Design and Simulation of a Novel Mutual Coupled Folded-dipole UHF RFID Tag Antenna for Metallic Objects
Date
2021-08-14
Authors
Daliah Zahir Tawfiq Mansour
دالية زاهر توفيق منصور
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Al-Quds University
Abstract
Recently, radio frequency identification (RFID) technology has rapid grown in various applications especially in supply chains. Such applications require a large number of tags placed on different object materials including metallic ones which increases the RFID challenges. The presence of metallic surfaces causes performance degradation of the RFID tag antenna. Thus, the demand for compact, low cost and high-gain tag antennas that work effectively on metals is increased.
In this work, a novel miniature mutual coupled folded- dipole metal mountable ultra-high frequency (UHF) RFID tag antenna is presented. The proposed RFID tag antenna is composed of two outer strips each loaded with seven identical open stubs and a middle shorter one forming two symmetrical nested combs. The two nested combs are connected at the center by the RFID chip which is attached to the two middle wide open stubs. Tuning the open stubs dimensions and the gaps between them provides a simple and flexible tuning mechanism to achieve an optimal impedance matching between the tag antenna and the IC chip at the required operating frequency band. Indeed, providing the mutual coupling effect between the open stubs increased the surface current thus, enhances the radiation field. The effect of the open stubs is investigated by increasing the open stubs number from three to seven at each outer strip. The proposed structure has a geometrical dimension of 55.8 × 44 × 1.5 mm3 is implemented on a low cost dielectric Polytetrafluoroethylene (PTFE) substrate. The substrate is coated by a thin copper layer at the bottom side to be placed directly on metallic objects without the requirement of any spacer such as air or foam. The design is simulated by using CST microwave studio software. The realized gain of the tag antenna in free space is -7.13 dB. Placing the proposed tag antenna on a 20× 20 cm2 metallic plate enhanced its realized gain by 3.57 dB compared to free space at a resonance
frequency of 912 MHz. The computed detection distance achieved 11.1 m when the tag is mounted on the 20× 20 cm2 metallic plate and 7.37 m in free space with the estimation of using 4 W EIRP. The proposed tag antenna has a directivity of 3.24 dB in free space. The directivity increased to 7.36 dB when the tag is mounted on the metallic plate. The effect of varying the dimensions of the metallic plate is studied. The same read range of 11.1 m is achieved by varying the length of the metallic plate from 20 cm to 10 cm with a fixed width of 20 cm. On the other hand, the read range decreased to 7.81 m when the metallic plate width is decreased from 20 cm to 10 cm with a fixed length of 20 cm. In addition, the proposed tag antenna was placed on three different 20× 20 cm2 dielectric plates. The simulated realized gain is -8.63 dB and the computed detection distance is 6.51 m when the presented tag is placed on paper. Moreover, the computed detection distance of the proposed tag antenna is 6.29 m and 5.94 m when the proposed tag is placed on 20× 20 cm2 polycarbonate and glass plate respectively. The presented tag antenna is implemented to operate at the North American band (902 -928 MHz). The tag structure is simple and inexpensive, whereby it has no shorting elements or metallic via. The presented design does not require any complex fabrication work. Moreover, the proposed RFID tag is compact and has sufficient gain to achieve a relatively high read range. Thus, the proposed tag can be used for various RFID applications.
في الآونة الأخيرة ، نمت تقنية تحديد الترددات الراديوية ) RFID ( بسرعة في مختلف التطبيقات وخاصة في سلاسل التوريد.
تتطلب مثل هذه التطبيقات عددًا كبيرًا من العلامات الموضوعة على أجسام ذات مواد مختلفة بما في ذلك المواد المعدنية التي
تزيد من تحديات RFID . يتسبب وجود الأسطح المعدنية في تدهور أداء هوائي علامة RFID . وبالتالي ، يزداد الطلب على
هوائيات العلامات المدمجة منخفضة التكلفة وعالية الكسب التي تعمل بفعالية على المعادن .
