熊雄　洪衛(wèi)軍　趙振濤　謝勝利

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院, 廣東 廣州 510640; 2.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點實驗室,北京 100876; 3.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

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一種具有應(yīng)用普適性的RFID標簽天線*

熊雄1洪衛(wèi)軍2?趙振濤2謝勝利3

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院, 廣東 廣州 510640; 2.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點實驗室,北京 100876; 3.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

摘要:為使標簽可以對任意材料物品進行標識,且使天線具有較高的增益,設(shè)計了一種新的具有普適性的特高頻(UHF)射頻識別(RFID)標簽天線.該天線由一對1/4波長的矩形貼片構(gòu)成類偶極子輻射體,通過懸浮于其上層的環(huán)形走線進行感性耦合饋電,實現(xiàn)與RFID標簽芯片的共軛匹配.實驗結(jié)果表明:該天線適用于全球范圍的射頻識別系統(tǒng)(840～960 MHz),貼附于不同材料表面上時均有2.0 dBi左右的增益,獲得穩(wěn)定的識別距離;當(dāng)標簽貼附于衣服、圖書等介質(zhì)材料上時,天線可獲得全向的輻射方向圖;當(dāng)標簽貼附于良導(dǎo)體表面時,天線可獲得垂直于導(dǎo)體表面的半功率角為70°的方向性輻射方向圖.

關(guān)鍵詞：射頻識別;貼片天線;標簽天線

特高頻(UHF)射頻識別(RFID)是利用磁場耦合或電磁波傳播進行非接觸雙向通信的自動識別技術(shù)[1].根據(jù)國際標準化組織制定的ISO/IEC 18000系列標準,當(dāng)前RFID系統(tǒng)的工作頻段涵蓋低頻(LF,125～134 kHz)、高頻(HF,13.56 MHz)、特高頻(433 MHz、860～960 MHz)以及微波(MW,2.45和5.8 GHz)頻段[2].其中,860～960MHz頻段無源RFID系統(tǒng)因具有低成本、高通信速率、多標簽識別等優(yōu)點而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注,是公認最具應(yīng)用潛力的RFID技術(shù),已在物流運輸、服裝、倉儲管理、圖書等資產(chǎn)及設(shè)備管理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1,3- 5].

在RFID標簽設(shè)計中,平面半波偶極子類天線是最廣泛采用的標簽天線設(shè)計方法,因為其設(shè)計簡單,制造方便.然而,當(dāng)這類標簽粘貼于金屬物品或者內(nèi)含液體的罐裝物品表面上時,標簽的性能就會極大惡化,甚至無法使用[6- 7].導(dǎo)致性能惡化的主要原因是當(dāng)標簽接近金屬物體表面時會在金屬表面和標簽天線之間引入較大的寄生電容,從而引起標簽天線阻抗值和諧振頻率的變化,破壞了標簽上芯片與天線的共軛匹配關(guān)系,使天線無法形成有效的電磁波輻射[8].為了使RFID標簽可以標識外殼為金屬物體的物品,人們設(shè)計了很多具有抗金屬特性的標簽天線[9- 17],主要分為兩類:①微帶天線,如倒F天線(IFA)[9- 10]和縫隙天線[11- 12,15- 17];②基于人工電磁材料的天線地平面,如人工磁導(dǎo)體(AMC)[13]和電子帶隙(EBG)技術(shù)[14].第1類是將方向性天線應(yīng)用于RFID標簽,借助其天線內(nèi)部的金屬地結(jié)構(gòu)屏蔽金屬物品對天線輻射方向圖的影響;第2類是通過人工電磁材料技術(shù)特殊設(shè)計的周期結(jié)構(gòu)導(dǎo)體做天線地平面,從而控制天線地平面反射波的相位,進一步增強天線的方向性,提升天線增益.

然而,上述抗金屬標簽都是方向性天線,并不適用于需要有全向識別能力要求的RFID應(yīng)用場合.迄今有關(guān)既適用于介質(zhì)材料標識又適用于良導(dǎo)體物品標識的RFID標簽天線鮮有報道.為使標簽可以對任意材料物品進行標識,且使天線具有較高的增益,文中提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、具有普適性的RFID標簽天線設(shè)計方法,根據(jù)標簽粘貼于導(dǎo)體表面時導(dǎo)體背景的等效金屬地效果,實現(xiàn)了天線在介質(zhì)材料上的半波偶極子天線等效和在導(dǎo)體表面上的微帶天線等效,使天線能根據(jù)背景材料形成全向性和方向性切換.

