Применение высокодобротных керамических резонаторов в системах радиочастотной идентификации и микроволновых сенсорах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Юсупов Ильдар

• Юсупов Ильдар
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Юсупов Ильдар

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Обзор литературы по теме диссертации

1.1 Технология радиочастотной идентификации

1.2 Структура УВЧ RFID меток

1.3 Сенсоры на основе технологии RFID

1.4 Бесчиповые RFID метки и сенсоры

1.5 Применение RFID сенсоров

1.6 Диэлектрические резонаторы и их применение в СВЧ технологиях

1.7 Высокодобротные моды в диэлектрических резонаторах

1.8 Выводы к первой главе

Глава 2. Исследование миниатюризации керамической RFID метки

2.1 Керамическая RFID метка

2.2 Миниатюризация керамической метки

2.3 Выводы ко второй главе

Глава 3. RFID метка для маркировки металлических поверхностей

3.1 Численное исследование керамической RFID метки для маркировки металлических объектов

3.2 Экспериментальное исследование керамической метки для металлической поверхности

3.3 Оценка дальности считывания керамической метки на металле

3.4 Применение керамической метки на металлической поверхности для отслеживания температуры

3.5 Выводы к третьей главе

Глава 4. Пассивный микроволновый сенсор температуры на основе суперрезонансных мод в диэлектрическом резонаторе

4.1 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости керамических резонаторов

4.2 Геометрия температурного сенсора

4.3 Определение параметров сенсора

4.4 Экспериментальное исследование температурного сенсора

4.5 Выводы к четвертой главе

Глава 5. Пассивный микроволновый сенсор по определению диэлектрических параметров жидкостей на основе суперрезонансных мод

5.1 Геометрия сенсора по определению параметров жидкости на основе керамического резонатора

5.2 Численное исследование оптимизации резонатора

5.3 Экспериментальное исследование сенсора

5.4 Выводы к пятой главе

Заключение

Список обозначений

Список литературы

Благодарности

Приложение А

Приложение Б

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение высокодобротных керамических резонаторов в системах радиочастотной идентификации и микроволновых сенсорах»

Актуальность

Технология RFID (Radio Frequency Identification) представляет собой одну из передовых беспроводных технологий для идентификации объектов с использованием радиоволн. Она позволяет автоматизировать процессы учета и отслеживания товаров, обеспечивая мгновенное считывание данных с RFID меток без необходимости прямой видимости. Это значительно повышает эффективность и точность в различных отраслях, включая логистику, розничную торговлю, медицину и производство. Принцип работы RFID основан на модулированном обратном рассеянии: считывающее устройство отправляет радиосигнал, который улавливается антенной метки. Метка, используя энергию этого сигнала, модулирует его и отражает обратно к считывателю. Помимо идентификации, активно исследуются возможности применения RFID для определения таких параметров как температура, влажность, освещенность, а также характеристики материалов, такие как их диэлектрические свойства. Таким образом становится возможным отслеживание не только положения маркированного объекта, но и передача телеметрической информации. Исследование радиочастотных меток и сенсоров является бурно-развивающейся областью науки и техники за последние 25 лет. Количество публикаций по данной теме достигает 15800 работ, опубликованных в 2023 году согласно базе данных Гугл Академии, что связано со все большим развитием глобального концепта Интернета Вещей.

С развитием технологии расширяется и спектр задач для разработчиков в области проектирования RFID меток и сенсоров. К таким задачам можно отнести миниатюризацию меток, достижение всенаправленного считывания, возможностью маркировки металлических объектов для меток, а также общее повышение точности разрабатываемых RFID сенсоров. Большую часть этих задач современные разработчики меток решают за счет проектирования новых геометрий антенн, а также применения более продвинутых RFID чипов. Однако данные методы имеют свои ограничения, в частности миниатюризация металлических дипольных меток

стандартными методами меандрирования приводит к возрастанию омических потерь в структуре и как следствие уменьшению дальности отклика.

Перспективным решением может быть применение диэлектрических материалов в качестве основы для меток, так как текущее технологическое развитие позволяет создавать композитные материалы с высокой диэлектрической проницаемостью при сохранении малого уровня тангенса диэлектрических потерь. Низкие дис-сипативные потери позволяют уменьшать объем резонаторов без существенного проигрыша в дальности считывания. Кроме того, разработка пассивных сенсоров, использующих только керамические резонаторы, делает их пригодными для работы в агрессивной среде, где электронные компоненты не могут быть использованы.

Стоит отметить, что в диэлектрических резонаторах могут наблюдаться уникальные резонансные состояния (анаполь [1], высшие типы мод, моды шепчущей галереи [2], суперрезонансные моды или квази-связанные состояния в кон тинууме [3]). Комбинация низких диэлектрических потерь на диссипацию в сочетании с малыми потерями на излучение благодаря уникальным модам резонатора, способствует достижению высокодобротных откликов. Это позволяет применить их в новых типах устройств СВЧ (сверхвысоких частот). В частности, высокая добротность резонанса важна для пассивных сенсоров, работающих на методе спектрометрии. Точность измерений напрямую зависит от двух основных параметров: чувствительности, которая зачастую определяется используемым материалом сенсора, и разрешающей способности, зависящей от полосы возбуждаемого отклика, что позволяет фиксировать минимальные изменения измеряемого параметра по смещению резонансного пика. Таким образом использование высокодобротных мод диэлектрических резонаторов позволит повысить точность разрабатываемых сенсоров по сравнению с аналогами на основе классических резонансных структур.

Исходя из вышеперечисленных фактов, актуальным направлением является разработка новых компактных и высокоточных устройств для систем Я^ГО и сенсоров. В рамках данной диссертации решается задача разработки и исследования двух типов устройств на основе керамических материалов: компактных меток на основе цилиндрических резонаторов с возможностью размещения на

металлической поверхности и новых типов пассивных микроволновых сенсоров на основе высокодобротных резонаторов. Несмотря на наличие ведущих производителей RFID-решений, таких как АО «Микрон», ООО «РСТ-Инвент» и ООО «САУК», число научных групп, занимающихся новыми разработками в этой области внутри России, ограничено. Таким образом, представленная диссертация не только укрепляет фундамент научного задела по данной тематике в РФ, но и демонстрирует передовые исследования ученых из России наряду с глобальными разработками.

Целью работы является разработка устройств меток радиочастотной идентификации и сенсоров на их основе за счет использования керамических резонаторов с высокой добротностью. Ниже приведены научные задачи в рамках исследования:

1. Исследование пределов миниатюризации RFID меток диапазона ультравысоких частот (УВЧ) на основе металлических и керамических материалов.

2. Демонстрация возможности применения керамической RFID метки на основе высокодобротного керамического резонатора для маркировки металлических поверхностей.

3. Исследование влияния температуры на диэлектрическую проницаемость материала керамических резонаторов.

4. Разработка и исследование высокоточного пассивного микроволнового температурного сенсора на основе использования высокодобротной моды резонатора, характеризующейся низкими потерями на излучение.

5. Разработка и исследование высокоточного пассивного микроволнового сенсора для определения диэлектрических параметров жидкостей.

Методы исследования

1. Численное моделирование меток и сенсоров было выполнено в программных пакетах CST Studio Suite. Распределение электромагнитных полей и вычисление коэффициентов отражения малых петлевых антенн, размещенных вблизи

исследуемых структур, были получены методом конечных разностей во временной и частотной области.

2. Аналитическое исследование входного импеданса RFID метки было проведено с помощью программного пакета Wolfram Mathematica.

3. Экспериментальные исследования RFID меток и сенсоров проводились в условиях безэховой камеры. Измерения проводились при помощи лабораторных антенн (антенна Вивальди, набор малых петлевых антенн), подключенных к векторному анализатору цепей Rohde & Schwartz ZVB-40.

4. Регистрация считывания RFID меток была проведена при помощи RFID считывателя Impinj R2000.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Керамический резонатор с высокой диэлектрической проницаемостью £ = 500, настроенный на фундаментальную моду, в составе метки для радиочастотной идентификации обеспечивает дальность считывания в 22 метра при размещении на металлической поверхности и позволяет уменьшить объем метки в 3.5 раза по сравнению с ближайшим аналогом на основе многослойной патч-антенны.

2. Компактный керамический резонатор, параметры которого оптимизированы для возбуждения высокодобротной суперрезонансной моды на основе связанных состояний в континууме, позволяет с высокой точностью отслеживать температуру среды с разрешением 0.2 градуса, что превышает разрешение при использовании фундаментальной моды в 2.2 раза.

3. Керамический резонатор, параметры которого оптимизированы для возбуждения высокодобротной суперрезонансной моды на основе связанных состояний в континууме, позволяет с высокой точностью определять диэлектрическую проницаемость исследуемой жидкости, размещенной в экваториальной пучности электрического поля, достигая чувствительности на 26% больше, чем при использовании фундаментальной моды.

Научная новизна

1. Впервые показаны общие достоинства применения керамических резонаторов с высокой добротностью в технологиях Я^ГО, позволяющих добиться сравнительно превосходящих характеристик в компактности устройства меток и дальности считывания по сравнению с металлическими аналогами.

2. Впервые продемонстрировано применение высокодобротных мод квази-свя-занных состояний в континууме (суперрезонансных мод), возбуждаемых в микроволновом диапазоне для определения температуры окружающей среды с высокой разрешающей способностью по сравнению с использованием фундаментальной моды резонатора.

3. Продемонстрировано применение высокодобротной суперрезонансной моды диэлектрического резонатора для определения диэлектрических параметров жидкости с чувствительностью большей, чем при использовании фундаментальной моды при тех же размерах и материале резонатора.

Теоретическая значимость

1. Исследован предел возможной миниатюризации меток на основе керамических резонаторов.

2. Показана возможность возбуждения высокодобротных суперрезонансных мод на основе связанных состояний в континууме в усеченных наполовину цилиндрах, размещенных на металлическом экране.

Практическая значимость

1. Продемонстрирован новый тип устройств меток и сенсоров на основе компактных керамических резонаторов.

2. Подходы и принципы по проектированию устройств меток и сенсоров могут быть применены в системах логистики для отслеживания маркированных объектов и определения параметров окружающей их среды.

3. Часть результатов работы была выполнена в интересах ОАО «РЖД» в рамках гранта РФФИ.

Достоверность

Достоверность проведенных исследований подтверждается использованием взаимодополняющих аналитических, численных и экспериментальных методов, что позволяет верифицировать и количественно сравнивать полученные данные. Результаты также сопоставляются с аналогичными данными, опубликованными в рецензируемых научных изданиях другими исследовательскими группами. Кроме того, проведенные эксперименты демонстрируют воспроизводимость результатов.

Апробация работы

Основные результаты диссертации были представлены на следующих научно-технических конференциях:

1. 5th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics, METANANO (онлайн, 2020).

2. 6th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO (онлайн 2021).

3. International Conference on Microwaves, Communications, Antennas, Biomedical Engineering & Electronic Systems COMCAS (Тель-Авив, 2021).

4. Актуальные Проблемы Радиофизики АПР (Томск, 2021).

5. 7th International Conference on Smart and Sustainable Technologies SpliTech (Сплит, 2022).

6. 23rd International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications ICEAA (Кейптаун/онлайн, 2022).

7. Wireless Power Transfer Conference & Expo WPTCE (Киото, 2024).

Личный вклад автора

В рамках исследования автором диссертации были сформулированы научные задачи, получены численные и экспериментальные результаты, проведен анализ полученных данных. Автор принимал активное участие в подготовке текстов и графических материалов для научных статей, предназначенных для публикации в рецензируемых журналах, а также в подготовке выступлений на конференциях.

