Esittely
Käynnissä oleva 4. teollisuusvallankumous1ja valmistusprosessien siihen liittyvä automaatio on johtanut langattoman tekniikan käyttöönoton merkittävään nousuun, suosimalla niitä tavanomaisten langallisten lähestymistapojen suhteen.Tässä kehittyvässä ympäristössä radiotaajuuden tunnistamistekniikasta (RFID) on tullut avaintekijä, joka tarjoaa välttämättömiä ratkaisuja automaattiseen seurantaan ja hallintaan eri aloilla, mukaan lukien logistiikka, vähittäiskauppa, tietoturva, älykkäät tilat, esineiden Internet ja sen ulkopuolella2-3-4.RFID-tekniikka luokitellaan taajuusalueella (LF: 125–134 kHz, HF: 13,56MHz, UHF: 860–960MHz ja mikroaaltouuni: 2,45 GHz ja 5,8 GHz) ja operatiivinen periaate (passiivinen, aktiivinen ja akkua).Tarkat luvut riippuvat viestintäprotokollista ja lisensointista maista.Tässä keskitymme passiiviseen UHF RFID: hen, joka on tietty kompromissi yhdelle tunnisteelle tallennettujen tietojen ja tiedon määrän välillä.Tässä skenaariossa, kuten useimmissa RFID -kokoonpanoissa, päälaitteistokustannukset ja monimutkaisuus on osoitettu kuulustelulaitteeseen (lukija), kun taas tunniste käsittää antenniin kytketyn kompakti integroidun piirin (IC).Lukija käynnistää viestintää lähettämällä sähkömagneettisia aaltoja, jotka tuottavat virrat tunnisteessa ja saavat siten sisäisen muistipiirin (CIP) virran tasasuuntaajan kautta.Vastauksena kyselylle tunnisteen IC -alueella sijaitseva IC vaihtaa kahden impedanssitilan välillä, moduloimalla takaisinsuojatun sähkömagneettisen aallon.Tämän jälkeen lukija kaappaa ja dekoodaa tämän moduloidun signaalin.RFID -viestintäprotokollat, samoin kuin lähetettyjen signaalien sallitut ekvivalentit isotrooppisesti säteilevät tehoa (EIRP), säätelevät kansainväliset standardit5.RFID -tunnisteiden arkkitehtuurit on usein räätälöity sovellusta kohti, ja niiden suorituskyky määrää suurelta osin antennisuunnittelun avulla.
Yleensä jokaisella valmistajalla on ICS-valikoima, kun taas antennit on suunniteltu vastaamaan erityisiin vaatimuksiin.Sarja erilaisia sovelluksia, joissa tarvitaan käsitteellisesti erilainen antennisuunnittelu, sisältää lukualueen laajennuksen6-7-8, Jalanjäljen miniatyrisointi9, on-meta-merkitseminen10-11-12, korkean indeksin materiaalin merkitseminen13, kaikkivaiheinen vastaus lukijakyselyyn14-15, ylimääräiset merkit tunnistavat toiminnallisuudet16, toiminta ankarissa olosuhteissa ja useissa muissa.Yksi keskeisistä haasteista on useiden ominaisuuksien yhdistäminen yhdessä laitteessa.Tässä puitteissa keskitymme tutkimaan pienikokoisia RFID-tunnisteita, joilla on potentiaali innovatiivisille sovelluksille älykkäissä tuotteiden merkinnöissä pienten asioiden Internetin (IoT) alueella (IoT), missä visio on edistää matalan luokan resursseja rajoitettuja esineitä aktiivisten elementtien tulemiseksi globaalissa verkossa.
Pitkän kantaman RFID: n käsite voi olla kiistanalainen, koska tämä parametri ei riippuu vain antennilaitteesta, vaan myös IC: stä ja lukijasta, joka tulee omaan antenniin.On syytä mainita ponnisteluja, jotka on tarkoitettu tunnisteen koon pienentämiseen ja pitkän kantaman tunnisteisiin, jotka kuitenkin hyödyntävät täysin erilaisia.
arkkitehtuurit17-18-19-20-21-22-23.Tässä keskitymme yksinomaan TAG -antenniin ottamalla huomioon yli yhden metrin lukumäärä kohteena, kun taas tavallinen ImpinJ R2000 -lukija.Tämä asennus ylläpitää lähetettyä teho- ja lukija -antennin vahvistusta 30 dBm: n EIRP: llä.
Tyypillisesti lukualueen laajennus ja antennin jalanjäljen vähentäminen ovat ristiriidassa, asettamalla tekniikan kompromissi.Jalanjälki on määritelty minimaalisen virtuaalisen pallon säteenä (\ (\: R \)), kattaa rakenteen.Melko muutamia antennin jalanjäljen miniatyrisointia koskevia tekniikoita on kehitetty ja niihin sisältyy mutkistaminen24, fraktaalimallit25-26ja esittelee dielektrisiä substraatteja13-27muutamia mainitakseni.Välitön rangaistus koon pienentämisestä on voitto ja kaistanleveys pudottavat.Ensimmäinen rajoitus tulee kohonneesta lähikentän kertymisestä häviö-antennimateriaalien (mukaan lukien nippu elementit) läheisyyteen.Toinen rajoitus on, että antennin Q-tekijä kasvaa, kun sen koko on pienentynyt.Chu-Harrington Limit (useiden muun muassa) yhdistää dipolaarisen antennijalanjäljen maksimaalisesti saavutettavissa olevaan kaistanleveyteen28.Erityisesti antenni Q-tekijä rajoitetaan:
$$ q \ ge \ frac {1} {{kr}} + \ frac {1} {{\ vasen ({tai} \ oikea)^{3}}} $$
(1)
jossa\ (\: k \: \)on aalto ja\ (\: R \)on antennia sulkevan pienimmän pallon säde.Näitä näkökohtia tulisi harkita RFID -antennin miniatyraintia.
