TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 3, March 2 015,  pp. 521 ~ 52 8  DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i3.713 5          521     Re cei v ed O c t ober 5, 20 14;  Revi se d De cem ber 3, 201 4; Acce pted  De cem ber 2 8 , 2014   Analysis and Design of Tag Antenna Based UHF RFID  for Libraries      Xue Jian-bin * 1,3   He Fengjie 1 , Wang Do ng 2   1 School of Co mputer an d Co mmunicati on, L anzh ou U n iver sit y  of T e chnol og y, Lanz ho u 730 05 0, Chin a   2 Soft w a r e  Institute, Shan gha i Jiao T ong Univ ersit y , Sh ang h a i 20 02 40, Chi n a   3 Nation al Mob i l e  Commu nicati ons Res earch  Lab orat or y, So utheast Un iver sit y , Nan j i ng 2 100 96, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  27859 60 49@ qq.com       A b st r a ct  A  kind of UHF  RF ID  tag a n tenn a for library  man a g e m ent is design e d . T he series  of desig n   requ ire m e n ts are pro pos ed t h rou gh ric h  an alytics. Refer to the man a g e m e n t mode l of  intell ige n t libr a ry   base d  on U H F  RF ID. F o r the  anten na, the s i z e   is  mm mm 3 90 , adoptin g T - shap ed  ma tching w h ich  g ood   for adjusti ng  o f  antenn a i m p eda nce  match i ng,  the cent er freque ncy by s i mulati ons is 91 8 M H z un der   app licati on e n viro nment, Return Loss  is less th an  - 10d B   in the frequency ban d o f   8 6 0 M Hz ~ 960 M H z , the mi ni mu m  valu e of return  loss is  - 2 4. 4d B . Simul a tion resu lts sho w  that the  tag ante nna h a s  a good  perfor m a n ce u n d e r a pplic atio n env ir on me nt for libr a ry .     Ke y w ords ： U H F  RF ID, library tag, antenn a, library     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  At prese n t, the manag eme n t model of libra ry  has b e en tran sform ed from ma n ual mode  to semi-intelli gent mana ge ment model  whi c h co mbin ed magn etic  stripe a nd ba rco de. But there  exist some probl em s, su ch as intelli gent in sp ecti on, fast stock taki ng a nd so on.  The   advantag es  of managem ent in library ,  based o n   ultra high freq uen cy (UHF) radio-f r eq ue ncy   identificatio n  (RFID) technolo g y, are  mostly  em bodie d  in such a s p e ct s as the se lf- che c k 、 intelli gent inspe c tion 、 rak i ng 、 i n ventory che ck a nd safe ty system of book. So the   appli c ation of  UHF  RFID in  library can solve the abov e probl em s.    Based o n  the  research  situ ation and  co mme rciali zati on at home a nd abroad, th e study  of UHF  RFI D  tag  ant en na m a inly h a s th e follo wing  a s pe ct s: ne ar-field  anten na 、 di pole  antenn a 、 circularly pol ari z ed anten na,  dual-ban d an t enna. No r t he RFI D  tag  on sal e  in the   market, the cl ient need to consi der tag a nd memo ry  capa city in ord e r to make the situation a n d   appli c ation o b ject s matchi ng with tag. So antenna  desi gn in RF ID tags is a probl em urge ntly  need ed to  b e  solved in  concrete i ndu stry. Refe re n c e [5]  sho w s that the maj o r fa ctors  wh ich  influen ce the  RFID tag a n tenna, de sig n ed a RFI D  tag antenn a on  pape ry sub s t r ate which i s   not  sen s itive to material s of the contain e r. Referen c e [6] a nalyze s  the e ffect of the distan ce bet we en  antenn a and  metal plates  and si ze of metal pl ane s on antenna p a r amete r s in d e tail, and a UHF  RFID tag  ant enna u s e d  in  contain e r i s   prop osed. Re feren c e [7] u s e text as a  meand er lin e  to   desi gn a n ten nas, in  the  a r ticle th e text ca n be  u s e d  a s  a fu ncti on ele m ent  or m anufa c tu rer  logo s. In [8],  a po ssible  m e thod  of utilizing p a ra ffin  wax as a  sub s trate m a teri al  in devel opin g  a  threshold h e a t sensi ng RFID tag is discusse d, ac cordin g to the sensitivity of paraffin wax  to   temperature i t  can be used as sen s o r  or RFI D  tag. In [9], the  author u s e stand ard met a l   pape rcli p bo dies  as ante nna s which  can  still b e   use d  for it s  prima r y pu rp ose  (me c h a n i cally  holdin g  together sh eets of  papers) whil e acting as  an RFID tag storing data at the same time.  