标签天线设计范文

标签天线设计范文（精选7篇）

标签天线设计 第1篇

1 标签天线设计思想

1.1 标签天线辐射增益确定

天线增益用G来表示, 定义为:在输入功率相同的条件下, 天线在最大辐射方向上某一点的功率通量密度与相点源天线在同一点处的功率通量密度之比。一般RFID系统最大传输距离表示为[4]

标签天线发射信号, 读写器天线接收信号。对应式 (1) 中, Pth为读写器射频芯片规定的天线最小接收功率, -110 d Bm·W;Pt为标签射频电路芯片规定的天线发射功率, 可调, -20~3 d Bm·W;Gt为要设计的标签天线增益;GT为已有读写器天线增益, 3 d Bi;λ为工作波长;r为标签与读写器之间工作距离设计目标, 50 m;工作频率为433 MHz。RFID系统中读写器天线为圆极化天线, 标签天线为线极化天线, 二者会产生3 d B的极化失配损失。根据计算公式和实际场景综合考虑, 最后确定标签天线增益为-19 d B, 可满足应用需求。

1.2 标签天线阻抗匹配

标签天线面积设计目标是半径为14 mm的半圆区域。433 MHz的标签天线由于波长较长, 所以在规定的面积内采用弯折线的天线结构。弯折线天线中弯折次数、弯折角、弯折高度以及弯折线宽均在较大程度上影响了天线的谐振特性。在不改变天线外形尺寸的条件下, 随着弯折次数的增加, 弯折线天线的谐振频率、谐振阻抗下降, 但是下降的趋势渐缓, 之后当继续增加弯折次数时, 天线的谐振频率基本不变[5]。同样在天线外尺寸不变的条件下, 改变弯折高度和弯折角, 得到的结果类似, 均为开始时随着弯折高度和弯折角的增加, 天线谐振频率和阻抗明显下降, 之后趋势渐缓, 最后基本不变。鉴于天线面积较小, 在有限的区域内使用弯折线结构无法达到433 MHz的谐振频率, 所以设计时需要增加相应的匹配电路进行调谐。

此外, 电子标签电路板设计中射频电路与馈线、馈线与天线之间的阻抗要达到共轭匹配, 天线才能获得最大的功率传输, 辐射最大的能量。当射频电路与天线阻抗失配时, 射频电路的能量将不能全部由天线辐射发出, 而且这部分的能量会反射回射频电路, 产生驻波, 对电路产生较大损害。所以为了使信号和能量有效传输, 必须使电路工作在阻抗匹配状态, 即与天线连接的芯片阻抗必须和天线阻抗共轭匹配。将芯片阻抗调至50Ω, 天线的输入阻抗调为50Ω, 从而实现阻抗匹配。

2 标签天线结构设计

电子标签采用FR4-环氧树脂电路介质基板 (FR4_expoy) 厚度为0.8 mm;介电常数为4.4;线宽为0.5 mm。经过长时间绕制, 得到天线几何形状如图1所示。

该结构充分利用了电子标签形状, 天线的增益如图2所示。

由图2可知, 天线增益为-15.7 d B, 全向辐射。天线上的电流分布如图3所示。

天线谐振图像如图4所示。

图4中, 天线确如分析, 并没有在433 MHz出现谐振, 需要增加相应的匹配电路。

3 射频电路的阻抗匹配

在天线433 MHz处谐振, 需相应地匹配电路调谐。这里采用Smith圆图进行调谐和阻抗匹配, 首先要已知该结构天线在433 MHz处的阻抗值。从HFSS仿真结果中可查到该天线在各个频率点的阻抗, 如图5所示。

图5中方框部分为433 MHz频率点对应的阻抗值, Zl=2.832 004-i222.484 839, 天线实部较小, 呈现容抗性。这里使用ADS进行阻抗匹配工作。设计原理是天线增加匹配电路后, 组成一个新的电路结构, 整个电路在433 MHz处谐振, 阻抗达到50Ω, 从而实现阻抗匹配。ADS原理图中用集总元件表示天线的阻抗, 具体设计方法是天线等效为一个电阻和电容的串联, 设电阻为R, 电容为C

计算得到, R=2.832 004Ω, C=1.65 p F。

ADS中将集总元器件、Smith Chart Matching圆连接起来得到仿真电路, 具体结构如图6所示。

图6中电路结构经Smith Chart匹配, ADS中提供了4种匹配结构, 如图7所示。

根据L型匹配电路[6]介绍, 设计采用右上角先并联电感后串联电感的方式。将匹配电路与天线串联连接后, 用ADS仿真得到此时天线的谐振频率与带宽, 如图8所示。

图8所示, 仿真天线谐振点为433 MHz, 天线带宽为2 MHz具体范围是432~434 MHz, 结果符合有源RFID[7,8]系统中通信频率的设计要求。但ADS因存在精度问题, 会自动调整输入值, 所以只采用其提供的匹配电路结构图, 具体的元器件值还需进行实际调试得到。实际调试中用矢量网络分析仪连接同样的匹配电路结构进行调试。准备一块带有匹配电路电感位置的天线板。根据以下步骤调试匹配电路: (1) 启动矢量网络分析仪。 (2) 将矢量网络分析中的同轴传输线外导体连接匹配电路中接地端, 将内导体连接匹配电路馈线端。 (3) 焊接匹配电路中其中一个电感, 根据矢量网络分析中的Smith圆图调节另一个电感值, 直到谐振频率为433 MHz时, 调试完成。经调试, 确定调试过程中L3为30 n H, L2为12 n H。最终结果如图9所示。

实际调试中天线的增益为-17 d B, 较仿真时有所减小。当天线在433.92 MHz谐振时, 天线的带宽较窄, 相比仿真结果约减小400 k Hz。而且匹配电路中电感值发生较大变化, 这是因为ADS进行Smith圆匹配中默认阻抗实部最小为5.3, 而实际天线的实部只有2.8, 出现了较大误差。即便如此, 文中所设计的天线还能满足有源RFID定位系统应用要求。实物如图10所示。

