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论文阅读——Performance Evaluation of Passive Tag to Tag Communications（一）

news 来源：原创 2025/7/30 8:05:44

文章目录

摘要
一、互耦对监听器标签输入阻抗的影响
- A. 无限细偶极子互阻抗的理论研究
- B. 电细偶极子的情况：理论与模拟
- C. 印刷偶极子的情况：电磁模拟与测量
二、T2T 通信系统的性能评估
总结

论文来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/9706201

摘要

在超高频（UHF）无源射频识别（RFID）技术背景下，近期的研究提出了一种新的范式，展示了短距离标签间（T2T）通信的可能性。文章提出一项研究，重点关注 T2T 系统的性能评估。

在不影响所采用方法的一般性的情况下，本文考虑偶极子天线（在理论部分假设为理想情况，然后在研究的其余部分采用印刷天线）。所得结果表明，调制深度（可视为 T2T 系统的评估指标）受到三个主要参数的强烈影响：开关阻抗（此处选择短路和开路）；由构成 T2T 系统的两个标签天线构成的几何配置；以及反向散射通信所依赖的外部源的位置。由于调制深度对这三个或多或少直接相关的参数非常敏感，因此很难预测给定配置的通信质量。同时，本文基于量化结果为定义此类系统的规范提供了指导方针。通过考虑更完整的 T2T 系统（例如包含非相干包络检波器的监听器标签）并引入误码率（BER）作为评估指标，对该研究进行了补充完善。

一、互耦对监听器标签输入阻抗的影响

在 T2T 通信中，由两个标签组成的系统可以表示为两个耦合天线的阵列。RT 通过在两个不同阻抗之间切换其天线负载来发送信息。这两个阻抗的选择将对 T2T 系统性能产生重要影响。根据 RT 的负载阻抗（SC 或 OC），耦合天线阵列的输入阻抗（对应于 LT 端子之间看到的阻抗）将不同。

A. 无限细偶极子互阻抗的理论研究

在本节中，目标是推导两个相同耦合天线互阻抗的解析表达式，无论它们的相对位置如何。为此，假设两个标签天线为理想偶极子天线（称为无限细偶极子），并使用 IEMF 方法对其进行研究，假设感应电流为正弦波。

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图1 两个相同长度的细偶极子的几何配置，RT 的天线相对于 LT 的天线间隔并倾斜.

如图 1 所示，两个天线彼此靠近放置，更确切地说，分别位于 (x_RT , y_RT )和(x_LT , y_LT )。RT 相对于 y 轴的倾斜角度为θ_RT。两个标签之间的距离以波长的分数给出并考虑。在这些考虑下，互阻抗可以使用如下公式表达：
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其中E₂₁是由于 LT 中的电流在 RT 偶极子上每个点 s 处存在的电场强度。l 是偶极子的长度，β 是波数。距离 r、r₁和r₂是从 y 轴到 s 的距离。α、和是正角度。和是 s 的笛卡尔分量。以下方程给出了对应于图 1 的几何参数，以便插入到公式
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图 2 展示了当 RT 短路时，互阻抗作为两个平行细偶极子之间间距 d 的函数的变化。就互阻抗而言，耦合效应在短距离时最大，并随着距离的增加以波纹状逐渐减小。特别地，当距离等于 0.43λ、0.96λ、1.48λ 和 1.98λ 时，观察到互阻抗实部的值为零。应当注意，当 RT 开路时，互阻抗没有影响。图 3 显示了互阻抗作为 RT 天线倾斜角度的函数以及对于不同间距距离：λ/3、2λ/3和 λ 的演变。正如预期的那样，标签之间的间距和它们的倾斜角度显著改变互阻抗。随着两个天线之间的距离 d 增加，此阻抗减小。这是由于天线之间的电磁耦合减小，这将影响系统的有效电磁特性（天线参数，如辐射方向图和匹配特性）。
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图2 当阅读器标签短路时，互阻抗的实部和虚部作为偶极子之间间距 d（归一化值）的函数.

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图3 当阅读器标签短路时，互阻抗的实部和虚部作为 RT 偶极子倾斜角度的函数，对于偶极子之间的几个间距距离 d（归一化值）.

B. 电细偶极子的情况：理论与模拟

两个紧密耦合的标签可以看作是两个被视为相同的天线的矩阵。假设两个标签的相同天线之间具有互易性，则两个天线的自阻抗(Z₁₁ , Z₂₂ ) 和互阻抗(Z₁₂ , Z₂₁ ) 相等。考虑 RT 的两个天线负载（对于 SC 为Z_L,ON，对于 OC 为Z_L,OFF），LT 的输入阻抗可以写为如下公式
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当 RT 分别处于 SC 和 OC 模式时，作为两个偶极子之间间距 d 的函数的 LT 输入阻抗的实部和虚部如图 4 和图 5 所示。正如预期的那样，由于互阻抗的研究，RT 在 SC 模式下的存在在短距离时显著影响 LT 的输入阻抗；并且当标签天线之间的间距增加时，这种影响会减弱。RT 在 OC 模式下对 LT 的输入阻抗没有影响；实际上，不会产生正弦电流。

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图4 监听器标签的计算和模拟输入阻抗。电阻和电抗作为两个无限细偶极子之间间距 d（归一化值）的函数绘制，当阅读器标签短路时.