Автором была проведена оптимизация керамической метки для радиочастотной идентификации (Я^ГО) для маркировки металлических поверхностей. Исследования показали соответствие аналитической модели, результатов численного моделирования и эксперимента с применением стандартного оборудования для радиочастотной идентификации.

Автором диссертации был предложен новый тип пассивных микроволновых сенсоров для определения температуры окружающей среды и диэлектрических параметров исследуемых жидкостей. Было проведено численное исследование по определению параметров керамических резонаторов для возбуждения высокодобротных мод, а также серия экспериментов, демонстрирующих работу сенсоров в микроволновом диапазоне.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации включает: страниц - 186; рисунков - 50; таблиц - 13. Список литературы содержит наименований: 165.

Основное содержание работы

В первой главе представлены основы технологии радиочастотной идентификации, продемонстрированы возможности оснащения современных меток сенсорными элементами, показаны их основные преимущества по сравнению с коммерчески доступными аналогами. Также в главе уделено внимание диэлектрическим резонаторам в современных СВЧ-технологиях и возможности наблюдения в таких резонаторах эффекта суперрезонансных мод, обладающих высокой добротностью.

Вторая глава посвящена исследованию классических коммерчески доступных металлических Я^ГО меток диапазона ультравысоких частот (УВЧ, 860-960 МГц). Были рассмотрены основные подходы к проектированию меток, в том числе способы миниатюризации. С практической точки зрения использование полноразмерных дипольных антенн не эффективно, так как зачастую маркируемые объекты могут быть достаточно миниатюрными, таким образом производители нацелены на создание более компактных меток. Широко применяемые методы меандрирования

и использования емкостных нагрузок позволяют уменьшить размеры антенны до Я/15.7, однако дальность считывания становится ограниченной десятками сантиметров ввиду возрастающих омических потерь в металле из-за плотного расположения проводников [4]. Таким образом основным недостатком миниатюризации коммерческих Я^ГО меток является возрастание диссипативных потерь в металле и как следствие уменьшение коэффициента полезного действия (КПД).

В этой главе представлена геометрия керамической Я^ГО метки и демонстрация пределов ее миниатюризации посредством увеличения диэлектрической проницаемости керамического резонатора. В основе Я^ГО метки лежит диэлектрический резонатор цилиндрической формы, размеры и материал которого оптимизированы на возбуждение фундаментальной магнитной дипольной моды (ТЕ010) в пределах частот УВЧ Я^ГО диапазона. Возбуждаемые антенной считывателя токи смещения в диэлектрическом резонаторе создают магнитный поток, пронизывающий разомкнутое металлическое кольцо, в зазор которого впаян Я^ГО чип. Таким образом наводимые в кольце токи активируют чип, обеспечивая модулированное обратное рассеяние и успешное считывание метки.

Главной особенностью данной метки является применение фундаментальной дипольной моды диэлектрического резонатора для рассеяния электромагнитной (ЭМ) энергии считывателя. Изменение диэлектрической проницаемости в сторону увеличения позволяет достичь миниатюрных размеров резонатора при сохранении резонансной частоты в пределах Я^ГО диапазона и оптимального уровня диэлектрических потерь.

Однако уменьшая размеры антенны необходимо учитывать фундаментальное ограничение по добротности Q (предел Чу-Харрингтона) а также техническое ограничение протоколов Я^ГО. Минимальная рабочая полоса, необходимая для приложений УВЧ Я^ГО, определяется протоколом связи, который делит всю полосу на 50 каналов, каждый из которых имеет полосу 200 кГц (для Европы и Российской Федерации соответственно, в других регионах протоколы связи Я^ГО отличаются). Такое разделение на несколько каналов облегчает работу антиколлизионных алгоритмов, позволяя одновременно обмениваться данными нескольким считывателям с

несколькими метками, размещенными в одной и той же зоне. В результате минимальная полоса пропускания метки должна составлять не менее 200 кГц. Стоит отметить, что метка с более узкой полосой пропускания все равно может быть опрошена, но расстояние считывания будет значительно меньше.

Для определения пределов уменьшения метки, в программном пакете CST Microwave Studio было проведено численное исследование меток с проницаемостью резонатора sr в диапазоне от 100 до 1250. Диаметр цилиндрического резонатора варьировался от 27.9 мм до 7.7 мм, как схематично представлено на Рисунке 1 (а). Высота резонатора подбиралась на возбуждение фундаментальной моды резонатора в пределах УВЧ RFID диапазона. На Рисунке 1 (б) показан объем резонатора в зависимости от его диэлектрической проницаемости. Для каждой итерации с диэлектрической проницаемостью метка согласовывалась с импедансом чипа Impinj Monza R6.

После определения параметров шести керамических меток и их согласования с чипом можно оценить их характеристики. Рассматривались три величины материальных потерь в диэлектрике: (i) без потерь, (ii) с tanS = 10-4 и (iii) с tanS = 10-3. На Рисунке 1 (в) показана зависимость полосы пропускания антенны метки на уровне -6 дБ от проницаемости резонатора. Такой уровень согласования соответствует тому, что 75% мощности эффективно передается между антенной метки и микрочипом. Таким образом установлен предел возможной полосы в 200 кГц. Срез с этим порогом показывает ограничения миниатюризации. Результаты показывают, что метки с проницаемостью начиная с sr = 750 находятся на границе считывания и исходя из возможного разброса параметров при производстве керамических резонаторов не удовлетворяют критерию. Также показано влияние потерь в диэлектрике, т. е. потери выше 10-3 также критически ухудшают характеристики, и как следствие КПД антенны метки. На Рисунке 1 (г) показан реализованный коэффициент усиления (КУ) антенны метки в зависимости от диэлектрической проницаемости резонатора. Керамические материалы с потерями ниже ~ 10-4 в меньшей степени ухудшают характеристики усиления. На Рисунке 1 (д) показана

динамика спектра коэффициента отражения при увеличении диэлектрической проницаемости резонатора.

Рисунок 1 - (а) Схема резонатора, используемого в численной модели керамической Я^ГО метки и его миниатюризация с указанием диаметра d и диэлектрической проницаемости ег. (б) Зависимость уменьшения объема резонатора при увеличении его диэлектрической проницаемости. (в) Зависимость уменьшения полосы антенны метки при увеличении диэлектрической проницаемости резонатора для случаев без потерь и с потерями. (г) Численная зависимость величины реализованного коэффициента усиления антенны метки при увеличении диэлектрической проницаемости резонатора. (д) Уровень согласования метки с чипом для каждого значения диэлектрической проницаемости в численной модели

Из приведенных выше результатов можно сделать вывод, что оптимальная диэлектрическая проницаемость для миниатюризации керамических меток составляет £г ~ 500 при значении тангенса диэлектрических потерь 10-4 или выше. Такими свойствами могут обладать композитные материалы ВаТЮ3^гТЮ3 в соотношении 50/50, 55/45, 60/40 с Mg-содержащими добавками, такими как Mg2TiO4 [5].

Третья глава посвящена использованию миниатюрной керамической метки для идентификации металлических объектов. В рамках применения КРГО может возникать необходимость размещения меток на металле, например, для маркировки крупных контейнеров для задач логистики, или на корпусе оборудования. Среди коммерческих решений часто предлагаются дипольные метки на диэлектрических подложках, либо патч-антенны, оснащенные КРГО чипом. Однако не всегда такие метки могут обладать высокой дальностью считывания, будучи при этом достаточно компактными. Ввиду минимального наличия металлических компонентов, предлагаемая керамическая метка имеет высокий потенциал для размещения на металлической поверхности.

Схема метки представлена на Рисунке 2 (а). Используя модель керамической метки [6] и с учетом исследования миниатюризации резонатора, численно была промоделирована структура из материала с большей диэлектрической проницаемостью ег = 500 и tan5 = 10-4. Диаметр керамического цилиндра 14.6 мм, высота 11 мм. Используя эквивалентные схемы замещения диэлектрического резонатора, была исследована эквивалентная электрическая схема всей керамической метки на металлической поверхности с учетом мнимого изображения. Аналитически были определены эквивалентные параметры элементов схемы. Далее было продемонстрировано согласование импеданса с используемым ЯТЮ чипом в исследуемом диапазоне частот. Аналитические результаты хорошо согласуются с результатом численного моделирования и экспериментальными данными.

На следующем этапе был численно определен оптимальный размер экрана, на котором метка должна быть расположена. На Рисунке 2 (б) показана зависимость реализованного КУ керамической метки от размера металлического экрана. Увеличение размера экрана способствует изменению диаграммы направленности и

как следствие увеличению коэффициента усиления антенны. Однако при размерах экрана порядка 70 на 70 см2 наблюдается расщепление главного лепестка диаграммы направленности и снижение КУ в направлении к ридеру (0 градусов). В случае бесконечного экрана наблюдается выравнивание диаграммы направленности и достижение КУ на уровне 2.1. Для дальнейших исследований был использован экран с размерами 40 на 40 см2 для обеспечения оптимального значения КУ в направлении по нормали.

Далее метка с представленными ранее параметрами была изготовлена и помещена в пластиковый корпус для удобного крепления к металлу (Рисунок 2 (в)). Для опроса метки и измерения ее диаграммы направленности использовался КГГО-считыватель 1трщ Я2000, работающий на частоте европейского стандарта (865-868 МГц) с мощностью излучения 27 дБм. К считывателю была подключена линейно поляризованная антенна типа "волновой канал" с коэффициентом усиления 7.5 дБ, расположенная параллельно поверхности земли. Программное обеспечение (ПО) считывателя отображало интенсивность принимаемого сигнала, которая зависела от взаимной ориентации метки и антенны. В этом эксперименте необходимо учитывать как нисходящую линию связи (возбуждение метки), так и восходящую (обратное рассеяние сигнала с временной модуляцией). Расстояние между антенной и меткой составляло 1,5 м, что соответствует условиям дальнего поля. Для определения диаграммы направленности в азимутальной плоскости между антенной считывателя и меткой использовался поворотный стол. Метка была закреплена на металлическом экране площадью 40^40 см2. Амплитуда принимаемого сигнала измерялась с угловым шагом 10°. Экспериментальная полученная форма диаграммы направленности соответствует численным данным.

Было проведено исследование по дальности считывания метки. Теоретически дальность считывания ЯТЮ меток определяется по минимальному значению из уравнений [7]:

Я

1 4 п

N

Р+ ^

' Г , (1)

5С

Я 4

d2 = 2 4 п

N

Рг

4 Sr

Здесь Pt - мощность, передаваемая считывателем, Gr - КУ антенны ридера, Gt -КУ антенны метки, 5С - чувствительность RFID чипа, 5Г - чувствительность считывателя и Я - рабочая длина волны. Исходя из численно рассчитанных параметров, чувствительности чипа из спецификации и коэффициента усиления антенны считывателя Gr = 7.5 дБи, расчетная дальность считывания составляет 22.7 метра.

В эксперименте использовалось то же считывающее устройство и антенна типа волновой канал. Эффективная изотропная излучаемая мощность (ЭИИМ, Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP) составила 2.82 Вт (34.5 дБм). Чувствительность чипа составляла Sc = -22 дБм, чувствительность считывателя Sr = -102 дБм. На Рисунке 2 (д) показана экспериментальная установка. Метка была установлена на металлический лист 40*40 см2. Максимальная дальность считывания метки согласуется с теоретическими данными и составляет 22 м.

Далее экспериментально полученные результаты сравнивались с новейшими аналогами меток на металлические поверхности, представленными в научной литературе. Было показано, что керамическая метка является самым компактным решением, так как ее объем в 3.5 раза меньше ближайшего аналога при одинаковой дальности считывания.

