一种小型UHF RFID抗金属标签天线的设计

TelecommunicationEngineering

Vol.56,No.1January,2016

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.013

2016,56(1):71-75.]

引用格式:韩涛,ZHANGMingjun,王红成,等.一种小型UHFRFID抗金属标签天线的设计[J].电讯技术,2016,56(1):71-75.[HANTao,

ZHANGMingjun,WANGHongcheng,etal.DesignofaminiaturizedUHFRFIDanti-metaltagantenna[J].TelecommunicationEngineering,

一种小型UHFRFID抗金属标签天线的设计

1*

韩摇涛*,ZHANGMingjun2,王红成1,李秀平1

*

(1.东莞理工学院电子工程学院,广东东莞523808;2.法国国立工艺学院电子自动化与系统学院,法国巴黎75003)

摘摇要:针对射频识别标签天线小型化、抗金属环境的实际需求,提出了一种可应用于金属环境的超

高频射频识别标签天线。通过在矩形贴片上开槽来实现小型化,天线总尺寸为56mm伊50mm伊1.6mm。通过改变槽的尺寸调节标签天线的输入阻抗,结合等效电路图分析抗金属标签天线的设计过程,从而方便地实现与标签芯片的共轭匹配。实验结果表明,实测和仿真结果比较吻合,标签阻抗匹配良好,实测最大读取距离达3.1m。与其他标签天线相比,该天线具有结构简单、成本低、易于实现和读取距离远等优势。

关键词:射频识别;抗金属标签天线;超高频;共轭匹配

中图图书分类号:TN823摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1001-893X(2016)01-0071-05

DesignofaMiniaturizedUHFRFIDAnti-metalTagAntenna

(1.CollegeofElectronicEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan523808,China;2.Led佴partement

ElectroniqueAutomatiqueetSyst侉mes,ConservatoireNationaldesArtsetM佴tiers,Pairs75003,France)

HANTao1,ZHANGMingjun2,WANGHongcheng1,LIXiuping1

Abstract:Accordingtotheactualdemandofminiaturizationanti-metalenvironmentfortheradiofrequencyi鄄dentification(RFID)tagantenna,anultrahighfrequency(UHF)RFIDtagantennaformetallicobjectsispres鄄ented.Byetchingslotsontherectangularpatch,theproposedantennaisminiaturizedtoatotalsizeof56mm伊50mm伊1.6mm.Theinputimpedancecanbeadjustedeffectivelybychangingthesizesoftheslots,theequiva鄄lentcircuitmodelisgivenouttoexplicatehowthisantennafunctions,thentheimpedancematchbetweentheantennaandthetagchipcanbetunedconveniently.Asanexperimentaldemonstration,themeasuredcurveoftheinputimpedanceisbasicallythesameasthesimulatedandthereadingdistancereaches3.1m.Thetagan鄄tennahastheadvantagesofsimplestructure,lowcost,easyfabricationandlongreadingdistance.

Keywords:radiofrequencyidentification(RFID);anti-metaltagantenna;ultra-highfrequency;imped鄄ancematch

1摇引摇言

RFID)技术既是识别技术,也是短程通信技术,还是二次雷达、电子标签类似雷达的应答器。它通过射

射频识别(RadioFrequencyIdentification,

频信号采集和识别目标物的相关信息,以非接触识别和识别速率快等优点而被广泛应用,同时也是物联网传感层里最主要的成员。超高频(UltraHighFrequency,UHF)RFID技术由于具有识别距离远、

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61308019);广东省自然科学基金资助项目(S2013010013261)

FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61308019);TheNaturalScienceFoundationofGuangdongProvince

(S2013010013261)

