一種可手戴RFID標簽天線設計

 引言

隨著射頻識別(RFID)技術的快速發(fā)展，射頻識別系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。由于分米波波段(UHF)的RFID系統(tǒng)具有高的讀取速率以及較長的讀取距離，因此近年來關于UHF波段的RFID系統(tǒng)的研究越來越多。無源的RFID標簽(Tag)通常由RFID標簽芯片和RFID標簽天線構成。RFID標簽天線的設計對于RFID系統(tǒng)具有十分重要的作用，近來，關于RFID標簽天線的研究越來越多，尤其是對于900MHz頻段的RFID標簽天線。一些基于偶極子結構的標簽天線已經在許多RFID系統(tǒng)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，標簽天線的阻抗特性會受到很大的影響，導致讀取距離大大減小，甚至無法工作。這個問題受到了許多研究者的關注，在一些文章中提出了可以放置在金屬表面的RFID標簽天線，這些天線自身都帶有金屬地結構，因此當放置在金屬表面上時仍可以良好的工作。但是，這些天線所匹配的RFID標簽芯片的阻抗的實部值都較小，一般都小于20。而現(xiàn)有的一些RFID標簽芯片的阻抗實部接近40，本文所提出的RFID標簽天線所使用的RFID標簽芯片的阻抗實部為42。

另一方面，隨著個人電子通信領域的發(fā)展，可穿戴天線也得到了越來越多的研究。在RFID領域，可穿戴的RFID標簽也有著很大的發(fā)展前景。除了當RFID標簽天線靠近金屬時會使天線特性改變外，一般的RFID標簽天線在靠近人體的情況下，也會使得阻抗特性發(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，首先對所提出天線的平面結構進行研究，然后對將天線戴在手腕上時的情況進行了仿真分析，并制作了天線實物進行了測量。

2 天線結構

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

圖1 RFID標簽天線平面結構

該天線主要由三部分組成，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對稱的貼片，兩個貼片之間間隔為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的耦合饋電貼片，相距1 mm，標簽芯片對耦合饋電片對稱饋電，耦合貼片與輻射貼片之間通過容性耦合傳遞能量。主輻射貼片與耦合貼片之間放置FR4介質板，er=4.4。 通過調節(jié)主輻射貼片的長度L1可以調整天線的諧振頻率，而天線的輸入阻抗由參數(shù)W1，Lc調節(jié)。本文所設計的天線尺寸如表1所示。

表1 RFID標簽天線尺寸參數(shù)(單位：mm)

3 仿真與測量結果

因為當將天線戴在手腕上時，天線的形狀會發(fā)生較大的變化，所以天線設計時，除了要考慮天線處于平面結構時的特性外，還需要進一步考慮當天線被戴在手腕上時發(fā)生形變后的特性。在仿真研究中，用如圖2所示的環(huán)形結構來模擬當天線戴在手腕上后的情況。天線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，當天線發(fā)生形變時，會對其阻抗特性產生影響。但可以看到，本文所提出設計的天在，當天線被彎曲成大概呈手腕形狀時，仍然可以保持較好的回波損耗特性。天線方向圖的仿真結果如圖4所示

圖4 天線方向圖仿真結果

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

圖5 制作的RFID天線的照片

使用CSL461讀卡器對制作的RFID標簽天線進行了實驗驗證，設定讀卡器的發(fā)射功率為30dBm，讀卡器所連接天線增益為6dBi，測量得到當天線保持平面結構，最大的讀取距離為2.5m。當天線變形為環(huán)形結構并且?guī)г谑滞笊鲜牵畲笞x取距離為1.5m。測量結果表明，本文所提出的天線結構可以有效地減小人體對于天線性能的影響，天線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。由仿真結果發(fā)現(xiàn)，當所設計的天線發(fā)生形變，呈環(huán)形時，會對它的阻抗特性產生一定的影響，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的工作效果，對制作的一加有標簽芯片的天線實物進行了實際的測量。測量結果顯示，當沒有形變時天線可實現(xiàn)的最大讀取距離為2.5m。在發(fā)生形變，戴于手腕上時，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，從實際出發(fā)驗證了本文所提出的天線結構可以有效地減小人體對于天線性能的影響，可以應用于手戴的RFID標簽。