Electromagnetic simulation and experimental evaluation of balanced UHF tag antennas for energy harvesting applications

Abstract

This work addresses the challenge of limited read range in passive Ultra High Frequency (UHF) tags mainly for Internet of Things (IoT) and Edge Computing applications by designing, optimizing, and experimentally validating a compact Meander-Line Dipole Antenna (MLDA) operating at 915 MHz. The antenna targets long-range energy harvesting, leveraging electromagnetic simulations and parametric studies to enhance energy capture efficiency while minimizing infrastructure costs. Fabricated on thin Rogers RT/duroid 5870 substrate (εr = 2.33, h = 787μm), the MLDA integrates a T-match network to achieve conjugate impedance matching with the NXP UCODE 9 Radio-Frequency Integrated Circuit (RFIC), which has impedance of 10 + j191 Ω at 915 MHz. Methodology combines electromagnetic simulations in CST Studio Suite for geometric optimization and MATLAB for analysis of the impedance matched system. Parametric sweeps of antenna dimensions quantified impacts on gain, radiation efficiency, and impedance, while T-match design employed contour plots to pre-optimize stub geometry, reducing design iterations. The design process included prototyping the optimized antenna using a Computer Numerical Control CNC milling machine and validated using Vector Network Analyzer (VNA) measurements with Short-Open-Load-Thru (SOLT) calibration, port-extension, and S-parameter de-embedding techniques. Key results demonstrate an optimized MLDA (84×40 mm, 3360 mm2) achieving near-perfect conjugate matching at 915 MHz (simulated: 10.0 + j191.8 Ω vs. chip: 10.12 − j190.6 Ω), yielding a reflection coefficient of −24.21 dB, power transmission efficiency of 99.62%, and radiation efficiency greater than 90% across 840–960 MHz. The theoretical read range reached 16.04 meters for 1 W Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) and 32 meters for 4 W EIRP, exceeding several commercial tags. Parametric studies revealed longitudinal extensions impact gain by up to 0.8 dBi; T-match width adjustments enable isolated reactance tuning with minimal resistance perturbation; and meandering reduces footprint by 57% versus half-wavelength dipole. Experimental validation showed discrepancies (measured impedance: 40.45 + j160.8 Ω via S-parameter de-embedding), yet confirmed functionality for 11.07 m read range at 1 W EIRP. The work establishes a simulation-driven framework for UHF tag design, emphasizing geometric sensitivity and balanced measurement methodologies, with contributions including extended read range, replicable optimization workflow, and practical impedance characterization insights.

Este trabalho aborda o desafio da limitada distância de leitura em tags passivas de Ultra Alta Frequência (UHF), principalmente para aplicações de Internet das Coisas (IoT) e Computação de Borda, através do projeto, otimização e validação experimental de uma compacta Antena Dipolo Meander-Line (MLDA) operando em 915 MHz. A antena visa colheita de energia de longo alcance, utilizando simulações eletromagnéticas e estudos paramétricos para aumentar a eficiência de captação de energia enquanto minimiza custos de infraestrutura. Fabricada em substrato fino Rogers RT/duroid 5870 (εr = 2.33, h = 787 μm), a MLDA integra uma rede de T-match para alcançar o casamento de impedância conjugada com o Circuito Integrado de Radio-Frequência (RFIC) NXP UCODE 9, cuja impedância é 10+j191 Ω em 915 MHz. A metodologia combina simulações eletromagnéticas no CST Studio Suite para otimização geométrica e MATLAB para análise do sistema casado. Varreduras paramétricas das dimensões da antena quantificaram impactos no ganho, eficiência de radiação e impedância, enquanto o projeto do T-match empregou gráficos de contorno para pré-otimizar a geometria dos stubs, reduzindo iterações de projeto. O protótipo otimizado foi fabricado por usinagem de Controle Numérico Computadorizado (CNC) e validado usando um Analisador de Redes Vetoriais (VNA) utilizando calibração Short-Open-Load-Thru (SOLT), port-extension e técnicas de de-embedding de parâmetros S. Principais resultados demonstram uma MLDA otimizada (84 × 40 mm, 3360 mm2) alcançando casamento conjugado quase perfeito em 915 MHz (simulado: 10.0+j191.8Ω vs. chip: 10.12−j190.6Ω), com coeficiente de reflexão de −24.21 dB, eficiência de transmissão de potência de 99.62% e eficiência de radiação maior que 90% na faixa de 840–960 MHz. O alcance teórico atingiu 16.04 metros para 1 W de Potência Isotrópica Radiada Efetiva (EIRP) e 32 metros com 4WEIRP, superando várias tags comerciais. Estudos paramétricos revelaram que extensões longitudinais impactam o ganho em até 0.8 dBi; ajustes na largura do T-match permitem ajuste isolado de reatância com perturbação mínima na resistência; e o meandreamento reduz a área em 57% versus dipolo de meia onda. A validação experimental mostrou discrepâncias (impedância medida: 40.45 + j160.8Ω via de-embedding por parâmetros S), mas confirmou funcionalidade para alcance de 11.07 m com 1 W EIRP. O trabalho estabelece uma abordagem baseada em simulação para projeto de tags UHF, enfatizando sensibilidade geométrica e metodologias balanceadas de medição, com contribuições incluindo alcance estendido, fluxo de otimização replicável e insights práticos de caracterização de impedância.