**通信作者:hant@dgut.edu.cn摇摇Correspondingauthor:hant@dgut.edu.cn

*收稿日期:2015-09-29;修回日期:2015-12-30摇摇Receiveddate:2015-09-29;Reviseddate:2015-12-30

·71·

www.teleonline.cn电讯技术摇摇摇摇2016年

标签成本低等优点,因而特别适合应用于物流和供应链管理。

面材质、应用环境等各不相同[1]。当RFID电子标签被贴于具有金属表面的对象(如汽车车牌、油井钻头)时,标签天线的方向特性、阻抗特性以及谐振频率都会发生改变[2],从而导致标签天线增益的迅对于普通超高频标签,入射电磁波遇到金属面后发生反射,且反射波与入射波之间存在180毅的相速衰减[3]。

物联网的管理对象包罗万象,其形状、大小、表

在贴片的上方相距S5处分别开了U型槽,两个U型槽在其中心上通过一个长为S5、宽为S6的馈电槽相连,馈电点(标签芯片)位于该馈电槽的中心位置(矩形贴片的中心)。通过这种配置,可以增加标签天线的电流路径长度,从而有效地减少抗金属标签天线的尺寸。本文通过调节U型槽的宽度S1和槽长XL来调节天线的阻抗,最终标签天线的阻抗和芯片的阻抗共轭相近,就认为标签天线和芯片匹配。抗金属标签天线的等效电路图如图1(b)所示。抗金属标签天线结构是在矩形辐射贴片的基础上进行位差,会严重衰减电磁波的强度,标签的识别距离会大大降低,标签天线增益会随天线与金属接地板之间距0.05姿离的增加而改善[4]。当两者的距离介于;当两者的距离介于0~0.1姿0时,标签天线增益可恢复到可接受程度0.1姿0~0.25姿0时,标签天线增益增势变缓RFID,基本趋于稳定[4]。决定超高频增益、系统读取距离的关键因素主要有标签天线的标签天线与芯片之间的阻抗匹配、标签芯片整流电路的效率以及标签芯片的功耗[5]签天线按照类型分,有微带天线、类偶极子天线。抗金属标、高阻抗表面天线等[6]容性耦合馈电和感性耦合馈电等;按照馈电方式分[7],有直接馈电、分,有线极化(双极化)、圆极化等[8];按照极化方式分,有驻波天线和行波天线;按照单元数分;按照工作原理,有单天线和阵列天线[9]各异,而抗金属标签天线的设计目的是在金属表面。各种类型天线的特性不同,利弊具有较为稳定的输入阻抗、较宽的带宽和较高增益的天线结构。

2摇天线结构设计

在超高频RFID抗金属标签天线的设计中主要通过使用高介电常数的基板(如AMC地板)或者利用地板的反射特性设计天线(如PIFA)来抑制(或利用)金属地板的影响[10-11]天线的增益,本文所提出的标签天线有效地利用了。为了增加抗金属标签金属地板的反射特性,但本文移除了PIFA天线中的短路通孔,因此降低了标签天线制造的复杂性。与此同时,本文采用厚度h为1.6mm、相对介电常数着r为4.4、损耗角正切tan滓为0.01的FR4材料作为天线的基板。通过这种设置,可以在天线成本、尺寸及性能上找到一个较好的折衷。

所设计的抗金属标签天线如图1(a)所示,天线总尺寸FR4(L伊W伊h)为56mm伊50mm伊1.6mm。在·72基板覆盖一个与基板尺寸相同的矩形铜贴片·

,

开缝操作,通过在贴片上开槽,切断了原先的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感L输入阻抗呈现较大的感性电抗,可与阻抗呈现较大slot,使得天线容性感抗的标签芯片C且通过改变槽的尺寸,可以方便地调节天线的输入tag达到良好的共轭匹配。而阻抗Z行匹配in。,从而有利于天线跟阻抗不同的标签芯片进

