《電子技術(shù)應(yīng)用》
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超高頻短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與分析
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
楊俊義1,, 張 琨1,, 叢 濱2, 張 磊1
(1. 河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,,天津300130,; 2. 中石油吉林天然氣管道有限責(zé)任公司
摘要: 針對(duì)射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽抗金屬性的實(shí)際需求,,結(jié)合短路環(huán)偶極子天線輻射能力較強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單,、成本低,、防靜電且適宜阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一類短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽,。設(shè)計(jì)中將標(biāo)簽天線制作在具有良好輻射特性,、成本低廉、材質(zhì)為FR-4的基板上,,減小金屬環(huán)境吸收電磁波對(duì)天線輻射的干擾,,使短路環(huán)偶極子標(biāo)簽具有抗金屬性;同時(shí)在短路環(huán)偶極子天線中引入阻抗臂,,通過(guò)阻抗臂對(duì)短路環(huán)偶極子天線進(jìn)行阻抗匹配及優(yōu)化,。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)及測(cè)試其結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)標(biāo)簽具有良好的抗金屬性和阻抗匹配特性,。
中圖分類號(hào): TN821+.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)05-0104-04
Design and analysis of UHF short loop dipole anti-metal tag
Yang Junyi1, Zhang Kun1, Cong Bin2, Zhang Lei1
1. School of Control Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2. Petrochina Jilin Gas Company, Songyuan 138000, China
Abstract: According to the actual demands of anti-metal performance of RFID tag, we have designed a short loop dipole anti-metal UHF RFID tag antenna combined with the advantages including strong radiating capacity, simple fabrication, lost cost and anti-static, suitable for impedance matching etc. We made the tag antenna in the above of the advantages including strong radiating capacity, lost cost, substrate material for FR-4 that can reduce the metal environment absorbing electromagnetic wave disturbance to the antenna radiation, making the short loop dipole tag have the properties of gold; Meanwhile, we have introduced impedance arm to optimize the impedance matching of loop dipole tag antenna. Through repeated simulation and testing we can see that the tag we designed here has favorable anti-metal and impedance matching performances.
Key words : RFID; dipole antenna; impedance arm; anti-metallic; impedance matching

    射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一種可通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),,而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸的通信技術(shù)。常用的RFID技術(shù)有低頻(125 kHz~134.2 kHz),、高頻(13.56 MHz),、超高頻等。其中超高頻以其讀取距離大,、傳送數(shù)據(jù)速度快,、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大、靈活性強(qiáng),、適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛發(fā)展,。
    最基本的RFID系統(tǒng)[2]由標(biāo)簽(Tag),、閱讀器(Reader)和天線(Antenna)三部分組成。RFID系統(tǒng)應(yīng)用中,,標(biāo)簽是影響其整體性能的關(guān)鍵因素之一,。實(shí)際應(yīng)用中,,標(biāo)簽多附著于金屬環(huán)境表面使用,。然而,金屬環(huán)境對(duì)標(biāo)簽的干擾大大縮小了RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍,。因此,,針對(duì)特定環(huán)境設(shè)計(jì)具有抗金屬性的標(biāo)簽十分必要。此外,,對(duì)電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)而言,,標(biāo)簽的有效讀取距離是衡量標(biāo)簽性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),提高標(biāo)簽的阻抗匹配度有助于優(yōu)化標(biāo)簽的有效讀取距離,。所以,,對(duì)所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽進(jìn)行阻抗匹配優(yōu)化非常重要。
1 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 金屬環(huán)境對(duì)標(biāo)簽的影響

    標(biāo)簽主要由標(biāo)簽芯片和內(nèi)置天線組成,,其中天線主要起到接收和發(fā)送電磁波的作用,,其目的是傳輸盡可能大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片,為標(biāo)簽提供工作能量,。
    根據(jù)電磁場(chǎng)原理,,場(chǎng)強(qiáng)對(duì)金屬比較敏感,容易對(duì)標(biāo)簽造成影響,。其影響主要來(lái)自以下兩方面:(1)金屬靠近天線時(shí),,由于電磁感應(yīng)作用會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流,同時(shí)吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場(chǎng)能,,從而減少了射頻原有的能量,;(2)金屬環(huán)境產(chǎn)生的渦流也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),且由其產(chǎn)生的磁力線垂直于金屬環(huán)境表面,,與射頻場(chǎng)強(qiáng)相反,。由金屬環(huán)境產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)造成干擾,導(dǎo)致金屬表面的磁力線趨于變形,,在離金屬很近的區(qū)域甚至平行于金屬表面,,該區(qū)域內(nèi)根本沒(méi)有射頻場(chǎng),因此直接附著于金屬物體表面的標(biāo)簽根本無(wú)法通過(guò)切割磁力線獲得能量,,不能正常工作,。

