一种无源uhfrfid标签天线的设计

一种无源uhfrfid标签天线的设计

uhfrfid是一种非接触式自动识别技术。它从高频信号的自动识别目标对象获得相关数据，不需要人工干预。它广泛应用于物流供应链、自动生产管理、货物销售等领域。与自动标记相比，被动标记具有成本低、体积小的特点。uhf无源标签可以在空气环境中读取10m，但与自动标记相比，被动标受到了非常受欢迎的对待。uhf无源标签可以在空气环境中阅读10米。然而，在不同的物质表面工作，由于材料特征，标签天线材料的介电常数、破坏程度、辐射效率和辐射阻力等重要参数会发生变化，因此id标签的读取距离会大大减少。例如，当理想的无源针uhf的字体接近金属物体时，读取距离小于2m。当直接放置在金属表面时，它是完全无法读的。射频识别技术应用最为广泛的物流行业多为金属环境,RFID标签对金属的“敏感性”限制了该技术在物流业的应用.为解决此瓶颈,文献介绍了预调谐好的RFID标签,用于特定的应用环境(如金属表面或液体表面),显然该标签如果放置到塑制品表面,RFID标签又处于失谐状态导致读取距离减少.文献提供了一种SIT(surfaceindependenttag)标签,该标签在电气上将天线与金属表面分离,构成了与接触面物质无关的RFID标签,典型的标签天线包括微带贴片天线和微带偶极子天线.另外,为了最大传输能量,贴片天线的阻抗必须与RFIDIC阻抗共轭匹配,传统的阻抗匹配网络利用跨层结构,例如通孔、短路墙技术,这使得微带天线的结构变得复杂,同时也增加了RFID标签的成本.本文在微带天线工作原理基础上,提出了一种平面结构的RFID标签设计模型,该模型不需要跨层的匹配网络,简化RFID标签结构并降低了生产成本,并且在工作性能上,实现了与底面物质无关的性能优点.1rfid标签RFID系统主要由读写器、天线和标签组成.当标签进入射频识别范围内,系统利用交流电磁场的原理对标签进行读写操作以实现信息数据识别、自动化控制和现代化管理的目的.RFID无源标签进入电磁场后,接收读写器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量来激活电路,标签开始工作.当金属物质靠近标签天线时,由于电磁感应作用,其内部会产生涡流,同时吸收的射频能量转换为自身的电场能,因此减弱了原有射频场强的总能量,导致整个射频场效应降低.而且,涡流又有自身的感生磁场,该磁场的磁力线与金属表面垂直,且方向与射频场强相反.感应磁场对原磁场的阻碍效果使得射频场强的分布在金属表面发生“变形”,磁力线在靠近金属时趋于平缓,在金属表面时候几近平行.贴在或靠近金属表面的标签由于无法“切割”磁感线而不能获得激活自身电路的射频能量,变成了一支“哑”标签.在医药、化工行业,RFID标签经常用于液体环境中,如被贴附于装有水、香波或药剂的瓶上,这些物质具有高介电常数,易吸电磁波的特点,降低了天线辐射效率.泡沫塑料或塑胶制品对天线的材料属性也有影响,图1是UHFRFID标签在各种物质环境中的工作性能量化后的排序.2微带天线模型微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线,并通过同轴或边沿馈电等单馈电方式将贴片天线和接地板连接起来.这些馈电形式都是以接地板为参考面的非平衡馈电方式,所以,将IC的一端连接天线面,另一端连接接地板,便构成了RFID标签.本文的设计思想是将微带天线设计成平衡馈电的器件.采用传统微带天线中边缘馈电方式,在贴片天线一边附接2条完全非平衡传输线(完全非平衡的概念是指传输线上的信号相位差180°),如图2所示.大部分的微带天线采用单传输线对贴片天线馈电,在本文的微带天线模型中,2条传输线关于贴片天线的垂直对称轴对称,通过下文的分析可知,该对称轴也是贴片天线的奇模对称轴(虚地),两传输线可以等效成1条虚拟的平衡馈电线,基于两平行传输线的两点馈电可以等效成单点平衡馈电.在图2中还可以看到,增加一条传输线将两馈线连接,该传输线连接正中间的虚地形成了虚短,其1/2构成一条连接贴片天线与地的短接线,能实现天线与RFIDIC的阻抗匹配.