1天線設(shè)計

文中提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,該天線結(jié)構(gòu)分為獨立的饋電單元和輻射單元兩個部分.輻射單元由基底材料和一對尺寸為Lp×Wp、間距為g的輻射貼片組成,基底材料選用廉價的FR4材料,厚度為h,介電常數(shù)為ε1，底面不覆銅.饋電單元由一個焊接RFID芯片的耦合環(huán),其尺寸為WL×LL,線寬w,耦合環(huán)底部到天線邊緣的距離為l,芯片粘接位置在饋電環(huán)中心對稱線上,耦合環(huán)可印制在紙、聚酯纖維、泡沫等薄基底材料上,厚度為d，介電常數(shù)為ε2.整個標簽天線沒有金屬地面,結(jié)構(gòu)簡單,易于制作.

圖1　標簽天線結(jié)構(gòu)

2實現(xiàn)原理

2.1阻抗計算

耦合環(huán)饋電結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)整靈活,便于加工制造,它通過電流環(huán)耦合作用引入了大電感成分,可以與RFID芯片的小電阻、大電抗特征阻抗形成共軛匹配,因此非常適用于RFID標簽天線的饋電.

耦合環(huán)饋電結(jié)構(gòu)影響輸入阻抗的主要參數(shù)為其環(huán)邊長尺寸、環(huán)走線寬度,以及環(huán)與輻射面間的距離[5- 6].耦合環(huán)饋電天線的等效電路如圖2所示,圖中Za為整個天線的輸入阻抗,Lloop為耦合環(huán)的等效電感,Lrb、Crb、Rrb分別為輻射單元的等效電感、電容和電阻,M為變壓器的耦合系數(shù).

圖2　感性耦合環(huán)對應(yīng)的等效電路

圖2所示等效電路的阻抗計算可參考文獻[5],天線在芯片端的輸入阻抗為

(1)

式中,Ra、Xa分別為電阻和電抗,Rrb,0為輻射體在諧振情況下的阻抗,M為耦合系數(shù),f為頻率,Qrb為輻射單元的品質(zhì)因數(shù),u=Qrb(f/f0-f0/f).

在諧振條件下,當(dāng)f=f0(f0為天線的諧振頻率)時,有

(2)

(3)

由天線的阻抗計算公式可見:天線電抗主要由耦合環(huán)電感決定,耦合環(huán)電感越大,天線電抗分量越大;天線電阻主要由主輻射體的電阻和變壓器耦合系數(shù)決定,耦合系數(shù)越大,輻射體電阻越小,天線的電阻分量越大[5- 6].

2.2輻射原理

當(dāng)標簽處于自由空間或粘貼于介質(zhì)材料表面上時,天線等效為一個平面半波偶極子天線,可獲得如圖3所示的“8”字形的E面方向圖和圓形H面方向圖.當(dāng)標簽貼附于導(dǎo)體表面時,天線輻射面與金屬表面之間的電場分布如圖4所示,天線輻射面與導(dǎo)體表面空間中的電場被束縛,在天線兩端處形成輻射,等效為二元縫隙輻射陣,兩端口輻射的電場垂直分量反相,水平分量同相,因此形成了平行于天線法線方向的方向性輻射,類似微帶貼片天線.

圖3　天線在介質(zhì)表面等效半波偶極子的輻射場示意圖

Fig.3Schematic diagram of radiation field of antenna worked as a half wave-length dipole on dielectric materials

圖4天線貼附于金屬物體上時天線輻射面與金屬表面之間的電場分布

Fig.4Distribution of electric field between radiation plane of antenna and conductor surface when the tag is mounted on metallic objects

3實驗結(jié)果與分析

3.1阻抗與帶寬

文中對特征阻抗為30-j200 Ω的Alien Higgs3芯片[17]進行天線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,其中Lp=71.0 mm,Wp=25.0 mm,g=5.0 mm,h=3.0 mm,d=0.5 mm,LL=19.0 mm,WL=16.5 mm,w=l=1.0 mm.輻射單元基底選用介電常數(shù)為4.4的FR4,饋電單元基底選用相對介電常數(shù)為1.07的泡沫.

文中分別對標簽處于空氣及粘貼于20 cm×30 cm×1 cm鋁板表面和同樣尺寸的書本(相對介電常數(shù)εr=3.0,損耗角正切tanδ=0.03)[18]上時的天線輸入阻抗、功率反射系數(shù)S11、方向圖進行了仿真分析,結(jié)果如圖5所示.當(dāng)標簽處于空氣中和粘貼于書本上時,其阻抗曲線很接近;當(dāng)標簽粘貼于鋁板表面上時,其電阻部分變化不大,電抗值有所下降.整體而言,標簽阻抗曲線在芯片共軛阻抗位置較為平坦,能夠獲得較寬的工作帶寬.