В четвертой главе был представлен пассивный микроволновый сенсор температуры на основе высокодобротного керамического резонатора. Для спектрального метода оценки изменения параметра среды важнейшими критериями являются такие параметры как чувствительность сенсора и разрешение. В то время как чувствительность определяется зачастую материалом сенсора, разрешение зависит напрямую от полосы возбуждаемого отклика и, как следствие, добротности резонатора. В диэлектрических резонаторах добротность ограничена диссипативными потерями и потерями на излучение. В предыдущих главах основной упор делался на повышение эффективности за счет использования более качественных материалов с малым тангенсом потерь и, как следствие, уменьшение диссипации в антенных

элементах меток. В этой главе представлено применение других, более редких мод диэлектрических резонаторов, характеризующихся крайне малыми на излучение. Рассмотренные в первой главе суперрезонансные моды в керамических резонаторах, являющиеся результатом деструктивной интерференции мод со схожим профилем полей, позволяют разработать новые типы устройств, обладающих более улучшенными характеристиками точности по сравнению с известными аналогами.

Рисунок 2 - (а) Схематическое изображение керамической метки, размещенной на бесконечном листе металла. Вставкой показано сечение метки с указанием характерных размеров цилиндрического резонатора. (б) Численное исследование зависимости КУ метки от размера экрана. (в) Фото изготовленной метки. (г) Измеренная диаграмма направленности метки в азимутальной плоскости в полярных координатах. (д) Экспериментальное исследование дальности считывания метки на открытом пространстве

На первом этапе было проведено экспериментальное исследование по выбору материала для сенсора температуры на основе резонатора, в котором возбуждается

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юсупов Ильдар, 2024 год

Список литературы

1. Mikhailovskaya A. и др. Anapole-enabled RFID security against far-field attacks // Nanophotonics. - 2021. - Т. 10, № 17. - С. 4409-4418.

2. Wang Y. и др. Microfluidic Whispering Gallery Mode Optical Sensors for Biological Applications // Laser Photon Rev. - 2020. - Т. 14, № 12. - С. 1-20.

3. Rybin M. V. и др. High- Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators // Phys Rev Lett. - 2017. - Т. 119, № 24. - С. 1-5.

4. Marrocco G., Fonte A., Bardati F. Evolutionary Design of Miniaturized Meander-Line Antennas for RFID Applications // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (IEEE Cat. No.02CH37313). San Antonio, TX, USA, -2002.

5. Nenasheva E.A. и др. Low loss microwave ferroelectric ceramics for high power tunable devices // J Eur Ceram Soc. Elsevier, - 2010. - Т. 30, № 2. - С. 395-400.

6. Dobrykh D. и др. Long-Range Miniaturized Ceramic RFID Tags // IEEE Trans Antennas Propag. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2021. - Т. 69, № 6. - С. 3125-3131.

7. Barbot N., Prodan I., Nikitin P. A Practical Guide to Optimal Impedance Matching for UHF RFID Chip // IEEE Journal of Radio Frequency Identification. - 2024. -Т. 8. - С. 145-153.

8. Odit M. и др. Observation of Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators // Advanced Materials. - 2021. - Т. 33, № 1. - С. 1-7.

9. Landt J. The history of RFID // IEEE Potentials. - 2005. - Т. 24, № 4. - С. 8-11.

10. Nikitin P. Leon Theremin (Lev Termen) // IEEE Antennas Propag Mag. - 2012. -Т. 54, № 5. - С. 252-257.

11. Stockman H. Communication by Means of Reflected Power // Proceedings of the IRE. - 1948. - Т. 36, № 10. - С. 1196-1204.

12. Miles S.B., Sarma S., Williams J.R. RFID technology and applications // RFID Technology and Applications. Cambridge University Press, - 2008.

13. K. Finkenzeller. RFID Handbook // New York:Wiley & Son. - 2000.

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

Costa F. и др. A review of rfid sensors, the new frontier of internet of things // Sensors. - 2021. - Т. 21, № 9. - С. 1-34.

Mulloni V., Donelli M. Chipless RFID sensors for the internet of things: Challenges and opportunities // Sensors (Switzerland). - 2020. - Т. 20, № 7. - С. 1-29. Atzori L., Iera A., Morabito G. The Internet of Things: A survey // Computer Networks. Elsevier B.V., - 2010. - Т. 54, № 15. - С. 2787-2805. Xu L. Da, He W., Li S. Internet of things in industries: A survey // IEEE Trans Industr Inform. - 2014. - Т. 10, № 4. - С. 2233-2243.

Monza R6 Tag Chip Datasheet [Электронный ресурс]. URL: https://sup-port.impinj.com/hc/article_attachments/115001963950/Monza R6 Tag Chip Datasheet R5 20170901.pdf.

Motroni A., Buffi A., Nepa P. A Survey on Indoor Vehicle Localization through RFID Technology // IEEE Access. - 2021. - Т. 9. - С. 17921-17942. Kajfez D., Guillon P. Dielectric Resonators. Second. Atlanta: Noble Publishing Corporation, - 1998.

Miroshnichenko A.E. и др. Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles // Nat Commun. - 2015. - Т. 6. - С. 1-8.

Krasikov S. и др. Multipolar Engineering of Subwavelength Dielectric Particles for Scattering Enhancement // Phys Rev Appl. American Physical Society, - 2021. - Т. 15, № 2. - С. 024052.

Mikhailovskaya A. и др. Omnidirectional miniature RFID tag // Appl Phys Lett. AIP Publishing LLC AIP Publishing, - 2021. - Т. 119, № 3. - С. 033503. Matsko A.B. и др. Review of Applications of Whispering-Gallery Mode Resonators in Photonics and Nonlinear Optics // IPN Progress Report. - 2005. - Т. 42, № 162. - С. 1-51.

Dobrykh D. и др. Multipole engineering for enhanced backscattering modulation // Phys Rev B. American Physical Society, - 2020. - Т. 102, № 19. - С. 195129. ООО «Керамика» [Электронный ресурс]. URL: https://ramics.ru/ (дата обращения: 26.05.2024).

Karmakar C. RFID Readers - a Review. - 2006. № December. - С. 19-21.

28. Amin N., Ng W.J., Othman M. A BPSK backscatter modulator design for RFID passive tags // RFIT 2007 - IEEE International Workshop on Radio-Frequency Integration Technology. - 2007. - С. 262-265.

29. Karmakar N.C. Handbook of Smart Antennas for RFID Systems // Handbook of Smart Antennas for RFID Systems. - 2010.

30. Nikitin P. V., Rao K.V.S. Antenna design for UHF RFID tags: A review and a practical application // IEEE Trans Antennas Propag. - 2006. - Т. 54, № 6. - С. 19061907.

31. ALN-9662 Short Inlay [Электронный ресурс]. - 2013. URL: https://www.alientechnology.com/wp-content/uploads/Alien-Technology-Higgs-3-ALN-9662-Short.pdf.

32. Griffin J.D. и др. RF tag antenna performance on various materials using radio link budgets // IEEE Antennas Wirel Propag Lett. - 2006. - Т. 5, № 1. - С. 247-250.

33. Griffin J.D., Durgin G.D. Complete link budgets for backscatter-radio and RFID systems // IEEE Antennas Propag Mag. IEEE, - 2009. - Т. 51, № 2. - С. 11-25.

34. Nikitin P., Rao K.V.S., Martinez R.D. Differential RCS of RFID tag // Electron Lett.

- 2007. - Т. 436, № 8. - С. 431-432.

35. Balanis C.A. Advanced Engineering Electromagnetic. - 2012. - С. 1040.

36. Barbot N., Rance O., Perret E. Classical RFID Versus Chipless RFID Read Range: Is Linearity a Friend or a Foe? // IEEE Trans Microw Theory Tech. IEEE, - 2021.

- Т. 69, № 9. - С. 4199-4208.

37. GS1. EPC Tag Data Standard TDS [Электронный ресурс]. - 2024. URL: https: //ref. gs1. org/standards/tds/.

38. Pereira E. и др. RFID Tags for On-Metal Applications : A Brief Survey. - 2024. -С. 1-18.

39. Bjorninen T. и др. Advances in antenna designs for UHF RFID tags mountable on conductive items // IEEE Antennas Propag Mag. IEEE, - 2014. - Т. 56, № 1. - С. 79-103.

40. Niew YH. и др. Miniature Dipolar Patch Antenna with Nonresonating Ring for Metal-Insensitive UHF RFID Tag Design // IEEE Trans Antennas Propag. IEEE, -2020. - Т. 68, № 3. - С. 2393-2398.

41. Arumugam D.D., Engels D.W. Characteristics of passive UHF RFID tags on metal slabs // IEEE Antennas and Propagation Society, AP-S International Symposium (Digest). IEEE, - 2009. № 1. - С. 2-5.

42. He W., He Y., Wong H. Meandering Cross Dipole Antenna for RFID Applications // 2013 IEEE International Workshop on Electromagnetics, Applications and Student Innovation Competition. Kowloon, - 2013.

43. Kholodnyak D. V. и др. 3D antenna for UHF RFID tags with eliminated read-orientation sensitivity // Proceedings of the 36th European Microwave Conference, EuMC 2006. - 2006. - Т. 0, № September. - С. 583-586.

44. Liu Q., Li H., Yu YF. A versatile flexible UHF RFID tag for glass bottle labelling in self-service stores // IEEE Access. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2018. - Т. 6. - С. 59065-59073.

45. Shao S. и др. Broadband and flexible textile RFID tags for tires // IEEE Antennas and Propagation Society, AP-S International Symposium (Digest). - 2014. - Т. 60.

- С. 1507.

46. Lasi H. и др. Industry 4.0 // Business and Information Systems Engineering. - 2014.

- Т. 6, № 4. - С. 239-242.

47. BT510 Long Range Bluetooth 5 Temperature Sensor [Электронный ресурс]. URL: https://www.lairdconnect.com/iot-devices/iot-sensors/bt510-bluetooth-5-long-range-ip67-multi-sensor (дата обращения: 10.06.2021).

48. Ruiz-Garcia L. и др. A review of wireless sensor technologies and applications in agriculture and food industry: State of the art and current trends // Sensors (Switzerland). - 2009. - Т. 9, № 6. - С. 4728-4750.

49. AD Temperature Sensor Dogbone ®. - 2021.

50. Sensor RFID Tags | Energy Harvesting Sensors | atlasRFIDstore [Электронный ресурс]. URL: https://www.atlasrfidstore.com/sensor-rfid-tags/ (дата обращения: 10.06.2021).

51. Sen P. h gp. Low-Cost Diaper Wetness Detection Using Hydrogel-Based RFID Tags // IEEE Sens J. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2020. - T. 20, № 6. - C. 3293-3302.

52. Nikitin P. h gp. Dielectric Sensing using T-matched RAIN RFID Tags // 2023 IEEE International Conference on RFID, RFID 2023. IEEE, - 2023. - C. 42-47.

53. Cook B.S. h gp. A novel inkjet-printed passive microfluidic RFID-based sensing platform // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE, -2013. - C. 9-11.

54. Preradovic S., Karmakar N.C. Chipless RFID: Bar code of the future // IEEE Mi-crow Mag. - 2010. - T. 11, № 7. - C. 87-97.

55. Herrojo C. h gp. Chipless-RFID: A review and recent developments // Sensors (Switzerland). - 2019. - T. 19, № 15. - C. 1-20.

56. Dey S., Saha J.K., Karmakar N.C. Smart Sensing: Chipless RFID Solutions for the Internet of Everything // IEEE Microw Mag. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2015. - T. 16, № 10. - C. 26-39.

57. Su H.H., Zhang J., Tong M.S. Design of Chipless RFID Tag Based on Surface Acoustic Wave. - 2017. 19-22 c.

58. Herrojo C. h gp. Chipless-RFID: A review and recent developments // Sensors (Switzerland). MDPI AG, - 2019. - T. 19, № 15.

