小型超高頻rfid標(biāo)簽偶極子天線的設(shè)計與制作

小型超高頻rfid標(biāo)簽偶極子天線的設(shè)計與制作

rfid（通信自動識別技術(shù)）是一種非接觸式自動識別技術(shù)。通過接收頻率信號的目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要人工干預(yù)。它可以在不同的惡劣環(huán)境中工作，并廣泛應(yīng)用于物流、預(yù)防等領(lǐng)域。RFID系統(tǒng)通常由讀寫器、標(biāo)簽和服務(wù)器組成。標(biāo)簽分有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽,無源標(biāo)簽由天線和芯片構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。在超高頻頻段,標(biāo)簽天線常采用半波偶極子天線。偶極子天線具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、制造成本低等優(yōu)點。1偶極子天線設(shè)計1.1天線參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由半波偶極子天線的定義,天線的總長度為工作頻率下電磁波波長的1/2。結(jié)合電磁波在電介質(zhì)中傳播的波長公式,半波偶極子天線的長度La為:其中,εr為電介質(zhì)的相對介電常數(shù),c為電磁波的傳播速度,f為工作頻率。在實際RFID標(biāo)簽應(yīng)用中,天線通常制作在PET等電介質(zhì)基板表面,式(1)中電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr須用有效相對介電常數(shù)εeff來表示:其中,εr為基板材料的相對介電常數(shù),εr_air為空氣相對介電常數(shù)(約等于1)。α、β是由基板厚度等因素決定的權(quán)重因數(shù),需通過仿真確定。為了縮減標(biāo)簽尺寸,本文采用彎折偶極子天線。由于彎折偶極子天線的彎折線之間相互耦合影響,導(dǎo)致用式(1)計算的天線長度有較大誤差。在設(shè)計中,本文先用式(1)估算天線長度,再通過仿真分析進(jìn)行優(yōu)化計算。常用超高頻RFID標(biāo)簽芯片的阻抗為復(fù)數(shù),并具有較大的虛部。為使標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)τ達(dá)到最優(yōu)值,要求設(shè)計天線的阻抗與芯片阻抗共軛匹配。為此,需要在偶極子天線上加入阻抗匹配的結(jié)構(gòu),本文使用T型阻抗匹配的方法。本文設(shè)計的標(biāo)簽采用ImpinjMonza4芯片,其阻抗為11-j143Ω,讀取的門限功率為-17.4dBm。文中采用矩量法仿真,仿真軟件為ZelandIE3D。通過初步的計算和仿真,得到如圖1所示的偶極子天線。天線材料為鋁(電導(dǎo)率σ=38MS/m),厚度為0.01mm;基板材料為PET(相對介電常數(shù)εr=3.5),厚度為0.05mm。該天線的基本結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示,仿真得到其阻抗為1.98+j144.3Ω,共軛匹配增益為-3.17dBi。1.2天線參數(shù)對標(biāo)簽性能的影響RFID標(biāo)簽的性能通常以讀寫距離d為判斷依據(jù),d可用自由空間的Friis公式估算:其中,c為電磁波的傳播速度,f為系統(tǒng)工作頻率,Pr為讀寫器的發(fā)射功率,Gr為讀寫器天線的增益,Gt為標(biāo)簽天線的增益,p為讀寫器天線與標(biāo)簽天線之間的極化損失,Pth為標(biāo)簽芯片的門限功率,τ為標(biāo)簽天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù),表征天線與芯片之間的能量傳輸。其定義如下:其中,Za=Ra+jXa,Zc=Rc+jXc分別為天線和芯片的阻抗。當(dāng)天線與芯片阻抗匹配,即Za=Zc*時,τ取最大值1。本文使用的讀寫器為圓極化天線,而偶極子為線極化,所以p=0.5。芯片的門限功率Pth由芯片的設(shè)計和制造工藝決定,芯片一經(jīng)選定,Pth即確定,因而標(biāo)簽的天線設(shè)計是決定標(biāo)簽性能的關(guān)鍵。