雖然標簽貼附于書本表面與鋁板表面時,天線的輸入阻抗與芯片特征阻抗的匹配頻率有所偏移(分別為940 MHz和880 MHz),但都在RFID的頻段內(nèi).從圖5(b)可以看出,該天線在RFID工作頻段840～960 MHz的反射系數(shù)均小于-17 dB,且在整個頻帶內(nèi)的功率傳輸系數(shù)達到95%以上.

圖5天線置于自由空間以及粘貼于鋁板和書本上時的輸入阻抗、S11和功率傳輸系數(shù)曲線

Fig.5Input impedance,S11and power transmission rate of antenna while it is put in free space,or mounted on aluminum plate and book

3.2增益與方向圖

文中分別對標簽放置于空氣及粘貼在20 cm×20 cm×1 cm的圖書、玻璃、鋁板和銅板上時的天線增益性能進行了仿真,結(jié)果如圖6所示,在860～960 MHz頻段內(nèi),天線增益均大于0 dBi,尤其是在廣泛使用的902～928 MHz頻段內(nèi),天線增益在1～2 dBi之間波動.標簽天線在θ=0°方向上的增益峰值分別為2.29、1.57、1.46、2.77和2.68 dBi.對圖7(a)所示的標簽原型進行測試,RFID標簽天線粘貼于圖書和銅板上時的歸一化輻射方向圖如圖7(b)和7(c)所示.

圖6　天線粘貼于不同材料上時的增益曲線

Fig.7Tag prototype and radiation patterns of antennas under two situations

4結(jié)論

文中設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、具有抗背景材料影響的UHF頻段RFID標簽天線,通過分離耦合環(huán)饋電獲得了天線的寬帶匹配特性,通過半波長矩形輻射貼片設(shè)計實現(xiàn)了其在介質(zhì)材料上的半波偶極子天線等效與在導(dǎo)體表面上的微帶天線等效,使天線具有能根據(jù)背景材料的不同自動形成全向性和方向性切換的特點,且均保持了2 dBi左右的天線增益,可廣泛應(yīng)用于各種RFID場景.文中設(shè)計的天線實例整體尺寸為142 mm×25 mm×3.5 mm,相對于RFID標簽來說還不夠小巧,后續(xù)可通過鏡像原理、曲流設(shè)計及開槽等技術(shù)實現(xiàn)天線的小型化.

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收稿日期:2015- 09- 02

*基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(61427801)

Foundation item:Supported by the National Natural Science Foundation of China(61427801)

作者簡介:熊雄(1973-),男,博士生,主要從事RFID系統(tǒng)設(shè)計與無線電測試技術(shù)研究.E-mail:xxiong@gd.gov.cn ?通信作者: 洪衛(wèi)軍(1982-),男,講師,主要從事超材料、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和天線設(shè)計研究.E-mail:hongwj@bupt.edu.cn

文章編號:1000- 565X(2016)05- 0073- 05

中圖分類號：TN821+.4

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.05.011

An RFID Tag Antenna with Application Universality

XIONGXiong1HONGWei-jun2ZHAOZhen-tao2XIESheng-li3

(1.School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.Beijing Key Laboratory of Network System Architecture and Convergence,Beijing University of Posts and Telecommunication,Beijing 100876,China;3.College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,Guangdong,China)

Abstract:In order to implement stable identification of objects with different materials,a novel UHF(Ultrahigh Frequency) RFID(Radio Frequency Identification) tag antenna with steady and high gain is proposed.The antenna consists of a pair of quarter-wavelength rectangular patch working as a radiation unit of dipole antenna and an inductive feeding loop suspending on the patch plane.Thanks to the significant induction introduced by the loop,conjugate matching to chip impedance can be achieved.Experimental results show that the proposed tag antenna covers the worldwide RFID bands in UHF range (840～960 MHz) and helps obtain a gain of about 2.0 dBi as well as a stable recognition distance for different dielectric materials.Moreover,it is found that,when the tag antenna is mounted on such dielectric materials as clothes and books,the radiation pattern shows omnidirectional;while when it is mounted on conductors with consistent gain,the radiation pattern shows directional with a half power beamwidth of 70°.

Key words:radio frequency identification;patch antenna;tag antenna