4 结束语

本文提出了一种超小型433 MHz PCB天线, 增益为-17 d B, 达到了RFID系统的应用要求。天线半径为14 mm的半圆区域, 在目前所有的文献中面积最小。该天线已制作完成, 经过不断调试, 在匹配了两个电感后, 谐振频率达到433 MHz。该天线尺寸小, 是一种性能较好, 工程上实用性强的标签天线。

摘要：有源射频识别定位系统现已被广泛应用于各种定位场景。针对实际场景下电子标签小型化的需求, 在半径为14 mm的半圆里, 应用弯折线实现了标签PCB天线的小型化设计, 增益达到-17 dB。基于集总元件电路, 天线实现了433 MHz的谐振特性, 且标签天线与标签芯片实现了50Ω的阻抗匹配。

关键词：RFID,433 MHz,小型化,PCB

参考文献

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标签天线设计 第2篇

RFID是一项新兴技术,应用在各种领域,如物流,供应链和存取控制等[1]。RFID系统由标签、阅读器和主机中间件组成。典型的RFID标签由天线和芯片组成。标签天线和它的芯片通常拥有复杂的阻抗。芯片的虚部通常是负的并且虚部的值通常比实部的大[2]。

在RFID标签天线的设计中,决定RFID系统性能的最重要的因素之一是标签天线。因此,设计出阻抗能与芯片匹配的合适的天线类型,是研究和设计天线者的目标。标签应该是尺寸小,结构简单,成本低和易于与其他物体结合。但是,它的小型化影响他的增益和辐射效率,阅读器和标签之间的最大阅读范围也将受到影响。因此,在尺寸和标签天线的性能之间的折中是有必要的。为了确保在天线和芯片之间的最大功率传输,必须得确保良好的阻抗匹配。

目前,有些标签天线的类型,如弯曲偶极子天线、折叠偶极子、螺旋天线等。这些标签天线都是类偶极子天线。尽管结构不同,但是他们的性能是与偶极子天线相似的。一般地,修改偶极子结构的方法常被用来减少天线的尺寸。曲线,折叠和螺旋偶极子常常被用来减少天线的尺寸,并且通常不会太大程度上影响天线的性能。但是,这些标签天线通常带宽不宽,并且只能覆盖UHFRFID的一个区域。另外,他们的尺寸不是足够的小[3]。文献[3],提出两款弯折偶极子天线,它们的尺寸分别为76.5×16mm2,48.5×25.5mm2,在S11<-10dB的时候带宽是860-938MHZ,901-929MHZ。

缝隙天线的优点是低剖面,低成本,易于与其他物体共形,还有易于与有源电路结合等优点,并且适合量产,因此是非常适合应用在RFID上的[4]。在文献[5],提出一个新型的宽带标签天线,覆盖了UHF的整个频段。该天线通过在H形贴片上开H形槽的方式,设计了一款缝隙偶极子天线,该天线在S11<-15dB的情况下,带宽为766989MHZ。文献【6】,研究了如何缩短缝隙的尺寸,提出了非对称缝隙天线,研究了天线的阻抗随非对称缝隙的变化规律。在文献[7-9],提出了几款其他类型的可应用于UHF RFID系统的标签天线。最近,也有一些文献对缝隙天线也有一些研究,但只局限于在阻抗匹配方面达到良好的效果,在辐射方面并没有做出明显得改进。

基于以上的研究,本文提出一款大共面缝隙偶极子天线,该天线在方形贴片上开了两个大小不相等的三角形缝隙,并且为了拓展天线的带宽,在贴片的对称的底端切了两个角,以此来扩展天线的带宽。

2 标签天线的设计原则

无源标签组成的RFID系统中,根据工作频段不同可以分为两种工作模式,一种是适用于近场工作模式的感应耦合工作模式,主要应用在低频和高频;另一种是适用于远场的反向散射工作模式,主要应用在超高频和微波频段。标签由标签天线和芯片组成,天线的设计过程中,不需要了解芯片中的具体电路,只需要了解芯片的阻抗就可以了,并利用最大能量传输的法则设计天线的输入阻抗。

出于成本和小型化的考虑,标签天线的设计过程中,是不能采用额外的匹配电路的[10]。为了实现最大能量的传输,这就是说天线的阻抗必须直接与芯片的阻抗获得一定程度上的匹配。电子标签芯片的输出阻抗具有电抗分量,需要将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。一般地,电子标签芯片的输入阻抗Z=R-jX.。为了获得共轭形式的阻抗,电子标签天线的阻抗形式应为Z=R+jX。

无源标签可以直接简化为天线和芯片之间的直接电连接,其接口处的匹配尤为重要,其等效电路图如图1所示[11]:

当标签芯片确定的时候,其等效阻抗Zl随之确定,此时负载芯片获得的功率如下所示:

由公式可知,当标签天线与芯片的阻抗共轭匹配时,芯片获得的传输功率是最大的。

由Friis方程可得标签天线的最大可读距离如下所示:

其中,Pr为标签的接收功率(最低开启功率);Pt为读写器天线的发射功率;Gt为读写器天线增益;Gr为标签天线的增益;R为接收天线和发射天线之间的距离。

若标签天线的读取灵敏度为Pa,由Pa=Pr*τ可得

其中,功率传输系数:

Γm 为修正反射系数

其中,R A为天线电阻;X A为天线电抗;RL 为负载电阻;XL 为负载电抗。

所以,

当τ=1时,即完全匹配,标签可达最大识别距离。

在标签天线的设计中,辐射模型也是重要的。为了拥有一个良好的阅读范围,一些RFID应用需要RFID需要一些特殊的辐射模型,如全向或者半球形覆盖[12]。除了辐射模型和共轭输入阻抗的需要,共形和小型化是这标签天线的主要考虑的因素。