在讀寫器參數(shù)確定的情況下,當(dāng)標(biāo)簽天線增益Gt和功率傳輸系數(shù)τ達(dá)到最大值時,標(biāo)簽的讀寫距離最大。標(biāo)簽天線設(shè)計的目的是在標(biāo)簽尺寸等限制條件下,使得標(biāo)簽天線的增益Gt和功率傳輸系數(shù)τ最大。在圖1所示天線的基本結(jié)構(gòu)中天線由彎折線和臂L1、L2組成,以達(dá)到所要求的長度。由天線長度的計算公式(1)可知,調(diào)節(jié)天線的總長度能夠調(diào)節(jié)天線本身的諧振頻率和阻抗。圖2為其他參數(shù)不變,改變L1、L2的長度時所得到的阻抗曲線。由圖可見,增大L1和L2的長度,阻抗曲線整體向左移,天線諧振頻率減小,阻抗實部最大值增大,虛部最大值減小。因此,可以通過調(diào)節(jié)天線長度來優(yōu)化天線性能。圖3為L1和L2的值與標(biāo)簽在915MHz的增益的關(guān)系曲線,隨著L1和L2增大,標(biāo)簽的增益也增大。圖4為L1和L2的值與標(biāo)簽在915MHz的功率傳輸系數(shù)的關(guān)系曲線,隨著L1和L2增大,功率傳輸系數(shù)先增大后減小,在L1=L2=19.8mm時達(dá)到最大值,此時天線與芯片阻抗匹配達(dá)到最佳。圖5是根據(jù)式(3)計算的標(biāo)簽讀寫距離與L1和L2的值的關(guān)系曲線,讀寫器發(fā)射功率Pr為28dBm,天線為圓極化,增益Gr為3dBi。由圖5可見,L1=L2=19.8mm時,標(biāo)簽理論讀寫距離達(dá)到最大值2.56m,天線的阻抗仿真值為2.83+j148.6Ω,功率傳輸系數(shù)為0.56。通過調(diào)整T型阻抗匹配結(jié)構(gòu),即調(diào)節(jié)w和h的大小,能夠進(jìn)一步優(yōu)化天線阻抗,使天線阻抗與芯片阻抗匹配得更好。按照改變天線長度的方法,可以得到改變T型阻抗匹配時天線的性能參數(shù),并最終計算得到標(biāo)簽的理論讀取距離。圖6為L1=L2=19.8mm,h=9.8mm時,改變w的值,得到的標(biāo)簽理論讀取距離與w的關(guān)系曲線。標(biāo)簽增益隨w增大而增大,功率傳輸系數(shù)在w=6.1mm時達(dá)到最大值,理論讀取距離在w=6.1mm時達(dá)到最大值2.68m。改變h的值,取得的效果與改變w值相同。圖7為L1=L2=19.8mm,w=6.1mm時,改變h的值,得到的標(biāo)簽理論讀取距離與h的關(guān)系曲線。標(biāo)簽增益隨h增大而增大,功率傳輸系數(shù)在h=9.5mm時達(dá)到最大值,理論讀取距離在h=9.5mm時達(dá)到最大值2.7m。通過上述優(yōu)化過程,得到了天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的較優(yōu)值,如表2所示。2天線的測試結(jié)果根據(jù)仿真結(jié)果,制作了4款天線以作比較,4款天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。對于樣品天線,本文使用AgilentENA5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了阻抗,并用Atid-570手持式讀寫器(圓極化天線,EIRP=31dBm)測試了相應(yīng)標(biāo)簽的讀寫距離?？紤]到制造誤差等因素的影響,每個型號的樣品天線都測試了5組數(shù)據(jù),然后取平均值。表4是樣品天線915MHz的阻抗和讀取距離的仿真與測試結(jié)果對比,其中理論讀取距離用式(3)計算。在讀寫距離的計算中,由于忽略了環(huán)境干擾、讀寫器內(nèi)部的能量傳輸損耗以及標(biāo)簽的能量損耗等因素,理論值大于實測值。阻抗測試因缺少微波暗室,得到的結(jié)果與仿真結(jié)果有偏差,其中虛部與仿真結(jié)果接近,而實部偏大。4款樣品天線分別選自天線優(yōu)化設(shè)計的不同階段,天線從773~776依次作了改進(jìn)。從讀取距離的測試結(jié)果可見,773~776的讀取距離依次增加,天線776的讀取距離最遠(yuǎn),與仿真結(jié)果一致,可見本文所用的優(yōu)化方法有效。無源超高頻RFID標(biāo)簽通常采用偶極子天線,本文采用理論分析和仿真優(yōu)