59. Forouzandeh M., Karmakar N.C. Chipless RFID tags and sensors: A review on time-domain techniques // Wireless Power Transfer. - 2015. - T. 2, № Special Issue 2. - C. 62-77.

60. Barbot N., Rance O., Perret E. Angle Sensor Based on Chipless RFID Tag // IEEE Antennas Wirel Propag Lett. - 2020. - T. 19, № 2. - C. 233-237.

61. Feng Y. h gp. Low-cost printed chipless RFID humidity sensor tag for intelligent packaging // IEEE Sens J. IEEE, - 2015. - T. 15, № 6. - C. 3201-3208.

62. Dey S. h gp. A Novel «Smart Skin» Sensor for Chipless RFID-Based Structural Health Monitoring Applications // IEEE Internet Things J. - 2021. - T. 8, № 5. - C. 3955-3971.

63. Dey S. и др. A folded monopole shaped novel soil moisture and salinity sensor for precision agriculture based chipless RFID applications // 2019 IEEE MTT-S International Microwave and RF Conference, IMARC 2019. - 2019. - С. 4-7.

64. Ebere O. и др. NFC tag-based mHealth Patient Healthcare Tracking System // Proceedings - 3rd International Conference on Next Generation Computing Applications, NextComp 2022. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2022.

65. Amendola S. и др. RFID technology for IoT-based personal healthcare in smart spaces // IEEE Internet Things J. IEEE, - 2014. - Т. 1, № 2. - С. 144-152.

66. Zhang J. и др. A review of passive RFID tag antenna-based sensors and systems for structural health monitoring applications // Sensors (Switzerland). - 2017. - Т. 17, № 2. 1-33 с.

67. Shi C. и др. High-performance room-temperature TiO2-functionalized GaN nan-owire gas sensors // Appl Phys Lett. AIP Publishing LLC, - 2019. - Т. 115, № 12.

68. Athauda T., Banerjee P.C., Karmakar N.C. Microwave Characterization of Chitosan Hydrogel and Its Use as a Wireless pH Sensor in Smart Packaging Applications // IEEE Sens J. IEEE, - 2020. - Т. 20, № 16. - С. 8990-8996.

69. Ruiz-Garcia L., Lunadei L. The role of RFID in agriculture: Applications, limitations and challenges // Comput Electron Agric. Elsevier B.V., - 2011. - Т. 79, № 1. - С. 42-50.

70. Palazzi V. и др. Leaf-Compatible Autonomous RFID-Based Wireless Temperature Sensors for Precision Agriculture // 2019 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks, WiSNet 2019. IEEE, - 2019. - Т. 2. - С. 1-4.

71. Deng F. и др. Design of a slotted chipless RFID humidity sensor tag // Sens Actuators B Chem. Elsevier B.V., - 2018. - Т. 264. - С. 255-262.

72. Saggin B. и др. A flexible biopolymer based UHF RFID-sensor for food quality monitoring // 2019 IEEE International Conference on RFID Technology and Applications, RFID-TA 2019. IEEE, - 2019. - С. 484-487.

73. Ильченко М.Е., Взятышев Л.Г., Гасланов Л.Г. Диэлектрические резонаторы / под ред. Ильченко М.Е. Радио и связь, - 1989.

74. Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы - основные типы, характеристики, производители // Электроника. - 2016. - Т. 4, № 00154. - С. 62-76.

75. Richtmyer R.D. Dielectric resonators // J Appl Phys. - 1939. - Т. 10, № 6. - С. 391-398.

76. Zhao B., Wong S.W., Wang D. A Novel Dual-Mode Dielectric Resonator Filter Based on Half-Mode Resonance // Proceedings of the 2021 Cross Strait Radio Science and Wireless Technology Conference, CSRSWTC 2021. IEEE, - 2021. - С. 222-224.

77. Mongia R.K., Bhartia P. Dielectric resonator antennas—a review and general design relations for resonant frequency and bandwidth // International Journal of Microwave and Millimeter-Wave Computer-Aided Engineering. - 1994. - Т. 4, №2 3. - С. 230-247.

78. Gunel S., Zoral E.Y Dielectric resonator oscillator perturbed with lossless dielectrics // ELECO 2009 - 6th International Conference on Electrical and Electronics Engineering. - 2009. - С. 165-168.

79. Regalla P., Kumar A.V.P. A Microwave Dielectric Resonator based Sensor for Detecting both Linear and Angular Displacements // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, APMC. The Institute of Electronics Information and Communication Engineers (IEICE) of Japan, - 2022. - Т. 2022-Novem. - С. 533-535.

80. Long S., McAllister M., Shen L. The resonant cylindrical dielectric cavity antenna // IEEE Trans Antennas Propag. - 1983. - Т. 31, № 3. - С. 406-412.

81. Leung K.W., Lim E.H., Fang X.S. Dielectric resonator antennas: From the basic to the aesthetic // Proceedings of the IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2012. - Т. 100, № 7. - С. 2181-2193.

82. Gladyshev S., Frizyuk K., Bogdanov A. Symmetry analysis and multipole classification of eigenmodes in electromagnetic resonators for engineering their optical properties // Phys Rev B. American Physical Society, - 2020. - Т. 102, № 7. - С. 75103.

83. Makwana G.D., Ghodgaonkar D. Dielectric resonator antenna as a RFID tag for human identification system in wrist watch // International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems. IEEE, - 2013. - Т. 6, № 3. - С. 1153-1166.

84. Kim Y Do. Design of an ultra-small UHF RFID tag for embedded applications in metallic objects // Electron Lett. - 2020. - Т. 56, № 4. - С. 171-172.

85. Zainud-Deen S.H., Malhat H.A., Awadalla K.H. Dielectric resonator antenna phased array for fixed RFID reader in near field region // Proceedings of the 2012 Japan-Egypt Conference on Electronics, Communications and Computers, JEC-ECC 2012. IEEE, - 2012. - С. 102-107.

86. SchuBler M. и др. Realization concepts for chipless wireless temperature sensing // Sensoren und Messsysteme 2014 - 17. ITG/GMA-Fachtagung. - 2013. - С. 1-6.

87. Kubina B. и др. Wireless high-temperature sensing with a chipless tag based on a dielectric resonator antenna // Proceedings of IEEE Sensors. - 2013. - С. 4-7.

88. Yasin A. и др. Top loaded TM015; mode cylindrical dielectric resonator for complex permittivity characterization of liquids // Radioengineering. - 2016. - Т. 25, № 4. - С. 714-720.

89. Iqbal A. и др. Cylindrical dielectric resonator antenna-based sensors for liquid chemical detection // Sensors (Switzerland). - 2019. - Т. 19, № 5. - С. 2-10.

90. Webb A.G. Dielectric materials in magnetic resonance // Concepts Magn Reson Part A Bridg Educ Res. - 2011. - Т. 38 A, № 4. - С. 148-184.

91. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Ilchenko V.S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes // Phys Lett A. - 1989. - Т. 137, № 7-8.

- С. 393-397.

92. Именков А.Н. и др. Частотно-перестраиваемый полупроводниковый WGM-лазер (X = 2.35 ^m), работающий при комнатной температуре // Письма в ЖТФ.

- 2009. - Т. 35, № 18. - С. 50-57.

93. Yu D. и др. Whispering-gallery-mode sensors for biological and physical sensing // Nature Reviews Methods Primers. Springer Nature, - 2021. - Т. 1, № 1.

94. Xu X. и др. Wireless whispering-gallery-mode sensor for thermal sensing and aerial mapping // Light: Science and Applications. Nature Publishing Group, - 2018. - Т. 7, № 1.

95. Sadreev A.F. Interference traps waves in an open system: Bound states in the continuum // Reports on Progress in Physics. IOP Publishing, - 2021. - Т. 84, № 5. -С. 1-34.

96. Hsu C.W. и др. Bound states in the continuum // Nat Rev Mater. - 2016. - Т. 1, № 9.

97. Koshelev K.L. и др. Bound states in the continuum in photonic structures // Physics

- Uspekhi. - 2023. - Т. 66, № 5. - С. 528-553.

98. Jia B. и др. Bound States in the Continuum Protected by Reduced Symmetry of Three-Dimensional Open Acoustic Resonators // Phys Rev Appl. American Physical Society, - 2023. - Т. 19, № 5.

99. Кошелев К.Л. и др. Связанные состояния непрерывного спектра в фотонных структурах // Успехи физических наук. - 2023. - Т. 193, № 5. - С. 528-553.

100. Bulgakov E.N., Sadreev A.F. Bound states in the continuum in photonic waveguides inspired by defects // Phys Rev B Condens Matter Mater Phys. - 2008. - Т. 78, № 7. - С.1-8.

101. Noh W. и др. Self-Suspended Microdisk Lasers with Mode Selectivity by Manipulating the Spatial Symmetry of Whispering Gallery Modes // ACS Photonics. - 2019.

- Т. 6, № 2. - С. 389-394.

102. Kodigala A. и др. Lasing action from photonic bound states in continuum // Nature. Nature Publishing Group, - 2017. - Т. 541, № 7636. - С. 196-199.

103. Yu Z. и др. Photonic Integrated Circuits with Bound States in the Continuum // Conference Proceedings - Lasers and Electro-Optics Society Annual MeetingLEOS. - 2019. - Т. 6, № 10. - С. 1342-1348.

104. Bykov D.A., Bezus E.A., Doskolovich L.L. Bound states in the continuum and strong phase resonances in integrated gires-tournois interferometer // Nanophoton-ics. - 2020. - Т. 9, № 1. - С. 83-92.

105. Krasnov A.I. и др. Photonic bound states in the continuum governed by heating. American Physical Society, - 2023. - Т. 054703. - С. 1-6.

106. Yesilkoy F. и др. Ultrasensitive hyperspectral imaging and biodetection enabled by dielectric metasurfaces // Nat Photonics. Springer US, - 2019. - Т. 13, № 6. - С. 390-396.

107. Luo M. и др. Label-Free Bound-States-in-the-Continuum Biosensors // Biosensors (Basel). - 2022. - Т. 12, № 1120. - С. 1-18.

108. Tittl A. и др. Imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces // Science (1979). - 2018. - Т. 360, № 6393. - С. 1105-1109.

109. Azzam S.I. и др. Single and Multi-Mode Directional Lasing from Arrays of Dielectric Nanoresonators // Laser Photon Rev. - 2021. - Т. 15, № 3. - С. 1-8.

110. Liu Z. и др. High- Q Quasibound States in the Continuum for Nonlinear Metasurfaces // Phys Rev Lett. - 2019. - Т. 123, № 25. - С. 1-6.

111. Rybin M., Kivshar Y Supercavity lasing // Nature. - 2017. - Т. 541, № 7636. - С. 164-165.

112. Friedrich H., Wintgen D. Physical realization of bound states in the continuum // Phys Rev A (Coll Park). - 1985. - Т. 31, № 6. - С. 3964-3966.

113. Nakano H. и др. Shortening Ratios of Modified Dipole Antennas // IEEE Trans Antennas Propag. - 1984. - Т. AP-32, № 4. - С. 385-386.

114. Balanis C.E. Antenna Theory: Analysis and Design // Book. 3-е изд. / под ред. Balanis C.A. A JOHN WILEY & SONS, INC, Pages: 1136, - 2005.

115. Daniel M. Dobkin. The RF in RFID. - 2013.

116. Choo J. и др. T-matching Networks for the Efficient Matching of Practical RFID Tags // Proceedings of the 39th European Microwave Conference. - 2009.