3新型标签天线的设计

本文设计的天线在原始微带天线的基础上,嵌入非对称的三角缝隙,并且在底边切去两个对称的角。由非对称缝隙天线的阻抗随缝隙增长而增大, 并且在缝隙长度相同的条件下, 其阻抗大小比对称缝隙天线的来得大, 容易与标签芯片良好匹配的同时, 其尺寸能够得到明显缩减【6】。嵌入非对称的三角槽改变了原来贴片上的表面电流路径,三角型缝进一步增长电流路径,从而形成不同电流路径,激发多个谐振模,通过调整各缝隙的大小位置,而使各谐振模较好地耦合,从而展宽天线带宽;与此同时,相当于在天线等效电路中级联了电感,使得天线呈现感性电抗。在底端切去两个对称的角,进一步的增加天线的感性。使得具有较大容性阻抗的标签芯片能够得到更好的共轭匹配。

该新型天线以微带天线为基础,由辐射贴片、介质基板、微带馈线、吸波材料接地板组成。介质基板采用FR4,介电常数4.4,损耗正切角是0.02,厚度取1.6mm。

根据以上的分析,所设计的天线的模型如图2所示:

天线的尺寸如下所示:

芯片的长和宽分别为SL=0.22cm,SW=0.2cm,该缝隙天线两侧的边长为2.8cm,较大的三角形的边长为3.35cm,地面介质的高为1.6mm,宽为40mm,长为70mm,轴心到底边的距离1.92cm,底边的边长3cm,轴心到较小三角形的底边的距离0.76cm。

采用仿真软件HFSS13.0对天线的进行仿真分析,分析了几个重要参数对天线的输入阻抗的影响。

首先分析的是较大的三角形的臂长对天线的输入阻抗的,如图3所示:

图3(a) 臂长对虚部输入阻抗的影响图3(b) 臂长对实部输入阻抗的影响

天线阻抗的实部和虚部都随着臂长Arm_Length的增大而增大。当Arm_Length=3.35cm时,天线输入阻抗最为接近本文的目标阻抗,最后择优选取Arm_Length为3.35cm。由此可见,可以通过调整最大三角形的臂长Arm_Length有效地调节天线输入阻抗,以获得与目标芯片阻抗匹配的标签天线。

再分析较小三角形的高c对天线的输入阻抗的影响,如图4所示。

虚部的影响

图4(a) 为天线输入阻抗实部随变量c的变化曲线。由图知,天线电阻呈现的主要变化趋势是随着c的增大而减小。经由以上分析,与变量Arm_Length对天线输入阻抗的影响相比,c变量的影响较大,但可以考虑变量Arm_Length对天线阻抗进一步调整。由此取天线参数c的值为0.76cm。

综合以上的分析与设计,得到天线激励端口处的回波损耗S11参数的曲线图,如图5所示。本文采用的标签芯片是用ATA5590芯片,芯片在915MHZ的阻抗为12j217。由图5可知,在天线S11<-15dB情况下,天线的带宽是776-991MHZ,带宽达到了215MHZ。

在Arm_Length=3.35cm,c=0.76cm,天线的输入阻抗如图5所示。由图5可知在f=915MHZ的时候,天线的输入阻抗为Z=13.53+j210.27,与芯片ATA5590阻抗12-j217形成良好的共轭匹配。

图6所示为天线的增益辐射方向图,由图可知,该天线具有良好的半球特性,符合设计的要求。天线的最大增益为1.11dB,具有良好的辐射特性。

4 结论

标签天线设计 第3篇

RFID(无线射频识别)系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来,RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域[1]。国内RFID目前主要使用的频段有125 kHz(低频)、13.56 MHz(中高频)、902～928 MHz(超高频),越来越多的研究机构开始对超高频RFID系统进行研究,以实现系统的远距离、高速率、低成本等特性。作为RFID必不可少的一部分,电子标签以其低成本、小体积、非接触式等特性取代了传统的二维条码,普遍应用于身份识别、车辆管理、仓储物流、防伪、零售等众多领域[2]。普通的超高频电子标签一般采用印制偶极子天线,该结构可以应用于货物、商品、书本等采用非金属介质的表面,而在固定资产管理、集装箱、机车、电子车牌、电力设施等许多领域,由于采用了金属表面结构,传统的超高频电子标签在金属表面几乎不能正常工作,对此本文设计了一款工作在902～928 MHz的低成本、小体积、高增益的抗金属电子标签天线。

1 现有的金属表面标签天线

目前在美国和欧洲等发达国家,金属表面标签技术已经发展得较为成熟,广泛应用到了物流中的各个领域,而我国普通的超高频电子标签已经十分普及,但可以真正用于金属表面的电子标签很少。金属表面标签技术仍处于起步阶段[3],国内许多金属表面标签天线都是在传统的偶极子标签天线上改进的,通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签的影响[4]。标签天线与金属表面的距离H应保持1 cm以上的高度,这样虽然提高了标签的读取距离,但会使整个标签的体积和成本增加,天线的带宽降低,并没有很好地解决表面金属对标签天线的影响,此时标签天线的性能远没有其用于非金属表面的性能好;基于陶瓷介质的微带天线也可以用到金属表面,它利用陶瓷介质的高介电常数,使天线的体积能够做到很小,利用金属表面作为自己更大的反射面,使天线的性能十分稳定,但由于陶瓷天线的造价太高,不适合电子标签的低成本批量生产; 另外一种可适用金属表面的标签天线方案是在天线辐射面与金属面之间增加一层AMC(人工磁导体)结构[5],如图1所示。通过AMC的高阻抗特性使电子标签与AMC之间产生的磁流方向和金属面与AMC之间的磁流方向相同[6],从而提高电子标签的增益与读取距离,但这项技术目前研究的难度和成本都很高,仍处于实验室阶段。

2 印刷结构标签天线

针对目前金属表面用超高频RFID电子标签的应用需求,设计了一款新型结构的电子标签天线。该天线首先在一片平面材料(如PVC薄膜、纸等)上采用银浆(或铜、铝等)印刷,如图2所示的平面结构。标签芯片安装后,将此平面贴纸标签沿折线粘贴于方形介质材料上。

