一種無源uhfrfid標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

一種無源uhfrfid標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

uhfrfid是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它從高頻信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要人工干預(yù)。它廣泛應(yīng)用于物流供應(yīng)鏈、自動(dòng)生產(chǎn)管理、貨物銷售等領(lǐng)域。與自動(dòng)標(biāo)記相比，被動(dòng)標(biāo)記具有成本低、體積小的特點(diǎn)。uhf無源標(biāo)簽可以在空氣環(huán)境中讀取10m，但與自動(dòng)標(biāo)記相比，被動(dòng)標(biāo)受到了非常受歡迎的對(duì)待。uhf無源標(biāo)簽可以在空氣環(huán)境中閱讀10米。然而，在不同的物質(zhì)表面工作，由于材料特征，標(biāo)簽天線材料的介電常數(shù)、破壞程度、輻射效率和輻射阻力等重要參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，因此id標(biāo)簽的讀取距離會(huì)大大減少。例如，當(dāng)理想的無源針uhf的字體接近金屬物體時(shí)，讀取距離小于2m。當(dāng)直接放置在金屬表面時(shí)，它是完全無法讀的。射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的物流行業(yè)多為金屬環(huán)境,RFID標(biāo)簽對(duì)金屬的“敏感性”限制了該技術(shù)在物流業(yè)的應(yīng)用.為解決此瓶頸,文獻(xiàn)介紹了預(yù)調(diào)諧好的RFID標(biāo)簽,用于特定的應(yīng)用環(huán)境(如金屬表面或液體表面),顯然該標(biāo)簽如果放置到塑制品表面,RFID標(biāo)簽又處于失諧狀態(tài)導(dǎo)致讀取距離減少.文獻(xiàn)提供了一種SIT(surfaceindependenttag)標(biāo)簽,該標(biāo)簽在電氣上將天線與金屬表面分離,構(gòu)成了與接觸面物質(zhì)無關(guān)的RFID標(biāo)簽,典型的標(biāo)簽天線包括微帶貼片天線和微帶偶極子天線.另外,為了最大傳輸能量,貼片天線的阻抗必須與RFIDIC阻抗共軛匹配,傳統(tǒng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)利用跨層結(jié)構(gòu),例如通孔、短路墻技術(shù),這使得微帶天線的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,同時(shí)也增加了RFID標(biāo)簽的成本.本文在微帶天線工作原理基礎(chǔ)上,提出了一種平面結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)模型,該模型不需要跨層的匹配網(wǎng)絡(luò),簡化RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)并降低了生產(chǎn)成本,并且在工作性能上,實(shí)現(xiàn)了與底面物質(zhì)無關(guān)的性能優(yōu)點(diǎn).1rfid標(biāo)簽RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、天線和標(biāo)簽組成.當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入射頻識(shí)別范圍內(nèi),系統(tǒng)利用交流電磁場的原理對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)識(shí)別、自動(dòng)化控制和現(xiàn)代化管理的目的.RFID無源標(biāo)簽進(jìn)入電磁場后,接收讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào),憑借感應(yīng)電流所獲得的能量來激活電路,標(biāo)簽開始工作.