小型化折叠型RFID抗金属标签天线的设计

牛琛琛,李麟,邱延伟,袁家德

(1.福州大学物理与信息工程学院,福建 福州 350108;2.厦门信达物联科技有限公司,福建 厦门 361101)

超高频射频识别(radio frequency identification,RFID)系统因其具有更远的识别范围、更快的读取速度和更高的存储容量,在农业管理、库存跟踪、食品零售、防伪识别等领域得到了广泛运用[1].RFID标签由天线和芯片组成[2],无源标签通过接收阅读器发送的电磁波能量为芯片供能,实现标签的正常工作[3].然而,当常规标签天线放置于金属表面时,天线的性能会受到金属的影响而急剧恶化,直接影响RFID系统的工作性能[4].目前,已提出很多方法用来解决标签天线的抗金属问题.如自带金属地的天线结构,包括平面倒F天线[5-6]、平面倒L天线[7-8]、微带天线[9-10]等,但该类天线一般尺寸大、带宽窄.针对这些问题,不同结构的折叠型标签天线被相继提出[11-14].文献[11]将皆带接地面的两等分的矩形辐射体包裹在泡沫四周,用以隔离天线和金属.文献[12]利用短贴片连接上层辐射体和金属地,通过调节短贴片的长度提高天线在金属环境中的适应能力.文献[13]通过短接线和芯片互连组成的环形结构控制感抗,并将其短路到地以适应金属环境.文献[14]插入的人工磁导体结构实现反射波与入射波相位的一致性,减轻了衬底金属的影响.该类标签天线具有剖面薄、易于加工制作、成本低等优点,可灵活应用在各种金属环境中.

本研究提出一种小型化折叠型抗金属标签天线,通过在辐射贴片的适当位置上开槽的方式实现天线的小型化.同时,调整左侧短接面的长度和右侧缝隙的尺寸,优化天线输入阻抗并谐振到所需的超高频段,实现天线良好的阻抗匹配.

图1 标签天线的配置Fig.1 Configuration of the proposed tag antenna

表1 优化设计参数

2.1 设计流程

提出的标签天线展开结构演变过程如图2所示,两侧虚线的位置皆表示标签天线折叠处的位置,图中只保留了天线的上表面辐射结构和侧面辐射结构.图3说明了天线a到天线d的阻抗随着频率的变化情况,当天线电抗与芯片虚部共轭时所对应的频率可认为是天线的谐振频率.

图2 标签天线展开结构的演变过程Fig.2 Evolutionary process of unfolding structure of tag antenna

图3 标签天线结构演变对应的阻抗变化Fig.3 Change of impedance corresponding to the evolution of tag antenna structure

电小型天线的谐振频率通常很高,为保证天线在小尺寸的条件下工作在目标频率915 MHz.在图2(a)的基础上,图2(b)在4个拐角处各开1对嵌套放置的L形槽,在不改变总尺寸的前提下延长电流路径,降低天线的谐振频率.如图3(a)所示,天线的谐振频率从2.48 GHz下降到2.10 GHz.为继续降低谐振频率,调整左侧短接面的尺寸并优化右侧折叠处的结构,如图2(c)所示,左侧上下2个长度a2=4 mm,宽度h=1.5 mm的短接面直接连接到下侧的金属地,右侧上下2个长度a1= 16 mm,宽度k1=1.3 mm的短接面与地平面之间留出1条狭窄的空隙(t=0.2 mm).该空隙改变了天线辐射面的电流分布,如图3(b)所示,在1.02 GHz处激发1个新的谐振点.紧接着在芯片的两侧各开1个中间部分略有凸起的长方形缝隙,并微调哑铃形槽的锯齿结构,如图2(d)所示.此时在图3(b)中可以看出,天线在915 MHz处谐振,阻抗为(17.26+j140)Ω,近似于Monza ER62芯片在915 MHz处的阻抗(16-j140)Ω的共轭值.结果表明,选取恰当的开槽结构和位置,优化短接面与地面之间的耦合度,可以实现良好的阻抗匹配,满足标签天线在所需超高频段的小型化要求.

2.2 参数分析

本研究重点讨论两个对天线性能有重要影响的参数,分别是天线右侧短接面宽度k1和左侧短接面长度a2.右侧短接面宽度k1的变化对天线阻抗特性的影响如图4(a)所示.将右侧短接面的宽度(k1)从0.9 mm处以0.2 mm的步长增加到1.3 mm,标签天线在915 MHz处的阻抗从(0.67+j55.88)Ω增加到(17.26+j140)Ω.τ为标签的功率传输系数.如图4(b)所示,随着k1的增加,功率传输系数(τ)的最大值逐渐向低频移动.