当此标签固定在金属表面(无论使用标签的哪一个面贴于金属)使用时,标签天线可以等效成PIFA天线模型(如图3所示)。此时金属平面作为天线的反射面,对天线的性能将产生有益的影响。图3中尺寸结构:w=45 mm,l=95 mm,h=5 mm,w1=31 mm。

3 理论分析与仿真

标签天线贴于介质表面时等效为PIFA结构,所以该标签天线也满足λ/4谐振条件,其谐振频率fr主要与贴片的长度l和宽度w有关。它们之间的关系可近似表示为[7]:fr=c/[4(l+w)],其中c表示光速。

3.1 天线的阻抗分析

常用标签的芯片阻抗通常不是标准的50 Ω,芯片阻抗一般呈容性,为实现芯片与天线的阻抗匹配,通过射频仿真软件HFSS对天线进行了优化。设计中采用的标签芯片阻抗为24-j195 Ω,所以需要匹配的天线的目标阻抗应为24+j195 Ω。天线的阻抗匹配可以通过调整天线的开槽长度来实现,如图4所示为开槽长度w1对天线阻抗的影响。

通过对天线阻抗特性进行参数扫描分析可知,w1的变化对天线的阻抗影响较大,当开槽长度w1<34 mm时,阻抗变化比较平缓,整个天线呈感性;当开槽长度继续增加时,天线的实部阻抗会急剧增加,天线表现为容性。通过仿真分析发现,在开槽长度w1=31 mm时,阻抗为11+j194 Ω,此时与标签芯片的阻抗满足共轭匹配。

3.2 金属面大小对天线的影响

由于电子标签贴附在有限的金属接地面上,在研究天线的电特性参数时还要考虑接地面的大小对天线实际增益的影响,表1列出了电子标签分别位于金属表面面积为45 mm×45 mm,100 mm×100 mm,200 mm×200 mm,400 mm×400 mm天线的增益变化情况。

表1中数据显示标签在45 mm×45 mm的金属表面工作(相当于标签天线单独工作)时,天线增益较低,只有0.27 dBi。随着金属表面面积的增加,天线的增益也会有所增强,但天线的增益也并不是无限增大的。测试中发现,在金属表面面积增加到一定大小时,天线的辐射方向会发生畸变,使得垂直于辐射面的辐射场减弱,此时天线的增益会有所下降。

3.3 介质厚度对天线带宽的影响

标签天线的带宽也是衡量天线性能的一个重要指标,频带越宽,天线的效率越高。通过调整介质层的高度h可以有效地改善天线的带宽,当介质层的高度增加时,会使天线的带宽变宽,天线的效率提高,但增加天线的高度会使天线的体积增加,也破坏了天线的低剖面特性[8],综合以上结论在设计中取h=5 mm。通过仿真分析,在介质高度为h=5 mm时,天线的反射系数在-10 dB以下的带宽为30 MHz(910～940 MHz),该天线具有良好的频带特性。

3.4 介质材料对天线的影响

设计中分析了两种常用介质对天线增益的影响,如图5所示为电子标签贴在FR-4(εr=4.4,h=5 mm)上的方向图,金属反射面的大小为400 mm×400 mm,此时天线的增益为2.27 dBi。在垂直天线辐射面的方向,增益最大,图6为标签贴在泡沫介质(εr=1.1,h=5 mm)上的方向图,天线的最大增益为3.92 dBi,但天线的最大增益方向为偏离垂直天线辐射面45°的方向。

4 实物测试

为验证以上设计,本文做了实物模型,并进行了相关的性能测试。如图7所示,使用铜皮纸所蚀刻的平面天线,粘贴于泡沫介质上。标签芯片使用NXP半导体公司的SL3ICS1202G2XL芯片,该芯片的阻抗为24-j195 Ω,测试将标签贴于25 cm×25 cm的金属平板中央,如图8所示,使用MR6021型号阅读器1 W的发射功率及6 dBi圆极化天线对标签进行了识读。实测识别距离大于4 m。

5 结 语

金属物体对超高频电子标签的干扰一直是RFID领域的一个难题,本文结合PIFA天线的基本理论以及现有的标签技术,设计了一款UHF抗金属标签天线,天线采用的印刷结构使得生产工艺简化,生产成本低廉。通过对天线大量的仿真和实测,论证了该天线具有高增益、远距离等特点,是一款能够真正应用于金属表面的标签天线。

摘要：为满足对金属表面物体智能识读的应用需求,设计了一款可用于金属表面的超高频RFID电子标签天线,使用时将标签贴合在厚度仅为5 mm的泡沫介质上,然后置于金属表面,利用金属表面作为自身反射板增加了天线的读取距离。整个天线的面积大小为95 mm×45 mm,标签的最远读取距离可达4.5 m。同时由于表面印刷结构的采用,使得整个标签成本低廉、易于批量生产。

关键词：标签,金属表面,天线,射频识别

参考文献

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标签天线设计 第4篇

UHF RFID标签是指工作频率为860~960 MHz的无源RFID标签。UHF RFID标签无需外部电源、读写距离可长达10 m、数据通信速率最高可达640 Kb/s、一次性可以读取上千个标签、制造成本低[1], 因而在物流管理、电子商务、交通控制、资产管理等领域的应用潜力巨大[2,3,4,5]。随着《信息技术射频识别800/900 MHz空中接口协议》 (GB/T 29768-2013) 标准的发布, UHF RFID技术已成为我国RFID领域的主流技术。但在RFID系统应用过程中, 还存在读取率低、读取范围小、易受干扰等问题, 导致推广和普及困难, 建好的系统故障也较多, 严重影响正常使用。其中移动通信系统的干扰就是一个在应用中需要解决的问题。

GB/T 29768-2013规定我国的UHF RFID频段为840~845 MHz和920~925 MHz, 距离移动通信CDMA800 (下行870~880 MHz, 上行825~835 MHz) 、GSM (下行930~960 MHz, 上行885~915 MHz) 等频段较近, 易受到移动通信系统的干扰, 文献[6]认为干扰源主要为工作场所无处不在的移动通信终端设备。本文在分析干扰形成机理的基础上, 提出了抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法。