The main e f fect  for tag antenna  ca use d   by metal backg rou nd is  studi ed in [10], the   author  p r o p o s ed an  a n ti-metal tag antenna de sig n   scheme u s ed  in cigarette ca se s and de sign   of bow-tie di pole antenna  whi c h wa s practicability of the proposal.  Mos t  of the UHF RFID Inlay tags   were  u n iversal tag, but  for some  pa rticula r   appli c ation s ,  such a s  library 、 doc u m en t 、 valu able s , con s iderin g the particula rit y   o f   siz e 、 sha p e 、 distan ce i n  ta gs, we shoul d  desi gn the ta gs a c cording  to the appli c a t ion obje c t an d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  521 – 5 2 8   522 environ ment.   This p ape r  analyzed the  application  e n vironm ent e f fect on pe rfo r man c e of ta gs  and obtaine d  the influence factors an d  design re q u i r eme n ts of ta gs.  And then design a UHF  RFID tag antenna suita b le  for library .  Whe r e, use d   T - mat c hin g  network whi c h  helpful to ad just   the antenn a impeda nce, the  ce ntre fre quen cy is  91 8 M H z , the  S1 1  (t he ch ar act e ri st ic s of   return loss) a r e less than  -1 0 d B  in the rang e o f   86 0 M H z ~ 9 6 0 M H z ， the minimi zation of it is  -2 4 . 4 d B .       2. Analy s is o f  Applica t ion  En v i ronment  Applicatio n o f  UHF  RFI D  tags i n  the  field of Boo k  Ma nag eme n t can  sim p li fies the  pro c e s s of lib rary m anag e m ent can  coll ect info rmatio n ra pidly and  accu ra cy , re duce the la b o r  intensity of workers and ef fect ively improve the ef ficiency of library manageme n t, meanwhil e ,  the tags is hi dden in b o o k s is be nefici a l  to the anti-theft of books.     2.1.  Applica t ion En v i ronment of Librar y   In prese n t, a RFID tag applied to library is base d  on the original magneti c  stripe. In   orde r to make the mag netic stri pe  a nd  UHF  RFI D  tags which can ap ply to the library  manag eme n t system,  we  will keep t he tag s  in t he cra c k of  boo ks. Fi gu re 1  sh ows  the   appli c ation e n vironm ent a nd stick way in boo k tags.            Figure 1. Application e n viro nment  of UHF RFID tag in library       2.2. Design  Requ irement  Acco rdi ng to  the appli c atio n of library ,  we nee d to  co nsid er th ree   asp e ct s: dist ance, tag  antenn a (ba c king s, si ze, types) and  com patib ility whe n  we are de si gning the tag s .  (1)  The re quirem ent of readin g  distan ce   In the aspect of distance, due to the books ar ra nged i n  simple dou ble row an d close d  to   the range, we  have small value s  for rea d ing dist a n ce  namely the small gain for antenn a so that  seldom the collision  bet ween reader and tags.   (2)  The re quirem ent of tag antenna   In the a s pe ct  of tag ante n na, the tag  a n tenna  sh oul d sle n de r a n d  thin. When  use d , we   can  stick it on the spi ne o r  ke ep it in the cra ck of  b ooks that is  easy to re ach the functio n  of   RFID tag an d  that keeps t he tag can b e  hided very  well. So the tag of books  sho u ld be me t to   the following  limits: slend er and thin, a good  pe rfo r man c e of hiding.  Then the tag anten na  mainly co nsi d ered th e ba cking s  of a n te nna, the  si ze  of antenn a, the types   of a n tenna, in  he re ,  the backin g s  of antenna u s ed PEL, the  type of antenn a use d  dipol e  antenna.   (3)  The requirem ent of compat ibility  UHF RFID tag used far-fie l d couplin g, the m agneti c stripe is met a l and stick it on th e   spin e of bo o ks.  