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图5 监听器标签的计算和模拟输入阻抗。电阻和电抗作为两个无限细偶极子之间间距 d（归一化值）的函数绘制，当阅读器标签开路时.

因此，作为第一近似，这两种方法（例如理论计算和使用 4NEC2 软件的模拟）允许快速评估标签布置对 LT 输入阻抗的影响。然而，它们是有限的，不能考虑任意复杂的天线。为了进一步研究并出于实际考虑，现在将考虑简单但实际的天线。因此，理论部分将不再展开，模拟步骤将使用更精确的电磁模拟器 CST 微波工作室（基于有限元法，FEM）进行，并事先与测量结果进行比较。

C. 印刷偶极子的情况：电磁模拟与测量

由于商业 RFID 标签天线通常基于偶极子天线，在包括实验部分的研究剩余部分中，考虑简单的天线偶极子，例如印刷偶极子。重要的是要注意，根据实际考虑的标签天线配置，观察到的特性可能与此处呈现的不同，但方法和观察到的行为趋势仍然有效。

所考虑的标签天线是在 FR4 材料上的印刷偶极子，基板尺寸为 150 mm×10 mm，铜印刷电路轨道为 134 mm×1 mm）。图 6 显示了模拟模型以及 RT 在每个调制状态（SC 和 OC）下两个紧密耦合天线的照片。如图 7 所示，每个印刷偶极子被设计为在 868 MHz 频率下其自阻抗为 50。图 8 显示了反射系数 S11 以及模拟和测量结果之间的较好一致性。

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图6 RT 在每个调制状态（SC 和 OC）下两个紧密耦合天线的模拟模型和照片.

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图7 印刷偶极子的模拟和测量自阻抗。电阻和电抗作为频率的函数绘制.

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图8 标签印刷偶极子的模拟和测量反射系数.

最后，使用这种天线用于两个标签，构建 T2T 系统，并针对所考虑的两种情况（RT 处于 SC 模式和 OC 模式）模拟和测量 LT 的输入阻抗。假设为平行布置，图 9 和图 10 显示了输入阻抗的实部和虚部作为天线之间距离 d 的函数以及相对于两个 RT 负载的情况。模拟结果与实验结果一致，我们可以观察到两者之间的良好一致性。此外，应当注意，观察到的行为与在先前更理想的情况下获得的行为非常相似。特别是，RT 在短路时存在的微弱影响，相反，当它处于短路时影响更大。

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图9 监听器标签的模拟和测量输入阻抗。电阻和电抗作为两个印刷偶极子之间间距 d（归一化值）的函数绘制，当阅读器标签开路时.

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图10 监听器标签的模拟和测量输入阻抗。电阻和电抗作为两个印刷偶极子之间间距 d（归一化值）的函数绘制，当阅读器标签短路时.

二、T2T 通信系统的性能评估

见下篇

总结

在新型无源 RFID T2T 系统的背景下，本文研究了标签之间的相对位置（以及因此它们的互耦合）和外部射频源的方向对通信性能的影响。调制深度（可视为 T2T 系统的评估指标）受到三个主要参数的强烈影响：开关阻抗；由构成 T2T 系统的两个标签天线构成的几何配置；以及外部源的位置。由于调制深度对这些或多或少直接相关的参数非常敏感，因此很难预测给定配置的通信质量。

例如，当两个标签平行且源对称放置时，随着标签之间的距离从 0.1λ 增加到 1λ（λ 为波长），调制深度呈现振荡下降趋势：其值从 70% 降至小于 5%。但是如果修改源位置，那么调制深度会显著变化，并且有可能确定比其他配置更优的配置。这个例子表明，T2T 系统根据所考虑的配置表现出不稳定的性能，这在实践中是一个限制因素。未来的应用必然需要考虑这些方面。还应注意，ISO 18000 - 6C 标准要求 RFID 阅读器使用大于 80% 的调制深度。然而，在其他论文中，提出了一种优化的解调器，可在接近 20% 的调制深度下运行。T2T 系统的部署肯定需要这样的方法和无源接收器的新进展。

因此，通过考虑一系列非常完整的场景，本研究有助于说明和解释这些参数的相互作用及其对调制深度的影响。同时，本文基于量化结果为定义此类系统的规范提供了指导方针。通过考虑更完整的 T2T 系统（包括这里作为解调器的非相干包络检波器）并引入误码率作为评估指标，对该研究进行了补充完善。

在展望方面，考虑复杂（在实践中更现实）的阻抗而不是简单的负载阻抗（例如短路和开路）可能很有趣，以研究是否有可能提高调制深度。另一方面，但以增加复杂性为代价，在天线附近添加寄生元件也可以提供额外的自由度来区分两个调制状态。还要注意，T2T 通信有几个潜在的应用，例如在其他论文的展望部分中有所描述。还需要设想其他应用，以便找到对 T2T 系统部署有意义的应用场景。

在本研究中，为了举例说明并清晰阐述观点，提出一个潜在应用，即一个无源系统，用于监控安全设备的使用情况。只有当附着在每个安全设备上的标签的相对位置处于正确配置时，标签之间的通信才会建立。通过检查标签之间的通信，例如当人员通过固定有射频源（例如具有已知位置）的门时，可以避免用户的潜在误放或疏忽。此类应用仍有待开发，但本文呈现的结果可以提供限制和遵循的指导方针。