一種可穿戴的UHF RFID標(biāo)簽彎折天線設(shè)計(jì)*

盧善勇,陸 翔,鄧 云

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系,南寧 530226;2.廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,南寧 530004)

一種可穿戴的UHFRFID標(biāo)簽彎折天線設(shè)計(jì)*

盧善勇1*,陸 翔2,鄧 云1

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系,南寧 530226;2.廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,南寧 530004)

針對可穿戴的人體跟蹤以及監(jiān)測問題,提出了一種小型的紡織RFID標(biāo)簽彎折天線,該天線主要由導(dǎo)電線繡成的4個(gè)字母文本構(gòu)成,具有文本彎折的幾何結(jié)構(gòu)以及鋸齒形穿線結(jié)構(gòu),天線尺寸較小,即:65 mm×24 mm×0.46 mm,與普通文字標(biāo)簽的尺寸相似。并對該標(biāo)簽進(jìn)行了優(yōu)化,以便在工作頻率(即:910 MHz)條件下與RFID芯片阻抗實(shí)現(xiàn)共軛匹配。最后,利用雙端口差分探頭對若干標(biāo)簽進(jìn)行了測量,該探頭適用于平衡的RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。在測試實(shí)驗(yàn)中,對帶有不同線跡圖案以及各種導(dǎo)電線直徑的標(biāo)簽進(jìn)行了檢測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出標(biāo)簽阻抗的實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合,證明了提出標(biāo)簽設(shè)計(jì)和測量方法的有效性。

可穿戴;導(dǎo)電線;阻抗測量;RFID天線

射頻識別(RFID)系統(tǒng)廣泛用于無線支付、資產(chǎn)管理、人體跟蹤以及監(jiān)測等領(lǐng)域[1-2]。在人體監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域使用的RFID標(biāo)簽中,可利用導(dǎo)電線將天線繡在普通的衣物內(nèi)[3]。利用高導(dǎo)電率的導(dǎo)電線,制成的可穿戴RFID標(biāo)簽天線具備較好的接收性能、靈活性以及耐用性。利用傳統(tǒng)刺繡技術(shù)能夠制成帶有復(fù)雜圖案以及精美外形的標(biāo)簽[4]。

研究人員對以紡織材料為介質(zhì)基板的導(dǎo)電線可穿戴天線表現(xiàn)出了極大的興趣,因此對天線的輸入阻抗、方向性、增益以及輻射效率等關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]指出通過優(yōu)化導(dǎo)電線的縫制花樣能夠擴(kuò)展其方向性。文獻(xiàn)[6]對導(dǎo)電線密度對天線增益的影響進(jìn)行了探討,并指出縫合密度會降低有效導(dǎo)電率,從而降低輻射效率。文獻(xiàn)[7]對輻射效率與導(dǎo)電線直徑以及織物密度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:導(dǎo)電線越厚,并且編織線之間的間隔越大,就越能夠增強(qiáng)輻射效率。

特別是對于RFID標(biāo)簽天線而言,輸入阻抗(Zant)是最重要的設(shè)計(jì)因數(shù)。標(biāo)簽阻抗應(yīng)該與RFID芯片阻抗(Zchip)成共軛匹配,以便獲得最佳性能。所以,準(zhǔn)確描繪標(biāo)簽阻抗的特性至關(guān)重要。由于支路之間的電流不平衡等原因,單端探頭技術(shù)[8]等傳統(tǒng)測量方法并不適用于帶有平衡饋電結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽。平衡-不平衡變換探頭方法[6]能夠在一定程度上解決不平衡電流問題;但是,測量數(shù)據(jù)的精確度仍無法確定。

以紡織材料為基板,本文提出了一種基于導(dǎo)電線的RFID標(biāo)簽彎折天線的設(shè)計(jì)、制造以及阻抗測量過程,該RFID標(biāo)簽天線是在超高頻(UHF)段(900 MHz～920 MHz)條件下運(yùn)行。標(biāo)簽是由隨機(jī)的4個(gè)字母組成。利用全波模擬對線跡圖案以及導(dǎo)電線直徑對天線性能的影響進(jìn)行了檢測。在測量樣機(jī)阻抗方面,使用了雙端口差分探頭技術(shù)[9]以便增強(qiáng)測量的精確度。將測量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比能夠得出本文提出的設(shè)計(jì)以及測量方法的有效性。

