Характеристика акустической RFID-метки в 3-х осевой зоне чтения

Аннотация - В этой статье мы представляем характеристику объемного чтения для акустических RFID-систем. Измерения S21 параметра проводились в реальной среде с фиксированной антенной и подвижной меткой внутри объема 30 × 30 × 30 см 3 , Полученным результатом является зона считывания для данной установки. Проведен качественный анализ, показывающий считываемость метки в трехмерном пространстве.

В этом исследовании мы показали, что наибольшая область считываемости составляет приблизительно 300 см 2 с вероятностью успеха чтения 40% внутри этой области.

ВВЕДЕНИЕ

Акустические RFID метки стали постоянно развивающейся темой для исследований, учитывая то, что они предлагают решение для автоматической идентификации, которое может конкурировать с традиционными системами штрих-кодов, позволяя считывать данные в режиме прямой видимости, сохраняя при этом низкую стоимость по сравнению с традиционными системами RFID. Аналогично вышеупомянутым системам идентификации, акустическая RFID-система состоит из: метки, содержащей определенную резонирующую структуру; считывателя, который отправляет сигнал запроса и принимает сигнал, отраженный меткой; и базы данных - которая декодирует полученную информацию и связывает ее с уникальным идентификатором [1]. Многие исследования посвящены увеличению способности кодирования меток и уменьшению их размеров, как можно видеть в [2], в целом, указывая их временные или частотные характеристики. В некоторых работах, в основном сфокусированных на считывателе, упоминается диапазон считывания системы для меток, расположенных прямо перед антенной, как видно на [3].

В этой работе мы сконцентрируемся на характеристике объема в пространстве, в котором акустическая RFID-метка правильно декодируется, и проанализируем результаты, полученные в ходе проведения исследований по локализации метки, расположенной в объеме 30 * 30 * 30 см³.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Используемая конфигурация установки показана на рис. 1. Установка была размещена в реальной среде, в окружении объектов, без использования какого-либо материала, абсорбирующего электромагнитное излучение.

Антенна расположена вверху на неподвижном кронштейне в моностатической конфигурации. Используемая антенна представляет собой широкополосный четырехполюсный передатчик с двойной поляризацией (SATIMO QH2000), который может работать в диапазоне 2–32 ГГц и имеет усиление в диапазоне от 6 до 11 дБи в одном направлении. Полоса пропускания от 2 до 10 ГГц. Эта антенна подключена к портативному микроволновому анализатору FieldFox (Keysight N9918A) с выходной мощностью 10 дБм. Порт 1 подключен к порту антенны вертикальной поляризации для передачи, а порт 2 подключен к антенне горизонтальной поляризации для приема. Поэтому параметр S21 обеспечивает ответ метки при кросс-поляризации(VH). Метка помещается вниз на конце механического подвижного рычага, который управляется программным обеспечением. Начальное положение метки - находится в центре перед антенной, на расстоянии 0,2 см, что соответствует начальному положению, заданному координатами . Рычаг может перемещаться внутри заданного объема, определенного   как , а также , что соответствует красному прямоугольнику, изображенному на рис. 1. Применяемый шаг смещения составляет 1 см по одному осевому направлению за раз. Всего было выполнено 29791 измерений, каждое для отдельного набора координат внутри описанного объема.

Рисунок 1. Настройка конфигурации в реальной среде

Для каждой позиции мы измеряем отклик метки и вычитаем «пустое» значение, которое было измерено ранее, только один раз, без присутствия метки. Это делается для устанвление прямой связи между антеннами и воздействием окружающей среды [3, 4]. Все измерения были сделаны без использования временных методов.

Для этого исследования все измерения были выполнены с использованием эполяризационной метки, представленной в [4], показанной в верхнем левом углу рисунка 1. Эта метка была реализована с 0,8 мм подложкой RO4003 (£_r= 3,55, tan_ϭ = 0,0025). ) и заземляющей подложкой, которая имеет общую поверхность 8,5 * 5,3 мм2. Она содержит восемь независимых резонаторов, каждый из которых состоит из набора из пяти одинаковых закороченных полосковых диполей, ориентированных под углом 45°. Каждый из этих резонаторов связан с одной пиковой частотой, между 3 и 7 ГГц. Идентификатор метки определяется положением этих восьми резонансов, которые определяются длинами каждого набора диполей.

