一種超高頻rfid標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

一種超高頻rfid標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

超高頻rfid標(biāo)簽應(yīng)用隨著物流供應(yīng)鏈管理應(yīng)用的需求與日俱增，如身份驗(yàn)明、票管理和非接觸式收費(fèi)等。近年來，超級(jí)頻率（uhf，歐洲頻率：865.06.67.6mhz，美國頻率：902.928hz，日本頻率：952.954hz）的rfid技術(shù)得到了深入的研究。標(biāo)簽天線由天線輻射單元和RFID芯片構(gòu)成,標(biāo)簽和閱讀器之間的有效閱讀距離取決于天線特性和通道性能。因此,作為RFID系統(tǒng)的重要組成部分,標(biāo)簽天線有著非常關(guān)鍵的作用。在一些實(shí)際應(yīng)用中,超高頻RFID標(biāo)簽可能會(huì)被貼附于金屬物體表面,但是金屬環(huán)境對(duì)天線的近場(chǎng)有顯著的影響,這些影響將改變標(biāo)簽的輻射方向圖、輸入阻抗、輻射效率和頻率響應(yīng)等。所以,超高頻RFID標(biāo)簽在諸如集裝箱、筆記本電腦、汽車和油氣罐等金屬物體上的使用是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題,在設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)時(shí)可以考慮為天線增加一個(gè)接地面。基于這樣的考慮,一些設(shè)計(jì)已經(jīng)被提出并得到了發(fā)展,例如倒F天線(IFA)和印刷倒F天線(PIFA)、貼片天線和一些它們的變形結(jié)構(gòu)天線等等。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種可用于金屬物體的標(biāo)簽天線,其尺寸為74.5mm×20mm×3mm,并且使用了一根長40mm的開路短接線。文獻(xiàn)提出了一款尺寸為125.5mm×14mm×1.5mm的彎折偶極子天線,文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分別設(shè)計(jì)了一個(gè)印刷倒F天線陣和帶短路探針結(jié)構(gòu)的彎折貼片天線,他們的尺寸分別為130mm×45mm×0.8mm,100mm×50mm×0.8mm?？v觀這些設(shè)計(jì),可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽的尺寸還不夠小,并且他們的設(shè)計(jì)都是基于FR4介質(zhì)基板,所以天線在使用中不能彎曲。該缺陷使得這些標(biāo)簽無法用在具有共形要求的物體上。本文提出的可用于金屬物體表面的平面彎折偶極子超高頻RFID抗金屬標(biāo)簽天線,其基板采用常見的Rogers5880板材,厚度僅為0.508mm,該天線的尺寸也小于目前報(bào)道的具有相近性能的標(biāo)簽。1uhf特性天線在抗金屬RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)上主要采用以下兩種方法:其一是降低金屬物表面對(duì)天線的影響,例如使用高介電常數(shù)的基板或者高阻抗接地;其二是使用導(dǎo)電接地以降低金屬物表面對(duì)天線性能的影響,例如倒F天線(IFA)和印刷倒F天線(PIFA)或者常用的貼片天線。然而前者會(huì)增加天線的成本,所以本設(shè)計(jì)基于第二種方法。UHF頻段標(biāo)簽天線大多采用彎折偶極子形式,文獻(xiàn)對(duì)彎折偶極子天線的諧振特性做了研究。本方案中采用的是折疊偶極子平面貼片天線,天線由兩個(gè)對(duì)稱折疊輻射單元和接地面構(gòu)成,基板為Rogers5880,介電常數(shù)為2.2,損耗正切為0.0009,厚度為0.508mm,在此厚度該基板可以微微彎折。由于寄生單元的引向性,可以增加天線的增益,并且寄生單元和輻射單元之間的耦合將會(huì)適當(dāng)降低天線的Q值,增大天線的帶寬,所以該天線加入了條狀寄生單元。對(duì)稱輻射單元通過兩個(gè)短路探針與金屬地板相連接,天線整體尺寸為80mm×35mm×0.508mm,具體幾何尺寸如圖1(a)所示。