當(dāng)金屬物質(zhì)靠近標(biāo)簽天線時(shí),由于電磁感應(yīng)作用,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流,同時(shí)吸收的射頻能量轉(zhuǎn)換為自身的電場能,因此減弱了原有射頻場強(qiáng)的總能量,導(dǎo)致整個(gè)射頻場效應(yīng)降低.而且,渦流又有自身的感生磁場,該磁場的磁力線與金屬表面垂直,且方向與射頻場強(qiáng)相反.感應(yīng)磁場對(duì)原磁場的阻礙效果使得射頻場強(qiáng)的分布在金屬表面發(fā)生“變形”,磁力線在靠近金屬時(shí)趨于平緩,在金屬表面時(shí)候幾近平行.貼在或靠近金屬表面的標(biāo)簽由于無法“切割”磁感線而不能獲得激活自身電路的射頻能量,變成了一支“啞”標(biāo)簽.在醫(yī)藥、化工行業(yè),RFID標(biāo)簽經(jīng)常用于液體環(huán)境中,如被貼附于裝有水、香波或藥劑的瓶上,這些物質(zhì)具有高介電常數(shù),易吸電磁波的特點(diǎn),降低了天線輻射效率.泡沫塑料或塑膠制品對(duì)天線的材料屬性也有影響,圖1是UHFRFID標(biāo)簽在各種物質(zhì)環(huán)境中的工作性能量化后的排序.2微帶天線模型微帶天線是由導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上形成的天線,并通過同軸或邊沿饋電等單饋電方式將貼片天線和接地板連接起來.這些饋電形式都是以接地板為參考面的非平衡饋電方式,所以,將IC的一端連接天線面,另一端連接接地板,便構(gòu)成了RFID標(biāo)簽.本文的設(shè)計(jì)思想是將微帶天線設(shè)計(jì)成平衡饋電的器件.采用傳統(tǒng)微帶天線中邊緣饋電方式,在貼片天線一邊附接2條完全非平衡傳輸線(完全非平衡的概念是指傳輸線上的信號(hào)相位差180°),如圖2所示.大部分的微帶天線采用單傳輸線對(duì)貼片天線饋電,在本文的微帶天線模型中,2條傳輸線關(guān)于貼片天線的垂直對(duì)稱軸對(duì)稱,通過下文的分析可知,該對(duì)稱軸也是貼片天線的奇模對(duì)稱軸(虛地),兩傳輸線可以等效成1條虛擬的平衡饋電線,基于兩平行傳輸線的兩點(diǎn)饋電可以等效成單點(diǎn)平衡饋電.在圖2中還可以看到,增加一條傳輸線將兩饋線連接,該傳輸線連接正中間的虛地形成了虛短,其1/2構(gòu)成一條連接貼片天線與地的短接線,能實(shí)現(xiàn)天線與RFIDIC的阻抗匹配.根據(jù)微帶天線原理,貼片天線可以等效為2個(gè)λ/4長的傳輸線部分,λ是在貼片天線上的有效傳輸波長.該電路模型與天線實(shí)體對(duì)應(yīng)成對(duì)稱結(jié)構(gòu),沿貼片天線邊緣場的感應(yīng)電壓VI分別作為兩對(duì)稱部分的電源;貼片天線等效為λ/2的傳輸線,天線兩端的開路電阻為ZR,等效的電路模型如圖3.利用邊界條件和偶/奇模型分析,偶模型因?yàn)樵趯?duì)稱軸開路,所以在貼片天線中無電流,V1和V2均為零.在奇模型(圖4)中,對(duì)稱平面(圖中虛線所示)是一個(gè)虛地,所以V1=VI/2,V2=-VI/2,用奇?？梢酝耆碚髟撾娐?如上文所述,兩條關(guān)于貼片天線垂直對(duì)稱軸對(duì)稱的傳輸線在奇模電路圖中依然對(duì)稱,當(dāng)標(biāo)簽IC連接兩傳輸線時(shí),整個(gè)標(biāo)簽也可以被平分成兩相同部分,等效的電路如圖5所示,中間的虛線代表對(duì)稱軸,也是虛地線.將虛線及其上部視為整體,該整體是一個(gè)包括電源、電源阻抗、傳輸線的特征阻抗、負(fù)載和接地的電路,且該電路是一個(gè)簡單的、帶單短接線匹配網(wǎng)絡(luò)的電路.圖5電路對(duì)應(yīng)裝置是天線、饋電、匹配網(wǎng)絡(luò)處于同一平面的標(biāo)簽.3天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化本文中標(biāo)簽的設(shè)計(jì)是根據(jù)美國FCC標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定UHFRFID標(biāo)簽工作在902～928MHz頻帶.