一种超高频rfid标签天线的设计

一种超高频rfid标签天线的设计

超高频rfid标签应用随着物流供应链管理应用的需求与日俱增，如身份验明、票管理和非接触式收费等。近年来，超级频率（uhf，欧洲频率：865.06.67.6mhz，美国频率：902.928hz，日本频率：952.954hz）的rfid技术得到了深入的研究。标签天线由天线辐射单元和RFID芯片构成,标签和阅读器之间的有效阅读距离取决于天线特性和通道性能。因此,作为RFID系统的重要组成部分,标签天线有着非常关键的作用。在一些实际应用中,超高频RFID标签可能会被贴附于金属物体表面,但是金属环境对天线的近场有显著的影响,这些影响将改变标签的辐射方向图、输入阻抗、辐射效率和频率响应等。所以,超高频RFID标签在诸如集装箱、笔记本电脑、汽车和油气罐等金属物体上的使用是一个巨大的挑战。为了解决这个问题,在设计标签天线结构时可以考虑为天线增加一个接地面。基于这样的考虑,一些设计已经被提出并得到了发展,例如倒F天线(IFA)和印刷倒F天线(PIFA)、贴片天线和一些它们的变形结构天线等等。文献设计了一种可用于金属物体的标签天线,其尺寸为74.5mm×20mm×3mm,并且使用了一根长40mm的开路短接线。文献提出了一款尺寸为125.5mm×14mm×1.5mm的弯折偶极子天线,文献和文献分别设计了一个印刷倒F天线阵和带短路探针结构的弯折贴片天线,他们的尺寸分别为130mm×45mm×0.8mm,100mm×50mm×0.8mm。纵观这些设计,可以发现标签的尺寸还不够小,并且他们的设计都是基于FR4介质基板,所以天线在使用中不能弯曲。该缺陷使得这些标签无法用在具有共形要求的物体上。本文提出的可用于金属物体表面的平面弯折偶极子超高频RFID抗金属标签天线,其基板采用常见的Rogers5880板材,厚度仅为0.508mm,该天线的尺寸也小于目前报道的具有相近性能的标签。1uhf特性天线在抗金属RFID标签天线的设计上主要采用以下两种方法:其一是降低金属物表面对天线的影响,例如使用高介电常数的基板或者高阻抗接地;其二是使用导电接地以降低金属物表面对天线性能的影响,例如倒F天线(IFA)和印刷倒F天线(PIFA)或者常用的贴片天线。然而前者会增加天线的成本,所以本设计基于第二种方法。UHF频段标签天线大多采用弯折偶极子形式,文献对弯折偶极子天线的谐振特性做了研究。本方案中采用的是折叠偶极子平面贴片天线,天线由两个对称折叠辐射单元和接地面构成,基板为Rogers5880,介电常数为2.2,损耗正切为0.0009,厚度为0.508mm,在此厚度该基板可以微微弯折。由于寄生单元的引向性,可以增加天线的增益,并且寄生单元和辐射单元之间的耦合将会适当降低天线的Q值,增大天线的带宽,所以该天线加入了条状寄生单元。对称辐射单元通过两个短路探针与金属地板相连接,天线整体尺寸为80mm×35mm×0.508mm,具体几何尺寸如图1(a)所示。2天线的运行和测试参数分析法将会为读者提供更多设计信息。短路探针的位置和尺寸对天线性能有很大的影响,为了了解这些参数对天线谐振频率、辐射性能和输入阻抗等特性的影响,我们一次改变一个变量,保持其他变量不变进行分析。设短路探针半径为r,距离天线中轴线距离为lp,标签芯片选用AlienHiggs,其输入阻抗在915MHz时为13-j111Ω,所以设计的标签天线的输入阻抗要与芯片实现共轭匹配,即为13+j111Ω。首先,固定短路探针半径r=0.35mm,探针距天线中轴线的距离lp对天线的特性影响由图2给出。从图2(a)可以看到天线谐振频率受lp影响显著,lp的增加将使得谐振频率减小,当lp位于13.5~16.5mm之间时,天线的谐振频率在0.89~0.92GHz之间变化。天线输入阻抗随lp增加而增大。从图2(b)~(c)可以看到如果lp小于某个值,如13mm,天线的输入阻抗曲线将永远不会与芯片的阻抗曲线相交,这就意味着在此情况下天线和芯片将不能实现匹配。其次,固定lp=16.5mm,对探针半径r对天线性能的影响作了研究,其中r对反射系数的影响如图3所示。可以发现r对天线谐振影响很小。r对输入阻抗的影响也可以得到类似结论。在上面的研究中,一个150mm×150mm×8mm的金属片置于天线地板之下用以模拟金属使用环境。为了验证该RFID天线的性能,加工了一个测试样品,如图1(b)所示,短路探针的尺寸最终确定为lp=16.5mm,r=0.35mm。使用R&SZVL矢量网络分析仪对天线进行测试。如图4所示,一块150mm×150mm×8mm的金属板被用来模拟金属使用环境。图5是该标签天线反射系数的测试和仿真曲线。为便于比较,该天线在非金属表面使用的仿真曲线也在图5中给出。从图5可以看到,该天线的-10dB带宽覆盖了欧洲(865.6~867.6MHz)和北美(902~928MHz)规定的UHF射频识别频段。另外,天线在915MHz频段阻抗的实测值为15.27+j122.58Ω,与设计目标约有9.5%的误差。图6为该天线分别置于自由空间和金属板上的归一化辐射方向图。可以看到,当天线贴于金属板上时,沿-z轴的后向辐射被削弱了。RFID标签的阅读距离是非常重要的设计指标,标签的阅读距离可以由下式进行估算其中λ为工作波长,Pt为阅读器发射功率,Gt为读写器天线增益,GT为标签天线增益,Pth为标签芯片需要的最小功率阈值,τ为标签天线与芯片之间的功率传输系数,定义为:使用ALIENALR-8800阅读器来测试标签的可读距离。实验环境中标签的读取距离由读写器能检测到的最大读取距离来近似。标签的读取距离测试如图7所示。首先在自由空间环境对该标签的读取距离进行测试,自由空间中该标签的最大读取距离能达到4.1m;然后将该标签置于金属板上测试读取距离,此时其最大读取距离约为3m。用于金属板上的标签的读取距离减小可以解释为表面电流的作用。当标签置于金属板上时,表面电流的分布将削弱该标签的辐射能力,从而导致阅读距离的降低。3面偶极子胶片本文设计了一个可用于金属物