聲表面波射頻識別的閱讀器微帶天線小型化

付 俊， 陳智軍， 陳 濤， 韓 超， 彭福強

(南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 211106)

聲表面波射頻識別的閱讀器微帶天線小型化

付 俊， 陳智軍， 陳 濤， 韓 超， 彭福強

(南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 211106)

為實現(xiàn)工作頻率433 MHz的聲表面波射頻識別系統(tǒng)閱讀器手持功能， 基于微帶天線理論， 采用曲流技術這一天線小型化方法， 設計了一種用作閱讀器天線的底面開槽微帶天線. 參照系統(tǒng)要求， 通過計算、 分析和對比， 選取了微帶天線的初始尺寸； 利用電磁仿真軟件HFSS對天線進行了建模仿真與參數(shù)優(yōu)化， 確定了天線各參數(shù)最終值； 手工制作天線并用網絡分析儀對天線進行了測試， 天線實際性能與仿真基本一致； 結合聲表面波射頻識別系統(tǒng)對天線進行了測試， 驗證了該天線的實用性.

微帶天線； 曲流技術； 聲表面波射頻識別； HFSS軟件

0 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術是近年來在自動識別領域出現(xiàn)的若干革命性技術之一， 與廣泛采用的條形碼等自動識別技術相比， 具有讀取距離遠、 穿透力強、 抗污染、 效率高及信息量大等特點[1]. 射頻識別系統(tǒng)通常由標簽與閱讀器組成， 通過天線實現(xiàn)兩者之間信號與能量的傳輸[2]. 無論標簽還是閱讀器都需要天線， 天線是射頻識別系統(tǒng)不可或缺的部分.

與基于IC技術的射頻識別系統(tǒng)相比， 基于聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)技術的射頻識別系統(tǒng)具有無源、 識別距離遠、 集射頻識別與無線傳感一體化、 能用于金屬和液相環(huán)境等優(yōu)點而成為研究熱點[3]. 采用聲表面波技術， 主要是通過延遲線型聲表面波器件的延遲時間變化和諧振器型聲表面波器件的諧振頻率變化來實現(xiàn)射頻識別和無線傳感功能[4]. 以液相環(huán)境為例， 生物醫(yī)學、 環(huán)境保護、 食品安全等領域的射頻識別和無線傳感通常都處于液相環(huán)境下， 如生物醫(yī)學中的血液檢測、 環(huán)境保護中的水樣檢測等[5]. 上述液相環(huán)境中的應用通常對識別距離沒有太高要求， 但希望實現(xiàn)閱讀器的手持功能， 較為理想的是天線與閱讀器一體化的結構.

射頻識別常用的UHF頻段有433 MHz， 920 MHz， 2.4 GHz 3種， 由于電磁波在液相環(huán)境下衰減較大且衰減隨頻率增大而增大， 為保證信號強度， 液相環(huán)境下的射頻識別系統(tǒng)通常采用433 MHz頻段. 微帶天線具有體積小、 成本低、 可共形等優(yōu)點， 但中心頻率在433 MHz的微帶天線面積較大， 為實現(xiàn)閱讀器的手持功能， 需要對天線進行小型化設計.

1 天線小型化方法

曲流技術[6-8]是一種常用的天線小型化方法， 它是通過改變天線的有效長度來達到小型化的目的. 微帶天線的曲流技術分輻射貼片表面開槽與底面開槽兩種方式[7,8].

圖 1 貼片表面開槽Fig.1 Slotat patch

另一種方法是在天線底面開槽. 微帶天線底面開槽前后， 底面與輻射貼片電流分布如圖 2 所示. 觀察圖 2 開槽前后底面和輻射貼片的電流路徑， 輻射貼片形狀雖然不變， 但底面和輻射貼片上的電流路徑都發(fā)生了彎曲， 增大了天線的有效長度， 減小了天線尺寸. 同時， 天線底面開槽還可以增大天線的帶寬[8].