1 移动通信终端干扰的形成过程

1.1 UHF RFID工作原理

UHF RFID系统采用电磁波传播耦合的工作方式, 原理如图1 所示, 工作过程分为两部分。

(1) 阅读器天线首先向RFID标签发一段询问信号, 其中包含能量及选择 (Select) 、询问 (Query) 指令。RFID标签通过标签天线接收读写器发送的询问信号, 将能量转换为电压, 为标签芯片供电, 当电压足够高时, 标签芯片被激活而工作。标签芯片激活后, 接收阅读器的询问指令, 根据阅读器的询问指令进行相应的动作。

(2) 阅读器与标签根据协议进行应答通信。阅读器再发送一段连续波, 为被激活的标签提供工作能量。激活的标签在这段连续波时间内通过反向散射调制方法给阅读器以应答, 阅读器收到应答信号后, 发送一个确认指令和一段连续波, 标签在连续波的时间内将数据发送给阅读器, 阅读器收到数据后, 再向标签发回确认指令。

1.2 标签的等效电路模型

微带天线等效为并联电路[7], 在图2 中, 阅读器询问信号在天线上感应出电流IS, ZC为芯片输入阻抗。

天线电路的导纳为:

则作用在芯片阻抗上的端电压U为:

当 ωC = 1/ (ωL) , 即发生并联谐振时, 谐振频率为:

此时U获得最大值U0。天线电路的通频带分布图如图3 所示, 天线电路的带宽为:

表示天线的频率选择性, 即在此频率范围内的信号将有可能激活芯片, 我国规定的UHF RFID在806~960 MHz的天线端口发射杂射限值要求为-52 d Bm。

1.3 我国UHF频段内移动通信与RFID的频段划分

我国UHF频段内移动通信与RFID的频段划分见表1。

MHz

1.4 移动通信终端对RFID标签的干扰

从表1 看出, CDMA800 上行频段与RFID的840~845 MHz频段、GSM上行下行频段与RFID的920~925 MHz频段相距5 MHz, 很容易产生交调干扰与互调干扰[8], 如果UHF RFID标签天线的频率选择性能不理想, 移动通信终端发射的电磁波频率在标签天线的谐振带宽内, 也会被标签天线感应而激活芯片, 移动通信终端发射的电磁波被耦合到标签芯片中, 由于此种电磁波所携带信息是随机的, 编码方式也与UHF RFID系统信号不相同, 导致标签芯片的输入端信躁比降低, RFID标签的解调误码率增加[6]。

2 抗移动通信终端干扰的设计方法

为了分析方便, 将表1 的我国UHF RFID频段与移动通信UHF频段的范围, 绘制成UHF频段频率分类图, 如图4 所示。

设RFID频段宽度为frfid, CDMA、GSM的UHF频段离RFID频段最近的距离为fmin, 从图3 可知, 要消除移动通信频带对标签工作的影响, 天线的通频带不能涵盖移动通信的频段部分, 所以天线的最大带宽为:

由于:

天线总的品质因素QT可表示为:

式中Qr, Qd, Qc分别为辐射、介质和导体损耗Q值。由于实际的Qd和Qc远大于Qr, 文献[9]给出QT的近似计算式:

式中:c为光速, εre有效介电常数;fr为谐振频率;h介质基板厚度。由式 (5) ~ (7) 可求得:

合理选取 εr值、损耗正切tan δ 值, 按式 (8) 计算h值, 完成介质基板材料的选取, RFID标签天线的带宽不会涵盖CDMA、GSM的频段, 即移动通信系统发射的电磁波在天线上的回波损耗S11>-10 d B, 不致触发芯片工作, 天线具备了良好的抗移动通信终端干扰的性能。

3 在UHF RFID标签天线设计中应用

机关、企事业单位的IT设备, 通常位于办公室和实验室, 这些场所工作人员、学生几乎人手一部手机, 且多在IT设备附近从事工作和学习, 对IT设备资产进行管理的RFID标签可能会受到手机发射信号的干扰而导致工作不正常。现利用前面提出的抗移动通信终端干扰的设计方法, 对RFID标签天线进行设计, 提高天线的频率选择性能, 消除移动通信终端干扰的影响。

3.1 标签天线设计过程

RFID标签天线采用同轴馈电微带天线结构, 基本结构包括三个部分:辐射贴片、介质基片、同轴馈线, 如图5 所示。其中, 介质基片作为反射面, 辐射贴片是与参考地平面平行的金属片, 馈线用于信号传输, 通过合理设置同轴馈电点位置实现双频。设计指标为:

(1) 工作中心频率为842.5 MHz和922.5 MHz;

(2) 标签天线的抗干扰性能:本系统反射系数S11≤-20 d B (VSWR ≤ 2.0) , 异系统反射系数S11≤ -10 d B (VSWR ≤2.0) ;

(3) 最大增益Gant≥6 d B。

为了降低移动通信终端的影响, 谐振频率要尽量离CDMA、GSM频段远些。在设计时, 定义922.5 MHz为第1谐振频率, 842.5 MHz为第2 谐振频率, 从图4 可得出, frfid=5 MHz, fmin=5 MHz。初始参数计算时参考谐振频率fr取922.5 MHz, 考虑应用场合对天线安装面积或体积重量没有特别的限制, 但对天线的增益要求较高, 故取 εr= 2.45, tan δ=0.001 8 的PTFE基板材料, 取VSWR = 2, 将数据代入式 (8) 计算, 得:

标签天线的其他尺寸由下列公式求出[10,11,12]:

介质板长度:

介质板宽度:

式中 ξre (L) = (εr+ 1) /2 + ( (εr- 1) /2) (1 + 12h/ L) -1/2。

式中 ξre (W) = (εr+ 1) /2 + ( (εr- 1) /2) (1 + 12h/W ) -1 /2。

式 (9) 中的W为辐射贴片宽度;式 (13) 中L为辐射贴片长度, 式 (16) 中L1为同轴馈电点到x轴距离;式 (17) 中W1为同轴馈电点到y轴距离。

经计算和应用HFSS软件优化, 最终天线的尺寸见表2。

3.2 标签天线抗干扰性能分析

使用HFSS 13.0软件进行建模, 运行仿真分析, 标签天线的回波损耗曲线如图6所示, 其中L=100.5 mm, W=111.0mm, L1=16.0 mm, W1=16.0 mm, Rfeed=0.6 mm。

从图6可知, 移动通信各频段的回波损耗S11值见表3, 均大于-10 d B。

S11≤-10 d B的频率范围如图7 所示, 840~845 MHz频段为838.6~845.9 MHz, 920~925 MHz频段为919.7~928.8 MHz, 涵盖了我国UHF RFID的全部频段。

标签天线的电压驻波比VSWR如图8 所示, 各频段的VSWR范围见表4, RFID频段的VSWR值均小于2, 移动通信频段的VSWR值均大于2。

三维增益方向图如图9 所示, 从图中可以看出天线的最大辐射方向是微带贴片的法向方向, 最大增益值为7.28 d B, 增益性能良好。

4 结论

经在UHF RFID标签天线设计中仿真验证, 使用本文提出的抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法设计的标签天线, 抗移动通信终端干扰性能良好, 并且有高增益性能。本方法具备较大的工程应用价值。

摘要：我国的UHF RFID使用的800/900 MHz频段距离移动通信CDMA800、GSM等频段较近, 易受到移动通信系统的干扰, 导致RFID标签的解调误码率增加。在分析干扰形成机理的基础上, 通过对UHF频段频率分布的分析, 提出了抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法, 推导出介质基板厚度h计算公式。将该方法应用到IT设备资产进行管理的RFID标签天线设计上, 仿真结果表明, RFID频段的回波损耗S11值均小于-10 dB, CDMA800、GSM等频段的回波损耗S11均大于-10 dB, RFID频段的电压驻波比VSWR值均小于2, 移动通信频段的电压驻波比VSWR值均大于2, 获得了良好的抗移动通信终端干扰的性能。

关键词：移动通信干扰,RFID标签,标签天线,抗干扰,UHF频段

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标签天线设计 第5篇

超高频无源RFID技术由于其读取距离较远、成本较低、读取速率较快等诸多优势而被广泛应用。但是,超高频无源RFID技术在目前很多应用尚不成熟,很大程度上是因为标签对于各类不同物品的适用性以及不同场景的适应性上存在的技术性问题造成的。尤其是金属物体对超高频RFID标签性能有很大影响,超高频无源RFID抗金属标签是一种专门针对金属物体而使用的无源超高频RFID标签,也称为金属标签[1]。

对于普通无源超高频标签,当其贴在金属表面时,由于标签天线的阻抗匹配、辐射效率、方向性都发生了变化,标签的读取距离迅速降低,甚至难以被读取。因此需要对其进行特殊处理或采用特殊标签,以适应在金属表面使用。同时UHF频段的标签普遍尺寸较大,无法使用在体积较小的物体上,极大地限制了UHF频段RFID系统的使用范围。

本文对现有的抗金属PCB标签进行尺寸缩减设计,在牺牲较少增益的前提下,大大缩减了标签天线的尺寸,满足了小尺寸金属环境要求,同时相比利用高介电常数材料来进行缩减尺寸的标签,更具性价比。采用Impinj的Monza4芯片为例进行仿真设计,该芯片在中心频率为915 MHz时的阻抗约为(11+134j)Ω。

1 现有的标签天线结构

常见的一种抗金属标签,是利用传统的微带天线技术,文献[2]已对该类型抗金属标签做了设计和分析。典型的微带天线结构,是由矩形贴片与基板,接地平面构成了一个谐振腔,谐振长度由矩形贴片的长度L决定。贴片长边两端的缝隙形成的边缘场暴露在上半空间,并产生辐射。基本厚度h远小于波长,矩形贴片的谐振长度L略小于基板介质中的半波长。谐振长度的近似公式为:

式中:λ是自由空间波长;λd是介质中的波长;εr是基本的相对介电常数。

选用介电常数为4.5,厚度为4 mm的介质板,经公式(1)计算得,微带贴片长度L=75 mm,因此设计整个标签天线的尺寸(包含介质板),大小约为90 mm×25 mm×4 mm,如图1,图2所示。

将该种标签天线置于180 mm×180 mm的金属板上,利用HFSS软件进行仿真,最终得到的增益图和驻波曲线图,如图3和图4所示。

2 PIFA结构改进的标签天线

为了减缩尺寸,结合PIFA天线(平面倒F天线)的设计原理,PIFA天线由地板、贴片、馈线和接地线构成,可以看成在贴片长度为半波长的微带贴片天线的基础上,根据镜像原理,将贴片中间接地,贴片长度缩小为1 2[3]。PIFA天线的接地使得天线的谐振波长由传统的半波长缩短为1 4波长,这是天线小型化的一个主要方法。本文利用在贴片中间位置,放置接地过孔,由此形成贴片与地板的短路,排列密集的过孔可看做短路墙(电壁)[4],如图5,图6所示。

因此,利用PIFA天线的原理进行常见微带结构标签天线的改进设计,可以将标签尺寸缩短一半左右,仿真结果如图7,图8所示。

3 引入十字开槽的标签天线

同时为了进一步降低标签天线的尺寸,利用开槽线方法进行小型化设计。在微带贴片上开槽,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,在等效电路中相当于引入了级联电感[5]。随着槽长度的增加,天线的谐振频率也会降低,这是目前小型化技术中的主要方法,同时开槽不仅能够降低天线的谐振频率,而且还能够保证一定的增益和带宽,对天线性能的影响不大,也易于实现圆极化和双频双极化特性[6]。本文利用十字开槽线,在标签天线两侧分别对称的开槽,最终标签天线设计如图9,图10所示。

