Radiation efficiency measurement method of balanced passive UHF RFID dipole tag antennas

Abstract

Radio frequency identification (RFID) is a quickly developing technology for wireless identification of objects. In an RFID system, objects to be identified are equipped with a tag consisting of an antenna and an application specific integrated circuit (ASIC). The electronic product code (EPC) is located in the memory of the ASIC, which is sensed by the RFID reader. The tag plays a key role in determining the quality of the passive UHF RFID system. To assure long range performance, the tag is optimised to operate in a specific application environment. More recently, much attention is paid to application areas within biomedical engineering, in which wearable tags for on-body use could provide real-time remote bio-monitoring of humans. Concurrently with the continuously developing RFID, new type of antenna materials and antenna structures are emerging and studied to fulfil the requirements encountered in the new RFID application areas. Pioneering tag designs where the tag antenna structure is formed using conductive ink or conductive threads have been proposed as competitive materials to conventional etched copper. The conductive ink can directly be printed on various flexible substrates or directly on the object that is to be identified. Conductive thread can be sewed seamlessly on garments worn by humans. The sewed antennas are almost tailor-made for wearable applications. The new materials used to form the complex antenna conductive patterns or substrates are challenging to model accurately. In this work, a novel radiation efficiency measurement method is developed and verified for measurement of passive ultra high frequency (UHF) RFID dipole tag antenna in order to characterise the tag antenna structure losses in practise. The method is purely based on measurements of three fundamental tag antenna parameters: realised gain, directivity, and power transmission coefficient. Even though the measurement method is prone to errors, and limited, although reasonable, measurement accuracy is achieved, it provides a powerful tool for characterisation of complex antenna material structures losses. The acquired information can be used to optimise tag antenna material structures and to improve tag antenna performance and reliability, which is crucial for widespread use of RFID to become reality.

Radiotaajuinen tunnistus (engl. Radio Frequency Identification, RFID) on nopeasti kehittyvä tekniikka kohteiden langatonta tunnistusta varten. RFID järjestelmässä tunnistettavat kohteet varustetaan tunnisteilla. Tunnisteet koostuvat antennista sekä sovelluskohtaisesta integroidusta piiristä. Integroidun piirin muisti sisältää tunnistettavan kohteen yksilöllisen elektronisen tunnistekoodin (engl. Electronic Product Code, EPC). RFID lukija aistii tunnistekoodin. Passiivisen UHF (engl. Ultra High Frequency) RFID järjestelmän hyvyys määräytyy pitkälti tunnisteen ominaisuuksista. Tunniste suunnitellaan toimimaan tietyssä sovellusympäristössä mahdollisimman pitkän tunnistusetäisyyden takaamiseksi. Viime aikoina RFID on saanut lääketieteellisissä sovelluskohteissa merkittävästi huomiota. Näissä sovelluksissa puettavat RFID tunnisteet ihmiskehon lähellä voisivat mahdollistaa ihmisen langattoman reaaliaikaisen biomonitoroinnin. RFID:n jatkuvan kehityksen ohella uudenlaiset antennimateriaalit sekä -rakenteet uusiin RFID sovelluskohteisiin ovat herättäneet kiinnostusta. Uudenlaiset tunnisteet, joissa antennirakenteet muodostetaan tulostamalla johtavaa mustetta tai ompelemalla johtavalla langalla, ovat osoittautuneet kilpailukykyisiksi materiaaleiksi perinteisen etsatun kuparin rinnalla. Johtava muste voidaan tulostaa erilaisiin joustaviin substraatteihin tai suoraan tunnistettavaan kohteeseen. Ommellut tunnisteet voidaan vaivattomasti ja saumattomasti integroida vaatekappaleisiin ja ne ovat kuin räätälöity puettavan elektroniikan sovelluksiin. Uusien materiaalien tarkka mallinnus on haastavaa niiden muodostaessa monimutkaisia antennirakenteita ja substraatteja. Tässä työssä kehitetään ja verifioidaan uudenlainen menetelmä passiivisten UHF RFID dipoli-tyyppisten antennitunnisteiden säteilyhyötysuhteen mittaamiseen. Menetelmän avulla saadaan arvokasta tietoa antennirakenteen todellisista häviöistä. Esitetty menetelmä nojautuu puhtaasti kolmen fundamentaalisen tunnisteparametrin mittaamiseen: realisoituneeseen vahvistukseen, suuntaavuuteen sekä tehonsiirtokertoimeen. Vaikka mittausmenetelmä on altis mittausvirheille ja tarjoaa rajoitetun, mutta tyydyttävän mittaustarkkuuden, se mahdollistaa tehokkaan työkalun monimutkaisten antennirakenteiden häviöiden karakterisoimiseen. Mittauksesta saatu tieto voidaan hyödyntää antennirakenteiden optimoimiseen sekä tunnisteantennin suorituskyvyn ja luotettavuuden parantamiseen. Tämä on tärkeä edellytys RFID:n laajan käyttöönoton toteutumiselle.