 


    為了進(jìn)一步對(duì)標(biāo)簽設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,在短路環(huán)偶極子天線[6]的基礎(chǔ)上引入阻抗臂結(jié)構(gòu),。短路環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)主要與環(huán)的長(zhǎng)度,、寬度,、激勵(lì)兩端環(huán)的長(zhǎng)度和組成環(huán)的金屬寬度有關(guān)系,因此在設(shè)計(jì)中引入阻抗臂,,通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗臂的長(zhǎng)度和寬度間接調(diào)節(jié)短路環(huán)的參數(shù),,從而影響天線的阻抗匹配,更容易對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié),。
    設(shè)計(jì)出的短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線主要由彎折天線臂(輻射主體部分),、短路環(huán)和阻抗臂三部分組成。標(biāo)簽芯片采用美國(guó)英頻杰(IMPING)公司的Monza4,,并將其貼在短路環(huán)結(jié)構(gòu)的開(kāi)口處進(jìn)行激勵(lì),。將設(shè)計(jì)出的天線制作于介電常數(shù)εr=4.4,材質(zhì)為FR-4,, 厚度約為5 mm,,尺寸約為95 mm×10 mm的基板上,如圖2所示,。其中L1為阻抗臂長(zhǎng)度,,約為36 mm;L2為阻抗臂寬度,約為0.75 mm,。標(biāo)簽天線材質(zhì)為銅,,厚0.01 mm,尺寸約為79 mm×6 mm,。將設(shè)計(jì)的標(biāo)簽放在面積為228 mm×80 mm的金屬板表面進(jìn)行仿真測(cè)試,,其各方面性能均符合設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用要求。

2 標(biāo)簽天線性能分析
2.1 天線輸入阻抗圖

 對(duì)所設(shè)計(jì)天線采用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真,,可得到天線的輸入阻抗圖[7]如圖3所示,。

    圖中兩條曲線分別為所設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線電阻值及電抗值隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出天線諧振頻率為922.625 MHz處的輸入阻抗為11.23+138.55 Ω,,標(biāo)簽電阻值匹配率為91.82%,,電抗值匹配率為97.91%,整體阻抗匹配率達(dá)到了90%以上,,匹配狀態(tài)良好,。且在900 MHz~960 MHz頻率范圍內(nèi)變化平緩,表明標(biāo)簽天線和芯片的阻抗匹頻帶較寬,,具有較強(qiáng)的魯棒性,。
2.2 天線回波損耗圖
  圖4所示為所設(shè)計(jì)短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線的回波損耗[8]曲線圖。

由計(jì)算結(jié)果可知天線具有較好的回波損耗特性和良好的頻帶特性,,性能表現(xiàn)良好,,滿足實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 天線方向圖
    天線方向圖[9]是方向性函數(shù)的圖形表示,,它形象地描繪天線輻射特性隨空間方向坐標(biāo)變化的關(guān)系,。圖5為所設(shè)計(jì)短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線的H平面(φ=0°~360°,θ=90°)方向增益圖,。從圖中可以看出其在φ=0°時(shí)的最大增益為-5.82 dB。圖6為所設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線的E平面(φ=0°,θ=-180°~180°)方向增益圖,,在θ=90°處的增益為-5.82 dB,。分析圖中數(shù)據(jù)可知,靠近金屬環(huán)境一側(cè)天線由于受到金屬吸收電磁波的干擾,,天線增益銳減,,可以忽略。而金屬環(huán)境的相反一側(cè),,天線表現(xiàn)出了對(duì)上半球面的覆蓋,,增益達(dá)到了應(yīng)用要求。

