UHF频段 篇1
射频识别技术RFID (Radio Frequency Identification) 是20世纪80年代发展起来的一种新兴自动识别技术。相比于传统的条形码技术, RFID技术具有读取速度快、工作距离远、存储空间大、穿透性强、可同时读取、标签寿命长、适应工作环境能力强等优势。随着RFID技术的不断完善, UHF频段的RFID技术以其读写速度快, 存储容量大, 抗干扰能力强等优点, 广泛的应用在零售、公交、物流、医疗、邮政和工业生产控制等诸多领域。不断扩大的RFID技术的应用, 要求RFID系统中的天线技术也要不断发展[1]。因此, 需要设计出不同类型的天线以满足应用的需求。
如今系统的高集成度、便携性越来越受到人们的关注, 然而UHF频段的电磁波波长相对较大, 特别在该频段短距离便携式RFID读写器应用中, 天线的小型化问题尤为明显[2]。笔者根据天线表面开槽和切角微扰的原理, 设计了一款可应用于UHF频段RFID短距离读写器的小型化圆极化天线。
2 天线结构设计
目前, 实现微带天线小型化主要有以下几种方法:一是采用高介电常数的基板。当天线的谐振频率固定时, 天线的大小与介电常数成反比, 增大介电常数可使得天线的尺寸减小, 然而天线的带宽和增益也跟着减小, 限制了此方法的应用;二是采用短路探针。它是利用短路探针将天线的谐振长度缩短成四分之一波长, 这是减小尺寸最明显的方法, 在很大程度上减小了贴片尺寸。三是通过在微带贴片上开槽的曲流技术[3]延长等效电流路径, 从而使天线的谐振频率下降。这是目前小型化技术中的主要方法, 因为开槽不仅能够降低天线的谐振频率, 而且能够保证一定的增益和带宽, 易于实现圆极化和双频双极化特性[4]。本文采用提高基板介电常数和在贴片表面开槽的方法来实现小型化;采用方形贴片切角的方法来实现圆极化。
依据微带天线理论, 矩形贴片天线的尺寸可由公式 (1-5) 求出[5]:
式中贴片长、宽分别为L、W, 有效介电常数为εe, 介质内波长为λg, 边缘场的等效长度为ΔL[6]。通过计算得中心频率f=915MHz, 介质基板的介电常数εr=4.4, 厚度h=3mm的方形天线贴片边长为L=80mm, W=80mm。
本文天线结构如图1所示, 采用关于贴片中心对称的开槽方式, 在贴片内部开十字形缝隙, 在贴片的边缘四周开矩形缝隙, 在实现小型化改进的同时, 既不影响圆极化的实现还可以提高带宽。影响微带天线工作频率的主要参数是缝隙的长度。缝隙越长, 天线的谐振频率越低。而缝隙的宽度对谐振频率影响并不明显, 但缝隙宽度变化影响天线轴比。贴片的切角使两个正交的谐振模TM01模和TM10简并分离, 实现圆极化。
3 仿真结果测试分析
对天线十字缝隙长度进行扫描的仿真结果如图2所示, 天线的缝隙长度增加, 谐振频率的下降效果明显。50欧姆同轴线馈电点靠近贴片中心的位置, 则需要将中心位置的十字形缝隙进行旋转, 旋转角度的大小影响天线的匹配效果。由图3可知, 当旋转角度为45°时匹配效果最佳。如图4所示, 天线的轴比在910MHz至920MHz之间小于3d B, 实现了圆极化特性。仿真结果表明, 微带贴片的缝隙对天线圆极化效果影响很大, 当贴片上的缝隙沿贴片中心对称时圆极化效果最好。
最终天线的各个参数分别为:相对介电常数ε=4.4、介质基板厚度H=3mm、贴片上缝隙的宽度W=1mm、贴片边长A2=59.7mm、地板的边长A1=70mm、中心位置的十字缝隙长度L3=15mm、内部四个十字缝隙长度L2=11mm、边缘八个缝隙的长度L1=13mm、切角的边长X=6.6mm。天线实物如图5所示。最终天线贴片的尺寸为59×59mm2, 在905~930MHz内回波损耗小于10d B, 在910~920MHz内轴比小于3d B, 达到良好的圆极化特性。
由图6所示天线仿真与测试结果可知, 实测结果显示天线中心频率回波损耗更好, 而天线带宽比仿真结果稍窄些。这可能是由以下几方面原因导致的: (1) 天线制作精度 (加工误差在±0.2mm以内) ; (2) 基板同轴馈电点旁有调试穿孔; (3) 天线的同轴抽头式馈电点焊锡会引入电容, 进而对测量结果有一定影响。
4 结论
本文设计了一款应用于UHF频段的小型圆极化天线, 在微带贴片上加载十字缝隙, 在贴片边缘加载矩形缝隙和在两边切角实现圆极化辐射的小型微带天线。仿真结果表明这种微带天线能够有效地降低天线的谐振频率, 较之与采用相同介电常数基板的普通微带天线, 该天线的尺寸下降了54%。该天线的优点是不仅降低天线的尺寸, 还保证了天线的圆极化带宽, 具有良好的工程参考价值。
参考文献
[1]高清敏, 廖成.一种新型RFID宽带标签天线的分析与设计[J].微波学报, 2011, 27 (4) :61-64.
[2]武明峰, 孟繁义, 吴群等.基于左手介质后向波特性的微带天线小型化研究[J].物理学报, 2006, 55 (12) :6368-6372.
[3]陈宏然, 车仁信, 邵远.一种2.4GHz小型化微带天线[J].无线通信技术, 2009, 18 (4) :30-32.
[4]韩国栋, 顾长青.加载十字分形缝隙的小型化微带天线[J].电波科学学报, 2008, 23 (2) :247-251.
[5]克劳斯, 马赫夫克.天线[M].北京:电子工业出版社, 2002.
UHF频段 篇2
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。
参考文献
[1]Want R.An introduction to RFID technology.Pervasive Computing IEEE, 2006;5, (1) :25-33
[2]Hossain S S, Karmakar N.An Overview on RFID frequency regula-tions and antennas.Electrical and Computer Engineering, 2006.ICECE'06.International Conference on19-21Dec.2006:424—427
[3]Michishita N, Yamada Y.A novel impedance matching structure for a dielectric loaded0.05wavelength small meander line antenna.An-tennas and Propagation Society International Symposium2006, IEEE9-14July2006:1347—1350
[4]Penttila K, Keskilammi M, Sydanheimo L, et al.Radar cross-section analysis for passive RFID systems.Microwaves, Antennas and Propa-gation, IEE Proceedings V.153, 1, 6.2006;:103—109
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[6]Rao K V S, Nikitin P V, Lam S F.Antenna design for UHF RFID tags:a reviewand a practical application.Antennas and Propagation, IEEE Transactions on V53, (12) :2005;:3870—3876
[7]Chang C C, Lo Y C.Broadband RFID tag antenna with capacitively coupled structure.Electronics Letters, 2006;42, (23) :1322—1323