Äskettäisissä pyrkimyksissämme vähentää RFID-tunnisteiden määrää, olemme ehdottaneet ja osoittaneet sarjan malleja, jotka sisältävät korkean indeksin keraamiset resonaattorit primaarisen antennielementinä.Erityisesti pienikokoiset pitkän kantaman keraamiset tunnisteet29, monisuuntainen keraaminen pitkän kantaman30-31ja miniatyrisoitu32Metalli-tunnisteet ja RFID-anturit33-34-35osoitettiin.
Tässä tutkimme tämän tekniikan miniatyrisointirajoja korostaen useita käytännön rajoituksia, mukaan lukien materiaalialustan valinta.Tarkistamme myös yksityiskohtaisesti impedanssin sovitustekniikoita, joihin ei liity mitään ylimääräisiä nippujen elementtejä, lukuun ottamatta itse IC: tä.
Antenniarkkitehtuuri
Keraaminen RFID-tunniste koostuu dielektrisestä resonaattorista yhdistettynä ei-resonanttiseen metallilanaan, jonka sisällä on integroitu tavallinen RFID-siru.Resonaattori on suunniteltu tukemaan magneettista dipolitilaa, resonanssia määritellyllä RFID -taajuusalueella.Induktiivinen kytkentä resonaattorin ja silmukan välillä tukee resonaattorin tilan ja IC: n välistä vuorovaikutusta.Yhteenvetona, suurin osa RFID -tunnisteista luottaa sähköisten resonanssiantennien kanssa, jotka tukevat tekniikkaa, mutta eivät salli merkittävää jalanjäljen vähentämistä vähentämättä lukualuetta.
Kuva1kuvaa kuutiomuotoisen dielektrisen RFID-tunnisteen aktivointiprosessia, kun se kohtaa horisontaalisesti polarisoituneen aallon, jonka on tuottanut kädessä pidettävä lukija.Tässä asettelussa magneettikentällä on pystysuora Polarizaiton.Lukija aktivoi magneettisen dipolitilan tunnisteen dielektrisessä resonaattorissa indusoimalla resonaattorin siirtymävirrat.Nämä virrat herättävät johtamisvirrat silmukassa induktiivisen kytkennän kautta, mikä lopulta virtaa sirun elektroniikkaa.Aktiivisessa tilassa siru vuorottelee kahden erillisen impedanssitilan välillä, mikä johtaa takaisinsisäisen signaalin modulointiin.Moduloitu signaali seuraa käänteistä polkua: silmukka herättää magneettitilaa keraamisessa resonaattorissa, joka myöhemmin säteilee signaalin kaukaiseen kenttään.Tällainen konfiguraatio voi liittyä jossain määrin resonaattisubstraatin silmukkaantenniin.Seurauksena on, että tämä kompakti ja pitkän kantaman dielektrinen tunniste toimii yhteensopivasti tavanomaisten RFID-laitteiden kanssa eikä vaadi muutoksia olemassa olevaan järjestelmään, mikä on erityisen tärkeää teollisen näkökulmasta.
Pieno-keraamisen RFID-tunnisteen toimintakaavio.Siirtymävirrat korkea-Q: n resonaattorissa kytketään induktiivisesti RFID-siruon integroituun metallitasoon.Miniatyrisointi ja laajennettu lukualue saavutetaan paikallisen magneettisen dipolitilan TE: n avulla01Korkean läpikäymiskeramiikan sisällä.Upotus kuvaa tunnisteen rakenteellisia elementtejä ja magneettikentän jakautumista toimintataajuudella.
Impedanssin sovitus
Menetelmä UHF RFID -tunnisteen antennien suunnitteluun sisältyy kompleksikonjugaatin impedanssi-ottelun saavuttaminen.Tässä tapauksessa vastaavuus tehdään siruimpedanssille sen passiivisessa tilassa.Kaupallisilla UHF -RFID -siruilla on yleensä vertailukelpoiset kapasitiiviset impedanssiominaisuudet, ja niiden vastaavaa piirimallia edustaa usein vastus ja kondensaattori, joka on järjestetty rinnakkain.Impedanssin sovittamisen saavuttamiseksi järjestelmässä impedanssin reaktiivinen komponentti on kompensoitava.Päinvastoin, antennin ja siruimpedanssien todellisten osien pienet variaatiot eivät tyypillisesti vaikuta vastaavuuden tehokkuuteen.Siksi RFID -TAG -antennilla on oltava spesifinen induktiivinen impedanssi kiinnostuksen taajuudella.Tyypillisesti metallidipolin tunnisteiden antenneille käytetään T-muotoista impedanssin sovituselementtiä36.
