一種基于RFID的可手戴標簽天線設計

引言

隨著射頻識別(RFID)技術的快速發(fā)展，射頻識別系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。由于分米波波段(UHF)的RFID系統(tǒng)具有高的讀取速率以及較長的讀取距離，因此近年來關于UHF波段的RFID系統(tǒng)的研究越來越多。無源的RFID標簽(Tag)通常由RFID標簽芯片和RFID標簽天線構(gòu)成。RFID標簽天線的設計對于RFID系統(tǒng)具有十分重要的作用，近來，關于RFID標簽天線的研究越來越多，尤其是對于900MHz頻段的RFID標簽天線。一些基于偶極子結(jié)構(gòu)的標簽天線已經(jīng)在許多RFID系統(tǒng)中得到成功的應用，但是在一些特殊的應用中，當標簽靠近金屬表面或者貼在金屬表面時，標簽天線的阻抗特性會受到很大的影響，導致讀取距離大大減小，甚至無法工作。這個問題受到了許多研究者的關注，在一些文章中提出了可以放置在金屬表面的RFID標簽天線，這些天線自身都帶有金屬地結(jié)構(gòu)，因此當放置在金屬表面上時仍可以良好的工作。但是，這些天線所匹配的RFID標簽芯片的阻抗的實部值都較小，一般都小于20。而現(xiàn)有的一些RFID標簽芯片的阻抗實部接近40，本文所提出的RFID標簽天線所使用的RFID標簽芯片的阻抗實部為42。

另一方面，隨著個人電子通信領域的發(fā)展，可穿戴天線也得到了越來越多的研究。在RFID領域，可穿戴的RFID標簽也有著很大的發(fā)展前景。除了當RFID標簽天線靠近金屬時會使天線特性改變外，一般的RFID標簽天線在靠近人體的情況下，也會使得阻抗特性發(fā)生很大變化，使得讀取距離大大縮短。

本文提出了一種可以帶在手腕上的RFID標簽天線，首先對所提出天線的平面結(jié)構(gòu)進行研究，然后對將天線戴在手腕上時的情況進行了仿真分析，并制作了天線實物進行了測量。

2 天線結(jié)構(gòu)

本文所設計的天線是對應一種工作在915MHz的RFID標簽芯片而設計的，該種芯片的輸入阻抗為42-j157Ω。通過調(diào)節(jié)參數(shù)，本文提出的天線很容易與具有其他輸入阻抗值得芯片相匹配。天線的平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID標簽天線平面結(jié)構(gòu)

該天線主要由三部分組成，地板，主輻射貼片以及耦合饋電貼片。其中主輻射貼片為兩個對稱的貼片，兩個貼片之間間隔為1mm，貼片的外端由短路片與地板相連。主輻射貼片與地之間采用泡沫層支撐。主輻射貼片上有一對對稱的耦合饋電貼片，相距1 mm，標簽芯片對耦合饋電片對稱饋電，耦合貼片與輻射貼片之間通過容性耦合傳遞能量。主輻射貼片與耦合貼片之間放置FR4介質(zhì)板，er=4.4。 通過調(diào)節(jié)主輻射貼片的長度L1可以調(diào)整天線的諧振頻率，而天線的輸入阻抗由參數(shù)W1，Lc調(diào)節(jié)。本文所設計的天線尺寸如表1所示。

表1 RFID標簽天線尺寸參數(shù)(單位：mm)

LL1LcW1WHH1

14211330203022.5

3 仿真與測量結(jié)果

因為當將天線戴在手腕上時，天線的形狀會發(fā)生較大的變化，所以天線設計時，除了要考慮天線處于平面結(jié)構(gòu)時的特性外，還需要進一步考慮當天線被戴在手腕上時發(fā)生形變后的特性。在仿真研究中，用如圖2所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)來模擬當天線戴在手腕上后的情況。天線在不同形狀下的回波損耗如圖3所示。

圖2 發(fā)生形變后天線的模擬結(jié)構(gòu)圖

圖3 回波損耗的仿真結(jié)果

由圖3中的仿真結(jié)果可以看出，當天線發(fā)生形變時，會對其阻抗特性產(chǎn)生影響。但可以看到，本文所提出設計的天在，當天線被彎曲成大概呈手腕形狀時，仍然可以保持較好的回波損耗特性。天線方向圖的仿真結(jié)果如圖4所示

圖4 天線方向圖仿真結(jié)果

為了驗證設計天線的工作效果，在仿真的基礎上，依照表1中所給出的尺寸制作出一個可形變的RFID天線。該天線采用了泡沫雙面膠作為輻射貼片與地板之間的支撐，使得天線可以進行彎曲，進而可以戴在手腕上進行測量。圖4為所制作的RFID天線照片。

圖5 制作的RFID天線的照片

使用CSL461讀卡器對制作的RFID標簽天線進行了實驗驗證，設定讀卡器的發(fā)射功率為30dBm，讀卡器所連接天線增益為6dBi，測量得到當天線保持平面結(jié)構(gòu)，最大的讀取距離為2.5m。當天線變形為環(huán)形結(jié)構(gòu)并且?guī)г谑滞笊鲜?，最大讀取距離為1.5m。測量結(jié)果表明，本文所提出的天線結(jié)構(gòu)可以有效地減小人體對于天線性能的影響，天線在戴在手腕上的情況下，仍然具有可以接受的讀取距離，因此可以在手戴的RFID標簽中得到應用。另外，由于本文所提出的RFID天線也具有金屬地板的結(jié)構(gòu)，因此也具有可以避免金屬表面影響的優(yōu)良特性。

4 結(jié)論

本文提出和設計了一種可以適應于手戴應用的RFID標簽天線。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當所設計的天線發(fā)生形變，呈環(huán)形時，會對它的阻抗特性產(chǎn)生一定的影響，但是仍然能夠較好的與標簽芯片的輸入阻抗匹配，即具有良好的回波損耗特性。為了驗證所設計天線的工作效果，對制作的一加有標簽芯片的天線實物進行了實際的測量。測量結(jié)果顯示，當沒有形變時天線可實現(xiàn)的最大讀取距離為2.5m。在發(fā)生形變，戴于手腕上時，最大的讀取距離可以保持在1.5m，仍然保持在可以接受的讀取范圍內(nèi)，從實際出發(fā)驗證了本文所提出的天線結(jié)構(gòu)可以有效地減小人體對于天線性能的影響，可以應用于手戴的RFID標簽。