导言
我们使用XFdtd EM 仿真软件对 RFID 标签系统进行了检查，以验证其在大批量使用需要极低成本组件的情况下的性能。本示例源自已发表的期刊论文 [1] 中描述的一个系统。RFID 标签的结构是一个微带装置，带有调谐到特定频率的螺旋谐振器，这些频率分别代表标签代码的不同位。谐振器与两个交叉极化超宽带（UWB）单极盘天线相连，用于接收和发射来自扫描系统的信号。该系统的设计可对六个比特进行编码，这些比特由 2.0 至 2.5 千兆赫之间相距 100 兆赫的谐振形成。测试使用两个交叉极化对数周期偶极子阵列（LPDA）天线，发射和接收来自 RFID 标签的信号。
设备设计与仿真
图 1 以 XFdtd 显示了六位 RFID 标签的设计，其中红色材料表示 0.787 毫米厚的 Taconic TLX0 衬底（相对介电常数为 2.45，损耗正切为 0.0019），绿色材料为完美导体材料。在中心部分的左侧（水平）和右侧（垂直）可以看到两个交叉极化 UWB 单极盘天线，它们分别固定着六个螺旋谐振器，构成了标签的六个位。图 2 显示了其中一个螺旋谐振器的特写。每个螺旋谐振器的尺寸都略有调整，使每一个连续螺旋谐振器的共振频率偏移 100 兆赫。地平面覆盖了 RFID 标签背面的一部分，位于螺旋谐振器下方，但不包括圆盘天线。
图 1：XFdtd 中的 CAD 模型显示了由两个 UWB 单极盘天线和六个螺旋谐振器组成的 RFID 标签。
图 2：所示为其中一个螺旋谐振器的详细视图。螺旋的尺寸略有改变，以移动螺旋的共振，为 RFID 标签创建不同的位。
系统接收来自外部信号源的信号，该信号源与两个天线中的一个极化。然后，来自螺旋的共振信号通过第二根交叉极化天线传输，并由匹配极化的第二根外部天线接收。天线交叉极化可减少它们之间的串扰，并将信号与 RFID 标签隔离。
首先对图 3 所示的 UWB 单极盘天线进行单独分析。发现它具有典型的单极模式，方位角方向的共极化增益均匀（图 4），而交叉极化增益较低（图 5）。如图 6 所示，天线的回波损耗在很宽的频率范围内都处于可接受的水平。
图 3：UWB 单极圆盘天线在 XFdtd 中显示为 CAD 模型。
图 4：UWB 单极子盘的共极化增益模式在天线周围是均匀的。
图 5：UWB 单极盘天线的交叉极化增益模式具有非常低的增益，有助于减少对 RFID 标签的任何交叉干扰。
图 6：UWB 单极盘天线的回波损耗在较宽的频率范围内表现良好。
如图 7 所示，RFID 标签中心螺旋谐振器的尺寸经过调整，使每个谐振器代表 2.0 GHz 至 2.5 GHz 的单个比特，间隔为 100 MHz。单独模拟时，如图 8 所示，谐振器会在 S21 幅值图中的所需频率处产生深空。S21 信号的相位也可通过检测某些频率的相移来表示位。如图 9 所示，在 2.0 和 2.5 千兆赫之间的每个所需位置都出现了陡峭的相移。
图 7：图示为一个六元素 RFID 标签，它将为 RFID 标签生成一个六位编码。
图 8： RFID 标签的振幅响应本身分析表明，在 2.0 至 2.5 千兆赫频率范围内，六个比特有清晰的定义。这里显示的是 000000 的响应。
图 9：单独分析 RFID 标签的相位响应时，会发现 000000 标签的六个比特位置都有陡峭的相位偏移。
为了测试整个系统的性能，需要一个外部信号源向 RFID 标签发送信号，并接收它的编码响应。这需要两个交叉极化 LPDA 天线来完成。其中一个 LPDA 天线如图 10 所示。LPDA 的设计目的是以较低的跨极化增益在正向发射强同极化信号。图 11 显示了 LPDA 在 2.0 GHz 频率下的共极化增益。图 12 是正向增益（增益峰值位置）与频率的关系图。LPDA 最初设计的回波损耗性能并不理想，因此在输入端口增加了一个匹配电路。匹配电路由一个串联电感和一个并联电容组成，添加到电压源馈电中。结果，如图 13 所示，在所关注的频率范围内，回波损耗大大改善。
图 10：XFdtd 中显示的 LPDA 天线模型之一。
图 11：LPDA 天线的图案具有较强的正向增益和较低的交叉极化。
图 12：在很宽的频率范围内，LPDA 天线的前向增益超过 7dBi。
图 13：通过添加一个简单的匹配电路，LPDA 天线的回波损耗得到了极大改善，并在整个相关范围内显示出非常好的性能。
为了测试整个系统，在距离 RFID 标签 5 厘米处放置了两个 LPDA 天线，其中一个 LPDA 天线与垂直单极对齐，另一个与水平单极对齐。在 000000（所有螺旋谐振）、010101 和 111111（所有螺旋短路）三种不同的位组合下对 RFID 标签进行测试。如图 15 所示，通过在螺旋上添加一个小方块导体来短路单个螺旋，从而将一个位设置为 1。与原论文中的做法一样，组合系统的输出显示以 111111 标签的结果为参考。由于消除了测试系统引入的响应，因此提高了标签空点的可见度。000000 标签的调整后振幅图如图 16 所示，可以清楚地看到代表六个比特的空值相差几个 dB。010101 标签的调整振幅图如图 17 所示，2.0、2.2 和 2.4 千兆赫的三个比特同样由这些位置的空值表示。同样，将相位响应与 111111 标签信号进行归一化处理后，000000 标签的相位如图 18 所示，而 010101 标签的相位如图 19 所示。
图 14：整个射频识别（RFID）系统包括用于发射和接收的交叉极化 LPDA 天线，以及带有交叉极化 UWB 盘状天线和六个螺旋谐振器的射频识别（RFID）标签。标签距离发射/接收天线 5 厘米。
图 15：通过横跨螺旋臂的短路将比特从 0 设置为 1。这样就消除了相关频率范围内的螺旋共振。
图 16：000000 标签的 RFID 系统调整振幅响应。为清晰起见，这里显示的是与 111111 标签响应正常化后的标签响应。
图 17：010101 标签的 RFID 系统调整后的振幅响应，在 2.0、2.2 和 2.4 千兆赫频率下可以看到三个 0 位。
图 18：000000 标签的 RFID 系统调整后的相位响应，0 比特在 2.0 至 2.5 千兆赫的频率范围内相位陡移 100 兆赫。
图 19：010101 标签的 RFID 系统调整后的相位响应，0 比特在 2.0、2.2 和 2.4 千兆赫的陡峭相移清晰可见。
摘要
本示例展示了低成本、无芯片 RFID 标签系统的性能，该系统使用螺旋谐振器来表示位。在单独测试时，谐振器的性能相当出色，S 参数数据中的比特信号指示非常清晰。当把发射天线和读取天线相隔几厘米组合成一个完整的系统时，该系统能产生可识别的比特模式，证明了设计的可行性。
参考资料
[1] S. Preradovic、I. Balbin、N. C. Karmakar 和 G. F. Swiegers，"用于低成本物品追踪的基于多谐振器的无芯片 RFID 系统"，IEEE Trans.微波理论与技术》，第 57 卷，第 5 期，第 1411-111 页。5，第 1411-1419 页，2009 年 5 月。
