一种UHF频段RFID标签天线实现方案

2012-03-07 13:55:50来源: 互联网 关键字:UHF  频段  RFID  标签天线
引 言

  RFID是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术,它包括电子标签(tag)和读写器(reader)两个主要部分,附有编码的标签和读写器通过天线进行无接触数据传输,以完成一定距离的自动识别过程。RFID标签天线作为RFID系统的重要组成部分,在实现数据通讯过程中起着关键性作用,因此天线设计是整个RFlD系统应用的关键。

  典型的RFID标签天线包括微带贴片天线和偶极子天线。RFID标签的性能容易受到环境介质的影响,尤其是微带偶极子天线,当它粘贴在一般的绝缘介质(如玻璃、塑料箱等)表面,会影响天线的电感量和降低谐振频点的品质因数;当它粘附在金属上时,由于电磁感应的作用,会吸收射频能量而转换成自身的电场能,因此减弱了原有射频场强的总能量,同时也会产生感应磁场,磁力线垂直于金属表面,使得射频场强的分布在金属表面发生变形,磁力曲线趋于平缓。因此,当标签贴附在金属表面或非常接近金属表面时,该空间内实际并无射频场强分布,标签天线无法切割磁力线而获得电磁场能量,因而标签无法正常工作。

        本文设计了一种UHF频段RFID标签天线。在微带矩形天线理论基础上,改进了E型开槽天线的结构,用微带线侧馈代替了背馈方式,使天线与芯片能良好地匹配,并通过获得双谐振频率扩大了带宽。

  1 微带RFID贴片天线

  

微带RFID贴片天线

 

  微带贴片天线通常是在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电,如图1所示。因为微带贴片天线自身有一个金属的地板,当其粘附在各种物体上时,天线背面的电磁场不会受到太大影响,故可以在多种环境下正常读取。

  利用传输线模型分析微带天线是较有效的方法。该方法的基本假设如下:微带贴片和接地板构成一段微带传输线,传输准TEM波,场在传输方向是驻波分布。而在其垂直方向是常数;传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝口径场,即为传输线开口端场强,如图2所示。

  

 

  

 

  图3是按照传输线法建立的微带天线等效电路。Ys为缝辐射导纳;Y0为微带贴片的特性导纳。

2 E型RFID标签天线设计

  对于一般的微带贴片天线,它的辐射激励可以等效成一个谐振回路。在矩形微带贴片天线的基础上,采取E型结构,即沿天线的匹配方向将金属贴片开两条平行宽缝 (见图4)。由于贴片上存在两个缝隙的作用,促使天线的谐振特性受到了影响,即原来的一个谐振回路变成了两个谐振回路,当这两个谐振回路的谐振频点靠得比较近时,就达到了扩展频带的目的。

  

 

  本文在E型背馈天线的基础上,提出了一种变形的侧馈天线方案,如图5所示。天线主体由一个矩形贴片开缝构成,顶部切去了两个角。由一个功分器和一段微带线作为馈线与芯片匹配,而芯片的另一段通过微带线接地。

  由于高介电常数的介质能有效地减小天线的尺寸,所以基片选用尺寸为84 mm×54 mm×1.4mm的陶瓷氧化铝.介电常数为9~10。微带标签天线的物理尺寸为:L1=47.6 mm,L2=4 mm,L3=18 mm,L4=3.5 mm,W1=1 2.6 mm,W2=10 mm,W3=6 mm,W4=2 mm,S=3 mm。

  

 

  该天线采用的芯片在915 MHz时的阻抗为34.5一j815,呈现明显的容抗。采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS 10.O对天线进行仿真。经过调试和优化,得到天线的S11曲线,如图6所示。该天线分别在905 MHz和920 MHz有两个谐振频率。在905 MHz时,S11为一28 dB;在920 MHz时,S11为一37 dB,这两个谐振频率都比较窄,通过调整天线,使两个谐振频率靠近915 MHz,以达到增加带宽的目的。该天线增益在915 MHz时仿真结果为0.34 dBi(见图7),满足RFID系统读取的要求。

  

 

  将RFID标签天线分别粘附在装水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金属面、塑料制品上或直接放在空气中,读写器在902~928 MHz中设置广谱跳频,RF功率设置为36 dBm,读写器天线增益为12 dBi。测试读取距离如表1所示。该RFID标签的工作性能在不同物质环境中表现出较为满意的一致性

  

 

  3 结 语

  实验测量表明,该天线在金属表面读取距离为11.5m,在不同物质表面读取距离基本不变,且性能稳定。

关键字:UHF  频段  RFID  标签天线

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0307/article_14831.html
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