Confli ct will prod uce b e twee n  the UHF RFID system  and  m a g netic strip e   a n d  the phenom e non of misre ading  will ap pear  when e a ch bo ok be  placed many magneti c  stri pes  for security reason s in library , thus af fecting  the succe ss rate of read in whole  system, and the   performance of  UHF RFI D   book  tag  based free space will beco me unstabl e. So we should  con s id er this  probl em in order to a c hiev e  a  good co mpatibility  between UHF RFID system   and   stripe.  W e  n eed to thin k of that in term s of  ou r simulatio n   desi g n, slig h t ly adjusting  the   resona nce po int and optimi z e s  the perfo rmance of tag in pra c tice.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis a nd  De sign of Ta g Antenna Ba sed  UHF  RFI D  for Lib r ari e s (Xue  Jian -bi n )  523   3. Ante nna Design of Boo k   3.1. La y out  Design o f   An tenn a       In this article  we use dipo le antenna a s  t ag antenn a, and the polari z ation di rection is  liner  pola r ize d . Both are m eet the  requi rements.   Ado p ted  T - type  matchin g  a n d  PET  (pe r mittivity  is 3. 5 , loss angl e tangent value  is 0. 0012 ) a s  the act ualize mann e r  of impeda nce matchin g  a nd  backin g s of antenn a resp ectively .  The impeda nce of chip is  201 - 27 j  in  the freque ncy  of 91 5 M H z .  The o r igin al size of tag  a n tenna  wa s  set as mm mm 3 100 .  The lay out of ante n n a   and the main  stru cture par ameters are shown in  T a ble  1 and Figu re  2.      Table 1. Ori g i nal si ze of struct ure pa ram e ters of b ook  tag antenn a   主要 构 参 数 结   初始 尺 寸 (mm )   L 100  W 3  w0  1   a1 24  b1 3  w 1  0.5  a2 10  w 2  0.5  a3 25          Figure 2. Layout of book a n tenna        3.2. Simulation  Analy s is  and  Optimiza tion   Model an d si mulate the antenna in fre e  spa c e an d  practi cal ap plicatio n re sp ectively  according to t he ori g inal  si ze of st ru cture par amete r s in  T abl e 1 an d antenn a st ructure in Fig u r e  2. W e  sho u ld  con s ide r  the  backing s of antenn a,  environm ent in practice. In here, the backi n g s   of antenna i s  PET  and the  magneti c  stri pes i s  lo cate d in the upp e r  and lo we r o f  tag, its size  is   mm mm mm 5 . 0 5 . 2 165 , the distance from the tag is  mm 6 (the th ickne ss is a bout 40  page s).   The origi nal stru cture param eters of antenna were  simulate d an d the Figure 3 sho w n   the retu rn lo ss value of a n t enna, the mi nimum i s  abo ut 37.7dB - . Simulation re sults  sh o w  that  the variou s characte rs of antenna  will  be af fected  whe n  the antenn a backin g s  and   environ menta l  factors are adde d to the  simu latio n . Center-freq uen cy of antenna  is  0.908GHz in simulation  results of return loss .  The  center freq u ency shifted left 0.11GHz . And  compare d   with free sp ace, the ba ndwi d th is decrea s ed  si g n ificantly un der practi cal  condition s.  This  illustrate s th at the antenna sho w s the cha r a c teri st ic of narro w-ban d at the interfere n ce  of  environ ment whi c h  contai n i ng magn etic  stripe.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  521 – 5 2 8   524   Figure 3. Ret u rn lo ss valu e of antenna    Figure 4 sh o w s the  simula tion results of  antenna  imp edan c e, in clu d ing the re al part and   the imagina ry  part of impe dan ce.  The i m peda nce is  87 . 57 1 57 . 5 j  and  46 . 210 66 . 5 j   in free sp ace  and the appl ication e n viro nm ent re sp ectively in the fr eque ncy of MHz   915 . Been  comp ared, the imagina ry part of imped ance cha n ge  significa ntly . Figure 5 an d Figure 6 is the  gain p a ttern  in free  spa c e a nd a ppli c ation  enviro n ment respe c tively .  The  antenn a gai n  is  redu ce d se rio u sly com p a r e d  to the former .         Figure 4. Simulation an alysis of impeda n c e             Figure 5. Gai n  pattern in free sp ace   Figure 6. Gai n  pattern in a p plication  environ ment       Therefore, the perform ance  of antenna will change much  when we consi der the   appli c ation  condition a nd  antenn a ba cking s .  