一種無源uhfrfid標簽天線的設計

一種無源uhfrfid標簽天線的設計

uhfrfid是一種非接觸式自動識別技術。它從高頻信號的自動識別目標對象獲得相關數(shù)據(jù)，不需要人工干預。它廣泛應用于物流供應鏈、自動生產(chǎn)管理、貨物銷售等領域。與自動標記相比，被動標記具有成本低、體積小的特點。uhf無源標簽可以在空氣環(huán)境中讀取10m，但與自動標記相比，被動標受到了非常受歡迎的對待。uhf無源標簽可以在空氣環(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)會發(fā)生變化，因此id標簽的讀取距離會大大減少。例如，當理想的無源針uhf的字體接近金屬物體時，讀取距離小于2m。當直接放置在金屬表面時，它是完全無法讀的。射頻識別技術應用最為廣泛的物流行業(yè)多為金屬環(huán)境,RFID標簽對金屬的“敏感性”限制了該技術在物流業(yè)的應用.為解決此瓶頸,文獻介紹了預調(diào)諧好的RFID標簽,用于特定的應用環(huán)境(如金屬表面或液體表面),顯然該標簽如果放置到塑制品表面,RFID標簽又處于失諧狀態(tài)導致讀取距離減少.文獻提供了一種SIT(surfaceindependenttag)標簽,該標簽在電氣上將天線與金屬表面分離,構成了與接觸面物質(zhì)無關的RFID標簽,典型的標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)絡利用跨層結構,例如通孔、短路墻技術,這使得微帶天線的結構變得復雜,同時也增加了RFID標簽的成本.本文在微帶天線工作原理基礎上,提出了一種平面結構的RFID標簽設計模型,該模型不需要跨層的匹配網(wǎng)絡,簡化RFID標簽結構并降低了生產(chǎn)成本,并且在工作性能上,實現(xiàn)了與底面物質(zhì)無關的性能優(yōu)點.1rfid標簽RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、天線和標簽組成.當標簽進入射頻識別范圍內(nèi),系統(tǒng)利用交流電磁場的原理對標簽進行讀寫操作以實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)識別、自動化控制和現(xiàn)代化管理的目的.RFID無源標簽進入電磁場后,接收讀寫器發(fā)出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量來激活電路,標簽開始工作.當金屬物質(zhì)靠近標簽天線時,由于電磁感應作用,其內(nèi)部會產(chǎn)生渦流,同時吸收的射頻能量轉(zhuǎn)換為自身的電場能,因此減弱了原有射頻場強的總能量,導致整個射頻場效應降低.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,且方向與射頻場強相反.感應磁場對原磁場的阻礙效果使得射頻場強的分布在金屬表面發(fā)生“變形”,磁力線在靠近金屬時趨于平緩,在金屬表面時候幾近平行.貼在或靠近金屬表面的標簽由于無法“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”標簽.在醫(yī)藥、化工行業(yè),RFID標簽經(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,降低了天線輻射效率.泡沫塑料或塑膠制品對天線的材料屬性也有影響,圖1是UHFRFID標簽在各種物質(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體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質(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,便構成了RFID標簽.本文的設計思想是將微帶天線設計成平衡饋電的器件.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相位差180°),如圖2所示.大部分的微帶天線采用單傳輸線對貼片天線饋電,在本文的微帶天線模型中,2條傳輸線關于貼片天線的垂直對稱軸對稱,通過下文的分析可知,該對稱軸也是貼片天線的奇模對稱軸(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饋電可以等效成單點平衡饋電.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構成一條連接貼片天線與地的短接線,能實現(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體對應成對稱結構,沿貼片天線邊緣場的感應電壓VI分別作為兩對稱部分的電源;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,偶模型因為在對稱軸開路,所以在貼片天線中無電流,V1和V2均為零.在奇模型(圖4)中,對稱平面(圖中虛線所示)是一個虛地,所以V1=VI/2,V2=-VI/2,用奇?？梢酝耆碚髟撾娐?如上文所述,兩條關于貼片天線垂直對稱軸對稱的傳輸線在奇模電路圖中依然對稱,當標簽IC連接兩傳輸線時,整個標簽也可以被平分成兩相同部分,等效的電路如圖5所示,中間的虛線代表對稱軸,也是虛地線.將虛線及其上部視為整體,該整體是一個包括電源、電源阻抗、傳輸線的特征阻抗、負載和接地的電路,且該電路是一個簡單的、帶單短接線匹配網(wǎng)絡的電路.圖5電路對應裝置是天線、饋電、匹配網(wǎng)絡處于同一平面的標簽.3天線結構優(yōu)化本文中標簽的設計是根據(jù)美國FCC標準,規(guī)定UHFRFID標簽工作在902～928MHz頻帶.在最小化標簽天線的要求下,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)絡嵌入到凹槽中,如圖6.RFIDIC采用Philips公司的符合Class1Gen2標準的芯片,阻抗大約為30-j150Ω,介質(zhì)基片采用聚丙烯薄膜,標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.為減少傳導損耗,匹配網(wǎng)絡中的傳輸線盡量變寬以減低阻抗.影響標簽性能的如下幾個參數(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;同時高損耗正切值降低輻射效率.介質(zhì)基片厚度一方面對天線輻射阻抗影響,另一方面過厚的介質(zhì)基片增加RFID標簽的重量與成本.(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.因為篇幅的原因,不能將對各參數(shù)的調(diào)節(jié)、優(yōu)化及各個參數(shù)間平衡在此詳細列出,經(jīng)優(yōu)化后的天線結構部分參數(shù)如表1.本文只對匹配網(wǎng)絡對標簽性能影響進行分析.因為RFIDIC阻抗呈高容抗性,微帶天線在諧振點的要求是電阻達到最大值而電抗值為零,所以匹配網(wǎng)絡阻抗須呈感抗性才能實現(xiàn)共軛匹配.圖7是短接線在饋電線上不同位置對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RFID標簽天線諧振頻率的影響.本文中天線諧振頻率在915MHz附近,達到理想結果;有限接地板(介質(zhì)基片)的邊緣場效應對天線的諧振頻率有一定的影響,當有限接地板(介質(zhì)基片)大小擴展到1.5cm時,天線諧振頻率與在無限接地板(介質(zhì)基片)時近似.利用AnsoftHFSS軟件模擬該天線,在917.5MHz天線增益達到最大值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中設置廣譜跳頻,RF功率設置為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標簽天線RFID技術的環(huán)境物質(zhì)的干擾問題影響著其性能在應用中的發(fā)揮.本文以金屬物質(zhì)對RFID系統(tǒng)的影響為研究對