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)

1 提出的天線設(shè)計(jì)

1.1 天線的幾何結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)

圖1(a)和圖1(b)分別為本文提出的RFID標(biāo)簽的正面和背面。文本彎折的偶極呈“TUSH”狀,字母為隨機(jī)選取。每個(gè)字母是由標(biāo)簽背面的導(dǎo)電線相連。導(dǎo)電線組成了T型匹配電路,該電路與字母“U”和字母“S”之間的RFID芯片相連。本文使用的RFID芯片是由美國意聯(lián)科技公司生產(chǎn)。在800 MHz～1 GHz的頻率范圍內(nèi),芯片阻抗在21-j150 Ω～13-j121 Ω的范圍內(nèi)變化;其中,在910 MHz(工作頻段的中間)的條件下Zchip=16-j133 Ω。本文使用的導(dǎo)電線是由Syscom Advanced Material公司生產(chǎn)的鍍銀導(dǎo)電線,其導(dǎo)電率高達(dá)105S/m;基片是暗棕色織物,其厚度為t=0.46,介電常數(shù)εr和損耗角正切tanδ分別為1.3和0.023[10]。導(dǎo)電線的厚度取決于絞結(jié)在一起的長絲數(shù)量。我們分別使用了帶有20個(gè)長絲和40個(gè)長絲的導(dǎo)電線,如果將它們拉伸并平鋪在基片上,可得知導(dǎo)電線的寬度分別為w1=0.4 mm和0. 65 mm。

4個(gè)字母圖案的初始長度接近于910 MHz的半波長。基于此,可以推算出字符與字符之間的長度以及字符的水平長度。我們保持字符長度相同,以便進(jìn)行天線調(diào)諧過程,如圖1(a)所示。在共軛匹配情況下,T型匹配長度為ls。

根據(jù)給出的Zchip,如果l和ls增加,輻射電阻以及電抗就會越大。參考文獻(xiàn)[10]中記錄了相似的觀察結(jié)果。考慮到材質(zhì)屬性以及導(dǎo)電線和基片的尺寸,根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]中的數(shù)值,我們可以利用全波模擬對l和ls進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。表1提供了l和ls的最優(yōu)值以及其他參數(shù)。標(biāo)簽的總體覆蓋區(qū)尺寸為65 mm×24 mm×0.46 mm,在工作頻率為910 MHz的條件下足夠緊密。

表1 天線參數(shù) 單位:mm

圖2 模擬模型比較結(jié)果

1.2 天線參數(shù)分析

為了更加獲得更加精確地測量結(jié)果,對包含線跡圖案、線跡密度和導(dǎo)電線寬度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了模擬分析。例如,標(biāo)簽的正面和背面分別是直線線跡圖案和傾斜的線跡圖案(如圖1所示),均用于模擬模型中。為了證明其重要性,我們對帶有線跡圖案的模擬結(jié)果與未帶線跡圖案的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。圖2(a)和圖2(b)是被比較的模擬模型,圖2(c)是800 MHz～1 GHz的頻率范圍內(nèi)模擬中的實(shí)際阻抗和理想阻抗。“帶有線跡圖案”的阻抗高于“未帶線跡圖案”的阻抗。需特別指出,在910 MHz的條件下,“帶有線跡圖案”的模型電阻(40 Ω)是“未帶線跡圖案”的模型電阻兩倍以上。標(biāo)簽有效孔徑的增加導(dǎo)致電阻增加,從而致使輻射電阻較大。在包含了線跡圖案的模擬模型中,方向性從0.6提升至1.7。