Thi s  is  the sam e  a nalysi s  re sult s that the lib rary  impact of ant enna.  The re aso n  for this is t he appli c at ion con d ition  and anten na  backin g s cau s e   the reso nant freque ncy shi ft.  The following are scan ning analysi s  on the main  paramete r s  of  antenn a in ap plicatio n, the  para m eters is antenna le ng th  L  and cente r  loop length a1 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis a nd  De sign of Ta g Antenna Ba sed  UHF  RFI D  for Lib r ari e s (Xue  Jian -bi n )  525 Cha nge the l ength  L of antenna, the ran ge is  mm 120 ~ mm 80   with st ep of 5m m .  Figure 7 is th e result s of return loss.  T he results sho w ed that with the chan ge of  L , the  value o f   return loss sli ghtly reduced  and the center fr equ en cy shifted left and chan ged si gnifica ntly .  Thus  the cha nge s  of the antenn a length main ly  af fect the reso nant freq u ency of anten na.       Figure 7. Influence of anten na length o n  return lo ss      Figure 8 a n d  Figu re 9   sho w s the  real pa rt an d  the imagi n a ry pa rt of  antenna   impeda nce. From  th e sim u lation re sult s we can   se e that a s  a n tenna l ength   cha nge s the   real  and imagi nary part of impedan ce in cre a s e obvio usly .             Figure 8. Influence of anten na length o n  the  imagina ry part of impedance  Figure 9. Influence of anten na length o n  the  real pa rt of impeda nce       Cha nge th e center lo op le ngth a1 , the ran ge is  mm 26 ~ mm 22 with ste p   of 0.5 m m .  The simul a tion result s of return loss is pre s ente d   in figure 10, from it we can see that with the  cha nge of  a1  the cente r  fre quen cy shifte d left and change d clea rly ,  the return loss nea rly  unchan ged.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  521 – 5 2 8   526     Figure 10. Influen ce of ce nter loop le ngth  on the return  loss  Figure 1 1  a n d  Figu re  12  shows that  wh en we   chan g e  the  cente r  l oop of  anten na from  22 m m  to  26 m m , the real part of imped ance almo st no ch ang e and the imagin a ry part ro se   slightly .             Figure 11. Influen ce of ce nter loop le ngth  on  the imagina ry  part of imped ance   Figure 12. Influen ce of ce nter loop le ngth  on  the real pa rt of impedan ce       As a result, the main  stru cture  pa rame ters  of the a n tenna  are  si mulated in  tu rn.  The n   optimize the  antenn a.  The  optimizat ion i s  pre s e n ted i n   T abl e 2.      Table 2. Size  of book tag af ter optimization   主要 构 参 数 结   化后尺 寸 优 (mm)  L 90  W 3  w0  1   a1 5  b1 3  w 1  0.5  a2 9  w 2  0.5  a3 27      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis a nd  De sign of Ta g Antenna Ba sed  UHF  RFI D  for Lib r ari e s (Xue  Jian -bi n )  527 Figure 13 i s  the retu rn lo ss of anten na  after  optimiza t ion, from it we can  see t hat the   cente r-f requ e n cy of anten na is  MHz   965   in free  spa c e, the minimum of return lo ss at abou t 26.7dB - . But in practice, the cente r  -freq uen cy of antenna is  MHz   918   and the minimum of  return loss at  about 24.4dB - . W e  could see that  the reso nant  frequen cy g a ins g o od re sult in   pra c tice, or the cente r-fre quen cy shifte d left and reache d MHz   918 .  The return los s  inc r e a se d  slightly and  the ban dwidt h  ch ang e is not evi dent  in free  spa c e  comp ared  with practi cal  appli c ation.  T he results in   Figure 14  sh ow that th e i m peda n ce of  antenn a  in p r actice is in cre a se  and mu ch  clo s er to the  co njugatio n of chip impe dan ce co mpa r ed  with free  spa c e.  Th at is, the   perfo rman ce  of tag is better in pra c tice.            Figure 13. Re turn loss of a n tenna after  optimizatio n   Figure 14. Impeda nce of antenna after  optimizatio n       4.  Test a nd An aly s is  Acco rdi ng to above simu lation results, we adopte d copp er foil to manufacture the  antenn a sam p le and po st it on a  self-adhe sive  pa per , then sol d er  Alien Hi g g s-3 chi p .  