同样将改进的标签天线置于180 mm×180 mm的金属板上,利用HFSS软件进行仿真,最终得到的增益图和驻波曲线图,如图11和图12所示。

对比去掉地面金属板时,也就是标签在非金属环境仿真,得到的增益方向图和驻波如图13,图14所示。

对比发现,抗金属标签在金属环境下才具有良好的性能,因为在设计中,把金属附着地作为标签天线的一部分来分析设计,一般来讲,背面金属板的大小,影响了标签天线的增益大小[7],当没有附着在金属环境时,增益急剧减小,性能也会大大降低。

从表1中可以看到,尺寸缩减约2 3,增益降低了1 2,在损失一部分增益的情况下,达到了更小尺寸的要求,该类标签适用于某些小型化、金属环境场所的需求。

4 结论

本文对现有微带结构的抗金属标签天线进行小型化改进设计,利用PIFA天线的结构原理和开槽线方法,设计了一种30 mm×30 mm×4 mm小尺寸抗金属标签天线,满足了客户对小尺寸、低成本标签的要求,同时在860~960 MHz频段内,驻波小于1.5,置于金属板上的增益约3 d Bi,满足了大于1 m距离读取标签的要求。

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标签天线设计 第6篇

射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID典型应用包括:在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售;在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费;在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪;在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪;在制造业用于零部件与库存的可视化管理;RFID还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域[1]。

然而,由于标签天线对应用环境的敏感性,RFID系统日益受到金属货物识别的挑战。当标签天线靠近金属物体表面时,由于和金属物体产生近距离耦合效应,使得天线的输入阻抗、方向图、增益、带宽等参数发生变化,导致天线失效[2]。

国内外许多专家学者对抗金属标签天线进行了大量的研究,已经取得一些研究成果。诸如吸波材料、电磁带隙结构[3]和IFA(Inverted F antenna,倒F天线)[4]。但是吸波材料吸收阅读器发射的部分电磁波,导致能量耗散在吸波材料中,并没有被无源标签很好地利用;电磁带隙结构在制造上过于复杂;而IFA的性能取决于被贴附物体的特性,比如电导率和物体尺寸。

对于卷烟包装来说,为了保持烟草的香味和防潮,在包装中必须用到铝箔,这样RFID标签和铝箔间的距离仅0.052mm,这大大增加了抗金属标签天线设计的难度。本文在查阅大量文献的基础上,设计了一款可印刷在香烟盒表面的新型抗金属RFID标签天线。该标签天线工作在915MHz处,带宽为31MHz,阅读距离为0.83m。

2 天线结构

印刷在烟盒上的标签天线的结构如图 1所示。

标签天线位于香烟盒的正中,烟盒尺寸如图中标示。烟盒的介电常数为εr=2,损耗角正切为tanδ=0.02,烟盒厚度为0.052mm。

天线结构如图 2所示。

在谐振频率915MHz处,天线整体尺寸为165×66.5mm2。在仿真中,天线材料为导电油墨,其电导率为5×106S/m,厚度为0.03mm[5], RFID芯片位置如图 2中标示。图 2中标示的各个的天线参数尺寸见表 1。

3 仿真和实物测试结果

在RFID标签天线设计中,由于RFID芯片的阻抗不再是50Ω或者75Ω,而可能是任意值。为了实现最大功率转换,标签天线的输入阻抗必须与RFID芯片的阻抗共轭匹配,这就意味着我们所需的标签天线的输入阻抗也可能是一个任意值。这对天线设计来说是一个挑战,因为它需要支持任意输入阻抗而又受到小尺寸低成本等因素的制约。

为了验证天线仿真的结果,我们使用了参考文献[6]所提到的方法来测量天线的阻抗。测试系统如图 3所示。

这套测试系统由矢量网络分析仪和一个测试装置组成,其中测试装置由两根同轴电缆组成。测试装置的一端两根同轴电缆焊接在一起,焊接部分长度为100mm,伸出的两个内导体,分别焊接到天线的馈电处的两端。测试装置的另一端通过SMA接头连接到矢量网络分析仪上。

仿真得到的标签天线阻抗与实物测量后得到的标签天线阻抗的对比如图4所示。

从图中可以看出,标签天线的电阻值的仿真结果和实测结果基本一致,吻合较好。而对于标签天线的电抗值,实测结果相对于仿真结果有100MHz的平移。并且,天线阻抗的实测结果的峰值小于仿真结果。引起这些差异的主要原因是测试同轴电缆内导体与天线相连时,对天线的馈电端口有拉升扭曲变形。

在该天线设计时选用Alien Higgs-2芯片,在915MHz处,芯片阻抗值为(15-j145)Ω。通过仿真和实测得出在915MHz处,天线的阻抗值为(20+j149)Ω,能够和所选芯片很好的实现共轭匹配。

标签天线的回波损耗曲线如图5所示。

从图中可以看到,天线的工作带宽为31MHz(902MHz-933MHz),可以完整地覆盖北美标准所要求的26MHz带宽范围。

天线的辐射方向图如图6所示。

图中所示结果表明,天线在谐振点915MHz处,天线表现出了良好的方向性,符合设计要求。该天线的谐振频率处最大增益的仿真结果为2.5dBi。

图 7给出了标签天线的阅读距离的测试系统。

为测试标签的最大阅读距离,采用了Alien 公司的ALR- 9900 RFID 阅读器进行测量,使用Alien天线(谐振中心频率为915MHz)且EIRP等效全向辐射功率为4W时,在标签天线正面和阅读器天线正面平行的测试条件下,将标签固定在香烟盒上,在室内进行测试,测得阅读距离可达0.83m,基本达到应用要求。在保证制作精度或在室外的条件下,阅读距离还可以进一步增加。

4 结 论

本文介绍了一款可印刷在香烟盒上的新型无源RFID抗金属标签天线。所设计的天线能在包装中含有铝箔材料的物体上很好的工作。由于天线和铝箔间的距离非常近,从而导致天线的尺寸较大,因此后期的工作是尽量降低天线的尺寸和使得天线结构简单,易于加工。

