はじめに
RFID タグシステムをXFdtd EM シミュレーションソフトウエアで検証し、大量に使用するために非常に低コストの部品が必要な状況で使用できる性能を検証する。この例は、出版された学術論文 [1] に記載されたシステムから派生したものです。RFIDタグは、タグコードの各ビットを表す特定の周波数に調整されたスパイラル共振器を備えたマイクロストリップデバイスとして構成されています。共振器は2つの交差偏波超広帯域（UWB）モノポール・ディスク・アンテナに接続され、スキャニング・システムからの信号を受信・送信する。システムは、2.0～2.5GHzの間で100MHz間隔で共振する6ビットをエンコードできる設計で実証されている。テストは、RFIDタグからの信号を送受信する2つの交差偏波対数周期ダイポールアレイ（LPDA）アンテナを使用して行われる。
デバイス設計とシミュレーション
赤色の材料は厚さ0.787 mmのTaconic TLX0基板（比誘電率2.45、損失正接0.0019）、緑色の材料は完全導体材料である。タグの6ビットを形成する6つのスパイラル共振器を保持する中央部分の左（水平）と右（垂直）に、2つの交差偏波UWBモノポール・ディスク・アンテナが見える。図2に、スパイラル共振器の1つのクローズアップ図を示す。各スパイラル共振器の寸法は、連続するスパイラル共振器ごとに共振周波数が100 MHzずれるように若干変更されている。RFIDタグの裏面には、ディスク・アンテナではなく、スパイラル共振器の下をグランド・プレーンが覆っている。
図1：2つのUWBモノポール・ディスク・アンテナと6つのスパイラル共振器からなるRFIDタグをXFdtdのCADモデルとして示す。
図2：スパイラル共振器の1つの詳細図を示す。螺旋の共振をずらし、RFIDタグの異なるビットを作成するために、螺旋の寸法がわずかに変更されている。
このシステムは、2本のアンテナのうち1本で偏波された外部ソースからの信号を受信する。スパイラルからの共振は、次に交差偏波された第2のアンテナを介して送信され、一致する偏波で第2の外部アンテナによって受信される。アンテナ間のクロストークを減らし、RFIDタグからの信号を分離するために、アンテナは交差偏波されている。
図 3 に示す UWB モノポール・ディスク・アンテナを、最初は単独で解析します。このアンテナは、方位角方向の同偏波の場合（図4）には均一な利得を持ち、交差偏波の場合（図5）には低い利得を持つ典型的なモノポール・パターンを持つことがわかります。アンテナのリターンロスは、図6に示すように、非常に広い周波数範囲で許容できるレベルです。
図3：UWBモノポール・ディスク・アンテナをXFdtdのCADモデルで示す。
図4：UWBモノポール・ディスクの同偏波利得パターンはアンテナの周囲で均一である。
図5：UWBモノポール・ディスク・アンテナの交差偏波利得パターンは、RFIDタグのクロストーク干渉を低減するのに役立つ非常に低い利得を持つ。
図6：UWBモノポール・ディスク・アンテナのリターンロスは、広い周波数範囲で良好な性能を示している。
RFIDタグの中心にある図7に示すスパイラル共振器の寸法は、それぞれが2.0GHzから2.5GHzまでの1ビットを100MHz間隔で表すように調整されている。共振器を単独でシミュレートすると、図 8 に示すように、S21 マグニチュード・プロットの所望の周波数で深いヌルが発生します。S21信号の位相は、特定の周波数における位相シフトを検出することによって、ビットを示すために使用することもできる。これは図9に示されており、2.0～2.5GHzの希望する各位置に急峻な位相シフトが見られます。
図7：RFIDタグの6ビットコードを生成する6要素のRFIDタグを示す。
図8：RFIDタグの振幅応答を単体で分析すると、2.0～2.5GHzの6ビットが明確に定義されている。ここでは000000の応答を示している。
図9：RFIDタグの位相応答を単体で分析すると、000000タグの6つのビット位置のそれぞれで急峻な位相シフトが見られる。