The   finishe d  ante nna sample i s  sh own in Figure 1 5 .          Figure 15. Antenna sample       W e  u s e p e rf orma nce test ing inst rume nt V o y antic  T agform a n c e to test the tag at the   testing freq u ency ra nge from  0.8G H z  to   1 GHz   within a radiation  shiel ded envi r onm e nt.  Th e  testing  re sult  of rea d  rang e is  sh own in  Figur e 1 6 . Result s sho w  t h at the read   rang e redu ce d   evidently und er the i n terfe r en ce  of  ma gnetic stri pe.   The  p e rfo r m a nce ga p of  tag will  redu ce  whe n  the fre quen cy large r  than  92 5M Hz   in these dif f ere n t  two ca se s,  and the ta g ca n   achi eving bet ter perfo rma n c e at  925MH z ~ 920MH z .        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  521 – 5 2 8   528     Figure 16. Re ad ran g e       5. Conclu sion   In this paper , the  design  require s of UHF RFID boo k tag has been pro p o se d by  analyzi ng the impact of tag  performa n ce  in library .  A   UHF RFID tag antenna wit h  the dimensi on  of  3m m 90m m   whi c h  met  libra ry re quirements is  de sign ed. Simul a tion results  sho w  that th e  resona nt freque ncy is  91 8M Hz , S11  are le ss tha n   -1 0 d B  in the range of  86 0 M H z ~ 9 6 0 M H z , the minimization of  S11  is  - 24. 4dB .  T e st re sult s sh ow that the ta g has  a better pe rfo r man c e in lib rary .       Ackn o w l e dg ements   This work wa s sup port ed by the  Nation al Science Found a tion of China (No .   1310 RJZA00 3); by the open re se arch fund of Na tional Mobil e  Comm uni cations  Re se arch  Labo rato ry ， Southea st Un iversity  ( No.2 014 D13 )      Referen ces   [1]  Catari nucci L,  Colel l a R, Main etti L, et al . Near F i eld  UHF  RF ID Antenna S y stem  Enabl ing th e   T r acking of Small L a b o rator y  An imals.  Int e rnati ona l Jou r nal of Ante nn as an d Prop a gatio n.  201 3;   6(11): 1-1 1 .  [2]  Perret E, T edjini S,  Nair RS.  Desig n   of a n te nnas  for U H F   RF ID tags .  Pr oceedings  of the IEEE. 2012;   100( 7): 233 0-2 340.    [3]  Lu J H, Siao B F . Planar omni directi ona l tag  anten na for UH F  RF ID sy stem .  Journal of  Ele c troma g n e ti c   W a ves and Ap plicati ons . 2 0 1 3 ; 27(7): 90 1-9 10.   [4]  Deler u ye lle T ,  Panni er P, Alarcon J, et al.   Multi-stand ar d mono-c h i p  HF -UHF  RF ID tag anten na .   Micro w av e Co nferenc e (EuM C), Europe an . IEEE,  2010: 10 94-1 097.   [5]  Lai  Xia o zhe ng,  Liu  Hu an bin,  Su Ya n, et al.  PaPer y  S ubstr ate RF ID C ont ain e r T ag Ante nna  Desi gn.   Journ a l of Na nj ing U n ivers i ty of Sc ience a n d  T e chnol ogy (N ature Scie nce).   2008; 3 2 (3): 3 67-3 70.   [6]  W ang P i ng,  W en G u a ngj u n . Des i gn  of  UHF  RF ID T ag Ante nn a Us ed  in  Co ntain e r.  Jour nal  o f   Microw aves . 2 011; 27( 2): 42- 46   [7]  Keskil a mmi M, Kivikoski M. Using te xt as  a mean der li ne  for RF ID tran spon der a n ten nas.  An te nn as  and W i re less P r opa gatio n Lett e rs, IEEE.  2004; 3(1): 372-3 7 4 .  [8]  O cchiuzzi  C,  Pagg i C, Marr occo G .  Passi ve RF ID strain -sensor  bas ed  on m ean der-l i ne a n ten nas .   Antenn as an d Propa gati on, IEEE T r ansacti ons on.  2 011;  59(1 2 ): 483 6-4 840.   [9]  Nikitin P V, Rao K V S, Lam S.  RF ID paperclip tags.  IEEE Internation a l  Confer ence o n .  IEEE. 2011:   162- 169.   [10]  Z ou Q i n.  Lo w - cost RF ID T ag Anten na  Des i gn T e c hno lo g y  Base d o n  A n ti -fake Ap plic ati ons. Be iJin g:  Beiji ng U n ivers i t y  of Postsan d   T e le-Commu n i catio n s. 201 2: 26-3 7   [11]  Marrocco G .  T he art of U H F  RF ID antenn a  des ign:  imped ance-m a tchin g  an d size-red u ctio n   techni qu es.  Antennas a nd Pro pag atio n Maga z i n e , IEEE.  2008; 50(1): 6 6 -7 9.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.