117. AD Dogbone ® 4D [Электронный ресурс]. - 2015. URL: https://rfid.averyden-nison.com/content/dam/rfid/en/products/rfid-products/data-sheets/datasheet-Dog-bone-Monza-4D.pdf.

118. Arizon AZ M89 UHF Inlay [Электронный ресурс]. - 2019. URL: https://www.ar-izontw.com/proimages/tw-pdf/42x 16mm_AZ-M89UCODE_8 .pdf.

119. Leadercolor D39L UHF RFID tag [Электронный ресурс]. URL: https://www.leadercolor.com/en/product/ldr-d39l-uhf-rfid-disc-tag/.

120. Impinj UHF Inlay [Электронный ресурс]. URL: https://doc.diytrade.com/docdvr/2042358/42822835/1419837217.pdf.

121. Impinj M4 UHF RFID Small Inlay- spec sheet [Электронный ресурс]. - С. 2-3. URL: https://www.asiarfid.com/impinj -m4-uhf-rfid-small-inlay.html.

122. Джексон Д. Классическая электродинамика. Москва: Мир, - 1965.

123. Roger F. Harrington. Time-Harmonic Electromagnetic Fields. New York: Wiley-IEEE Press, - 2001.

124. RFID Basics - RFID Regulations [Электронный ресурс]. URL: https://rfid4u.com/rfid-regulations/ (дата обращения: 04.05.2024).

125. Верзун Н.А. и др. Антиколлизионные алгоритмы систем радиочастотной идентификации // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2018. № 10. - С. 24-31.

126. Пистолькорс А.А. Антенны. Москва: Связьиздат, - 1947.

127. Rao K.V.S., Lam S.F., Nikitin P. V. UHF RFID tag for metal containers // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, APMC. IEEE, - 2010. - С. 179-182.

128. Filonov D. и др. Volumetric 3D-Printed Antennas, Manufactured via Selective Polymer Metallization // Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. - 2019. - Т. 13, № 6.

129. Hamani A. и др. A novel broadband antenna design for UHF RFID tags on metallic surface environments // IEEE Antennas Wirel Propag Lett. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2017. - Т. 16. - С. 91-94.

130. Ripin N. и др. Miniature Folded Dipolar Patch with Embedded AMC for Metal Mountable Tag Design // IEEE Trans Antennas Propag. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2020. - Т. 68, № 5. - С. 3525-3533.

131. Kim D., Yeo J. Low-profile RFID tag antenna using compact AMC substrate for metallic objects // IEEE Antennas Wirel Propag Lett. - 2008. - Т. 7. - С. 718-720.

132. Yusupov I. и др. Miniature Long-Range Ceramic On-Metal RFID Tag // IEEE Trans Antennas Propag. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2022. -Т. 70, № 11. - С. 10226-10232.

133. Indy® R2000 Reader Chip Overview [Электронный ресурс]. - 2015. URL: https://www.datasheets.com/part-details/ipj-r2000-impinj-60958660.

134. Lin YF. и др. Gain Enhancement of Ground Radiation Antenna for RFID Tag Mounted on Metallic Plane // IEEE Trans Antennas Propag. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2016. - Т. 64, № 4. - С. 1193-1200.

135. Wang P. и др. An UHF RFID Circularly Polarized Tag Antenna with Long Read Distance for Metal Objects // IEEE Antennas Wirel Propag Lett. - 2021. - Т. 21, №2 2. - С. 217-221.

136. Lee K.H. и др. Design of a UHF RFID metal tag for long reading range using a cavity structure // Proceedings of2008 Asia Pacific Microwave Conference, APMC. - 2008. - С. 1-4.

137. Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S. RFID tag antenna based temperature sensing // RFID 2010: International IEEE Conference on RFID. - 2010. - С. 8-15.

138. Xu H. и др. Flexible surface acoustic wave strain sensor based on single crystalline LiNbO3 thin film // Appl Phys Lett. - 2018. - Т. 112, № 9. - С. 093502.

139. You H. и др. Environment friendly lead-free Cs3Sb2Br9perovskite: Wide measure range, high sensitivity, and rapid sensing response for high-performance humidity sensor // Appl Phys Lett. - 2023. - Т. 122, № 16. - С. 162103.

140. Yusupov I. и др. Chipless wireless temperature sensor based on quasi-BIC resonance // Appl Phys Lett. AIP Publishing LLC, - 2021. - Т. 119, № 19.

141. Pandit N., Jaiswal R.K., Pathak N.P. Real-time non-intrusive RF biochemical sensor // Electron Lett. - 2020. - Т. 56, № 19. - С. 985-988.

142. Lu F. и др. A novel metamaterial inspired high-temperature microwave sensor in harsh environments // Sensors (Switzerland). - 2018. - Т. 18, № 9. - С. 1-12.

143. Cheng H. и др. Wireless Passive Temperature Sensors Using Integrated Cylindrical Resonator/Antenna for Harsh-Environment Applications // IEEE Sens J. IEEE, -2015. - Т. 15, № 3. - С. 1453-1462.

144. Kubina B. и др. Wireless high-temperature sensing with a chipless tag based on a dielectric resonator antenna // Proceedings of IEEE Sensors. - 2013. - С. 3-6.

145. Wang Y h gp. Wireless passive lc temperature and strain dual-parameter sensor // Micromachines (Basel). MDPI AG, - 2021. - T. 12, № 1. - C. 1-10.

146. Alahnomi R.A. h gp. Review of Recent Microwave Planar Resonator-Based Sensors : // Sensor Review. - 2021. - T. 2267, № 21. - C. 1-38.

147. Kitching J., Knappe S., Donley E.A. Atomic sensors - A review // IEEE Sens J. IEEE, - 2011. - T. 11, № 9. - C. 1749-1758.

148. Mendez-Jeronimo G., Lobato-Morales H. A Review of Microwave Resonant Sensors for Liquid Samples Detection // 2022 IEEE International Conference on Engineering Veracruz, ICEV 2022. - 2022. - C. 3-7.

149. Mohammadi S. h gp. Real-time and hazard-free water quality monitoring based on microwave planar resonator sensor // Sens Actuators A Phys. Elsevier B.V., - 2020. - T. 303, № 111663. - C. 1-11.

150. Gennarelli G. h gp. A microwave resonant sensor for concentration measurements of liquid solutions // IEEE Sens J. IEEE, - 2013. - T. 13, № 5. - C. 1857-1864.

151. Navaratna N. h gp. On-chip topological THz biosensors. AIP Publishing LLC, -2023.

152. Hamzah H., Abduljabar A.A., Porch A. High Q Microwave Microfluidic Sensor Using a Central Gap Ring Resonator // IEEE Trans Microw Theory Tech. - 2020. - T. 68, № 5. - C. 1830-1838.

153. Islam S.M.R. h gp. The internet of things for health care: A comprehensive survey // IEEE Access. IEEE, - 2015. - T. 3. - C. 678-708.

154. Kozhemyakin Y. h gp. Millifluidic Sensor Designed to Perform the Microwave Dielectric Spectroscopy of Biological Liquids // 2022 52nd European Microwave Conference, EuMC 2022. European Microwave Association (EuMA), - 2022. - C. 412-415.

155. Chretiennot T., Dubuc D., Grenier K. A Microwave and microfluidic planar resonator for efficient and accurate complex permittivity characterization of aqueous solutions // IEEE Trans Microw Theory Tech. IEEE, - 2013. - T. 61, № 2. - C. 972978.

156. Lobato-Morales H. и др. Wireless sensing of complex dielectric permittivity of liquids based on the RFID // IEEE Trans Microw Theory Tech. - 2014. - Т. 62, № 9.

- С. 2160-2167.

157. Filonov D.S. и др. Broadband resonant calibration-free complex permittivity retrieval of liquid solutions // J Quant Spectrosc Radiat Transf. Elsevier Ltd, - 2019.

- Т. 235. - С. 127-131.

158. Scheuer J. и др. Extraordinary broadband impedance matching in highly dispersive media - the white light cavity approach // Opt Express. - 2022. - Т. 30, № 4. - С. 5192.

159. Mohd B. и др. Dielectric analysis of liquid solvents using microwave resonator sensor for high efficiency measurement // Microw Opt Technol Lett. John Wiley and Sons Inc., - 2017. - Т. 59, № 2. - С. 367-371.

160. Liu C., Tong F. An SIW Resonator Sensor for Liquid Permittivity Measurements at C Band // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. IEEE, - 2015. - Т. 25, № 11. - С. 751-753.

161. Mohammadi S. и др. High-Resolution, Sensitivity-Enhanced Active Resonator Sensor Using Substrate-Embedded Channel for Characterizing Low-Concentration Liquid Mixtures // IEEE Trans Microw Theory Tech. IEEE, - 2022. - Т. 70, № 1. -С. 576-586.

162. Yusupov I. и др. Quasi-BIC high-index resonators for liquid characterization and analysis // Appl Phys Lett. AIP Publishing LLC, - 2023. - Т. 123, № 24.

163. Nenasheva E.A. и др. Ceramic materials for use in microwave electronics // Physics of the Solid State. - 1999. - Т. 41, № 5. - С. 799-801.

164. DAK - Dielectric Assessment Kit Product Line [Электронный ресурс]. URL: https://speag.swiss/products/dak/overview/ (дата обращения: 27.05.2024).

165. Chuma E.L. и др. Microwave sensor for liquid dielectric characterization based on metamaterial complementary split ring resonator // IEEE Sens J. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2018. - Т. 18, № 24. - С. 9978-9983.

Благодарности

В заключение я хотел бы выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю Алексею Петровичу Слобожанюку за его неоценимый вклад в мое становление как исследователя, за мудрое наставничество и всестороннюю поддержку на всех этапах работы.

Благодарю моих коллег - П.Б. Гинзбурга, М.В. Рыбина, А.А. Богданова, Д.С. Филонова, Д.А. Добрых, А.А. Михайловскую и П.А. Терехину за продуктивную работу и ценный командный опыт. Отдельная благодарность Физическому факультету ИТМО за предоставленную возможность для развития и теплую атмосферу.

