte Gewinn der LPDA bei 2,0 GHz ist in Abbildung 11 dargestellt. Die Verstärkung in Vorwärtsrichtung (Ort der Spitzenverstärkung) ist in Abbildung 12 über der Frequenz aufgetragen. Der ursprüngliche Entwurf des LPDA hat eine weniger als wünschenswerte Rückflussdämpfung, so dass eine Anpassungsschaltung zum Eingangsanschluss hinzugefügt wurde. Die Anpassungsschaltung besteht aus einer Serieninduktivität und einem Parallelkondensator, die der Spannungsquelleneinspeisung hinzugefügt werden. Das Ergebnis ist eine deutlich verbesserte Rückflussdämpfung über den interessierenden Frequenzbereich, wie in Abbildung 13 dargestellt.
Abbildung 10: Eines der LPDA-Antennenmodelle ist in XFdtd dargestellt.
Abbildung 11: Das Muster der LPDA-Antenne hat einen starken Vorwärtsgewinn und eine geringe Kreuzpolarisation.
Abbildung 12: Der Vorwärtsgewinn der LPDA-Antenne beträgt über einen breiten Frequenzbereich mehr als 7 dBi.
Abbildung 13: Die Rückflussdämpfung der LPDA-Antenne wird durch die Hinzufügung einer einfachen Anpassungsschaltung erheblich verbessert und zeigt eine sehr gute Leistung über den gesamten interessierenden Bereich.
Um das gesamte System zu testen, werden zwei LPDA-Antennen 5 cm vom RFID-Tag entfernt aufgestellt, wobei eine der LPDA-Antennen auf den vertikalen Monopol und eine auf den horizontalen Monopol ausgerichtet ist. Der RFID-Tag wird für drei verschiedene Bitkombinationen getestet: 000000 (alle Spiralen in Resonanz), 010101 und 111111 (alle Spiralen kurzgeschlossen). Das Kurzschließen einer einzelnen Spirale und damit das Setzen eines Bits auf 1 erfolgt durch Hinzufügen eines kleinen Leiterquadrats auf der Spirale, wie in Abbildung 15 dargestellt. Die Ausgabe des kombinierten Systems wird unter Verwendung der Ergebnisse der 111111-Marke als Referenz angezeigt, wie es in der Originalarbeit gemacht wurde. Dies verbessert die Sichtbarkeit der Nullstellen der Markierung, da die durch das Testsystem verursachten Reaktionen entfernt werden. Die angepasste Amplitudenkurve für die 000000-Marke ist in Abbildung 16 dargestellt, und die Nullstellen, die die sechs Bits repräsentieren, sind deutlich zu erkennen, da sie mehrere dB Unterschied aufweisen. Die angepasste Amplitudenkurve für die Markierung 010101 ist in Abbildung 17 dargestellt, und auch hier werden die drei Bits bei 2,0, 2,2 und 2,4 GHz durch Nullstellen an diesen Stellen repräsentiert. In ähnlicher Weise wird der Phasengang mit dem Signal der 111111-Marke normalisiert, und die Phase der 000000-Marke ist in Abbildung 18 dargestellt, während die der 010101-Marke in Abbildung 19 zu sehen ist; in beiden Fällen sind die Phasenverschiebungen an den Bitpositionen sichtbar.
Abbildung 14: Das vollständige RFID-System ist mit kreuzpolarisierten LPDA-Antennen für Senden und Empfangen und dem RFID-Tag mit kreuzpolarisierten UWB-Scheibenantennen und den sechs Spiralresonatoren dargestellt. Der Tag ist 5 cm von den Sende-/Empfangsantennen entfernt.
Abbildung 15: Die Bits werden von 0 auf 1 gesetzt, indem ein Kurzschluss über die Spiralarme hinzugefügt wird. Dadurch wird die Resonanz der Spirale aus dem interessierenden Frequenzbereich entfernt.
Abbildung 16: Die angepasste Amplitudenantwort des RFID-Systems wird für den 000000-Tag gezeigt. Hier ist die Reaktion des Tags nach der Normalisierung mit der Reaktion des 111111-Tags dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen.
Abbildung 17: Der angepasste Amplitudengang des RFID-Systems ist für den Tag 010101 dargestellt, wobei die drei 0-Bits bei 2,0, 2,2 und 2,4 GHz sichtbar sind.
Abbildung 18: Der angepasste Phasengang des RFID-Systems ist für den Tag 000000 dargestellt, wobei die 0-Bits als steile Phasenverschiebungen im Abstand von 100 MHz von 2,0 bis 2,5 GHz sichtbar sind.
Abbildung 19: Der angepasste Phasengang des RFID-Systems ist für den Tag 010101 dargestellt, wobei die 0-Bits als steile Phasenverschiebungen bei 2,0, 2,2 und 2,4 GHz sichtbar sind.
In diesem Beispiel wurde die Leistung eines kostengünstigen, chiplosen RFID-Etikettensystems demonstriert, das Spiralresonatoren zur Bezeichnung der Bits verwendet. Die Leistung der Resonatoren erweist sich als recht gut, wenn sie allein getestet werden, wobei die S-Parameterdaten sehr deutliche Hinweise auf das Bitsignal enthalten. Bei der Kombination zu einem vollständigen System mit Sende- und Leseantennen, die mehrere Zentimeter voneinander entfernt sind, erzeugt das System erkennbare Bitmuster, was beweist, dass der Entwurf machbar ist.
Referenz:
[1] S. Preradovic, I. Balbin, N. C. Karmakar und G. F. Swiegers, "Multiresonator-Based Chipless RFID System for Low-Cost Item Tracking", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 5, pp. 1411-1419, Mai 2009.