一種基于RFID的可手戴標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

引言

隨著射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的快速發(fā)展，射頻識(shí)別系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)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(guān)于UHF波段的RFID系統(tǒng)的研究越來越多。無源的RFID標(biāo)簽(Tag)通常由RFID標(biāo)簽芯片和RFID標(biāo)簽天線構(gòu)成。RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)對于RFID系統(tǒng)具有十分重要的作用，近來，關(guān)于RFID標(biāo)簽天線的研究越來越多，尤其是對于900MHz頻段的RFID標(biāo)簽天線。一些基于偶極子結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線已經(jīng)在許多RFID系統(tǒng)中得到成功的應(yīng)用，但是在一些特殊的應(yīng)用中，當(dāng)標(biāo)簽靠近金屬表面或者貼在金屬表面時(shí)，標(biāo)簽天線的阻抗特性會(huì)受到很大的影響，導(dǎo)致讀取距離大大減小，甚至無法工作。這個(gè)問題受到了許多研究者的關(guān)注，在一些文章中提出了可以放置在金屬表面的RFID標(biāo)簽天線，這些天線自身都帶有金屬地結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)放置在金屬表面上時(shí)仍可以良好的工作。但是，這些天線所匹配的RFID標(biāo)簽芯片的阻抗的實(shí)部值都較小，一般都小于20。而現(xiàn)有的一些RFID標(biāo)簽芯片的阻抗實(shí)部接近40，本文所提出的RFID標(biāo)簽天線所使用的RFID標(biāo)簽芯片的阻抗實(shí)部為42。

另一方面，隨著個(gè)人電子通信領(lǐng)域的發(fā)展，可穿戴天線也得到了越來越多的研究。在RFID領(lǐng)域，可穿戴的RFID標(biāo)簽也有著很大的發(fā)展前景。除了當(dāng)RFID標(biāo)簽天線靠近金屬時(shí)會(huì)使天線特性改變外，一般的RFID標(biāo)簽天線在靠近人體的情況下，也會(huì)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(biāo)簽天線，首先對所提出天線的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，然后對將天線戴在手腕上時(shí)的情況進(jìn)行了仿真分析，并制作了天線實(shí)物進(jìn)行了測量。

2 天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的天線是對應(yīng)一種工作在915MHz的RFID標(biāo)簽芯片而設(shè)計(jì)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(biāo)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(gè)對稱的貼片，兩個(gè)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(biāo)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(shè)計(jì)的天線尺寸如表1所示。

表1 RFID標(biāo)簽天線尺寸參數(shù)(單位：mm)

LL1LcW1WHH1

14211330203022.5

3 仿真與測量結(jié)果

因?yàn)楫?dāng)將天線戴在手腕上時(shí)，天線的形狀會(huì)發(fā)生較大的變化，所以天線設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮天線處于平面結(jié)構(gòu)時(shí)的特性外，還需要進(jìn)一步考慮當(dāng)天線被戴在手腕上時(shí)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(dāng)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(dāng)天線發(fā)生形變時(shí)，會(huì)對其阻抗特性產(chǎn)生影響。但可以看到，本文所提出設(shè)計(jì)的天在，當(dāng)天線被彎曲成大概呈手腕形狀時(shí)，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(yàn)證設(shè)計(jì)天線的工作效果，在仿真的基礎(chǔ)上，依照表1中所給出的尺寸制作出一個(gè)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(jìn)行彎曲，進(jìn)而可以戴在手腕上進(jìn)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(biāo)簽天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)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(dāng)天線保持平面結(jié)構(gòu)，最大的讀取距離為2.5m。當(dāng)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(biāo)簽中得到應(yīng)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(shè)計(jì)了一種可以適應(yīng)于手戴應(yīng)用的RFID標(biāo)簽天線。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所設(shè)計(jì)的天線發(fā)生形變，呈環(huán)形時(shí)，會(huì)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(biāo)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(yàn)證所設(shè)計(jì)天線的工作效果，對制作的一加有標(biāo)簽芯片的天線實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際的測量。測量結(jié)果顯示，當(dāng)沒有形變時(shí)天線可實(shí)現(xiàn)的最大讀取距離為2.5m。在發(fā)生形變，戴于手腕上時(shí)，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(shí)際出發(fā)驗(yàn)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(yīng)用于手戴的RFID標(biāo)簽。