Приложение А Патент на полезную модель

166

госшйсеаж ФВДШРАЩШШ

ж

ж ж ж ж ж

ш

о ж

ж ж ж ж ж ж

жжжжжж ж ж ж ж ж

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 202633

Керамическая метка для радиочастотной идентификации (RFID)

Патентообладатель: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) (RU)

Авторы: Гинзбург Павел Борисович (RU), Филонов Дмитрий Сергеевич (RU), Михайловская Анна Алексеевна (RU), Добрых Дмитрий Алексеевич (RU), Юсупов Ильдар Маратович (KZ), Слобожанюк Алексей Петрович (RU), Богданов Андрей Андреевич (RU), Красиков Сергей Дмитриевич (RU)

Заявка №2020133134

Приоритет полезной модели 07 октября 2020 Г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 01 марта 2021 Г. Срок действия исключительного права на полезную модель истекает 07 октября 2030 Г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Г.П. Ивлиев

Ж

ж

ж

ж ж ж

ж ж ж ж ж ж ж ж

жжжжжжжжжжжжжжжжжжжжж

Приложение Б Публикации автора по теме диссертации

a

a <

RESEARCH ARTICLE | NOVEMBER 11 2021

Chipless wireless temperature sensor based on quasi-BIC resonance 0

lldar Yusupov B; Dmitry Filonov ; Andrey Bogdanov ; Pavel Ginzburg; Mikhail V. Rybin ; Alexey Slobozhanyuk B

N Check for updates

Appl. Phys. Lett. 119, 193504 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0064480

® D

View Export Online Citation

CrossMark

Publishing

^ Ai < <i W

A \ /

--V v\'Yv

Journal of Applied Physics

Special Topic:

Thermal Transport in 2D Materials

Submit Today

Publishing

scitation.org/journal/apl

Chipless wireless temperature sensor based on quasi-BIC resonance

Cite as: Appl. Phys. Lett. 119,193504 (2021); doi: 10.1063/5.0064480 Submitted: 23 July 2021 • Accepted: 25 October 2021 • Published Online: 11 November 2021

lldar Yusupov, 2a) Dmitry Filonov, Andrey Bogdanov, Pavel Cinzburg^ Mikhail V. Rybin, and Alexey Slobozhanyuk

AFFILIATIONS

''School of Physics and Engineering, ITMO University, St. Petersburg 197101, Russia 2Sirius University of Science and Technology, 1 Olympic Ave., 354340 Sochi, Russia

3Center for Photonics and 2D Materials, Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny 141700, Russia 4School of Electrical Engineering, Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel 5Ioffe Institute, Saint Petersburg 194021, Russia

a)Authors to whom correspondence should be addressed: [e-mail] and [e-mail]

CÎ]

Export Citation

(D

ABSTRACT

2

J^

Wireless sensors find use in many practical applications, where wired connections possess a limitation. New realms of global connectivity a

and data exchange among various devices suggest putting a sensor on a consumable level, where electronic circuits are not affordable from g

an economic standpoint. Chipless approaches, aiming to address the later issue, typically come with a penalty of performance degradation 0

and, in many cases, is seen as a compromise solution. Here, we demonstrate a concept of the extremely sensitive temperature sensor based K

on the bound states in the continuum (BIC) approach. A ceramic half-cylinder above a ground plane is designed to support high quality fac- 3

tor supercavity modes with a strong resonant dependence on an ambient temperate. The operation of the sensor is experimentally demon- 7

strated in a broad range of temperatures, spanning from 25 to 105 °C with an average sensitivity of 4MHz/°C. The key element, leading to

this performance, is high-quality ceramics, which allows supporting confined modes with moderately low Ohmic losses and extremely high-

quality factors above 1000. High-performance chipless devices, which are capable to accommodate several functions with a single platform,

open a venue to a new generation of wireless distributed sensors, where the main technological and outlay efforts are placed on an interrogation side.

Published under an exclusive license by A1P Publishing. https://doi.org/10.1063/5.0064480

Real-time wireless sensing is an essential capability to power modern systems, required to perform data collection, processing, and decision-making. The concept of the Internet of Things1 for "Industry 4.0"2 pushes wireless technologies to new frontiers, where high performance demands and severe cost limitations should find a compromise. Radio-frequency identification (RFID) is among the most promising technologies in this endeavor, as it puts the main outlay on an interrogator, while keeping an information holder (a tag) low cost. Passive RFID tags contain an antenna and a chip. The system rectifies a part of the incident energy and modulates a backscattered signal, sent by a reader. However, introducing an electronic circuitry elevates the tag's cost to several cents, which is unaffordable in many applications. Another aspect is an operation in harsh conditions, degrading performances of electronic components. High temperatures and chemically aggressive environments are among the representative examples. Chipless approaches come to address beforehand mentioned issues

and are among new fast-growing trends in the field.3 For example, chipless sensors were demonstrated to measure humidity,4 pressure,5 building integrity,6 and many other important parameters.7,8 Metamaterial-inspired sensors9 and a sensor based on a microstrip patch antenna10 were demonstrated for temperature measurements. Their operation principle is based on temperature-dependent materials' responses, leading to an averaged sensitivity of up to 0.05% frequency shift per degree.11 However, monitoring foundries and jet turbines cannot be performed with an electronic circuitry, which is placed in a proximity to a heat source. Those applications demand using special material platforms. Dielectric resonators made of low-loss ceramic materials come at a rescue.12,13

One of the typical chipless sensor designs is based on a resonant shift, which occurs owing to a change in an environmental observ-able.14 The accuracy depends on several factors, including electromagnetic properties of the resonator, dynamic ranges of measurement

scitation.org/journal/apl

apparatus, and signal-to-noise ratios in the wireless channel. We will put the last two factors apart and concentrate on the first system's parameter, as it is typically responsible for limitations in practical applications. As a rule of thumb, the accuracy depends on the quality factor (Q factor) of a resonator. The Q factor is bounded from above by material and radiation losses of the resonator. Those channels are the subject to a compromise. For example, wireless operation demands a mode leakage, which is linked to the radiation loss. The spectral shift, which is the key for the sensitivity, typically comes from a refractive index change in the resonator's material. However, changing the real part of the refractive index is accompanied by losses, according to Kramers-Kronig relations. Nevertheless, these limitations, typically faced in sensor designs, are not fundamental and can be bypassed with a proper choice of a material platform and a careful electromagnetic design.

Bound states in the continuum (BIC), being initially proposed as a mathematical concept in quantum mechanics almost a century ago, were generalized to many other fields, including classical electrodynamics. The essence of this general natural phenomenon is an interference between the high-Q confined mode and a continuum. Weak coupling between those two different families of modes leads to the emergence of high-Q resonances with far-field signatures (quasi-BIC or supercavity modes15). Those properties fit chipless sensor requirements for the best. Optical applications of quasi-BICs have been reviewed recently.16 More specifically, metasurfaces supporting the quasi-BICs were investigated for ultra-thin layer measurements,17 high-accuracy biosensing,18 and optical refractometry.19

Here, we exploit supercavity modes in a single dielectric cylin-der.20,21 The structure is made of a high-quality high-index ceramic, which allows obtaining resonances with Q factors as high as 104 (Ref. 22) outperforming other architectures, e.g., Refs. 23 and 24. Those peculiar materials with designer-made permittivities, controllably ranging between 10 and 10 000 and with a loss tangent as small as 10~4 are the enabler for the experimental demonstration.

Figure 1 shows the layout of the proposed sensor that is a halved dielectric cylinder, placed on top of a metal ground plane. The structure is optimized to support a high-Q supercavity mode. Wireless

Ground plane

I

Resonator

A

FIG. 1. Schematics of the temperature sensor. Halved dielectric cylinder attached to a ground plane. The resonator is probed with either a loop antenna or far-field interrogation with the polarization orthogonally to the axis of the cylinder.

sensing is performed with two different configurations, namely, a loop antenna or far-field interrogation. Reflection coefficients are measured by a vector network analyzer, and the spectral location of the resonance is retrieved. Being extremely high-Q, a supercavity mode is enormously sensitive to an ambient temperature, which affects the refraction index of the resonator. The spectral shift is then mapped on the temperature during the pre-calibration stage.

The supercavity modes emerge in a high-index dielectric resonator when two eigenmodes, associated with Mie and Fabry-Perot resonances, undergo strong coupling that manifests itself as an avoided crossing pattern [Fig. 2(a) will be discussed hereafter]. Those states interfere destructively outside the resonator, realizing the quasi-BIC.21 To find the supercavity mode condition, the parametrical study of the cylindrical dielectric resonator was performed using a frequency-domain solver of CST Microwave Studio. The dielectric resonator was excited by a loop antenna placed near the cylinder base, where the magnetic field maximum is expected. The complex reflection coefficient (S11) was calculated numerically. The radius of the cylinder r was kept constant (r — 15 mm) while the height h was an optimization variable, modifying the aspect ratio r/h. Figure 2(a) summarizes the parametric studies. The color map shows (1-|S11|) as a function of the cylinder's aspect ratio and operational frequency. Colored maxima on the graph correspond to the matching conditions between the probe and the modes within the structure.

The aspect ratio of 0.7 leads to the strong coupling of resonant cavity TE020 and TE012 modes and results in an emergence of the supercavity mode. TE means transverse electric, where the electrical field of the mode is primarily oriented orthogonally to the cylindrical resonator axis and sub-indices denote to the azimuthal, radial, and axial wavenumbers.20 This parametric study allows finding optimal properties of the resonator r — 15 mm, h — 21.42 mm, permittivity e — 506, and a loss tangent of 10~4.

After identifying the parameters, consideration of a practical layout can be done. Our architecture consists of a halved dielectric cylinder, attached to a ground plane (Fig. 1). The metal sheet acts both as a holder and a heat source with moderately high heat conductivity. This approach also allows reducing the footprint of the device. From the electromagnetic standpoint, the ground plane acts as a mirror. In the case of a perfect electric conductor, the image theory suggests replicating responses of an entire geometry by considering its half. However, only modes with certain symmetries (granting the vanishing tangential component of the electrical field on the boundary) obey this rule. The modes, responsible to the quasi-BIC formation (TE020 and TE012) satisfy the beforehand mentioned criterion, and, as a result, the entire geometry can be halved and placed above the ground plane. Starting from the parameters, found optimal for a solid cylinder, we made a minor optimization to adjust the device geometry in Fig. 1. The location of the probing loop with a radius of 5 mm was chosen at the point of the magnetic field maximum (obtained after the mode analysis). The loop is placed 1 mm apart from the resonator (Fig. 1). Figure 2(b) demonstrates reflection coefficient spectra (|S11|) of a whole and halfcut cylinder (red and blue lines, respectively). Both spectra agree with each other with a minor shift of the resonance location, which is attributed to numerical aspects of the calculations. The electric field distribution of the supercavity mode is shown in the inset of Fig. 2(b). The mode consists of three polarization currents loops, where the flow in the central one is in the opposite direction with respect to the others.

scitation.org/journal/apl

Frequency, GHz Frequency, GHz

FIG. 2. (a) Numerically calculated color map of (1-|S11|) as the frequency and aspect ratio r/h. S-parameters are obtained with the probe, as appears in the inset. (b) Numerically calculated and experimentally obtained reflection coefficient spectra (| S111) of the solid and halved dielectric resonators (curves clarifications appear in the legend). Inset shows numerically calculated electrical field intensity |E| of the quasi-BIC. Blue arrows depict the electric field polarization. (c) Experimentally obtained spectrum in the far-field configuration. Inset shows the measurement scheme and the normalized scattering diagram.

The high-Q state emerges owing to relatively low radiation efficiency and minor material losses despite the high modal confinement. Experimental response of the structure [black line, Fig. 2(b)] also verifies the existence of the high-Q mode. (The Q factor of the observed dip is 1070.)

While probing the structure response with the near-field coupled probe provides certain applied advantages, far-field interrogation is a benchmark of a wireless device. Here, we investigate the response in a monostatic scattering configuration. It should be noticed that the observation of high Q factors is directionally dependent. The inset in Fig. 2(c) shows the scattering diagram indicating that an optimal angle of 45° and 135° can be used for effective excitation of the high Q-modes.

The device is illuminated with the horn antenna at an angle of 45°, and the backscattering spectrum is obtained. The rectangular antenna is oriented along the Y-axis. Regardless the excitation configuration, the spectra in Figs. 2(b) and (c) demonstrate an excellent agreement in the strong response corresponding to the supercavity mode. After demonstrating the emergence of the quasi-BIC, sensing capabilities can be assessed. A gradual elevation in an ambient temperature leads to a change in the dielectric index, which shifts the resonant frequency of the supercavity mode. Since the aspect ratio remains constant, such a change in the dielectric index does not affect the condition for the excitation of the supercavity mode.21 Thermal expansion in the range of the considered parameters can be neglected. Typically, an elevation of a material temperature is accompanied by increasing dielectric losses, leading to a drop in the resonance Q factor. However, it is quite remarkable that high-quality ceramics [here, we use (Ba,Sr)TiO325] are sustainable to elevated temperatures and maintain their electromagnetic properties quite well, as it will be shown hereafter.