馈电点选择在贴片天线中心,在天线中心对称地方进行馈电,可以确保天线方向图的对称性以及全向性,这样当辐射片处在金属板表面的时候也可以保持方向图的良好辐射。

(a)抗金属标签天线的结构

(b)等效电路图Fig.图1摇1Geometry抗金属天线结构图和等效电路图andequivalentoftheanti-metalcircuitdiagram

tagantenna

第56卷韩涛,ZHANGMingjun,王红成,等:一种小型UHFRFID抗金属标签天线的设计第1期

3摇天线仿真分析

13.0仿真平台上对所提供的天线进行模型建立和500mm伊500mm的有限地板上以模拟金属环境对仿真优化。将所提出的天线直接放置在一个尺寸为

(a)输入阻抗实部

为了验证设计的正确性,首先在AnsoftHFSS

标签天线的影响。标签芯片采用Alien公司的Higgs3芯片,其典型接收灵敏度为-20dBm,在了矩形贴片上U型槽S1对标签天线输入阻抗的影922.5MHz处的输入阻抗为24-j207赘。图2给出响,可以看出,随着U型槽S实部和虚部都在增加。

1的增加,标签天线阻抗

(a)输入阻抗实部

(b)输入阻抗虚部

(c)反射系数S11

Fig.2图Impact2摇Sof1对天线阻抗的影响

S1onantennaimpedance

图3给出了矩形贴片上U型槽XL对标签天线输入阻抗的影响,可以看到,所提出标签天线输入阻抗的实部和虚部随着XL的增加而增大。也就是说,随着贴片上槽宽和槽长的增加,天线的谐振频率会向低频方向移动4。特别地,当矩形上的U型槽S1=频率处谐振mm及槽长,此时标签天线的XL=13mm时,S标签天线在922.5MHz

着标签天线与芯片在此频点上能够达到良好的共轭11小于-15dB,这意味匹配。在这种情况下,抗金属标签天线的3dB带宽达到23MHz(913~936MHz),能有效覆盖中国超高频规定的920~925MHz这一频率范围。

(b)输入阻抗虚部

(c)反射系数S11

Fig.3图Impact3摇XLof对天线阻抗的影响

XLonantennaimpedance

标签的阅读距离是系统最重要的评估指标之一,根据自由空间中电波的传播损耗,阅读距离的评估公式[12]可表示为

rmax=

4仔姿0PEIRPPGreal

籽。

式中:Pchip

(1)

为标签芯片的最小启动功率EIRP为阅读器天线的等效全向发射功率;P(阅读灵敏度);籽为标chip

签天线与阅读器天线之间的极化匹配系数;而G则为标签天线的实际增益,可表示为Greal

Greal=Gtag子,其中的功率传输系数tag为标签天线的增益,子为标签天线与芯片之间,可写为

子=4RantRchip

。(2)也就是说,当极化匹配和阻抗匹配都满足时(Rant+Rchip)2+(Xant+Xchip)2

,标签芯片所接收到功率达到最大。由于识别效率的要求,一般会采用圆极化的阅读器天线,这样在标签天线与阅读器天线之间存在一个3dB的极化损耗。

3.图4给出了所设计标签天线签天线与芯片达到良好的共轭匹配状态3W等效功率下的增益。在922.5在MHz阅读器发送,频率处标签天线,标的仿真增益达到其最大值-3dBi。与此同时,利用阅读距离评估公式3.45m。图5给出了天线在(1)计算得到的最大阅读距离为922.5MHz的2D·7方向

3·

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图,可以看出,在E平面,天线接近全向,而在H平面,天线具有一定的方向性,但其波瓣依然比较宽,这有助于标签在大的空间角内被迅速识别。

Fig.4图Gain4摇抗金属标签天线的增益oftheanti-metaltagantenna

Fig.52D图5摇radiation天线的pattern2D方向图

oftheantenna

4摇天线测试结果

根据上述优化设计的天线尺寸,在FR4环氧树脂基板上实际制作了RFID标签天线及相应的测试夹具,如图6所示。阻抗测试采用文献[2]提出的基于S参数的双端口矢量分析仪测量方法。使用矢量网络分析仪(AgilentE5071C)在暗室中对实际制作的天线进行了测试,在测试过程中把天线紧挨金属表面,用安捷伦网络分析仪进行测试,仿真和测试结果如922.图7所示,可见,两者吻合良好。天线在赘j207和529MHz+j210的仿真和测试输入阻抗分别为赘,AlienHiggs3芯片的阻抗为18+j19624-Higgs3赘,共轭阻抗为24+j207赘,这表明天线与Alien果都实现了良好的共轭阻抗匹配芯片工作在922.5MHz时的仿真和测试结。