在最小化標(biāo)簽天線的要求下,采用凹槽的形式能夠增加天線的電氣長度,即相當(dāng)于在天線上加上電感,增加了天線阻抗中的電感量,有利于與呈容抗性的RFIDIC共軛匹配.匹配網(wǎng)絡(luò)嵌入到凹槽中,如圖6.RFIDIC采用Philips公司的符合Class1Gen2標(biāo)準(zhǔn)的芯片,阻抗大約為30-j150Ω,介質(zhì)基片采用聚丙烯薄膜,標(biāo)簽天線用金屬錫箔紙.貼片天線的諧振頻率在915MHz附近,讀取距離在不同環(huán)境物質(zhì)下無差異.為減少傳導(dǎo)損耗,匹配網(wǎng)絡(luò)中的傳輸線盡量變寬以減低阻抗.影響標(biāo)簽性能的如下幾個(gè)參數(shù)需要調(diào)試:(1)介質(zhì)基片的介電常數(shù)εr減小,則天線邊緣場效用增加,天線的輻射能力變大;而高εr則會(huì)提高天線的品質(zhì)因數(shù)Q.介質(zhì)基片的損耗正切值tanδ變大,將會(huì)減小輻射品質(zhì)因數(shù)Q,從而增加天線工作頻率帶寬;同時(shí)高損耗正切值降低輻射效率.介質(zhì)基片厚度一方面對(duì)天線輻射阻抗影響,另一方面過厚的介質(zhì)基片增加RFID標(biāo)簽的重量與成本.(2)貼片天線的寬度影響天線的特征阻抗和輻射電阻,貼片天線的長度則影響天線的諧振頻率.(3)饋電線加長,則天線的感抗變大.饋電線變窄,天線的感抗也會(huì)增加.饋電線到貼片天線邊的距離大小能改變天線的電氣長度.調(diào)節(jié)短接線也影響天線阻抗的電抗部分.因?yàn)槠脑?不能將對(duì)各參數(shù)的調(diào)節(jié)、優(yōu)化及各個(gè)參數(shù)間平衡在此詳細(xì)列出,經(jīng)優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)部分參數(shù)如表1.本文只對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)標(biāo)簽性能影響進(jìn)行分析.因?yàn)镽FIDIC阻抗呈高容抗性,微帶天線在諧振點(diǎn)的要求是電阻達(dá)到最大值而電抗值為零,所以匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗須呈感抗性才能實(shí)現(xiàn)共軛匹配.圖7是短接線在饋電線上不同位置對(duì)天線輸入阻抗的影響,由圖可知,在無短接線和有短接線的情況下,輸入阻抗的電抗部分有很大差別,且短接線增加天線阻抗的感抗量.圖8展示無限的接地板(即虛地)、介質(zhì)基片和不同大小的接地板(介質(zhì)基片)對(duì)RFID標(biāo)簽天線諧振頻率的影響.本文中天線諧振頻率在915MHz附近,達(dá)到理想結(jié)果;有限接地板(介質(zhì)基片)的邊緣場效應(yīng)對(duì)天線的諧振頻率有一定的影響,當(dāng)有限接地板(介質(zhì)基片)大小擴(kuò)展到1.5cm時(shí),天線諧振頻率與在無限接地板(介質(zhì)基片)時(shí)近似.利用AnsoftHFSS軟件模擬該天線,在917.5MHz天線增益達(dá)到最大值0.5dB,3dB帶寬為8.2MHz.在917.5MHz諧振頻率處天線阻抗為76+j138Ω.將雙饋電微帶天線形式的RFID標(biāo)簽分別貼放在裝水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金屬面、6mm厚的塑制品和空氣中,讀寫器在902～928MHz中設(shè)置廣譜跳頻,RF功率設(shè)置為33dBm,讀寫器天線增益為12dBi.所測試讀取距離如表2所示.該RFID標(biāo)簽工作性能在不同物質(zhì)環(huán)境中表現(xiàn)出較為滿意的一致性.4rfid標(biāo)簽天線RFID技術(shù)的環(huán)境物質(zhì)的干擾問題影響著其性能在應(yīng)用中的發(fā)揮.本文以金屬物質(zhì)對(duì)RFID系統(tǒng)的影響為研究對(duì)