Keraamisten tunnisteiden impedanssin sovitusperiaate on erilainen - se perustuu elementtien väliseen geometriseen järjestelyyn eikä tuo lisäpiiriä järjestelmään.TAG -antenni koostuu induktiivisesti kytketystä resonaattorista ja metallirenkaasta, jolla on rako (halkaistu rengas).Kuva2A osoittaa tunnisteen vastaavan piirin.Dielektrisen resonaattorin parametrit on optimoitu Eigenmode -ratkaisijalla (toteutettu CST -mikroaaltouuni) dipolimagneettitilan virittämiseksi RFID -taajuusalueelle.Seuraavassa vaiheessa kuparin halkaistu rengas, jolla on aktiivinen erillinen portti, jolla on monimutkainen impedanssi\ (\: Z = 12,7-140.8j \)(Vastaa Impinj Monza R6 RFID -sirun 915MHz: n taulukon impedanssi) lisätään resonaattorin yläosaan.Tämä rakenne toimii virityslähteenä taajuusalueen ratkaisijassa.
(eräs) Keraamisen tunnisteen vastaava piiri.(b -) Impedanssin sovituksen geometria.Jaettu rengas IC: n kanssa säädetään korkean indeksin keraamiseen resonaattoriin.(c) Smith -kaavio, joka osoittaa tunnisteen impedanssin sovituksen menettelyn.Sininen viiva - rengasparametrien alkuperäinen satunnainen sarja;Punainen viiva - optimoitu sarja.RFID-taajuuskaista (915-917MHz) on korostettu lihavoituna.(d -d) Optimoidun TAG -mallin (siniset ja punaiset viivat) todelliset ja kuvitteelliset impedanssiosat.Impinj Monza R6 RFID-sirun (otettu sen taulukosta) katkoviivainen ja magenta-kompleksi-konjugaattiimpedanssiarvo.Pystysuora katkoviiva - impedanssin sovitustila.
Impedanssin sovittamisen saavuttamiseksi seuraavilla parametreilla on rooli: (i) renkaan säde, (ii) lankapaksuus (vastaavan piirin vasen osa, kuva.2a) ja (iii) renkaan sijainti suhteessa resonaattoriin (induktiivisen kytkentäkertoimen M kautta).Kuva2B on yhteenveto strategiasta.Erityisenä esimerkkinä dielektrinen kuutio\ (\: {\ epsilon \:} _ {r} \)= 100 a = 27,9 mm reunan pituudella optimoitiin.Renkaan parametrit, jotka sallivat impedanssin sovituksen saavuttamisen, ovat seuraavat: lankapaksuus\ (\: {W} _ {rengas} = 1 \)mm, ulkoinen säde\ (\: {R} _ {rengas} = 10 \)mm, sijainti suhteessa resonaattorin keskusakseliin\ (\: \ vasen ({x} _ {0}, \: {y} _ {0} \ oikea) = \: \ vasen (\ teksti {0,0} \ oikea), \), \)ja korkeus resonaattorin yläpuolella\ (\: {H} _ {rengas} = 4.5 \)mm.On syytä huomata, että numeerisessa mallinnuksessa rengas ripustetaan ilmaan resonaattorin yläpuolella, ohutta polystyreeniväliä, jolla on dielektrisiä ominaisuuksia hyvin lähellä vapaata tilaa, käytetään kokeen asettelun renkaan tukemiseen.Resonanssin oikealla puolella olevaa risteyspistettä (kuva.2d) Mahdollistaa impedanssin sovituksen antennin (resonaattori + rengas) ja RFID -sirun välillä ilman, että vaaditaan lisä sovittavia elementtejä.Kuten käy ilmi, resonanssi määritetään pääasiassa dielektrisen resonaattorin mittojen perusteella.Näin ollen renkaan koon muuttamisella on vain pieni vaikutus antennin kokonaistulon impedanssiin.
Kuva2C esittelee Smith -kaavion, joka osoittaa erot alkuperäisen arvauksen ja optimoidun mallin välillä.Kuva2D näyttää optimoidun impedanssin todellisten ja kuvitteellisten osien riippuvuuden yhdessä Impinj Monza R6 RFID-sirun kompleksikonjugoidun impedanssin kanssa.RFID -taajuuskaistalla saavutetaan täydellinen impedanssin sovitus.
Rengasparametrien lisäanalyysi, joka vaikuttaa tunnisteen impedanssin sovitukseen, on esitetty yhteenvetona (kuva.3).Lankapaksuuden vaikutus\(\:{Vääntää}\)(Kuva.3b), renkaan korkeus resonaattorin yläpuolella\ (\: {H} _ {Ring} \)(Kuva.3c), renkaan säde\ (\: {R} _ {Ring} \)(Kuva.3d), ja renkaan sijainti suhteessa resonaattorin keskusakseliin\ (\: {x} _ {0}, \: {y} _ {0} \: \)(Kuva.3e) tutkittiin.Jokaiselle paneelille vain yksi rengasparametri vaihteli kerrallaan, kun taas loput, samoin kuin dielektrisen resonaattorin parametrit, olivat vakioita.
(eräs) Impedanssin sovittamiseen käytetyn dielektrisen RFID -tunnisteen geometria.Heijastuskertoimen numeerisesti laskettu moduuli (| S11|) DB: ssä (impedanssin sovitus) eri parametreille - lankapaksuus (b -), renkaan korkeus resonaattorin yläpuolella (c), renkaan säde (d -d), ja renkaan siirtyminen suhteessa resonaattorin keskusakseliin (e).Optimoitu geometria esitetään punaisella värillä jokaisessa paneelissa.
