一種新型超高頻射頻識別標簽天線的設(shè)計

一種新型超高頻射頻識別標簽天線的設(shè)計

rfid標簽天線高頻檢測是一項快速發(fā)展的新技術(shù)。利用高頻信號自動識別物體。它已廣泛應(yīng)用于交通管理、身份驗明和安全控制等領(lǐng)域。目前,射頻識別技術(shù)通常限定在以下幾個頻帶:125kHz,13.56MHz,840-960MHz,2.45GHz,和5.8GHz,其中840-960MHz為全球超高頻(UHF)頻段。對于超高頻(UHF)來說,每個國家有它自己劃定的頻段,歐洲頻段:865-868MHz,美國頻段:902-928MHz,日本頻段:952-955MHz,中國頻段:840.5-844.5MHz和920-924.5MHz。射頻識別系統(tǒng)由三個部分組成:閱讀器、主機和標簽天線。標簽天線是無源RFID系統(tǒng)中最重要的元件,它由天線輻射單元和RFID芯片構(gòu)成,標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。在實際應(yīng)用中,標簽天線需要具有以下幾個特點:大的閱讀范圍、全向輻射方向圖、小尺寸和低成本。為了增加標簽天線的閱讀距離,必須使標簽天線與標簽芯片進行良好的匹配。由于商業(yè)標簽天線阻抗的典型值不是50Ω,天線的阻抗應(yīng)該是芯片阻抗的共軛值,這樣最大功率才能夠傳輸?shù)綐撕炐酒?。由于大多?shù)標簽天線需要接觸較小的物體,因而在不惡化天線性能的情況下天線的尺寸應(yīng)該小型化。許多研究已經(jīng)聚焦在天線的小型化上。然而,這些文獻中提出的天線都有較窄的帶寬,而且當天線變小時匹配帶寬變得更加困難。為了使RFID系統(tǒng)能夠工作在全球頻段,標簽天線的帶寬應(yīng)該盡可能寬。增加帶寬的方法之一是使用多諧振技術(shù)。通過增加不同長度的輻射器,我們能夠使天線諧振在多個頻率,從而增加天線的帶寬。通常,RFID標簽天線需要在天線的帶寬、阻抗、增益和尺寸之間進行一個折中。在RFID標簽天線的設(shè)計中,半波長偶極子天線由于具有全向方向圖而常被采用,但在UHF頻段,半波長天線顯得較大,以諧振在915MHz的天線為例,半波長約為16.4cm,為了使天線尺寸緊湊,需要對偶極子天線進行彎折、變形,以減小天線的尺寸。文獻設(shè)計了一款抗金屬的RFID標簽天線,它通過在彎折的偶極子天線中引入寄生單元和短路探針來調(diào)節(jié)天線的性能。雙偶極子天線在保持單偶極子天線全向輻射的基礎(chǔ)上可以增加天線的帶寬、增益,因而越來越受到廣大學者的重視。文獻設(shè)計了一款由兩個平行的彎折偶極子天線和一個雙T匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的標簽天線。文獻和文獻提出的雙天線結(jié)構(gòu)分別由兩個正交的偶極子天線構(gòu)成。本文提出一種新型的雙偶極子標簽天線,天線由兩個彎折的偶極子天線和一個矩形環(huán)饋構(gòu)成。通過調(diào)整矩形環(huán)饋的參數(shù)可以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。該天線具有緊湊的結(jié)構(gòu)、較寬的帶寬、相對高的增益和全向的輻射方向圖。1天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化本文提出的標簽天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線的金屬層(輻射器)由兩個彎折的偶極子天線和一個可調(diào)整的矩形環(huán)饋構(gòu)成。在圖1中,標注M2、L1、L2、L3的金屬層是偶極子天線I的一半,而偶極子天線II由標注L4、L5、L6、L7、L8的金屬層及其對稱部分構(gòu)成。由圖可知,兩個偶極子天線都進行了彎折,以減小天線的尺寸。矩形環(huán)饋由標注M1、M2的金屬層及其對稱部分構(gòu)成。通過引入該矩形環(huán)饋,標簽芯片能夠直接安裝在矩形環(huán)下邊的兩端而不需要使用短路探針,這能使天線結(jié)構(gòu)簡單,加工方便。