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一種UHF頻段RFID標簽天線設計方案
摘要: RFID是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術,它包括電子標簽(tag)和讀寫器(reader)兩個主要部分,附有編碼的標簽和讀寫器通過天線進行無接觸數據傳輸,以完成一定距離的自動識別過程。RFID標簽天線作為RFID系統的重要組成部分,在實現數據通訊過程中起著關鍵性作用,因此天線設計是整個RFlD系統應用的關鍵。
Abstract:
Key words :

引 言

  RFID是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術,它包括電子標簽(tag)和讀寫器(reader)兩個主要部分,附有編碼的標簽和讀寫器通過天線進行無接觸數據傳輸,以完成一定距離的自動識別過程。RFID標簽天線作為RFID系統的重要組成部分,在實現數據通訊過程中起著關鍵性作用,因此天線設計是整個 RFlD系統應用的關鍵。

  典型的RFID標簽天線包括微帶貼片天線和偶極子天線。RFID標簽的性能容易受到環境介質的影響,尤其是微帶偶極子天線,當它粘貼在一般的絕緣介質 (如玻璃、塑料箱等)表面,會影響天線的電感量和降低諧振頻點的品質因數;當它粘附在金屬上時,由于電磁感應的作用,會吸收射頻能量而轉換成自身的電場能,因此減弱了原有射頻場強的總能量,同時也會產生感應磁場,磁力線垂直于金屬表面,使得射頻場強的分布在金屬表面發生變形,磁力曲線趨于平緩。因此,當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時,該空間內實際并無射頻場強分布,標簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場能量,因而標簽無法正常工作。

本文設計了一種UHF頻段RFID標簽天線。在微帶矩形天線理論基礎上,改進了E型開槽天線的結構,用微帶線側饋代替了背饋方式,使天線與芯片能良好地匹配,并通過獲得雙諧振頻率擴大了帶寬。

  1 微帶RFID貼片天線

  
微帶RFID貼片天線

  微帶貼片天線通常是在一個薄介質基片上,一面附上金屬薄層作為接地板,另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片,利用微帶線或同軸探針對貼片饋電,如圖1所示。因為微帶貼片天線自身有一個金屬的地板,當其粘附在各種物體上時,天線背面的電磁場不會受到太大影響,故可以在多種環境下正常讀取。

  利用傳輸線模型分析微帶天線是較有效的方法。該方法的基本假設如下:微帶貼片和接地板構成一段微帶傳輸線,傳輸準TEM波,場在傳輸方向是駐波分布。而在其垂直方向是常數;傳輸線的兩個開口端(始端和末端)等效為兩個輻射縫口徑場,即為傳輸線開口端場強,如圖2所示。

  

   圖3是按照傳輸線法建立的微帶天線等效電路。Ys為縫輻射導納;Y0為微帶貼片的特性導納。
2 E型RFID標簽天線設計

  對于一般的微帶貼片天線,它的輻射激勵可以等效成一個諧振回路。在矩形微帶貼片天線的基礎上,采取E型結構,即沿天線的匹配方向將金屬貼片開兩條平行寬縫 (見圖4)。由于貼片上存在兩個縫隙的作用,促使天線的諧振特性受到了影響,即原來的一個諧振回路變成了兩個諧振回路,當這兩個諧振回路的諧振頻點靠得比較近時,就達到了擴展頻帶的目的。

  

   本文在E型背饋天線的基礎上,提出了一種變形的側饋天線方案,如圖5所示。天線主體由一個矩形貼片開縫構成,頂部切去了兩個角。由一個功分器和一段微帶線作為饋線與芯片匹配,而芯片的另一段通過微帶線接地。

  由于高介電常數的介質能有效地減小天線的尺寸,所以基片選用尺寸為84 mm×54 mm×1.4mm的陶瓷氧化鋁.介電常數為9~10。微帶標簽天線的物理尺寸為:L1=47.6 mm,L2=4 mm,L3=18 mm,L4=3.5 mm,W1=1 2.6 mm,W2=10 mm,W3=6 mm,W4=2 mm,S=3 mm。

  

  該天線采用的芯片在915 MHz時的阻抗為34.5一j815,呈現明顯的容抗。采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10.O對天線進行仿真。經過調試和優化,得到天線的S11曲線,如圖6所示。該天線分別在905 MHz和920 MHz有兩個諧振頻率。在905 MHz時,S11為一28 dB;在920 MHz時,S11為一37 dB,這兩個諧振頻率都比較窄,通過調整天線,使兩個諧振頻率靠近915 MHz,以達到增加帶寬的目的。該天線增益在915 MHz時仿真結果為0.34 dBi(見圖7),滿足RFID系統讀取的要求。

   將RFID標簽天線分別粘附在裝水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金屬面、塑料制品上或直接放在空氣中,讀寫器在902~928 MHz中設置廣譜跳頻,RF功率設置為36 dBm,讀寫器天線增益為12 dBi。測試讀取距離如表1所示。該RFID標簽的工作性能在不同物質環境中表現出較為滿意的一致性。

  3 結 語

  實驗測量表明,該天線在金屬表面讀取距離為11.5m,在不同物質表面讀取距離基本不變,且性能穩定。

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