完全なシステムの性能をテストするには、RFIDタグに信号を送り、RFIDタグからのコード化された応答を受信する外部ソースが必要である。これは2つの交差偏波LPDAアンテナによって処理されます。LPDAアンテナの1つを図10に示す。LPDAは強い同偏波信号を低い交差偏波利得で順方向に送信するように設計されています。2.0GHzにおけるLPDAの同偏波利得を図11に示します。図12には、順方向の利得（利得のピーク位置）を周波数に対してプロットしています。LPDAの初期設計では、リターンロス性能が望ましいものではなかったため、入力ポートにマッチング回路を追加しました。マッチング回路は、電圧源給電に追加された直列インダクタと並列コンデンサで構成されています。その結果、図13に示すように、対象周波数範囲にわたってリターンロスが大幅に改善されました。
図10: LPDAアンテナモデルの1つをXFdtdで示す。
図11：LPDAアンテナのパターンは、強い順方向利得と低い交差偏波を持つ。
図12：LPDAアンテナの順方向利得は、広い周波数範囲で7dBi以上。
図13：LPDAアンテナのリターンロスは、シンプルな整合回路の追加によって大幅に改善され、対象範囲全体にわたって非常に優れた性能を示している。
システム全体をテストするために、2つのLPDAアンテナをRFIDタグから5cm離して設置し、LPDAアンテナの1つを垂直モノポール、もう1つを水平モノポールに合わせます。RFIDタグは、000000（すべてのスパイラルが共振）、010101、111111（すべてのスパイラルが短絡）の3つの異なるビットの組み合わせでテストされます。図 15 に示すように、小さな正方形の導線をスパイラルに追加することで、1 つのスパイ ラルを短絡させ、ビットを 1 に設定することができる。結合されたシステムの出力は、元の論文で行われたように、111111タグの結果を参照として使用して表示される。これにより、試験システムによって導入された応答が除去されるため、タグのヌルの視認性が向上します。000000タグの調整済み振幅プロットを図16に示しますが、6ビットを表すヌルには数dBの差があることが明 瞭にわかります。010101タグの調整済み振幅プロットを図17に示しますが、ここでも2.0、2.2、2.4GHzの3つのビットがこれらの位置のヌルで表されています。同様に、位相応答を111111タグ信号で正規化し、000000タグの位相を図18に、010101タグの位相を図19に示します。
図14：RFIDシステム全体がー送受信用LPDAアンテナアンテナ、RFIDタグはUWBディスクアンテナ、ー送受信用LPDAアンテナ。タグは送受信アンテナから5cm離れている。
図15：ビットは、スパイラルのアームに短絡線を追加することで0から1に設定される。これにより、対象周波数帯域からスパイラルの共振が取り除かれる。
図16：RFIDシステムの調整済み振幅応答を000000タグについて示す。ここで、タグの応答は、わかりやすくするため、111111タグの応答で正規化した後に示されている。
図17：RFIDシステムの調整済み振幅応答を010101タグについて示し、3つの0ビットが2.0、2.2、2.4GHzで見える。
図18：RFIDシステムの調整済み位相応答を000000タグについて示す。0ビットは、2.0～2.5GHzで100MHzの急峻な位相シフトとして見える。
図19：RFIDシステムの調整済み位相応答を010101タグについて示しており、0ビットが2.0、2.2、2.4GHzで急峻な位相シフトとして見える。
概要
この例では、ビットを示すためにスパイラル共振器を使用する、低コストのチップレスRFIDタグシステムの性能を実証した。共振器の性能は、単独でテストした場合、非常に良好であり、S パラメーターデータにはビット信号が非常に明瞭に示されている。送信アンテナと読み取りアンテナを数センチ離した完全なシステムに組み合わせた場合、システムは認識可能なビットパターンを生成し、この設計が実現可能であることが証明された。
参考までに：
[1] S. Preradovic, I. Balbin, N. C. Karmakar, and G. F. Swiegers, "Multiresonator-Based Chipless RFID System for Low-Cost Item Tracking,"IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no.5, pp.1411-1419, May 2009.