圖 2 微帶天線底面開槽前后底面與輻射貼片電流分布Fig.2 Current distributioning round and patch before and after slotting at ground

2 微帶天線參數(shù)設計

2.1 天線基本尺寸計算

采用手持式閱讀器的433 MHz聲表面波射頻識別系統(tǒng)， 要求閱讀器天線中心頻率433 MHz， 帶寬不小于10 MHz， 識別距離不小于30 cm， 尺寸不大于200 mm×200 mm.

微帶天線介質基板采用聚四氟乙烯， 厚度h=3.4 mm， 介電常數(shù)εr=2， 損耗正切tanδ=0.000 5. 無小型化即微帶天線不開槽情況下結構如圖 3 所示. 圖 3 中，W0,W分別為貼片和接地板的寬，L0,L分別為貼片和接地板的長，j為貼片邊與接地板邊間距.

圖 3 未開槽微帶天線結構示意圖Fig.3 Unslotted microstrip antenna structure

天線的工作頻率為f=433 MHz， 則貼片的寬

式中：c為真空中光速c=3.0×108m/s.

微帶天線介質的有效介電常數(shù)

介質內的導波波長

輻射貼片的長

使用SPSS 22.0對采集的數(shù)據(jù)實施分析，計數(shù)資料以率(%)的形式表示，采用χ2檢驗，計量資料以的形式表示，采用t檢驗，采用Logistic進行回歸分析，將病理檢測CIN陽性記為隨訪終點，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

貼片與接地板邊距

接地板的長、 寬分別為

通過計算結果表明， 在未開槽情況下的微帶天線尺寸為345.4 mm×381.5 mm， 大于設計要求的200 mm×200 mm， 因此需要對微帶天線進行小型化設計[9].

圖 4 底面開槽微帶天線示意圖Fig.4 Structure diagram of slotted ground microstrip antenna

2.2 天線小型化結構

為了不影響天線的帶寬與增益， 本文采用天線底面開槽的小型化方法， 結構如圖 4 所示. 與圖3相比， 在微帶天線底面接地板對稱軸兩邊， 分別開兩個相互對稱的槽來實現(xiàn)天線小型化. 原點O為天線中心，lf表示同軸饋電的饋電點與原點O的距離， 其中整個結構是左右對稱的， 原點O與饋電點都在對稱軸上.g表示底面開槽下邊沿與原點O的距離，k為槽寬， 2d為左右兩槽之間的間距.

因為增大天線輻射面積能夠提高天線的增益[10]， 為保證識別距離不小于30 cm， 尺寸不大于200 mm×200 mm， 選取天線尺寸為176 mm×194 mm， 輻射貼片為110 mm×128 mm.

3 微帶天線仿真與參數(shù)優(yōu)化

本文通過電磁仿真軟件HFSS對天線進行建模仿真與參數(shù)優(yōu)化， 首先設置微帶天線結構尺寸初始值如表 1 所示.

表 1 微帶天線結構初始尺寸

利用HFSS軟件建立的天線模型如圖 5 所示.

圖 5 HFSS天線模型Fig.5 HFSS antenna model

將輻射貼片與底面設置為理想導體邊界. 天線求解頻率設為433 MHz， 掃頻范圍為300 MHz～600 MHz， 使用插值掃描. 根據(jù)表1中天線的結構尺寸， 對天線進行仿真， 得到天線的回波損耗S11參數(shù)和增益如圖 6 所示. 由圖 6 可知， 天線增益最大能達到1.47 dB， 但在中心頻率416 MHz處回波損耗S11參數(shù)最小為-11.4 dB，不符合中心頻率433 MHz設計要求，需要對天線的中心頻率和回波損耗進行優(yōu)化.

圖 6 天線回波損耗S11與增益Fig.6 Antenna return loss S11 and gain

對輻射貼片寬W0、 長L0、 與底面邊間距j， 左右槽間距d， 槽與原點距離g， 饋電點與原點距離lf， 槽寬k進行掃描分析， 分別如圖 7 中的(a)， (b)， (c)， (d)， (e)， (f)， (g)所示.

設置輻射貼片寬W0掃描范圍為104～128 mm， 步長為4 mm， 設置輻射貼片長L0掃描范圍為86～110 mm， 步長為4 mm， 由圖7(a)， 圖7(b)可知兩者會影響天線的中心頻率， 但對S11參數(shù)的影響不大； 設置輻射貼片與底面邊間距j掃描范圍為40～86 mm， 步長為4 mm， 設置左右槽間距d掃描范圍為1～9 mm， 步長為2 mm， 由圖7(c)， 圖7(d)可知這兩個參數(shù)對天線的中心頻率和回波損耗的影響非常大； 設置槽與原點間距g掃描范圍為-5～10 mm， 步長為3 mm， 由圖7(e)可知g對天線性能幾乎沒有影響； 設置饋電點與原點距離lf掃描范圍為10～38 mm， 步長為4 mm， 由圖7(f)可知饋電點位置會影響天線的回波損耗， 對天線中心頻率影響不大； 設置槽寬k掃描范圍為1～9 mm， 步長為2 mm， 由圖7(g)可知槽寬會對天線的中心頻率和S11參數(shù)有一定影響.

圖 7 天線參數(shù)掃描Fig.7 Antenna parameters sweep

綜合考慮各參數(shù)對天線性能的影響， 對天線各結構參數(shù)進行調整， 得到各參數(shù)的尺寸最終值如表 2 所示.

采用表 2 尺寸進行仿真得到的天線性能參數(shù)如圖 8 所示. 天線在中心頻率433 MHz處回波損耗為-38.5 dB， 帶寬為19 MHz， 輸入阻抗為49.081 2+j0.731 7 Ω(接近50 Ω)， 駐波比(VSWR)為1.024 0(接近1)， 增益為1.256 dB. 數(shù)據(jù)表明， 天線中心頻率和帶寬符合設計要求， 阻抗匹配得很好.

表 2 天線尺寸最終值

圖 8 天線仿真結果Fig.8 Antenna simulation results

4 天線性能測試

4.1 天線參數(shù)測試

根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)， 利用聚四氟乙烯板、 銅箔膠帶、 射頻頭等材料制作出的底面開槽微帶天線如圖 9 所示.

使用矢量網絡分析儀對制作好的微帶天線的性能進行測試. 設置矢量網絡分析儀的中心頻率為433 MHz， 掃頻寬度為100 MHz， 測試得到的S11參數(shù)曲線， Smith圓圖如圖 10 所示.

天線的中心頻率為434 MHz， 與仿真結果基本一致. 天線中心頻率處的回波損耗為-24 dB， 阻抗為(49.4+j5.657) Ω， 接近同軸線的50 Ω阻抗， 說明天線阻抗匹配很好. 天線的帶寬為27 MHz， 較仿真結果略優(yōu). 從以上測試結果可以看出， 制作出的底面開槽微帶天線與仿真結果參數(shù)基本一致， 滿足閱讀器手持式聲表面波射頻識別系統(tǒng)對中心頻率與帶寬的要求.

圖 9 實際制作的微帶天線實物圖Fig.9 Hand made microstrip antenna

圖 10 網絡分析儀測試結果Fig.10 Test results using network analyzer

4.2 系統(tǒng)測試

將微帶天線連接到聲表面波射頻識別系統(tǒng)的閱讀器上， 測試天線能否正常工作， 識別距離是否符合要求， 如圖 11 所示. 該射頻識別系統(tǒng)包括3個諧振器型聲表面波傳感器， 直接使用網絡分析儀測得傳感器1， 2， 3的諧振頻率分別為432.114 MHz， 436.065 MHz， 430.183 MHz. 圖11(a)中傳感器距離閱讀器微帶天線40 cm， 采用頻分多址技術， 閱讀器通過功率檢波[11]測得傳感器1， 2， 3的諧振頻率， 對應圖11(b) 顯示界面中的頻率1、 頻率2、 頻率3， 分別為432.115 MHz， 436.063 MHz， 430.182 MHz. 測量誤差在±0.002 MHz以內， 表明在40 cm的識別距離以內， 閱讀器微帶天線都能實現(xiàn)準確測量， 滿足設計要求.

圖 11 聲表面波射頻識別系統(tǒng)Fig.11 SAWRFID system

5 結束語

通過HFSS電磁仿真軟件設計了一種用于聲表面波射頻識別系統(tǒng)的手持式閱讀器微帶天線. 該天線采用曲流技術， 通過在天線底面開槽來實現(xiàn)天線的小型化. 根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)， 利用現(xiàn)有材料制作了天線， 經測試天線性能與仿真結果基本一致. 將天線連接到聲表面波射頻識別系統(tǒng)的閱讀器上， 通過系統(tǒng)測試驗證了天線的實用性.

[1] 李慶亮. 聲表面波射頻辨識標簽與系統(tǒng)研究[D]. 上海： 上海交通大學， 2008.

[2] Plessky V P， Reindl L M. Review on SAW RFID tags[J]. IEEE Trasactions onUltrasonics， Ferroelectrics， and Frequency Control ， 2010， 57(3)： 654-668.

[3] Herrmann F， Jakoby B， Rabe J， et al. Microacousticsensorsforliquidmonitoring[J]. SensorsUpdate， 2001， 9(1)： 105-160.

[4] 夏前亮. 聲表面波傳感器測試電路研究[D]. 南京： 南京航空航天大學， 2013.

[5] Kondoh J， Takahashi K， Matsui Y， et al. Evaluation of natural spring water using auto matic liquid measurement system with SH-SAW sensor[J]. In Proceeding of IEEE Sensors， Piscataway， NJ， USA， 2003， 2(2)： 952-955.

[6] Wong K L， Tang C L, Chen H T. A compact meandered circular microstrip antenna with a shorting pin. Microw[J]. Opt. Technol. Lett., 1997， 15(3)： 147-149.

[7] 張欽欣. 微帶天線的小型化技術研究[D]. 西安： 西安電子科技大學， 2012.

[8] 楊泓霖. 433M小型微帶天線的研究[D]. 南京： 南京郵電大學， 2012.

[9] 王昕辰， 陳智軍， 付俊， 等. 聲表面波射頻識別系統(tǒng)的閱讀器微帶天線設計[J]. 壓電與聲光， 2016， 38(4)： 615-619，624. Wang Xinchen， Chen Zhijun, Fu Jun， et al. The design of reader microstrip antenna for SAW RFID system[J]. Piezoelectrics&Acoustooptics， 2016， 38(4)： 615-619， 624. (in Chinese)

[10] 朱輝， 劉經銀. 基于微帶陣列的天線設計與仿真[J]. 計算機仿真， 2011， 28(5)： 148-150， 262. Zhu Hui， Liu Jing Yin. Design and simulation of antenna based on microstrip array[J]. Computer Simulation， 2011， 28(5)： 148-150， 262. (in Chinese)

[11] 鐘悅蕓， 陳智軍， 孫聰， 等. 基于功率檢波技術的聲表面波標簽識別方法[J]. 壓電與聲光， 2016， 38(1)： 55-59， 68. Zhong Yueyun， Chen Zhijun， Sun Cong， et al. The identification methodof SAW tag based on power detection technology[J]. Piezoelectrics&Acoustooptics， 2016， 38(1)： 55-59， 68. (in Chinese)

The Miniaturization Design of Reader Microstrip Antenna for SAW RFID

FU Jun, CHEN Zhijun, CHEN Tao, HAN Chao, PENG Fuqiang

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

Aiming at the handheld reader of surface acoustic wave radio frequency identification system which works at 433MHz, a microstripantenna which is based on the theory of microstripantenna and the technology of meandering with a slotted bottom was designed. Firstly, according to the requirements of system ,the initialsize of the microstripantenna was selected by calculating, analyzing and comparing; Next, an antennamodel was setup by HFSS(High Frequency Structure Simulator) software, and the finalsize was determined after simulating and parameters optimization. After that, the handmadeantenna was tested by network analyzer, and the actual performance is consistent with the simulation. Finally, through the test of antenna with the identification, the practicability of this antenna is verified.

microstrip antenna; meandering technology; surface acoustic waveradio frequency identification; HFSS software

1671-7449(2017)01-0056-08

2016-10-22

國家自然科學基金資助項目(51475240)； 航空科學基金資助項目(2014ZD52053)； 國家自然科學基金資助項目(61301248)

付 俊(1993-)， 男， 碩士生， 主要從事聲表面波傳感與識別方向的研究.

TN820

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.010