Halved cylinder with radius r — 15 mm and height h — 21.42 mm, made of ceramic materials with permittivity e — 506 and a loss tangent of 10~4, was fabricated. The resonator is attached to a metallic ground

plane (made of steel) with the dimensions of 30 x 30 cm2. The sensor can operate either with far-field excitation or with near-field loop antenna-based interrogation. The measurement in the far-field config- 4

uration is monostatic. The free-space normalized reflectance is dem- n

onstrated in Fig. 2(c) along with the measurement scheme shown r

the inset. The horn antenna is pointed at a 45° angle to the resonator 0

at a distance of 50 cm. We notice here that results collected in both 1

near-field and far-field configurations match each other. 3

In the near-field setup, the resonator was excited by a small loop 7

antenna connected to a vector network analyzer Rohde and Schwartz ZVB-40. The loop probe was calibrated and designed not to have a resonance at the range of frequencies between 0.85 and 1.25 GHz, where the experiment was performed. |S11| spectra have been measured. Figure 2(b) shows a comparison between numerically obtained and measured reflection coefficient spectra of the resonator at a room temperature of 21 °C. The experimental spectrum has a narrow resonance centered at f0 — 859.6 MHz It is clearly seen that both numerical and experimental spectra are in a perfect agreement. Minor deviations or resonance positions come from an uncertainty in dielectric parameters of the cylinder, the finite size of the ground plane, and its material losses.

High-Q resonances are well approximated with a Lorentzian shape. Here, we fit the temperature-dependent peaks in (1- |S11|) with this approach, evaluating the Q factor, resonance position f0, and full width at half maximum (FWHM). For 21 °C, the Q factor of the supercavity mode was found to be Q — 1070, which is smaller than the predicted theoretical value (Q — 2000). However, it is still higher in comparison to the fundamental magnetic dipole mode with Q — 260. The high-Q supercavity resonance is sufficient for accurate temperature mapping. For this purpose, the sensor tag was heated with a hot air from a soldering station. The temperature of the ceramic resonator was monitored by a thermocouple connected to the multimeter. Figure 3(a) shows a set of resonant lines (1 - |S11|) measured with the vector network analyzer. The corresponding ambient temperatures are

scitation.org/journal/apl

(a) .

0.9 0.8

0.7 — 06

0.5 ~~ 0.4 0.3 0.2 0.1

25 3 45° 65° 85 O

° 75 O 95°

105°

—, * - L

(b) .2 1.15 1.1

f3 1.05

o

1

0.95 0.9

0.95 1 1.05 1.1

Frequency, GHz

1.15 1.2 1.25

(C) 1400 1300

50 60 70 80 Temperature, °C

O

90 100 110

20 30 40

50 60 70 80 90 100 110 Temperature, °C

FIG. 3. The experimental demonstration of temperature sensing. (a) The measured reflection spectra (1 - |Sn |), demonstrating the resonance shift of the supercavity mode due to changes in the ambient temperature. (b) The measured resonance frequency in the case of near-field (purple curve) and far-field (green curve) measurements and (c) Q factor of peaks as a function of the temperature.

indicated in the plot. The sensor tag was examined at a temperature interval between 25 and 105 °C. Resonance frequencies f0 vs temperature were extracted and are shown in Fig. 3(b) for both far-field and near-field measurements. As well as, Q factors were calculated and presented in Fig. 3(c) as a function of temperature. The resonance frequency shifts monotonically from 0.875 to 1.19 GHz with the temperature increase. Minor deviations from this behavior were observed and were attributed to non-uniform heating of the resonator. This problem was partially solved with a moderately low-rate temperature increase in the experiment.

An averaged absolute sensitivity (s) and a limit of detection (LOD) are essential characteristic parameters of any sensor.26 In our case, the sensor's sensitivity is defined as s — Afo/AT — 4MHz/°C. The LOD is defined as a minimal detectable temperature change that can be estimated by the sensor and is given by LOD — fr /s, where fr is the resolution of the vector network analyzerfr — AF /(n — 1). Here, AF is the assessable frequency span, and n is a number of sampling points. In our case, fr — 0.06 x 10—3 GHz, so LOD — 0.016 °C and can be further improved by reducing the observation range. It is worth noting that state-of-the-art vector network analyzers have frequency resolution as high as 0.1 Hz, leading to an enormously high predicted accuracy.27 In this case, however, noise in the wireless channel will set a limitation. In any case, a small fraction of degree accuracy can be obtained with a second-scale observation time of the sensor. The figure of merit (FOM) defined as FOM — s/FWHM can serve as ultimate assessment criteria, as it is solely the function of sensitivity and line-width of the resonance and does not depend on the measurement apparatus.28 For our sensor, FOM — 5.

In summary, we have demonstrated an efficient temperature sensor based on quasi-BICs in the high-quality ceramic resonator. Our design is based on observing the high-Q supercavity mode in the geometry, consisting of the halved dielectric cylinder resonator, attached to a ground plane. A monotonic frequency shift of the resonant frequency with the ambient temperature increase from 25 to 105 °C has been observed for both far-field and near-field measurements. The device's sensitivity has been found to be as good as Af0/AT — 4MHz/°C. The demonstrated concept put low budget chipless sensors on the stage to compete with sophisticated devices on performances. As an outlook, ceramic resonators' platform, being recently demonstrated to show superior performances in RFID appli-cations,29,30 can be further toward the sensor fusion approach.

The reported study was funded by RFBR, Sirius University of Science and Technology, JSC Russian Railways and Educational Fund "Talent and success," project number 20-37-51011. A.S. acknowledges the support by the Foundation for the Advancement of Theoretical Physics and Mathematics "BASIS."

AUTHOR DECLARATIONS Conflict of Interest

The authors have no conflicts to declare. DATA AVAILABILITY

The data that support the findings of this study are available from the corresponding authors upon reasonable request.

REFERENCES

1L. D. Xu, W. He, and S. Li, IEEE Trans. Ind. Inf. 10, 2233 (2014). 2H. Lasi, P. Fettke, H. G. Kemper, T. Feld, and M. Hoffmann, Bus. Inf. Syst. Eng. 6, 239 (2014).

3V. Mulloni and M. Donelli, Sensors 20, 2135 (2020). 4Y. Feng, L. Xie, Q. Chen, and L. R. Zheng, IEEE Sens. J. 15, 3201 (2015). 5C. Schuster, P. Schumacher, M. Schusler, A. Jimenez-Saez, and R. Jakoby, in Proceedings of IEEE Sensors (2017). 6S. Dey, R. Bhattacharyya, S. E. Sarma, and N. C. Karmakar, IEEE Internet Things J. 8, 3955 (2021). 7C. Shi, A. Rani, B. Thomson, R. Debnath, A. Motayed, D. E. Ioannou, and Q. Li, Appl. Phys. Lett. 115, 121602 (2019).

8Y. Li, Y. Yu, H. San, Y. Wang, and L. An, Appl. Phys. Lett. 103, 013111 (2013). 9F. Lu, Q. Tan, Y. Ji, Q. Guo, Y. Guo, and J. Xiong, Sensors 18, 2879 (2018). 10J. W. Sanders, J. Yao, and H. Huang, IEEE Sens. J. 15, 5312 (2015). 11T. T. Thai, J. M. Mehdi, F. Chebila, H. Aubert, P. Pons, G. R. Dejean, M. M.

Tentzeris, and R. Plana, IEEE Sens. J. 12, 2756 (2012). 12H. Cheng, X. Ren, S. Ebadi, Y. Chen, L. An, and X. Gong, IEEE Sens. J. 15, 1453 (2015).

13B. Kubina, M. Schusler, C. Mandel, A. Mehmood, and R. Jakoby, in Proceedings

of IEEE Sensors (IEEE, 2013), p. 4. 14S. Dey, J. K. Saha, and N. C. Karmakar, IEEE Microwave Mag. 16, 26 (2015). 15M. Rybin and Y. Kivshar, Nature 541, 164 (2017). 16S. I. Azzam and A. V. Kildishev, Adv. Opt. Mater. 9, 16 (2021). 17Y. K. Srivastava, R. T. Ako, M. Gupta, M. Bhaskaran, S. Sriram, and R. Singh,

Appl. Phys. Lett. 115, 151105 (2019). 18F. Yesilkoy, E. R. Arvelo, Y. Jahani, M. Liu, A. Tittl, V. Cevher, Y. Kivshar, and

H. Altug, Nat. Photonics 13, 390 (2019). 19D. N. Maksimov, V. S. Gerasimov, S. Romano, and S. P. Polyutov, Opt. Express 28, 38907 (2020).

scitation.org/journal/apl

A. A. Bogdanov, K. L. Koshelev, P. V. Kapitanova, M. V. Rybin, S. A. Gladyshev, Z. F. Sadrieva, K. B. Samusev, Y. S. Kivshar, and M. F. Limonov, Adv. Photonics 1, 016001 (2019). !1M. V. Rybin, K. L. Koshelev, Z. F. Sadrieva, K. B. Samusev, A. A. Bogdanov, M.

F. Limonov, and Y. S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 119, 243901 (2017). !2M. Odit, K. Koshelev, S. Gladyshev, K. Ladutenko, Y. Kivshar, and A.

Bogdanov, Adv. Mater. 33, 2003804 (2021). !3D. Vovchuk, S. Kosulnikov, R. E. Noskov, and P. Ginzburg, Phys. Rev. B 102, 094304 (2020).

*S. Kosulnikov, D. Filonov, A. Boag, and P. Ginzburg, Sci. Rep. 11, 9571 (2021). !5E. A. Nenasheva, A. D. Kanareykin, N. F. Kartenko, A. I. Dedyk, and S. F. Karmanenko, J. Electroceram. 13, 235 (2004).

6N. Pandit, R. K. Jaiswal, and N. P. Pathak, Electron. Lett. 56, 985 (2020).

7M. Wendt, Report CERN-94-01, CAS—CERN Accelerator School: 5th General Accelerator Physics Course (2020).

8S. Romano, G. Zito, S. Torino, G. Calafiore, E. Penzo, G. Coppola, S. Cabrini, I.

Rendina, and V. Mocella, Photonics Res. 6, 726 (2018). 9D. Dobrykh, I. Yusupov, S. Krasikov, A. Mikhailovskaya, D. Shakirova, A. A. Bogdanov, A. Slobozhanyuk, D. Filonov, and P. Ginzburg, IEEE Trans. Antennas Propag. 69, 3125 (2021). 0S. Krasikov, M. Odit, D. Dobrykh, I. Yusupov, A. Mikhailovskaya, D. Shakirova, A. Shcherbakov, A. Slobozhanyuk, P. Ginzburg, D. Filonov, and A. Bogdanov, Phys. Rev. Appl. 15, 024052 (2021).

Miniature Long-Range Ceramic On-Metal RFID Tag

Ildar Yusupov , Member, IEEE, Dmitry Dobrykh , Graduate Student Member, IEEE, Dmitry Filonov , Member, IEEE, Alexey Slobozhanyuk, Member, IEEE, and Pavel Ginzburg, Member, IEEE

Abstract—Radio frequency identification (RFID) is a widely used wireless technology for contactless data exchange between a passive information carrier (tag) and an active interrogation device (reader). Being sensitive to a surrounding environment, RFID tags are usually designed per application. Here, we demonstrate an RFID tag with three essential functions available simultaneously, namely, small footprint, long reading range, and capability of on-metal labeling. Our design is based on a compact high-index ceramic resonator and an inductively coupled small metal ring functionalized with an RFID chip. The tag operates at magnetic dipolar resonance, which interacts with the metal object subject to labeling. Specifically, a 16.5 mm x 16.5 mm x

12 mm footprint device, placed on a 40 cm x 40 cm metal sheet, was successfully interrogated from 22 m with no violation of international effective isotropic radiated power (EIRP) standards. Currently, it is the smallest on-metal RFID tag with a reading range of over 20 m. Multifunctional miniature long-range ceramic tags are attractive for use in numerous practical applications, including the Internet of Small Things (IoST) and many others.