3 對(duì)標(biāo)簽基板厚度L和阻抗臂的研究
3.1基板厚度L對(duì)天線各性能的影響

    將短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線制作于介電常數(shù)?著r=4.4,,材質(zhì)為FR-4, 尺寸約為95 mm×10 mm,, 厚度為5 mm的基板上,,使標(biāo)簽與金屬表面磁場(chǎng)平行的區(qū)域進(jìn)行隔離,標(biāo)簽達(dá)到了抗金屬的要求,。且經(jīng)Ansoft HFSS軟件仿真測(cè)試,,標(biāo)簽各方面性能均達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。但在實(shí)際制作電子標(biāo)簽時(shí),,加工5 mm厚的FR-4基板會(huì)有一定的工程誤差,,所以研究標(biāo)簽天線與金屬之間的距離即基板厚度L對(duì)標(biāo)簽各方面性能的影響很有必要。 表1列出了基板厚度L對(duì)天線各特性參數(shù)的影響,。


    分析表1數(shù)據(jù)可以看出,,隨著標(biāo)簽天線與金屬環(huán)境距離的減小,天線諧振頻率,、諧振頻率處的回波損耗及輸入阻抗整體呈下降趨勢(shì),,而絕對(duì)帶寬和相對(duì)帶寬整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)基板厚度L小于4 mm時(shí),,阻抗匹配程度已小于80%,,不符合實(shí)際應(yīng)用需求,因此,,實(shí)際加工時(shí)基板厚度應(yīng)大于4 mm,。
3.2 阻抗臂對(duì)標(biāo)簽天線輸入阻抗影響
 設(shè)計(jì)中引入阻抗臂用于優(yōu)化標(biāo)簽天線芯片的阻抗匹配,研究阻抗臂的尺寸對(duì)短路環(huán)偶極子天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)作用對(duì)天線性能的優(yōu)化很有必要,。
    如表2和表3分別列出了阻抗臂長(zhǎng)度L1及寬度L2變化時(shí)對(duì)標(biāo)簽天線輸入阻抗的電阻值Re和電抗值Im的影響,。分析表中數(shù)據(jù)可知,當(dāng)改變阻抗臂的長(zhǎng)度L1時(shí),,天線的電阻值與阻抗臂長(zhǎng)度L1成正相關(guān),,而電抗值相對(duì)只表現(xiàn)出微小的波動(dòng),。可見(jiàn),,阻抗臂的長(zhǎng)度L1只影響天線輸出電阻值,,通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗臂L1的長(zhǎng)度可以達(dá)到調(diào)整天線輸出電阻值的目的;當(dāng)改變阻抗臂的寬度L2時(shí),,天線的電阻值和電抗值都有較大的變化,,且隨著寬度的增加,電阻值與其長(zhǎng)度成正相關(guān),,而電抗值與之負(fù)相關(guān),,由此分析得出阻抗臂的寬度L2能夠影響天線的輸出阻抗,可以用來(lái)優(yōu)化天線的阻抗值,。同時(shí)調(diào)節(jié)阻抗臂的長(zhǎng)度L1和寬度L2可以對(duì)天線的電阻值和電抗值的數(shù)值大小及比例進(jìn)行調(diào)節(jié),,從而優(yōu)化標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片的阻抗匹配,使匹配達(dá)到最佳,,提高天線各方面的性能,。

    本文基于短路環(huán)偶極子天線結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款諧振頻率為922.625 MHz的短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽,。通過(guò)將天線制作于FR-4(?著r=4.4)材質(zhì)基板上,,使標(biāo)簽天線與金屬表面磁場(chǎng)平行的區(qū)域相隔離,標(biāo)簽具有了抗金屬性,,可以應(yīng)用于金屬物體表面,,而短路環(huán)結(jié)構(gòu)的引入降低了標(biāo)簽阻抗匹配的難度。同時(shí)本文分析了基板厚度對(duì)標(biāo)簽各方面性能的影響,,得出基板厚度L>4 mm時(shí),,標(biāo)簽各方面性能才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求;通過(guò)引入阻抗臂,,可對(duì)天線的阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié),,從而優(yōu)化標(biāo)簽阻抗匹配,使其達(dá)到最佳,。所設(shè)計(jì)標(biāo)簽電阻值匹配率為91.82%,,電抗值匹配率為97.91%,整體阻抗匹配率達(dá)到了90%以上,。經(jīng)過(guò)Ansoft HFSS軟件仿真,,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,天線各性能參數(shù)都符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求,。
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