2天線的運(yùn)行和測(cè)試參數(shù)分析法將會(huì)為讀者提供更多設(shè)計(jì)信息。短路探針的位置和尺寸對(duì)天線性能有很大的影響,為了了解這些參數(shù)對(duì)天線諧振頻率、輻射性能和輸入阻抗等特性的影響,我們一次改變一個(gè)變量,保持其他變量不變進(jìn)行分析。設(shè)短路探針半徑為r,距離天線中軸線距離為lp,標(biāo)簽芯片選用AlienHiggs,其輸入阻抗在915MHz時(shí)為13-j111Ω,所以設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線的輸入阻抗要與芯片實(shí)現(xiàn)共軛匹配,即為13+j111Ω。首先,固定短路探針半徑r=0.35mm,探針距天線中軸線的距離lp對(duì)天線的特性影響由圖2給出。從圖2(a)可以看到天線諧振頻率受lp影響顯著,lp的增加將使得諧振頻率減小,當(dāng)lp位于13.5~16.5mm之間時(shí),天線的諧振頻率在0.89~0.92GHz之間變化。天線輸入阻抗隨lp增加而增大。從圖2(b)~(c)可以看到如果lp小于某個(gè)值,如13mm,天線的輸入阻抗曲線將永遠(yuǎn)不會(huì)與芯片的阻抗曲線相交,這就意味著在此情況下天線和芯片將不能實(shí)現(xiàn)匹配。其次,固定lp=16.5mm,對(duì)探針半徑r對(duì)天線性能的影響作了研究,其中r對(duì)反射系數(shù)的影響如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)r對(duì)天線諧振影響很小。r對(duì)輸入阻抗的影響也可以得到類似結(jié)論。在上面的研究中,一個(gè)150mm×150mm×8mm的金屬片置于天線地板之下用以模擬金屬使用環(huán)境。為了驗(yàn)證該RFID天線的性能,加工了一個(gè)測(cè)試樣品,如圖1(b)所示,短路探針的尺寸最終確定為lp=16.5mm,r=0.35mm。使用R&SZVL矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試。如圖4所示,一塊150mm×150mm×8mm的金屬板被用來模擬金屬使用環(huán)境。圖5是該標(biāo)簽天線反射系數(shù)的測(cè)試和仿真曲線。為便于比較,該天線在非金屬表面使用的仿真曲線也在圖5中給出。從圖5可以看到,該天線的-10dB帶寬覆蓋了歐洲(865.6~867.6MHz)和北美(902~928MHz)規(guī)定的UHF射頻識(shí)別頻段。另外,天線在915MHz頻段阻抗的實(shí)測(cè)值為15.27+j122.58Ω,與設(shè)計(jì)目標(biāo)約有9.5%的誤差。圖6為該天線分別置于自由空間和金屬板上的歸一化輻射方向圖?？梢钥吹?當(dāng)天線貼于金屬板上時(shí),沿-z軸的后向輻射被削弱了。RFID標(biāo)簽的閱讀距離是非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo),標(biāo)簽的閱讀距離可以由下式進(jìn)行估算其中λ為工作波長,Pt為閱讀器發(fā)射功率,Gt為讀寫器天線增益,GT為標(biāo)簽天線增益,Pth為標(biāo)簽芯片需要的最小功率閾值,τ為標(biāo)簽天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù),定義為:使用ALIENALR-8800閱讀器來測(cè)試標(biāo)簽的可讀距離。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中標(biāo)簽的讀取距離由讀寫器能檢測(cè)到的最大讀取距離來近似。標(biāo)簽的讀取距離測(cè)試如圖7所示。首先在自由空間環(huán)境對(duì)該標(biāo)簽的讀取距離進(jìn)行測(cè)試,自由空間中該標(biāo)簽的最大讀取距離能達(dá)到4.1m;然后將該標(biāo)簽置于金屬板上測(cè)試讀取距離,此時(shí)其最大讀取距離約為3m。用于金屬板上的標(biāo)簽的讀取距離減小可以解釋為表面電流的作用。當(dāng)標(biāo)簽置于金屬板上時(shí),表面電流的分布將削弱該標(biāo)簽的輻射能力,從而導(dǎo)致閱讀距離的降低。3面偶極子膠片本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于金屬物