一種基于RFID的可手戴標簽天線(xiàn)設計

引言

隨著(zhù)射頻識別(RFID)技術(shù)的快速發(fā)展，射頻識別系統得到了越來(lái)越廣泛的應用。由于分米波波段(UHF)的RFID系統具有高的讀取速率以及較長(cháng)的讀取距離，因此近年來(lái)關(guān)于UHF波段的RFID系統的研究越來(lái)越多。無(wú)源的RFID標簽(Tag)通常由RFID標簽芯片和RFID標簽天線(xiàn)構成。RFID標簽天線(xiàn)的設計對于RFID系統具有十分重要的作用，近來(lái)，關(guān)于RFID標簽天線(xiàn)的研究越來(lái)越多，尤其是對于900MHz頻段的RFID標簽天線(xiàn)。一些基于偶極子結構的標簽天線(xiàn)已經(jīng)在許多RFID系統中得到成功的應用，但是在一些特殊的應用中，當標簽靠近金屬表面或者貼在金屬表面時(shí)，標簽天線(xiàn)的阻抗特性會(huì )受到很大的影響，導致讀取距離大大減小，甚至無(wú)法工作。這個(gè)問(wèn)題受到了許多研究者的關(guān)注，在一些文章中提出了可以放置在金屬表面的RFID標簽天線(xiàn)，這些天線(xiàn)自身都帶有金屬地結構，因此當放置在金屬表面上時(shí)仍可以良好的工作。但是，這些天線(xiàn)所匹配的RFID標簽芯片的阻抗的實(shí)部值都較小，一般都小于20。而現有的一些RFID標簽芯片的阻抗實(shí)部接近40，本文所提出的RFID標簽天線(xiàn)所使用的RFID標簽芯片的阻抗實(shí)部為42。

另一方面，隨著(zhù)個(gè)人電子通信領(lǐng)域的發(fā)展，可穿戴天線(xiàn)也得到了越來(lái)越多的研究。在RFID領(lǐng)域，可穿戴的RFID標簽也有著(zhù)很大的發(fā)展前景。除了當RFID標簽天線(xiàn)靠近金屬時(shí)會(huì )使天線(xiàn)特性改變外，一般的RFID標簽天線(xiàn)在靠近人體的情況下，也會(huì )使得阻抗特性發(fā)生很大變化，使得讀取距離大大縮短。

本文提出了一種可以帶在手腕上的RFID標簽天線(xiàn)，首先對所提出天線(xiàn)的平面結構進(jìn)行研究，然后對將天線(xiàn)戴在手腕上時(shí)的情況進(jìn)行了仿真分析，并制作了天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行了測量。

2 天線(xiàn)結構

本文所設計的天線(xiàn)是對應一種工作在915MHz的RFID標簽芯片而設計的，該種芯片的輸入阻抗為42-j157Ω。通過(guò)調節參數，本文提出的天線(xiàn)很容易與具有其他輸入阻抗值得芯片相匹配。天線(xiàn)的平面結構如圖1所示。

圖1 RFID標簽天線(xiàn)平面結構

該天線(xiàn)主要由三部分組成，地板，主輻射貼片以及耦合饋電貼片。其中主輻射貼片為兩個(gè)對稱(chēng)的貼片，兩個(gè)貼片之間間隔為1mm，貼片的外端由短路片與地板相連。主輻射貼片與地之間采用泡沫層支撐。主輻射貼片上有一對對稱(chēng)的耦合饋電貼片，相距1 mm，標簽芯片對耦合饋電片對稱(chēng)饋電，耦合貼片與輻射貼片之間通過(guò)容性耦合傳遞能量。主輻射貼片與耦合貼片之間放置FR4介質(zhì)板，er=4.4。 通過(guò)調節主輻射貼片的長(cháng)度L1可以調整天線(xiàn)的諧振頻率，而天線(xiàn)的輸入阻抗由參數W1，Lc調節。本文所設計的天線(xiàn)尺寸如表1所示。

表1 RFID標簽天線(xiàn)尺寸參數(單位：mm)

LL1LcW1WHH1

14211330203022.5

3 仿真與測量結果

因為當將天線(xiàn)戴在手腕上時(shí)，天線(xiàn)的形狀會(huì )發(fā)生較大的變化，所以天線(xiàn)設計時(shí)，除了要考慮天線(xiàn)處于平面結構時(shí)的特性外，還需要進(jìn)一步考慮當天線(xiàn)被戴在手腕上時(shí)發(fā)生形變后的特性。在仿真研究中，用如圖2所示的環(huán)形結構來(lái)模擬當天線(xiàn)戴在手腕上后的情況。天線(xiàn)在不同形狀下的回波損耗如圖3所示。

圖2 發(fā)生形變后天線(xiàn)的模擬結構圖

圖3 回波損耗的仿真結果

由圖3中的仿真結果可以看出，當天線(xiàn)發(fā)生形變時(shí)，會(huì )對其阻抗特性產(chǎn)生影響。但可以看到，本文所提出設計的天在，當天線(xiàn)被彎曲成大概呈手腕形狀時(shí)，仍然可以保持較好的回波損耗特性。天線(xiàn)方向圖的仿真結果如圖4所示

圖4 天線(xiàn)方向圖仿真結果

為了驗證設計天線(xiàn)的工作效果，在仿真的基礎上，依照表1中所給出的尺寸制作出一個(gè)可形變的RFID天線(xiàn)。該天線(xiàn)采用了泡沫雙面膠作為輻射貼片與地板之間的支撐，使得天線(xiàn)可以進(jìn)行彎曲，進(jìn)而可以戴在手腕上進(jìn)行測量。圖4為所制作的RFID天線(xiàn)照片。

圖5 制作的RFID天線(xiàn)的照片

使用CSL461讀卡器對制作的RFID標簽天線(xiàn)進(jìn)行了實(shí)驗驗證，設定讀卡器的發(fā)射功率為30dBm，讀卡器所連接天線(xiàn)增益為6dBi，測量得到當天線(xiàn)保持平面結構，最大的讀取距離為2.5m。當天線(xiàn)變形為環(huán)形結構并且帶在手腕上是，最大讀取距離為1.5m。測量結果表明，本文所提出的天線(xiàn)結構可以有效地減小人體對于天線(xiàn)性能的影響，天線(xiàn)在戴在手腕上的情況下，仍然具有可以接受的讀取距離，因此可以在手戴的RFID標簽中得到應用。另外，由于本文所提出的RFID天線(xiàn)也具有金屬地板的結構，因此也具有可以避免金屬表面影響的優(yōu)良特性。

4 結論

本文提出和設計了一種可以適應于手戴應用的RFID標簽天線(xiàn)。由仿真結果發(fā)現，當所設計的天線(xiàn)發(fā)生形變，呈環(huán)形時(shí)，會(huì )對它的阻抗特性產(chǎn)生一定的影響，但是仍然能夠較好的與標簽芯片的輸入阻抗匹配，即具有良好的回波損耗特性。為了驗證所設計天線(xiàn)的工作效果，對制作的一加有標簽芯片的天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際的測量。測量結果顯示，當沒(méi)有形變時(shí)天線(xiàn)可實(shí)現的最大讀取距離為2.5m。在發(fā)生形變，戴于手腕上時(shí)，最大的讀取距離可以保持在1.5m，仍然保持在可以接受的讀取范圍內，從實(shí)際出發(fā)驗證了本文所提出的天線(xiàn)結構可以有效地減小人體對于天線(xiàn)性能的影響，可以應用于手戴的RFID標簽。