與文獻中提出的雙偶極子天線使用雙T型饋不同,本文提出的矩形環(huán)饋的上下邊分別為兩個偶極子天線的一部分,這能使天線結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過調(diào)整矩形環(huán)饋的參數(shù)M1、M2,提出的天線能夠獲得良好的阻抗匹配效果。顯然,天線的性能也可以通過調(diào)整兩個偶極子天線的尺寸來改變。利用AnsoftHFSS軟件進行優(yōu)化,諧振在915MHz時的天線尺寸為:L1=19.8mm,L2=32.9mm,L3=9.8mm,L4=64mm,L5=14.2mm,L6=19.9mm,L7=14.2mm,L8=21.9mm,W=2mm,M1=7.6mm,M2=4.6mm。天線金屬層的尺寸為76mm×31.4mm×0.508mm,實際加工需要留出一定的基片余量,如圖1所示。2天線的測試和標準應(yīng)用為了使讀者了解天線的參數(shù)對天線輸入阻抗和諧振頻率等特性的影響,我們將進行參數(shù)分析。本文的標簽芯片選用AlienHiggs,其輸入阻抗在915MHz時為ZC=RC+jXC=27-j201Ω,所以設(shè)計的標簽天線的輸入阻抗應(yīng)與芯片實現(xiàn)共軛匹配,即為ZA=RA+jXA=27+j201Ω。首先,我們研究改變矩形環(huán)饋的參數(shù)M1對天線性能的影響,如圖2(a)～(c)所示。從圖2(a)～(b)可以看到天線輸入阻抗的實部和虛部都隨M1的增加而增大,M1對天線阻抗虛部的影響比對實部大得多。此外,我們也能推斷如果M1小于某個值,天線的輸入阻抗曲線將永遠不會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現(xiàn)匹配。從圖2(c)可以看到天線諧振頻率受M1影響顯著,M1的增加將使得諧振頻率減小,當M1位于6.6mm～8.6mm之間時,天線的諧振頻率在0.89GHz到0.94GHz之間變化。其次,我們給出了矩形環(huán)饋參數(shù)M2對天線輸入阻抗的影響,如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)天線輸入阻抗也隨M2增加而增大。比較圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),M2對阻抗的影響比M1大,因而當我們進行阻抗匹配時,可以將M2進行粗調(diào),M1進行微調(diào)。通過同時調(diào)整參數(shù)M1和M2,總能找到一個合適的阻抗值與芯片阻抗進行共軛匹配。使用RohdeSchwarzZVB20矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行測試,圖4給出了該標簽天線反射系數(shù)的測試和仿真曲線。可以看到,該天線的-10dB帶寬覆蓋了全球的UHF射頻識別頻段(840-960MHz)。另外,天線在915MHz頻段阻抗的實測值為ZA=29.62+j220.37Ω,接近AlienHiggs測試用標簽芯片阻抗的共軛值。圖5為天線的輻射方向圖,天線的最大增益能達到2.17dBi,具有全向的輻射特性,符合標簽天線的設(shè)計要求。我們對提出的天線進行了加工,圖6是天線的加工實物照片。選用的基板為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,因而能使用在具有共形要求的物體上。RFID標簽的閱讀距離是非常重要的設(shè)計指標,標簽的閱讀距離可以由下式進行估算r=λ4πPtGtGTτPth??????√(1)r=λ4πΡtGtGΤτΡth(1)式中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為標簽天線增益,Pth為標簽芯片需要的最小功率閾值,τ為標簽天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù),定義為:τ=4Real(Za)Real(Zc)|Za+Zc|2(2)τ=4Real(Ζa)Real(Ζc)|Ζa+Ζc|2(2)利用公式(1)可以計算出本文設(shè)計的標簽天線最大理論讀取距離為10m。使用ALIENALR-8800閱讀器來測試標簽的可讀距離。實驗環(huán)境中標簽的讀取距離由讀寫器能檢測到的最大讀取距離來近似。標簽的讀取距離測試如圖7所示。在自由空間環(huán)境對該標簽的讀取距離進行測試,該標簽的最大讀取距離能達到8.9m。3uhf信號來源本