Fig.·674Photograph图6摇·

of加工天线和测试用夹具照片

thefabricatedantennaandfixtureprototype

(a)阻抗实部

(b)阻抗虚部

Fig.7Measured图7摇and天线阻抗测试值与仿真值

simulatedimpedanceoftheantenna

图8给出了该电子标签天线在微波暗室的最佳

读取距离。测试设备采用跳频工作方式,使用增益为8dBi的圆极化天线作为收发共用天线,测试设备输出功率设为27dBm,即辐射功率为35dBm(约为3.3WEIRP)。按照公式(1)计算的最大读取距3.离为3.45m,在暗室里测试到的最佳读取距离达到

用两条同轴馈线拼接而成1m。主要原因在于测试时使用的测试夹具是利赘,同轴馈线的阻值为50产生较大的损耗,而设计的天线不是基于。还有就是测试环境和阅读器的因50赘的匹配设计,因此素导致实际测试的读取距离和理论最大读取距离存在一定偏差,从而实际测试的读取距离和理论最大读取距离存在一定偏差。但是,该结果足以满足现有对超高频标签天线的技术要求。因此,与一般的抗金属标签天线相比[13]天线在增益、成本及尺寸上具有一定的优势,本文所提出的抗金属标签。

Fig.图88摇Measured天线读取范围的仿真值与实测值andsimulatedreadingranges

5摇结摇论

本文提出了一款小型的超高频射频识别抗金属

第56卷韩涛,ZHANGMingjun,王红成,等:一种小型UHFRFID抗金属标签天线的设计第1期

标签天线。所设计的天线在矩形贴片开了两个U型槽以实现小型化,改变槽的尺寸调节可以方便控制标签天线的输入阻抗,从而方便地实现与标签芯片的共轭匹配。该天线在922.5MHz处获得其最大增益,实测阅读距离达到3.1m,与其他UHF无源抗金属RFID标签相比该标签尺寸更小,仅为56mm伊50mm伊1.6mm。本文设计的标签天线结构简单,适合应用于对阅读距离、标签成本要求较高的金属场合。forUHFbandRFIDtagsmountableonmetallicobjects

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61作者简介:

韩摇涛(1981—),男,湖北武汉人,2011年于中山大学获博士学位,现为讲师,主要研究方向为物联网通信ince,inHANTaowasborn、天线理论与设计in;

fromnowaSun1981.lecturer.Yat-HeSenreceivedWuhan,HubeiHisresearchUniversitytheconcernsinPh.2011.D.degreeProv鄄

InternetHeis

Thingsof

Email:hant@communication,antennadgut.edu.cn

theoryanddesign.

要研究方向为无线传感器网络ZHANGMingjun(1975—),;

男,法国人,博士,副教授,主ancernsassociateZHANGwirelessprofessorMingjunsensornetwork.

withwasthebornPh.inD.France,indegree.1975.HisresearchHeiscon鄄nowEmail:ming-jun.王红成(1981—),zhang@男,湖南衡阳人cnam.fr

,博士,副教授,主要研究方向为光通信inWANGHongcheng;

wasborninHengyang,HunanProvince,gree.1981.Email:wanghc@HisHeresearchisnowconcernsanassociatedgut.edu.opticalprofessorcommunication.

withthePh.D.de鄄李秀平(1963—),男,贵州镇远人cn

,博士,教授,主要研究方向为无线传感器网络1963.LI。

searchHeXiupingconcernsisnowwaswirelessaprofessorborninZhenyuan,GuizhouProvince,inEmail:lixp@dgut.edu.sensorwithcn

network.

thePh.D.degree.Hisre鄄·75·