Voidaan nähdä, että tarkka monimuuttujaoptimointi voi johtaa impedanssin sovittamisolosuhteisiin.Kun otetaan huomioon monia onnistuneita toteutuksia erilaisilla geometrioilla (tässä ja aiemmissa tutkimuksissamme), voidaan väittää, että tämä metodologia on luotettava ja se voidaan kääntää muun tyyppisiksi korkean indeksin resonaattoreiksi ja IC: iksi, joilla on erilaiset impedanssit tuotannon monimutkaisuuden vähentämiseksi.On syytä huomata, että kaikilla myöhemmillä toteutumisilla vaihtelevilla keraamisilla resonaattoriparametreilla tehtiin sama impedanssin sovitusmenettely.
Tag -miniatyrisointi - kaistanleveysrajoitukset
Nostamalla käytetyn materiaalin dielektristä vakiota dielektristen resonaattoreiden kokoa voidaan pienentää säilyttäen vakioresonanssitaajuutta.Käytännöllinen rajoitus tässä lähestymistavassa on tappioiden lisääntyminen, joka tyypillisesti korrelaatiota taitekerroksen todellisen osan kanssa.Tappiot vaikuttavat haitallisesti toteutuneeseen voittoon ja seurauksena johtavat tunnisteen lukualueen vähentymiseen.Korkealaatuisten keraamisten materiaalien käyttö vähäpätöisellä tangenssilla mahdollistaa kompaktin tunnisteen tuotannon, joka pystyy saavuttamaan lukualueen yli 10 metriä31.Näiden demonstraatioiden jälkeen houkutteleva tavoite on tutkia, kuinka pitkälle miniatyrisointi voidaan viedä.On olemassa kaksi ensisijaista rajoittavaa tekijää: kaistanleveyden perussääntö ja korkean indeksin materiaalien lämpötilaherkkyyteen liittyvä käytännöllinen huolenaihe.Tämä osa keskittyy kaistanleveyden rajoitusten tutkimiseen.
Pyrkimykset resonanssiantennien koon pienentämiseksi kohtaavat vastaavan vähenemisen haasteen operatiivisessa kaistanleveydessä.Eri kriteerien joukossa Chu-Harringtonin raja on yksi yleisimmin sovellettu28.Kannattaa mainitaan, että tämä raja koskee dipolaarista antenniresonanssia.Meidän tapauksessamme keraaminen resonaattori toimii magneettisella dipolaarisella resonanssilla seuraten tarkkaan Chu-Harringtonin rajaa.
UHF RFID -sovelluksiin vaadittava vähimmäiskäyttökaistanleveys määritellään viestintäprotokollalla, joka jakaa koko kaistanleveyden 50 kanavaan, jokaisella on 500 kHz: n kaistanleveys (Yhdysvaltain 902–928MHz -kaista, muissa maissa RFID -säännökset ovat erilaisia).Tämä jakautuminen useisiin kanaviin helpottaa törmäyksen vastaisia protokollia, mikä mahdollistaa useiden lukijoiden samanaikaisen viestinnän, jolla on useita tunnisteita, jotka on sijoitettu samalla alueella.Seurauksena on, että tunnisteen vähimmäiskaistanleveyden tulisi olla vähintään 500 kHz.On syytä huomata, että kapeammalla kaistanleveydellä varustettu tunniste voidaan edelleen kuulustella, mutta lukuetäisyys vähenee huomattavasti.Tässä käytämme kaistanleveyden määritelmää −6 dB: lle11taso.Matalampi vastaavuus estää pitkän kantaman viestinnän.
Tämän peruskriteerin jälkeen tutkimme numeerisesti sarjaa tunnisteita resonaattorin sallivuudella\ (\: {\ epsilon \:} _ {r} \)Kuubisen resonaattorin reuna vaihteli välillä 100 - 1250.4a.Kuva4B näyttää resonaattorin äänenvoimakkuuden sen dielektrisen sallivuuden funktiona.Jokaisesta dielektrisen sallitusten iteraatiosta tunniste sovitettiin Impinj Monza R6 -sirun impedanssiin taajuusalueella 915–917MHz (osoitettu kaista Israelissa) (kuva.4c) edellisen osan lähestymistavan jälkeen.
Suunnitteltuaan 6 keraamista tunnistetta ja sovittamalla ne IC: hen, heidän esityksensä voidaan arvioida.Kolme dielektrisen materiaalihäviöiden skenaariota otettiin huomioon: (i) häviöttömät, (ii) menetys tangentti\ (\: {10}^{-4} \)ja (iii) menetys tangentti\ (\: {10}^{-3} \).Kuva4C osoittaa TAG -antennin kaistanleveyden riippuvuuden 6 dB: n tasolla resonaattorin sallivuudesta.Tässä on asetettu 500 kHz: n raja.Tämän kynnyksen vaakasuuntainen leikkaus korostaa miniatyrisoinnin rajoituksia.Tulokset osoittavat, että yli 750: n sallitustunnisteet eivät täytä kriteeriä.Kaistanleveys riippuu myös menetyksen tangentista, ts.\ (\: {10}^{-3} \)Myös kriittisesti heikentävät esitystä.Kuva4D osoittaa TAG -antennin toteutuneen vahvistuksen resonaattorin dielektrisen sallillisuuden funktiona.Se on melko herkkä tappioille, koska kenttä on lokalisoitu resonaattorin tilavuuteen.Keraamiset materiaalit, joiden tappiot ovat alempi kuin ~\ (\: {10}^{-4} \: \)Älä vähennä kriittisesti voittoesitystä.Kuva4E Visualoi dramaattisen kaistanleveyden pudotuksen koon pienentämisellä.