في هذا العمل ، يتم تقديم هوائي علامة RFID صغير الحجم متبادل مزدوج مطوي ثنائي القطب قابل للتركيب على تردد عالٍ
للغاية ) UHF (. يتكون هوائي علامة RFID المقترح من شريحتين خارجيتين كل منهما محملة بسبعة أذرع مفتوحة متطابقة
وشريط متوسط أقصر مكونة أمشاط متناظرة متداخلة . المشطان المتداخلان متصلان في المنتصف بواسطة شريحة RFID التي
يتم تثبيتها على القطعتين المتوسطتين . يوفر ضبط أبعاد الدعائم المفتوحة والفجوات بينها آلية ضبط بسيطة ومرنة لتحقيق مطابقة
ممانعة مثالية بين هوائي العلامة وشريحة IC عند نطاق تردد التشغيل المطلوب. في الواقع ، توفير تأثير الإقتران )الحث(
المتبادل بين الأذرع المفتوحة يزيد من تيار السطح وبالتالي يعزز مجال الإشعاع . تم دراسة تأثير الأذرع مفتوحة عن طريق
زيادة عدد الأذرع المضافة من ثلاثة إلى سبعة على كل شريط خارجي. الهيكل المقترح له بعد هندسي 55.8 × 44 × 51. مم 3
على ركيزة عازلة منخفضة التكلفة من البولي تترافلورو إيثيلين ) PTFE (. الركيزة مغطاة بطبقة نحاسية رفيعة في الجانب السفلي
لتوضع مباشرة على الأجسام المعدنية دون الحاجة إلى أي فاصل مثل الهواء أو الرغوة. تمت محاكاة التصميم باستخدام برنامج
CST microwave studio . الكسب المحقق لهوائي العلامة في الفضاء الحر هو - 7.13 ديسيبل. أدى وضع هوائي العلامة
المقترح على لوح معدني 20 × 20 سم 2 إلى تعزيز كسبه المحقق بمقدار 3.57 ديسيبل مقارنة بالمساحة الخالية عند تردد رنين
يبلغ 912 ميجاهرتز. حققت مسافة الكشف المحسوبة 11.1 مترًا عند تركيب العلامة على لوح معدني 20 × 20 سم 2 و 7.37
مترًا في مساحة خالية مع تقدير استخدام 4 واط EIRP . هوائي العلامة المقترح له اتجاهية تبلغ 3.24 ديسيبل في الفضاء الحر.
زادت الاتجاهية إلى 7.36 ديسيبل عند تركيب العلامة على اللوح المعدني. تمت دراسة تأثير تغيير أبعاد الصفيحة المعدنية. يتم
تحقيق نفس نطاق القراءة البالغ 11.1 مترًا من خلال تغيير طول اللوح المعدني من 20 سم إلى 10 سم وعرض ثابت يبلغ 20
سم. من ناحية أخرى ، انخفض نطاق القراءة إلى 7.81 مترًا عندما قل عرض اللوحة المعدنية من 20 سم إلى 10 سم بطول ثابت
يبلغ 20 سم. بالإضافة إلى ذلك ، تم وضع هوائي العلامة المقترح على ثلاث ألواح عازلة مختلفة 20 × 20 سم 2 . الكسب المحقق
المحاكي هو - 8.63 ديسيبل ومسافة الكشف المحسوبة 6.51 متر عند وضع العلامة المقترحة على لوح من ورق. علاوة على
ذلك ، تبلغ مسافة الكشف المحسوبة لهوائي العلامة المقترح 6.29 مترًا و 5.94 مترًا عند وضع العلامة المقترحة على لوح من
البولي كربونات 20 × 20 سم 2 ولوحة زجاجية على التوالي. يتم تنفيذ هوائي العلامة المقدم للعمل في نطاق أمريكا الشمالية
( 902 - 928 ميجا هرتز(. هيكل العلامة بسيط وغير مكلف ، حيث لا يحتوي على عناصر مختصرة أو معدنية إضافية. لا يتطلب
التصميم المقدم أي أعمال تصنيع معقدة . علاوة على ذلك ، فإن علامة RFID المقترحة مضغوطة ولها مكاسب كافية لتحقيق
نطاق قراءة مرتفع نسبيًا . وبالتالي ، يمكن استخدام العلامة المقترحة لمختلف تطبيقات RFID .