最大功率传输系数所对应的频率通常认为是天线的谐振频率,综合图4(a)和(b)可见,谐振频率从1.04 GHz下降到915 MHz.因为更宽的k1使标签天线获得了更大的容抗值,从而降低天线的谐振频率.当k1=1.5 mm时,短接面与地面直接接触,此时不存在耦合效应,原本激发的谐振点消失.从图4(b)可以看出,在0.85～1.15 GHz的频率范围内,功率传输系数接近于0,此时标签在目标频段内无法实现与芯片的最佳匹配.

图4 参数k1对输入阻抗和功率传输系数的影响Fig.4 Effects of the parameter k1 on the input impedance and power transmission coefficient

左侧短接面长度a2的变化对天线阻抗变化的影响如图5(a)所示.将a2从3.0 mm处以1.0 mm的步长增加至5.0 mm,标签天线在915 MHz处的阻抗从(40.82+j174.17)Ω降低到(7.90+j104.92)Ω.由图5 (b)可以看出,随着a2的增加,最大功率传输系数相应地向高频偏移,标签的谐振频率从910 MHz增加到926 MHz.原因是a2的变化会影响天线的等效感抗,进而影响整体的谐振频率.

图5 参数a2对输入阻抗和功率传输系数的影响Fig.5 Effects of the parameter a2 on the input impedance and power transmission coefficient

RFID标签天线属于复阻抗平衡天线,天线的|S11|可由下式[16]计算.即

图6 |S11|的仿真值与实测值Fig.6 Simulation and measurement of |S11|

其中:Z0是连接传输线的特性阻抗;Za是天线端口阻抗;Zc是芯片阻抗.

将测试数据带入公式(1)可以得到|S11|的测试值.图6为天线|S11|的仿真和测试曲线.从图中可以看出,915 MHz处|S11|存在最小仿真值-28.93 dB,且小于-10 dB带宽为880～930 MHz;|S11|的最小实测值在912 MHz处约为-28.17 dB,且小于-10 dB带宽为875～936 MHz.仿真和实测结果吻合度较好,产生的误差主要来源于天线和差分探头的加工过程.

RFID天线的阅读距离是另一个重要的设计指标,可以用Friis公式[17]进行估算.

(2)

式中:λ是天线的谐振波长;Pt为读写器的发射功率;Gt为读写器天线的增益;Gr为标签天线的增益;τ是标签天线与标签芯片之间的功率传输系数;Pth为可唤醒标签电路的最小门限功率.

标签天线的理论、实测阅读距离和实测标签灵敏度随着频率变化的曲线如图7所示,其中实测值由Voyantic Tagformance Pro测量系统测试.该系统配套8 dBi的线极化阅读器天线,如图8所示.在工作频率范围内,实测阅读距离最大达到11.2 m,根据式(2)计算的理论阅读距离最大可达12.7 m,两者之间的差异是由环境损耗.天线的制作误差造成的.标签天线在914 MHz时获得了-15.93 dBm的最佳灵敏度,这被视为测量的谐振频率.

图7 阅读距离和标签灵敏度Fig.7 Reading distance and tag sensitivity

图8 Tagformance Pro测量系统Fig.8 Tagformance Pro measurement system

将标签放置在自然环境中模拟真实情景并测试标签的使用性能,采用BRA-44型线极化阅读器天线进行测试,增益为12 dBi,最终测试的阅读距离为12.0 m.

为了体现所设计的标签在小型化和读取距离方面的优势,将本天线与近期发表文献中的多种天线进行比较,对比结果如表2所示.

表2 天线性能的比较总结

从表2可以看出,相较其他文献,尺寸相近时,本天线具有较远的阅读距离;当阅读距离相近时,本天线具有较小的尺寸.此外,本天线不需要短路通孔,制作流程简单.

提出一种小型化柔性超高频RFID抗金属标签天线.天线通过适当开槽减小了在超高频段所需尺寸,通过在辐射体的左侧延伸两条感性短接面直接连接到金属地,右侧延伸两条感性短接面耦合到金属地的方式,在天线所需频段附近激发一个新的谐振点,有助于标签天线在所需频段实现良好的匹配.将该标签放置在200 mm × 200 mm的金属表面,天线的|S11|小于-10 dB带宽为880～930 MHz,实测最大阅读距离为11.2 m.本研究所提出的抗金属标签天线性能良好、体积小、重量轻、成本低、易于批量制作加工,适用于多种背衬金属环境.

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