Miniatyrisointirajojen tutkiminen keraamisilla RFID -tunnisteilla.(eräs;(b -) Resonaattorin tilavuus sen dielektrisen lupauksen - tagien funktiona on paneelista (eräs).(c) Kaistanleveys resonaattorin sallivuuden funktiona.Tappiotangentit ovat legendoissa.(d -d) TAG: n antenni toteutti vahvistuksen resonaattorin dielektrisen perinteisyyden funktiona.(e) | S11| -Parameterispektrit analysoituille tunnisteille.
Koon vaikutuksen havainnollistamiseksi edelleen antennin ominaisuuksiin kaistanleveys ja säteilytehokkuus piirrettiin rakennetta käsittävän pallon säteen funktioiksi.Kuva5A osoittaa, että kaistanleveys osoittaa lineaarista käyttäytymistä, kuten Eq ennusti.1Kun toinen termi jätetään huomiotta, mikä koskee pieniä antenneja.Koko pienenee kuitenkin edelleen, häviöt hallitsevat käyttäytymistä.Tämä käy ilmi säteilytehokkuuskuvioissa kuviossa 1.5B, missä suuremmille kooille, tehokkuus lähestyy yhtenäisyyttä, kun elementti vastaa säteilyä, ja sisäisillä tappioilla on vähemmän merkittävä rooli.
(eräs) Kaistanleveys (eräs-b -) säteilytehokkuus sulkeutuvan pallon säteen funktiona.Tappiotangentit ovat legendoissa.
Edellä käsitellyistä tuloksista päättelemme, että keraamisen tunnisteen miniatyrisoinnin optimaalinen dielektrinen perinteisyys on noin 500, ja dielektrinen tangentihäviöarvo on\ (\: {10}^{-4} \: \)tai alempi.Asiaankuuluvat ehdokkaat ovat BATIO3/SRTIO3-komposiitteja suhteissa 50/50, 55/45, 60/40 MG-sisältämät lisäykset, kuten MG2Tiio437.Nämä materiaalialustat tarjoavat optimaalisen kompromissin koon pienentämisen, kaistanleveyden ja toteutuneen voiton välillä, ja siten ne voivat olla edullisia muihin miniatyrisointitekniikoihin, jotka kamppailevat tämän tasapainon ylläpitämiseksi.
Lämpötilan hajonta
Luonnollisten kaistanleveyden rajoitusten lisäksi useat käytännölliset näkökohdat rajoittavat edelleen keraamisten RFID -tunnisteiden sovellettavuutta jokapäiväisissä skenaarioissa.Keskitymme tässä näiden tunnisteiden merkittävään herkkyyteen ympäristön lämpötilan vaihteluihin.Näiden näkökohtien tutkimiseksi tutkittiin joukko resonaattoreita.Näytteet toimitettiin Ceramics Ltd38.Sylinterimäiset resonaattorit, joiden dielektriset lupat olivat 80, 100, 270 ja 500Kuva6Esittelee valokuvia valmistetuista resonaattoreista.Huomaa, että geometrioiden (kuutioiden vs. sylinterien) erot eivät ole kriittistä roolia.Sylinterit ovat täällä käytössä niiden helpomman valmistuksen vuoksi.
Rohde & Schwarz ZVB20 -vektoriverkkoanalysaattoria, jolla on pieni silmukka -antenni, joka on kytketty johonkin porttiin, käytettiin resonaattorien resonanssitaajuuksien mittaamiseen.Mittaukset suoritettiin eri lämpötiloissa 40 - 90 astetta, kuten esitetään (kuvio.6b).Resonaattorit lämmitettiin levyllä, kun taas lämpötilan säätö suoritettiin käyttämällä termoelementtiä, joka oli kytketty yleismittariin.
Kuva6c osoittaa s11eri lämpötilojen spektrit,\ (\: {\ epsilon \:} _ {r} = 500 \)näyte.Tämä materiaali (Batio3sekoitettu Mg: n kanssa2Tiio4) on vahva lämpötilan dispersio, joka johtaa resonanssin siirtymiseen 3MHz / 1 ° C.
Dielektristen resonaattoreiden lämpötilariippuvuus.(eräs) Kuva valmistetuista dielektrisistä resonaattoreista, joilla on erilainen dielektrinen sallivuus.(b -) Valmistettujen resonaattorien resonanssitaajuuden mittausvalokuva.(c) | S11| -Parameterispektrit eri lämpötiloissa (legendoissa).Materiaali - Batio3/Mg2Tiio4kanssa\ (\: {\ epsilon \:} _ {r} = 500 \).(d -d) Resonanssitaajuus siirtyy valmistettujen resonaattoreiden ympäristön lämpötilan funktiona.
Keramiikka, jolla on sallitus\ (\: {\ epsilon \:} _ {r} = 270 \)(Batio -yhdistelmä3/Srtio3) on myös lämpötilaherkkä, mikä johtaa resonanssin siirtymiseen 1,3MHz / 1 ° C.Vaikka nämä kaksi materiaalia ovat vähemmän sopivia tavanomaisiin RFID-sovelluksiin, ne havaitsivat käytön lämpötilan tunnistamisessa, jota voidaan edelleen parantaa ottamalla käyttöön lähes sidottu tila jatkumossa (kvasi-bic) -tilassa34.Keraamisen RFID: n osalta, jotka toimivat monipuolisella ympäristön lämpötiloissa,\ (\: {\ epsilon \:} _ {r} = 80 \ sim100 \: \)ovat parhaat ehdokkaat, kuten voidaan nähdä (kuva.6d).