Index Terms—Ceramic resonators, dielectric resonant antennas (DRAs), on-metal RFID tags.

I. Introduction

RADIO frequency identification (RFID) allows short-range wireless data exchange between multiple users. Apart from traditional applications in retail, personal identification, and billing systems, the well-established RFID technology can contribute to the new emerging trends in

Manuscript received 21 December 2021; revised 7 luly 2022; accepted

13 luly 2022. Date of publication 8 August 2022; date of current version 17 November 2022. This work was supported by the Russian Science Foundation for Basic Research, Sirius University of Science and Technology, loint-Stock Company (ISC) Russian Railways and Educational Fund "Talent and Success," under Project 20-37-51011. The work of Alexey Slobozhanyuk was supported by the Foundation for the Advancement of Theoretical Physics and Mathematics "BASIS." The work of Pavel Ginzburg was supported in part by the European Research Council (ERC) Starting Grants (StG) "In Motion" under Grant 802279, in part by the PAZY Foundation, and in part by the Israeli Ministry of Science and Technology through the Project "Integrated 2-D and 3-D Functional Printing of Batteries with Metamaterials and Antennas. (Corresponding author: Ildar Yusupov.)

Ildar Yusupov and Alexey Slobozhanyuk are with the School of Physics and Engineering, ITMO University, 197101 Saint Petersburg, Russia, and also with Sirius University, 354349 Sochi, Russia (e-mail: [e-mail]; [e-mail]).

Dmitry Dobrykh and Pavel Ginzburg are with the School of Electrical Engineering, Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel (e-mail: [e-mail]; [e-mail]).

Dmitry Filonov is with the Center for Photonics and 2-D Materials, Moscow Institute of Physics and Technology, 141700 Dolgopradny, Russia, and also with Sirius University, 354349 Sochi, Russia (e-mail: [e-mail]).

Color versions of one or more figures in this article are available at https://doi.org/10.1109/TAP.2022.3195551.

Digital Object Identifier 10.1109/TAP.2022.3195551

the Internet of Things [1]. In particular, extremely low-cost passive RFID tags can be considered consumables, which makes labeling small items affordable. Internet of Small Things (IoST) promotes the idea of a global network, in which small items become subject to identification and tracking. Apart from low cost, the main technical requirements for tags, in this case, are: 1) long reading range; 2) omnidirectional response; 3) small footprint; and 4) capability of object-independent labeling. While all those functions can be achieved separately [2]-[9], meeting all of the abovementioned requirements within a single device remains a challenge. Here, we present an RFID tag simultaneously demonstrating three functions: small footprint, long reading range, and a capability of on-metal labeling.

A passive RFID tag consists of an antenna and an integrated circuit (IC). The antenna harvests an interrogating signal, which is partially rectified to power the electronics. The IC modulates the antenna impedance, leading to time-modulated backscattering, which encodes the information stored in the tag memory. In the most cases, tag performance can be tailored per specific application by changing its antenna design. A typical tag antenna layout is based on a meandered electric dipole printed on a thin, flexible adhesive substrate. However, this design makes tags extremely sensitive to the surrounding environment, especially if there are metal objects located near the tag. In this case, special designs are required.

On-metal ultrahigh-frequency (UHF) RFID tags were developed for labeling containers transported by railways or by sea [10], [11]. Quite a few different approaches to on-metal tagging have been proposed and demonstrated. For example, dipole-like antennas with high-index dielectric substrates [12], microstrip patch antennas [13], [14], meandered patches [15], planar inverted-F antennas [16], and cavity-type antennas [17], [18] showed reliable performances. However, all these solutions must reach a compromise between the footprint and the reading range, as we summarized in the section with experimental results, quantitatively comparing our realization and other existing reports.

An antenna located in close proximity to a metal surface is a well-known and widely studied electromagnetic problem [19]. Nevertheless, demonstrating a compact on-metal antenna with high radiation efficiency remains challenging in many practical cases.

An electric dipole antenna radiates efficiently only if placed at a distance of quarter wavelength Uo/4 in free space) above the metal surface [see Fig. 1(a)]. In this case, the field

0018-926X © 2022 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution requires IEEE permission. See https://www.ieee.org/publications/rights/index.html for more information.

(a) Electric dipole antenna + Electric screen

Electric screen Ei=0, Hi=(

(b) Electric dipole antenna + Magnetic screen

Fig. 1. Substrate-antenna interaction, (a) Electric dipole above the electric screen [perfect electric conductor (PEC)], (b) Electric dipole above the magnetic screen (PMC), (c) Magnetic dipole above the PEC. In all the scenarios, the dipole moment is oriented parallel to the surface.

reflected from the surface comes in-phase with the antenna's current [20]. Otherwise, the radiation is quenched. A possible solution is a special magnetic screen [e.g., approaching the performance of a perfect magnetic conductor (PMC)] [see Fig. 1(b)], which allows placing an electric dipole antenna directly on a surface [21], [22]. However, practical realizations of magnetic screens are quite challenging, as they lead to bulky narrowband solutions. These aspects significantly limit the practical applications of RFID.

A conceptually different designs can be chosen, based on a magnetic dipole antenna attached to a metal screen [see Fig. 1(c)]. In this case, the magnetic dipole moment should be parallel to the surface; otherwise, the radiation will be quenched. However, practically realizable magnetic dipoles have a finite size, which means that retardation effects arise. A split ring with a normal parallel to the surface is a representative example. In this case, the reflected wave accumulates a phase over the ring's diameter, degrading the condition of a perfect constructive interference. We propose a high-index dielectric resonator as a solution to this problem. It operates at the fundamental TEoio (magnetic dipole) mode, which allows putting the structure directly on a metal surface. Owing to the high-index ceramic material, the overall footprint of the resonator is quite small, reducing the impact of the destructive interference.

Our on-metal tag architecture is based on a ceramic cylinder supporting a magnetic dipole mode (see Fig. 2). A miniature nonresonant metal split ring with a standard RFID chip soldered in the ring's gap is placed on top of the resonator. Since the main antenna element is a ceramic cylinder, an inductively coupled metal ring converts the displacement current in the dielectric into conduction currents, which drive the IC soldered

E-field (abs) H-field (abs)

Fig. 2. Miniature long-range ceramic on-metal RFID tag. The tag consists of a cylindrical high-index ceramic resonator and a metallic split ring, functionalized with an RFID chip. The tag is encapsulated in a plastic holder and attached to a metal surface.

in the metal split ring. A thin 3-D-printed plastic enclosure is an additional element. It has no electromagnetic function and serves as a protection layer, forming a geometry for convenient placement on metal (see Fig. 2).

We have recently developed a new architecture of longrange ceramic tags [8], which has proven to be beneficial in many applications relevant to IoST. However, we did not consider on-metal tagging, which requires different design rules, as we will discuss hereinafter. Specifically, the interplay between the form factor, permittivity, and the required retardation plays the key role.

II. Antenna Design

We chose the free-space tag that we have demonstrated in [8] as a starting point for optimization. This geometry has already proved itself tunable per application. This aspect is quite important from the technological point of view, as it paves a way for low-cost manufacturing. The main tag parameters to be optimized are the cylinder dimensions and its permittivity. The ceramic elements are provided by "Ceramics Ltd." [23], manufacturing a wide range of materials with tunable low-loss permittivity. Consequently, we can reduce the resonator footprint by increasing its refractive index [24]. However, the drawback of this approach is the bandwidth reduction of dipole channel, according to the Chu-Harrington limit (e.g., [25]—[27]). RFID communication protocol sets a lower bound on the bandwidth (250-500 kHz per single channel in the EPCGEN2 protocol). As a result of the size-permittivity tradeoff, we chose sr = 506 with tan 3 = 4 ■ 10-4. Other system parameters were optimized as follows: the cylinder dimensions were chosen to support a resonance near 865-868 MHz (Europe UHF RFID band).

We achieved the impedance matching conditions between the chip and the tag antenna (the resonator and the ring)

TABLE I

Possible Parameters of Metal-Mountable RFID Tags

Radius R, mm Height h, mm R/h Resonator's volume, mm3

7.7 9 0.855 1676

7.5 9.9 0.758 1750

7.3 11 0.663 1842

7 13.55 0.516 2086

6.8 15.8 0.431 2296

by adjusting the inductive coupling coefficient between the ring and the resonator. Control over the relative geometric arrangement allows matching and, furthermore, tuning the operational frequency. This parameter can be changed by varying the radius and thickness of the ring and its position above the resonator [24]. In the experiment, the resonant frequency of the tag is tuned by shifting the ring with respect to the center of the cylinder. The ratio between the cylinder radius and height (R/h) can also be optimized to reduce the tag footprint. As the cylinder's axis is parallel to the metal plane, the radius dictates the profile above the surface. Table I summarizes the tag parameters, given that the resonant frequency of TEnio mode and the cylinder permittivity are fixed. Reducing the radius cause to a fat growth of the height and, consequently, the volume of the resonator. Considering the above, we found R/h ~ 0.5-0.7 to be an empirical optimum. The chosen set of parameters is highlighted in Table I with green color.

We chose the following final design: a ceramic resonator with a small conductive ring is placed at a distance of 1 mm above the metal surface. This distance corresponds to the width of the plastic holder in the forthcoming experiment. The resonator parameters are: radius R = 13 mm, height /; = 11 mm, and permittivity er = 506 with tan <5 = 4- 10~4. The radius of the nonresonant metal split ring made of a thin copper wire is Rri„g = 3.2 mm. These parameters correspond to the resonant frequency of the on-metal tag equal to 868 MHz.

For proper operation of the tag, the impedances of the antenna and the IC should be matched. A usual analysis tool is an equivalent circuit model. In case of a distributed system such as ours, nominal values are not known, and the parameters can be retrieved in a limited set of measurements. Thus, we connected a vector network analyzer (Rohde and Schwarz ZVB20) into the ring's gap instead of the RFID IC. Fig. 3 shows the real and imaginary parts of the impedance as a function of frequency. Dashed-dotted purple lines are the complex conjugate impedance of chip (one of its states) taken from the vendor's IC's datasheet (Impinj Monza R6). The conjugate matching is obtained at 867.8 MHz, where antenna impedance is Zexp = 12.7 - 147.8 j (experiment). The numerical modeling values are 868.4 MHz and Zmim = 11.3 — 147.6j. The metal screen dimensions are 40 cm x 40 cm.

Based on this experimental information, an equivalent scheme is proposed [see Fig. 3(c)]. It consists of three inductively coupled circuits, namely: 1) Rr, Lr, and C, of

Fig. 3. (a) Real and (b) imaginary parts of the input impedance as a function of frequency. Red solid lines are the numerical calculations in CST, blue dashed lines mark experimental data, orange dotted lines are the equivalent circuit fit, and the purple dashed-dotted lines are the complex conjugate of the tag's IC (Impinj Monza R6). Photograph of the experimental design used to measure the impedance (inset), (c) Equivalent circuit of the tag on metal.

the metal ring; 2) Rd, Ld, and Q of the ceramic resonator; and 3) resonator's image in the metal screen. For simplicity, we assumed that the ceramic resonator and its image have equal parameters. Mutual inductances, M\ and M2, appear on the scheme. Coupling between the metal ring and the screen plays a secondary role, and it was neglected. As the system operates primarily on a magnetic mode, we used inductive couplings.

The parameters of the system [see Fig. 3(c)] were retrieved with the models reported in [28] and [29], where a cylindrical resonator was fed with a strip line. The input impedance of the system (the port is connected to the ring's gap) can be found as [30]

Z /" n — 1

Zi + Z2

ZiZ2 + Z3(Zi + Z2)

1 '

~zi

(1)

TABLE II