HF/UHF dual mode RFID transponder antenna and HF range extension via wireless power transmission

Abstract

YF/PYF uyumlu RFID anten tasarlanmakta, iki bandta çalışacak şekilde ve YF frekansta okuma/yazma mesafesinin geliştirilmesi amaçlı simulasyonlar ve ölçümler yapılmaktadır. İki band uyumlu tasarlanan RFID anten her iki modun ayrı ayrı avantajlarını kullanarak, herbir bandın ayrı ayrı kullanılması sırasında meydana gelen dezavantajları ortadan kaldırmaktadır. Tasarlanan anten, istenildiğinde sadece YF'de, istenildiğinde PYF'de ya da tercih edildigi takdirde PYF kullanılarak YF'de okuma/yazma mesafesinde artış sağlayabilecek şekilde kullanılabilmektedir.YF'de standardlardaki belirlenen limitlerden dolayı ortaya çıkan kısıtlı okuma/yazma mesafesi problemi, yeterli miktarda güç aktarılabildiği takdirde ortadan kalkabilmektedir. PYF kullanarak okuyucu tarafından güç YF anten üzerine aktarılmaktadır. Bu tür bir uygulama için alıcı-verici anten iki bandda çalışacak şekilde olmalıdır. Kullanılması gereken doğrultucu devre maksimum verim verecek şekilde tasarlanmalıdır. Yapılan ölçümler sonucunda PYF'de çalışacak doğrultu devre verimliliği %63 olarak ölçülmüştür. YF ve PYF antenlerin aynı yapı üzerinde kullanılması düzgün birşekilde sağlanmış ve simulasyon sonuçları ölçüm sonuçlarıyla desteklenmiştir.PYF'de çalışan RFID sistemleri daha iyi okuma/yazma mesafeleri sağlamalarına rağmen, metal, plastik gibi maddeler içeren yüzeyler üzerindeki uygulamalarda çevre faktörlerinden kolaylıkla etkilendiklerinden ötürü gözle görülür performans kayıplarına maruz kalmaktadırlar. Bu yüzden PYF RFID sistemleri için çevreden en az şekilde etkilenmesi ve uygulanan her türlü ortama karşı performans kaybı yaşanmaması adına gereksinimler vardır. Geçmişte bu konuda çalışmalar yapılmasına rağmen, yapılan tüm çalışmalar dipol benzeri ya da yarıklı dipol benzeri yapılar üzerine olmuştur. Yapılmış olan bu çalışmada altta bulunan metalin oluşturmuş olduğu çevre etkenlerine karşı izolasyon etkisinden dolayı yama anten kullanılmaktadır. Böylelikle metalik ve plastik içeren yüzeylerin tasarlanan anten üzerindeki olumsuz etkileri en aza indirilmektedir. Tasarlanan antenin performans metrikleri şu an kullanılmakta olan ve Texas Instruments tarafından geliştirilmiş alıcı-verici anten ile karşılaştırılmaktadır. Simulasyon ve ölçüm sonuçları tasarlamış olduğumuz antenin, Texas Instruments tarafından geliştirilen alıcı-verici antene göre daha iyi anten kazancı değerleri verdiğini göstermektedir.

A novel HF/UHF compatible RFID transponder antenna is designed, simulated and measured for dual band operation and HF range increase. Dual mode compatible RFID transponder antenna enjoys the benefits of each mode and eliminates the disadvantages of single mode operation. The transponder antenna can easily be configured for either HF mode, or UHF mode only, or HF mode with UHF range extension mode.Limited range of HF RFID systems can be overcome if more power can be delivered to the transponder antenna which could not be achieved in HF band due to near-field strength regulations set by the standards. However, using UHF band, wireless power can be delivered by the reader to the HF transponder. To achieve such operation, the transponder antenna must be dual band. The rectify circuit for wireless power transmission at UHF band must also be optimized for maximum efficiency and we obtained about 63% system efficiency when measured from end-to-end. The influence of coexistence of HF and UHF antennas on the same structure are well characterized and measured to corroborate simulation results.Even though UHF RFID has benefit in having better read/write range capability, these tags can get easily affected by the surroundings or application environment such as on/near metal and plastics. When tags are placed in such environments, tag impedance can change and detune easily, and also radiation characteristics may change considerably, which, in turn, makes the UHF tag less reliable. Therefore, there is a need for an UHF RFID tag that is less sensitive to environment and is capable of preserving radiation characteristics in such environments. Although several studies which address this issue have been reported in the literature, they are all limited to dipole-like or slot dipole-like structures. We propose a microstrip antenna where its ground serves as isolation to its surroundings such that its main electrical performance metrics do not change drastically when placed on or near metallic structures. The performance of the designed antenna has been compared to that of a Texas Instruments transponder antenna, which has widespread use for many UHF applications. We prove that our transponder antenna behaves much better than TI?s antenna under a variety of typical RFID applications.