Tunnisteen ja sen lämpötilan lukualue ovat ei-trivaalisesti sukua.Käyttäytyminen riippuu useista tekijöistä, joista yksi on käytetty RFID -taajuuskaista.Esimerkiksi viestintäkanava, jolla on 500 kHz: n kaistanleveys, joka on sijoitettu viestinnän (Israelissa) allokoidulle 915–917MHz -kaistalle, ajautuu etäisyyden ulkopuolelle vain 1 ° C: n muutoksella ympäristön lämpötilassa.Samanaikaisesti 902–928MHz -kaista (US -standardi) sallii tunnisteen lukemisen lämpötilan vaihteluilla ± 3 ° C, jos tunniste viritetään keskustaajuuteen.
Kannattamalla, että keramiikka on nykyään intensiivisen tutkimuksen alla, ja tulevaisuudessa uudet materiaalit saattavat olla korkea sallivuus, alhaiset tappiot ja lämpötilan vakauden, joka avataan uusia mahdollisuuksia keraamisten RFID -tunnisteiden pienentämiselle.
Johtopäätös
Passiivisten keraamisten RFID -tunnisteiden suunnittelustrategioista tehtiin laaja numeerinen tutkimus miniatyrisointirajojen löytämiseksi.Suoritettiin syvällinen analyysi impedanssin sovittamisesta luottamatta ylimääräisiin kerma-komponentteihin ja pelkästään geometristen parametrien avulla.Tunnisteiden jalanjäljen vähentämistä rajoittavat tekijät otettiin huomioon.Tärkein rajoitus on kaistanleveys, joka estää keraamisen tunnisteen koon pienentämisen alle yhteen kuutiometriin senttimetriin menettämättä pitkän kantaman viestintää.Lisärajoittavia tekijöitä ovat olemassa olevien keraamisten materiaalien häviöt ja lämpötilan stabiilisuus.Kaikki nämä tekijät eivät kuitenkaan ole tiukasti perustavanlaatuisia.
Antennin lisäkoko pieneneminen voitiin mahdollisesti saavuttaa resonanssilla.
asennus39-40-41antaa moniresonoivan antennin ohittaa Chu-Harringtonin kaistanleveysrajoituksen.Lisäksi lämpötila-stabiilien, korkean indeksin keraamisten materiaalien tunnistaminen tarjoaa nämä mahdolliset tunnisteet stabiilisuuteen ympäristönvaihteluihin.
Tietojen saatavuus
Tämän tutkimuksen aikana käytetyt ja/tai analysoidut tietojoukot ovat saatavana vastaavalta kirjoittajalta kohtuullisessa pyynnössä.
Viitteet
Lasi, H., Fettke, P., Kemper, H.G., Feld, T. & Hoffmann, M. Teollisuus 4.0.Bussi.Ilmoittaa.Syst.Eng. 6, 239–242 (2014).
Valero, E., Adán, A. & Cerrada, C. RFID -sovellusten kehitys rakentamisessa: Kirjallisuuskatsaus.Anturit 15, 15988–16008 (2015).
Catarinucci, L. et ai.IoT-tietoinen arkkitehtuuri älykkäille terveydenhuoltojärjestelmille.IEEE Internet -asiat J. 2, 515–526 (2015).
Casula, G. A. et ai.Kehon epidermaalisen antennin suunnittelu AMC-substraatilla UHF RFID: lle terveydenhuollossa.IEEE Trans.Antennien propag. 72, 4023–4035 (2024).
Ward, M. & Van Kranenburg, R. R. F. I. D. Taajuus, standardit, adoptio ja innovaatio.JISC Technol.Seistä.Katsella 36(2006).
Byondi, F. K., Chung, Y. & Pisin-alue, U. H. F. R. F. I. D. Antenni-antenni IoT: lle, jota käytetään metalli- ja ei-metalli-objekteihin.Anturit 19, 5460 (2019).
Choudhary, A., Sood, D. & Tripathi, C. C. Laajakaistainen pitkän kantaman, säteily tehokas kompakti UHF RFID -tunniste.IEEE Antens Wirel.Propag.Lett. 17, 1755–1759 (2018).
Sharma, A., Hoang, A. T., Nekoogar, F., Dowla, F. U. & Reynolds, M. S. Sähköinen pieni, 16,7 m etäisyys, ISO18000-6C UHF RFID TAG teollisuussäteilylähteille.IEEE J. Radio Freq.Henkilöllisyys. 2, 49–54 (2018).
Mainokset Kesti Google Scholar
Grosinger, J., Pachler, W. & Bosch, W. Tunnisteiden koko on Matters: pienoistuneita RFID -tunnisteita älykkäiden esineiden yhdistämiseksi Internetiin.IEEE -mikroverkko.Mag. 19, 101–111 (2018).
Yang, E. S. & Son, H. W. Kaksoispolarisoitu metalli-kiinnitettävä UHF RFID -tunnusantenni polarisaation monimuotoisuutta varten.Elektroni.Lett. 52, 496–498 (2016).
Tan, N. M. et ai.Kompakti lyhyt C-muotoinen laastariantenni UHF RFID -tunnisteelle, joka on asennettu metalliobjekteihin.Proceedings - 2020 Sähkömagneettisen kansainvälinen työpaja: sovellukset ja opiskelijoiden innovaatiokilpailu, IWEM 2020 https://doi.org/10.1109/iwem49354.2020.9237434(2020).
Thirappa, K., Lim, E. H., Bong, F. L. & Chung, B. K. Slim RFID TAG -antenni metallityökaluille kapealla jalanjälkillä.IEEE J. Radio Freq.Henkilöllisyys. 5, 182–190 (2021).