根据微带天线原理,贴片天线可以等效为2个λ/4长的传输线部分,λ是在贴片天线上的有效传输波长.该电路模型与天线实体对应成对称结构,沿贴片天线边缘场的感应电压VI分别作为两对称部分的电源;贴片天线等效为λ/2的传输线,天线两端的开路电阻为ZR,等效的电路模型如图3.利用边界条件和偶/奇模型分析,偶模型因为在对称轴开路,所以在贴片天线中无电流,V1和V2均为零.在奇模型(图4)中,对称平面(图中虚线所示)是一个虚地,所以V1=VI/2,V2=-VI/2,用奇模可以完全表征该电路.如上文所述,两条关于贴片天线垂直对称轴对称的传输线在奇模电路图中依然对称,当标签IC连接两传输线时,整个标签也可以被平分成两相同部分,等效的电路如图5所示,中间的虚线代表对称轴,也是虚地线.将虚线及其上部视为整体,该整体是一个包括电源、电源阻抗、传输线的特征阻抗、负载和接地的电路,且该电路是一个简单的、带单短接线匹配网络的电路.图5电路对应装置是天线、馈电、匹配网络处于同一平面的标签.3天线结构优化本文中标签的设计是根据美国FCC标准,规定UHFRFID标签工作在902～928MHz频带.在最小化标签天线的要求下,采用凹槽的形式能够增加天线的电气长度,即相当于在天线上加上电感,增加了天线阻抗中的电感量,有利于与呈容抗性的RFIDIC共轭匹配.匹配网络嵌入到凹槽中,如图6.RFIDIC采用Philips公司的符合Class1Gen2标准的芯片,阻抗大约为30-j150Ω,介质基片采用聚丙烯薄膜,标签天线用金属锡箔纸.贴片天线的谐振频率在915MHz附近,读取距离在不同环境物质下无差异.为减少传导损耗,匹配网络中的传输线尽量变宽以减低阻抗.影响标签性能的如下几个参数需要调试:(1)介质基片的介电常数εr减小,则天线边缘场效用增加,天线的辐射能力变大;而高εr则会提高天线的品质因数Q.介质基片的损耗正切值tanδ变大,将会减小辐射品质因数Q,从而增加天线工作频率带宽;同时高损耗正切值降低辐射效率.介质基片厚度一方面对天线辐射阻抗影响,另一方面过厚的介质基片增加RFID标签的重量与成本.(2)贴片天线的宽度影响天线的特征阻抗和辐射电阻,贴片天线的长度则影响天线的谐振频率.(3)馈电线加长,则天线的感抗变大.馈电线变窄,天线的感抗也会增加.馈电线到贴片天线边的距离大小能改变天线的电气长度.调节短接线也影响天线阻抗的电抗部分.因为篇幅的原因,不能将对各参数的调节、优化及各个参数间平衡在此详细列出,经优化后的天线结构部分参数如表1.本文只对匹配网络对标签性能影响进行分析.因为RFIDIC阻抗呈高容抗性,微带天线在谐振点的要求是电阻达到最大值而电抗值为零,所以匹配网络阻抗须呈感抗性才能实现共轭匹配.图7是短接线在馈电线上不同位置对天线输入阻抗的影响,由图可知,在无短接线和有短接线的情况下,输入阻抗的电抗部分有很大差别,且短接线增加天线阻抗的感抗量.图8展示无限的接地板(即虚地)、介质基片和不同大小的接地板(介质基片)对RFID标签天线谐振频率的影响.本文中天线谐振频率在915MHz附近,达到理想结果;有限接地板(介质基片)的边缘场效应对天线的谐振频率有一定的影响,当有限接地板(介质基片)大小扩展到1.5cm时,天线谐振频率与在无限接地板(介质基片)时近似.利用AnsoftHFSS软件模拟该天线,在917.5MHz天线增益达到最大值0.5dB,3dB带宽为8.2MHz.在917.5MHz谐振频率处天线阻抗为76+j138Ω.将双馈电微带天线形式的RFID标签分别贴放在装水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金属面、6mm厚的塑制品和空气中,读写器在902～928MHz中设置广谱跳频,RF功率设置为33dBm,读写器天线增益为12dBi.所测试读取距离如表2所示.该RFID标签工作性能在不同物质环境中表现出较为满意的一致性.4rfid标签天线RFID技术的环境物质的干扰问题影响着其性能在应用中的发挥.本文以金属物质对RFID系统的影响为研究对