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标签天线设计 第7篇

1 标签天线设计的基本原则

1.1 标签天线与标签芯片的阻抗匹配

UHF频段RFID系统基于反向散射的原理进行工作。标签通过改变等效雷达截面积来改变返回至读写器的反射信号强弱。标签芯片可以根据控制信号改变所呈现出的阻抗, 从而改变与标签天线的匹配程度, RFID系统必须有足够的精度辨别两者之间的区别[4], 从而从中获取控制信号中所包含的信息。

出于成本方面的考虑, UHF频段的无源标签将不能在标签中引入阻抗匹配电路, 也就是说标签天线的阻抗必须可以直接与标签芯片的阻抗直接实现一定程度的阻抗匹配, 由于失配所导致的反射系数必须小于一定程度。标签芯片所吸收的功率可表示为[5]:

Ptagrec =Pantτ (1)

(1) 式中

Ptagrec为标签芯片吸收的功率, Pant为标签天线从外界吸收的功率, τ是标签芯片吸收功率因子。 (2) 式中:

undefined

(2) 式中

Γ为标签天线到标签芯片的电压反射系数, Zc和Rc分别是芯片的阻抗和阻抗的实部, Za和Ra分别是天线的阻抗和阻抗的实部。

1.2 对标签天线辐射方向图的要求

综合反向散射和标签匹配的因素, 一个UHF频段的RFID系统的最大工作距离可表示为[6]:

undefined

(3) 式中λ为工作波长, Pt为读写器发射功率, Gt为读写器天线增益, GT为标签天线增益, Pth为标签芯片能够正常工作的最低门限功率。由以上的分析可见, 一个UHF频段RFID系统的工作性能与标签天线和标签芯片之间的阻抗匹配、标签天线的增益都有直接的关系。为保证标签有较好的可读性, 降低对特定放置方向的依赖, 一般要求标签天线的辐射方向图具有较好的全向性表现。

2 电容耦合式圆弧标签天线

2.1 电容耦合式圆弧标签天线的仿真原形

电容耦合式标签天线的设计理念来自于C.C. Chang 和Y.C. Lo的论文[7]。为适应实际的应用场合, 本文采用了圆弧型结构作为标签天线的辐射主体, 标签天线的仿真原型如图1所示。圆弧型电容耦合标签天线由天线主体和电容耦合臂组成。天线的主体段两段长度由接近undefined (电长度约46 mm) 的半圆弧和连接两圆弧的阻抗调节臂组成。由传输线理论, 两半圆弧的连接点可视为短路点, 两半圆弧的末端可视为开路点, 其中一个圆弧的末端通过电容耦合的方式实现电流的传输, 经一段耦合臂后接至标签芯片的一端, 即图1中所示的仿真端口1的下端。两圆弧的连接点处引出一条阻抗调节臂, 通过调节阻抗调节臂的长度, 可以方便地对标签天线呈现出的阻抗进行调节, 从而实现与标签芯片之间的良好匹配。该标签天线制作于介电常数εr=4.7的FR4板上, 板厚度为1.6 mm。天线导体所选用的材料为电导率σ=4.9×107 S/m的金属, 厚度为0.035 mm。由以上参数可得出等效的相对介电常数为ε*r=3.27, 则可得

undefinedmm (4)

得出标签天线仿真模型的尺寸如图1所示 (单位mm) 。

2.2 电容耦合式圆弧标签天线的仿真结果

本文选用的标签芯片是PHILIPS公司的SL3S3001型FTT芯片, 该芯片在915 MHz频率上所表现出来的芯片阻抗为11.5—j422欧姆, 表现出很明显的容性阻抗。采用电磁仿真软件IE3D对图1中的天线模型进行仿真, 得到如图2、图3所示的结果。在915 MHz频率点处, 标签天线仿真所得的阻抗结果为18.4+j360.2欧姆, 很接近于标签芯片的共扼阻抗值, 标签可以获得较好的阻抗匹配效果。

图3为电容耦合式圆弧标签天线的辐射方向图, 由于电容耦合臂的影响, 标签的辐射方向图并不完全对称。从天线的辐射方向图来看, 天线表现出了良好的方向性, 符合标签设计的要求。

3 圆形标签天线的小型化

为满足标签小型化和适用于圆形物体的目的, 须减小标签天线的尺寸, 并将其设计为圆形。以下给出小型化圆形标签的设计方案和仿真结果。

3.1 小型化圆形标签天线的原型

在标签小型化方面, Hong-Kyun Ryu和 Jong-Myung Woo提出了一种可行的折合方法[8]。本文在电容耦合式圆弧标签天线的基础上提出了一种小型化圆形标签的设计方案。标签的设计理念与电容耦合式圆弧标签天线相仿。天线的主体由两段圆弧折叠而成, 每段折叠圆弧的长度约等于undefined, 电容耦合臂长度也约等于undefined, 标签天线的阻抗匹配可通过对阻抗调节臂的调整方便地实现, 标签天线的整体呈现为近似的圆形。在图4所示设计方案中, 天线的外直径为41 mm。如果选用高相对介电常数的基板, λg的值可以进一步缩小, 从而得到尺寸更小的标签。

3.2 小型化圆形标签天线的仿真结果

图5、图6为小型化圆形标签天线在IE3D中得到的仿真结果。

在915 MHz频率点处, 标签天线仿真所得的阻抗结果为15.6+j362.7欧姆, 很接近于标签芯片的共扼阻抗值, 标签天线可以获得较好的阻抗匹配效果。该型标签天线具有良好的方向性特性。

4 结 论

本文从电容式耦合的标签天线出发, 提出了一种小型化圆形UHF频段RFID标签天线。经过IE3D的数值仿真结果表明, 该构型的天线具有良好的阻抗匹配特性和天线辐射特性。由于天线的小尺寸和圆形形状, 该天线构型可以广泛地制作在瓶盖大小的物体之中, 为UHF波段RFID技术在物流等方面的广泛应用提供了进一步的可能。

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