UHF频段RFID多应用天线设计

2010-01-06 19:18:27来源: EDNCHINA

 

电子科技大学  邓向东 王亚非 王占平

0 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标签具有体积小,寿命长,能穿透非导电性材料等特点,可支持快速读写、非可视识别、移动识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域,可以大幅提高管理和运作效率,降低成本,具有重大的应用潜力。随着相关技术的不断完善和成熟,RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群,成为国民经济新的增长点。因此,研究RFID技术,发展RFID产业,对提升社会信息化水平,促进经济可持续发展,提高人民生活质量,增强公共安全及国防安全等方面将产生深远影响。具有战略性的重大意义。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。

1 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。



微带RFID贴片天线

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。

传输线模型

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。

微带天线等效电路

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。

两条平行宽缝

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。

天线的S11曲线

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。

仿真结果

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。

测试读取距离

3 结 语

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。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:SL3IC3001  UHF  RFID  天线  射频

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2010/0106/article_308.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
SL3IC3001
UHF
RFID
天线
射频

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved