一種柔性抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

景裕文,崔英花

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,北京 100101)

常見的商業(yè)用射頻識別(RFID)標(biāo)簽分為硬質(zhì)標(biāo)簽及柔性標(biāo)簽兩種。硬質(zhì)標(biāo)簽通常采用傳統(tǒng)的PCB加工工藝,該類工藝技術(shù)成熟、采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、加工精度較高且擁有良好的力學(xué)性能和電氣性能[1]。在許多新的應(yīng)用場合,標(biāo)簽要貼在非平坦表面物體上,如煤氣罐和滅火器等圓柱體表面、紙箱和書本的邊緣等,此時(shí)硬質(zhì)平面結(jié)構(gòu)標(biāo)簽不易與被貼標(biāo)簽物體低剖面共形,同時(shí)貼不牢固、容易折壞,最重要的是標(biāo)簽天線性能會發(fā)生變化[2]。柔性天線的基底采用的是價(jià)格低廉且易得的紙張、塑料薄膜和織物等,所以它具有可彎曲、易共形、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)[3]。

文獻(xiàn)[4]研究一種柔性標(biāo)簽發(fā)生圓弧形彎曲和垂直折疊形變時(shí)天線性能的變化及對RFID系統(tǒng)讀取距離的影響,研究表明標(biāo)簽天線隨著彎曲形變的加大,天線的增益和輻射效率明顯惡化,對讀取距離的影響也較大。文獻(xiàn)[5]提出一種小型柔性抗金屬標(biāo)簽天線,利用陶瓷粉末(BaTiO3)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制成的介質(zhì)基板具有柔性和高介電常數(shù)的特性,天線結(jié)構(gòu)為變形的單層T型偶極子,結(jié)構(gòu)相對簡單,但是天線性能對彎曲變化較敏感。文獻(xiàn)[6]提出一種可手戴RFID標(biāo)簽天線,天線采用雙層結(jié)構(gòu),整體厚度為4.5 mm,天線彎曲后在工作頻率處發(fā)生頻率偏移,彎曲后最大讀取距離為1.5 m。文獻(xiàn)[7-8]采用導(dǎo)電織物材料來設(shè)計(jì)柔性可穿戴標(biāo)簽天線,構(gòu)造類似短路貼片結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線,以增大頻帶寬度,但是天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增益較低,讀取距離較小。文獻(xiàn)[9]介紹了一種新的RFID生產(chǎn)方式,采用Walki-4E技術(shù)通過激光切割鋁箔層來設(shè)計(jì)天線圖案,為柔性電路板的設(shè)計(jì)提供便利。

本文通過對上述文獻(xiàn)的分析與總結(jié),提出一種新穎的單層共形天線設(shè)計(jì),具有抗金屬性、對所貼附物體表面的彎曲性不敏感、識讀距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。采用PET(滌綸)作為天線基材,可滿足柔性基材的要求,其在高溫高頻下,電性能較高,耐疲勞性、耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性都很好。通過在基材正反面鍍銅,并利用Walki-4E技術(shù)進(jìn)行激光切割來設(shè)計(jì)天線圖案,標(biāo)簽具有單層結(jié)構(gòu),制作簡單。并對天線彎曲性能進(jìn)行理論分析,設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu),通過軟件仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 天線結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示為平面結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線,天線主要由三部分組成,底板、介質(zhì)基板和輻射貼片。輻射貼片可以分成兩部分,第一部分挖掉一矩形槽,第二部分將矩形槽中間再插入一個(gè)比矩形槽小的金屬貼片,最后構(gòu)成一個(gè)環(huán)形槽孔。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna structure diagram

當(dāng)天線彎曲時(shí)微帶線對地的電場有切線方向的向量,可等效為天線串聯(lián)一個(gè)電容從而導(dǎo)致頻率往高頻偏移。為了減小這種影響,首先可以減少天線金屬覆蓋面積,即通過挖掉一個(gè)矩形槽來減少串聯(lián)電容的值,但是這種做法同時(shí)增加了天線表面電流的流徑,即增加了電感,為了削弱這種影響,在矩形槽的中間插入金屬貼片,通過上下兩端耦合此金屬貼片產(chǎn)生反向電流減少貼片天線的電感,造成升頻的作用。

因此在天線彎曲的時(shí)候,會因?yàn)榇?lián)電容導(dǎo)致頻率升高,但因?yàn)橥诘艟匦尾鄱鴾p緩了諧振頻率往高頻偏移的現(xiàn)象,再進(jìn)一步利用中間金屬貼片產(chǎn)生的作用,使得天線諧振頻率偏移很小。

2 天線參數(shù)分析

在該設(shè)計(jì)中,選用Alien Higgs-3作為參考標(biāo)簽芯片,工作頻率在915 MHz時(shí)的復(fù)數(shù)阻抗Zchip=31-j212 Ω。為了與該容性阻抗進(jìn)行共軛匹配,天線采用電感耦合饋電結(jié)構(gòu),電感耦合匹配使用環(huán)形共振腔形成饋入結(jié)構(gòu)提供高電感阻抗,再耦合至輻射體。環(huán)形的大小可以調(diào)整電抗,環(huán)形與輻射體間的耦合強(qiáng)度可以調(diào)整電阻,此方法在匹配設(shè)計(jì)上較為容易。

在饋電環(huán)饋電處的輸入阻抗用式1來表示[10]:

式中:Zloop、M和Zrb分別是饋電環(huán)輸入阻抗、饋電環(huán)和輻射體之間的互感和輻射體的輸入阻抗。基于式1,天線輸入阻抗的電阻Rin和電抗Xin可以表示為式(2),式(3):

式中:f0為天線的工作頻率。通過式(2)可知,天線輸入電阻由饋電環(huán)和輻射體之間的互感決定,可以通過調(diào)節(jié)饋電環(huán)尺寸和饋電環(huán)與輻射體的距離來調(diào)節(jié)其大小。對于天線輸入電抗,主要受到饋電環(huán)尺寸的影響,如式(4)所示:

與過去相似，郭樹清的每一次職務(wù)變遷都引來了外界的極大關(guān)注，這與他三十多年來，在改革重大事項(xiàng)上的深度關(guān)注與切實(shí)實(shí)踐是分不開的。作為一名堅(jiān)定的改革者，郭樹清所到之處，無一例外，都掀起了改革的浪潮。

式中:LL為饋電環(huán)長度;WL為饋電環(huán)寬度;s為饋電環(huán)線寬。

對于矩形輻射貼片,考慮到邊緣短效應(yīng)后,實(shí)際上的輻射單元長度L如式(5)所示:

式中:c為自由空間波長,值為3.0×108m/s;εeff為有效介電常數(shù);△L為等效輻射縫隙長度;可以分別用式6,式(7)表示:

式中:εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù);h為介質(zhì)厚度;W為矩形貼片的寬度。

采用電感耦合饋電使天線工作頻率在915 MHz時(shí)與芯片阻抗共軛匹配,此時(shí)基材的εr=3.9,介質(zhì)損耗角正切 tanδ=0.003。 介質(zhì)厚度h為 1.5 mm,滿足天線低輪廓要求。輻射貼片的寬度W為10 mm,可滿足天線尺寸的小型化。相應(yīng)的天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1 天線參數(shù)Tab.1 The antenna parameters mm

3 仿真結(jié)果及分析

在RFID測試系統(tǒng)中,天線回波損耗(S11)的定義如式(8)所示:

式中:Zchip為芯片阻抗;Z?ant為天線輸入阻抗的共軛。天線在平面結(jié)構(gòu)時(shí)的仿真結(jié)果如圖2所示。通過圖2(a)、(b)可以觀察到,天線在工作頻率915 MHz時(shí)的回波損耗為-38.7 dB,此時(shí)的天線的輸入阻抗為28+j212 Ω,與芯片阻抗Zchip=31-j212 Ω匹配良好。圖2(c)為天線在垂直于天線平面方向的方向圖,天線在E面具有全向性的特點(diǎn),可以觀察到天線的最大增益為-11 dB。

圖2 平面結(jié)構(gòu)天線性能仿真圖Fig.2 Simulation diagrams of plane structure antenna performance

圖3 天線彎曲模型Fig.3 Antenna bending model

功率反射系數(shù)表示為標(biāo)簽天線的反射波功率(Prfl)與入射波功率(Ptag)的比值[11-12],如式(9)所示:

功率傳輸系數(shù)(τ)表示入射波功率傳輸?shù)綐?biāo)簽芯片的大小,如式(10)所示:

為了衡量標(biāo)簽的讀取性能,方便記錄標(biāo)簽在不同彎曲角度下的行為方式,可以通過定義最大讀取距離d來進(jìn)行比較,單位為 m,如式(11)所示[5]:

式中:PEIRP為閱讀器發(fā)射端等效各向同性功率,這里為3.28 W(即35 dBm);Pir為標(biāo)簽芯片靈敏度,這里值為-18 dBm;Gr為標(biāo)簽天線的仿真增益。隨著標(biāo)簽彎曲角度的不同,分別根據(jù)式(8),式(10),式(11)來表示天線回波損耗,其圖以及功率傳輸系數(shù)和最大讀取距離隨頻率的變化圖相應(yīng)的圖形為圖4～6。

圖4 不同彎曲表面天線回波損耗圖Fig.4 Return loss diagram of different curved surface antennas

圖5 不同彎曲表面天線功率傳輸系數(shù)圖Fig.5 Power transmission coefficient diagram of different curved surface antennas

圖6 不同彎曲表面天線最大讀取距離仿真圖Fig.6 Maximum read distance simulation diagram of different curved surface antennas

由以上三圖可以觀察到標(biāo)簽貼附于平面結(jié)構(gòu)物體時(shí)的性能要好于彎曲物體,如圖4所示,在工作頻率915 MHz頻率附近,標(biāo)簽彎曲角度的不同對諧振頻率的影響較小,滿足設(shè)計(jì)要求。如圖5所示,在工作頻率915 MHz頻率處的傳輸功率都大于0.5,且平面結(jié)構(gòu)時(shí)功率傳輸系數(shù)接近于1,表明天線性能較好。如圖6所示,使用MATLAB對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以觀察到在915 MHz頻率附近標(biāo)簽的最大讀取距離要大于2.5 m。

4 結(jié)論

提出一種柔性抗金屬標(biāo)簽天線,工作頻率為915 MHz,天線整體尺寸為:90 mm×24 mm×1.5 mm, 滿足普通標(biāo)簽尺寸要求。標(biāo)簽具有單層結(jié)構(gòu),對所貼附物體的彎曲性不敏感,在不同彎曲角度下的讀取距離都大于2.5 m。尤其正常的平面結(jié)構(gòu)狀態(tài)下標(biāo)簽功率傳輸系數(shù)為0.99,讀取距離大于3.5 m。所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線滿足實(shí)際需求。