 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ

В этом разделе сначала описывается метод декодирования для используемой метки, а затем описание и оценка объема чтения. На рис. 2 (а) и (б) показаны два примера измерения S21 для ранее описанной метки. Для декодирования этой метки общая ширина полосы делится на 8 полос по 400 МГц, которые, в свою очередь, делятся на 4 подполосы по 100 МГц. Положение пика в каждой полосе определяет 2 бита результирующего кода, за исключением восьмого резонатора, который имеет только две возможные полосы и может кодировать один бит (определяется из-за низкой добротности контура). Следовательно, общая емкость этой метки составляет 15 бит. На рис. 2 (а) представлено правильное считывание метки для положения (0, 0, 13) см, где каждый пик расположен в правильном поддиапазоне для кодирования всех нулей (обозначенных зеленым прямоугольником). Рис. 2 (b) показывает неправильное считывание метки для позиции (1, -6, 13) см, где четвертый пик неправильно декодирован как «11».

Рисунок 2. Измерение S21: (a) Пример правильного считывания акустической RFID-метки при положении (0,0,13) см; (б) неправильное чтение метки с положением (1, -6, 13) см

На рис. 3 (а) мы видим объем, в котором метка может быть правильно прочитана. Синие маркеры соответствуют правильному чтению метки, а отсутствие маркера указывает на позиции, где метка не была прочитана. Мы можем видеть, то что когда метка находится в непосредственной близости от антенны (например, z = 1 см), область, в которой она считывается, мала и центрируется непосредственно перед антенной, так как z увеличивается, и метка находится дальше от антенны, соответствующая область чтения также увеличивается. Обратите внимание, что метка может быть правильно прочитана в ближней зоне. Однако для качественного сравнения мы также представляем измеренную диаграмму направленности SATIMO QH2000, рис. 3 (б). Мы можем видеть, что объем чтения связан с диаграммой направленности антенны. Несмотря на то, что область считывания увеличивается с расстоянием, при z> 20 см мы замечаем, что даже в области с центром перед антенной метка может быть неправильно декодирована, это связано с меньшей принимаемой мощностью на этих расстояниях.

Следовательно, существует компромисс между областью чтения и способностью правильно читать метку. Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, мы определяем область считывания в виде прямоугольника, который включает в себя все правильные показания, выполненные в этой плоскости, а показатель успешности считывания определяется числом правильных показаний по количеству позиций внутри этой области. Результаты представлены на рис. 4 для разных плоскостей и суммированы в таблице 1. Мы видим, что область считывания достигает более 300 см2 для z ≥15 см. Показатель успешности чтения начинает уменьшаться при z ≥ 25см.

Рисунок 3. Трехмерная характеристика: (а) представление объема, в котором метка читается правильно; (b) Диаграмма направленности, измеренная для вертикального расположения антенны, при 5,5 ГГц

Рисунок 4. Положения, где метка был успешно прочитана (красным) для разных плоскостей xy

Таблица 1. 

Область чтения и уровень успешности для различных состояний

ВЫВОДЫ И БУДУЩАЯ РАБОТА

В этой статье мы охарактеризовали трехмерную зону считывания для акустической RFID-системы, определили максимальное расстояние считывания, зоны считывания и соответствующие показатели успешности для разных расстояний, мы увидели, что эти результаты связаны с диаграммой направленности антенны и имеют компромисс между этими факторами. Мы также увидели, что считывание можно проводить в ближней зоне, точнее в тех областях, где плотность электромагнитной энергии высока.

Дальнейшая работа может принять во внимание различия, наблюдаемые в объеме чтения для меток и без заземления; сравнить производительность различных методов декодирования; включить более обширное исследование, включающее ориентацию метки относительно антенны считывателя; провести аналогичное исследование для системы, состоящей из метки и недорогого RFID-считывателя [3].