Li, H., Zhu, J. & Yu, Y. Kompakti yksikerroksinen RFID-tag-antenni suvaitsevainen taustamateriaalille.IEEE pääsy 5, 21070–21079 (2017).
Ryu, H. K., Jung, G., Ju, D. K., Lim, S. & Woo, J. M. Sähköisesti pienet pallomaiset UHF RFID -tunniste-antennilla kvaasisotrooppisilla kuvioilla langattomille anturiverkoille.IEEE Antens Wirel.Propag.Lett. 9, 60–62 (2010).
Lee, S. R., Ng, W. H., Lim, E. H., Bong, F. L. & Chung, B. K. Kompakti magneettinen silmukka-antenni antennia on-metalli-metalli UHF-tunnisteiden suunnittelu.IEEE Trans.Antennien propag. 68, 765–772 (2020).
Costa, F. et ai.Katsaus RFID -antureihin, uuden esineiden Internetin raja.Anturit 21, (2021).
Amato, F., Torun, H. M. & Durgin, G. D. RFID Backcattering pitkän kantaman skenaarioissa.IEEE Trans.Wirel.Kommunikointi 17, 2718–2725 (2018).
Byondi, F. K. & Chung, Y. Pisin-alue UHF RFID -anturin antenni IoT: lle, jota käytetään metalli- ja ei-metalli-esineisiin.Sens. (Sveitsi) 19, (2019).
Wagih, M., Wei, Y., Komolafe, A., Toora, R. & Beeby, S. Luotettava UHF-pitkän kantaman tekstiilin integroitu RFID-tunniste, joka perustuu kompaktiin joustavaan antennifilamenttiin.Sens. (Sveitsi) 20, 1–15 (2020).
Chung, Y. & Berhe, T. H. Pitkän kantaman UHF RFID -tunniste autojen rekisterikilpille.Anturit 21, (2021).
Pillai, V. et ai.UHF: n ja mikroaaltonauhojen erittäin pienen virran pitkän kantaman akku/passiivinen RFID-tunniste, jonka virtakulutus on 700 NA 1,5 V.IEEE Trans.Ympyrä.Syst.Regul.Pap. 54, 1500–1512 (2007).
Kim, D. & Yeo, J. Kaksikaistainen pitkän kantaman passiivinen RFID-tag-antenni AMC-maatasolla.IEEE Trans.Antennien propag. 60 60, 2620–2626 (2012).
Jung, J. Y., Kim, H., Lee, H. S. & Yeom, K. W. UHF RFID -tunniste pitkällä lukualueella.Sisä-Eurooppalainen mikroaaltokonferenssi (EUMC) https://doi.org/10.23919/eumc.2009.5296535(IEEE, 2009).
Rashed, J. & Tai, C. T. Viestintä uusi resonanssiantennien luokka.IEEE Trans.Antennien propag. 39, 1428–1430 (1991).
Kimouche, H. & Zemmour, H. Kompakti fraktaalidipoliantenni 915MHz: lle ja 2,4 GHz: n RFID -tunnisteiden sovelluksille.Edisty sähkömagneettiin.Res.Lett. 26, 105–114 (2011).
Huang, X. J., Wang, S. C., Xie, F. & Tong, M. S. UHF -RFID -tunnisantennin suunnittelu paperialustalla.2018 IEE -antennien propag. Soc. Int. Sympan. USNC/URSI NATL. Radio Scits. Kokous Apsursi 2018 - Proc. 1363–1364 https://doi.org/10.1109/apusncursinrsm.2018.8609257(2018).
Ali Babar, A. et ai.Pieni ja joustava metalli asennettava passiivinen UHF-RFID-tunniste korkean dielektrisen polymeeri-keraamisen komposiittialustan kanssa.IEEE Antens Wirel.Propag.Lett. 11, 1319–1322 (2012).
Harrington, R. F.Aika-harmoniset sähkömagneettiset kentät(Wiley, 2001).
Dobrykh, D. et ai.Pitkän kantaman miniatyrisoidut keraamiset RFID-tunnisteet.IEEE Trans.Antennien propag. 69, 3125–3131 (2021).
Dobrykh, D. et ai.Resonanssi Cascading Ceraamic-tunnisteessa pitkän kantaman monisuuntaiselle radiotaajuuden tunnistusviestintälle.Fysiikka.Rev. Appi. 20, 064022 (2023).
Mainokset Kesti Google Scholar
Good, D., Yusupov, I., Ginzburg, P., Slobozhanyuk, A. & Filonov, D. Itsensä määrittävät roolipolut rfid-tag.Sci.Edustaja12, 1–7 (2022).
Yusupov, I., Dobry, D., Filonov, D., Slobozhanyuk, A. & Ginzburg, P. Miniatyyri Long-Wraeh Ceraamic HE-Metal RFID -tunniste.IEEE Trans.Antennien propag. 70, 10226–10232 (2022).
Yusupov, I. et ai.Kvasi-BIC: n korkean indeksin resonaattorit nesteen karakterisointia ja analysointia varten.Appl.Fysiikka.Lett. 123, 244102 (2023).
Yusupov, I. et ai.Chiplom langaton lämpötila-anturi, joka perustuu kvasi-bik-resonanssiin.Appl.Fysiikka.Lett. 119, 193504 (2021).
Dobrykh, D. et ai.Karamelli UHF RFID -anturit tuholaistorjuntaa varten.IEEE J. Radio Freq.Henkilöllisyys. 7, 601–608 (2023).
XI, J. & Zhu, H. UHF RFID -impedanssin sovitus: T-ottelu-dipolin tunnisteiden suunnittelu moottoritiellä.IEEE: n kansainvälinen RFID -konferenssi, RFID 201586–93https://doi.org/10.1109/rfid.2015.7113077(2015).
Nenasheva, E. A. et ai.Matala häviö mikroaaltouuni Ferroelektrinen keramiikka suuritehoisille viritettäville laitteille.J. Eur. Keramiikka. Soc. 30, 395–400 (2010).
Kesti Google Scholar
Ceramics Ltd.https://ramics.ru/.
Kosulnikov, S. et ai.Pyöreä lanka-bundle Superscatterer.J. kerrallaan. Spektrosc. Radia. Transf. 279, (2022).
Grotov, K. et ai.Geneettisesti suunnitellut lankapaketin superscatterers.IEEE Trans.Antennien propag. 70, 9621–9629 (2022).
Mikhailovskaya, A. et ai.Superradiant -sirontaraja aallonpituuden sirottimien ryhmille.Fysiikka.Rev. Appi. 18, 1 (2022).
Tunnustukset
Tätä työtä tuki Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö (projekti nro 62101154).Tämän työn numeerisia simulaatioita tuki Venäjän tiedesäätiö (projekti 23-19-00511).Tau -tiimi tunnustaa Israel Science Foundation -säätiön (ISF -avustusnumero 1115/23).
Tekijätiedot
Kirjoittaja -muistiinpanot
Alyona Maksimenko ja Dmitry Dobrykh vaikuttivat tasaisesti tähän työhön.
Kirjailijat ja jäsenyydet
Fysiikan ja tekniikan korkeakoulu, ITMO -yliopisto, Pietari, 197101, Venäjä
Alena Maksimenko, Ildar Yusupov ja Irina Melchakova
Sähkötekniikan korkeakoulu, Tel Avivin yliopisto, 69978, Tel Aviv, Israel
Dmitry Good & Pavel Ginzburg
Qingdaon innovaatio- ja kehityskeskus, Harbin Engineering University, Harbin, Qingdao, Kiina
Ming -hakulaulu
Kirjoittajat
- Alena Maksimenko
Näytä kirjoittajan julkaisut
Voit myös etsiä tätä kirjoittajaaPubedGoogle Scholar
- Dmitry hyvä
Näytä kirjoittajan julkaisut
Voit myös etsiä tätä kirjoittajaaPubedGoogle Scholar
- Ildar yusupov
Näytä kirjoittajan julkaisut
Voit myös etsiä tätä kirjoittajaaPubedGoogle Scholar
- Ming -hakulaulu
Näytä kirjoittajan julkaisut
Voit myös etsiä tätä kirjoittajaaPubedGoogle Scholar
- Irina Melchakova
Näytä kirjoittajan julkaisut
Voit myös etsiä tätä kirjoittajaaPubedGoogle Scholar
- Pavel Ginzburg
Näytä kirjoittajan julkaisut
Voit myös etsiä tätä kirjoittajaaPubedGoogle Scholar
Panokset
A.M., D.D.ja I.Y.teki numeeriset simulaatiot ja kokeellinen tutkimus.P.G.Kirjoitti pääkäsikirjoitusteksti.M.S.ja I. M. valmistettu (kuviot.1-2-3-4ja5).Kaikki kirjoittajat tarkistivat käsikirjoituksen.
Vastaava kirjoittaja
Kirjeenvaihto jstkMing -hakulaulu.
Eettiset ilmoitukset
Kilpailevat edut
Kirjoittajat eivät julista kilpailevia etuja.
Lisätiedot
Kustantajan huomautus
Springer -luonto on edelleen neutraali lainkäyttövaatimusten suhteen julkaistuissa karttoissa ja institutionaalisissa kuulumisissa.
Oikeudet ja käyttöoikeudet
Avoin pääsyTämä artikkeli on lisensoitu Creative Commons Attribution-ei-kaupallisella ja jakamisella, jakelulla ja jäljennöksellä missä tahansa väliaineessa tai muodossa, niin kauan kuin annat asianmukaiset luottoa alkuperäiselle tekijälle (t) ja lähdelle, luovuta Creative Commons -lisenssiä, ja ilmoitat, jos muokkaat lisensoituja aineita.Sinulla ei ole tämän lisenssin nojalla lupaa jakaa mukautettua materiaalia, joka on johdettu tästä artikkelista tai sen osista.Tämän artikkelin kuvat tai muut kolmannen osapuolen materiaalit sisältyvät artikkelin Creative Commons -lisenssiin, ellei sitä ilmoiteta toisin luottolinjassa materiaalille.Jos materiaalia ei sisälly artikkelin Creative Commons -lisenssiin ja lakisääteinen asetus ei sallita tarkoitettua käyttöä tai se ylitä sallittua käyttöä, sinun on saatava lupa suoraan tekijänoikeuksien haltijalta.Katso kopio tästä lisenssistä käymällähttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/.
Tästä artikkelista
Mainita tämä artikkeli
Maksimenko, A., Good, D., Yusupov, I.et ai.Keraamisten UHF RFID -tunnisteiden miniatyrisointirajat.SCI -edustaja 15, 10984 (2025).https://doi.org/10.1038/s41598-025-88051-y
Vastaanotettu-
Hyväksytty-
Julkaistu-
Doi-https://doi.org/10.1038/s41598-025-88051-y