同樣也通過全波模擬對線跡密度對標(biāo)簽阻抗的影響進(jìn)行了研究。圖3(a)和圖3(b)分別是線跡稀疏(g=1.56 mm)并且密度為11個(gè)線跡的標(biāo)簽,和線跡稀疏(g=0.53 mm)并且密度為22個(gè)線跡的標(biāo)簽。例如,當(dāng)線跡數(shù)量為11并且g=1.56 mm以及線跡數(shù)量為22并且g=0.53 mm時(shí),形成了高度為h的鋸齒形線跡。如圖3(c)所示,由于縫隙小于UHF段內(nèi)的波長,阻抗幾乎不受線跡密度變化的影響。

圖3 線跡密度對阻抗的影響

圖4 實(shí)際阻抗與理想阻抗之間的對比。

另一個(gè)參數(shù)研究是改變導(dǎo)電線寬度。分別測試了導(dǎo)電線寬度為w1=0.4 mm和0.65 mm的標(biāo)簽。在本文中,沿字母高度h的鋸齒形線跡數(shù)量固定為11。如圖4所示,阻抗比較表明,實(shí)際阻抗以及理想阻抗會隨著w1的增加而減少。更具體地說,在910 MHz的條件下,如果w1從0.4 mm增加至0.65 mm,阻抗會在35+j133 Ω～25+j127 Ω的范圍內(nèi)變化。實(shí)際阻抗較低的原因在于損耗電阻降低,然后導(dǎo)電線的有效導(dǎo)電率增加。理想阻抗較低的原因在于寬導(dǎo)電線上線跡之間的電容增加。

2 天線制造

本文采用下列兩種方法制作了最佳標(biāo)簽?zāi)Ｐ?(1)利用織針手工縫制圖案;(2)利用電腦縫紉機(jī)自動繡出圖案。對于后者而言,我們利用電磁仿真工具(Ansys HFSS)輸出了最佳模型,然后將其輸入數(shù)字化刺繡軟件(Brother PEDesign),該軟件可控制電腦縫紉機(jī)(Brother NV-900)。數(shù)字化刺繡軟件能夠自動檢測字母的邊界以及輸入模型的指定工作區(qū)域。此外,由于能夠手動選擇數(shù)字化圖案、密度以及加工速度,該軟件提供了自定義刺繡選項(xiàng)。

圖5(a)是通過數(shù)字化刺繡軟件獲得的線跡圖案,圖5(b)是自動繡出的標(biāo)簽。對于后者而言,該標(biāo)簽的均勻性較好,并且制作誤差較少。需注意,在兩種情況下,我們使用的是包含了20個(gè)長絲(w1=0.4 mm)的導(dǎo)電線。由于抗拉強(qiáng)度較大,在刺繡過程中,將包含了40個(gè)長絲(w1=0.65 mm)的導(dǎo)電線纏在穿梭箱內(nèi)。

圖5 線跡圖案以及標(biāo)簽實(shí)物圖

3 天線測量結(jié)果

3.1 阻抗測量

為了測量標(biāo)簽阻抗,我們使用了雙端口差分探頭,這是測量平衡RFID標(biāo)簽阻抗最有效的測試裝置[7,10]。在此,不平衡單端口同軸探頭等傳統(tǒng)測試固定裝置并不適用,原因在于T型匹配電路上兩個(gè)支路的電流量差不多。

雙端口差分探頭方法是根據(jù)雙端口微波網(wǎng)絡(luò)原理提出的。圖6(a)是RFID芯片以及標(biāo)簽連接的簡化圖。連接芯片的兩個(gè)支路處的電位差的幅值相同但是相位卻相反。就這一點(diǎn)而言,通過用測試裝置(即:雙端口差分探頭)代替芯片(二者的電位差相同)可以對標(biāo)簽阻抗進(jìn)行測量。圖6(b)是與雙端口差分探頭相連的標(biāo)簽的等效電路。該等效電路可被簡化為雙端口π網(wǎng)絡(luò),如圖6(c)所示。因此,天線阻抗可表示為:

Zant=(Zd1+Zd2)||Za

(1)

圖6 用于標(biāo)簽阻抗測量的等效電路

圖7 與標(biāo)簽以及向量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)相連的測試探頭

本文利用安立MS2038C向量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行了測量。圖7是與標(biāo)簽以及VNA相連的雙端口差分探頭。該探頭包含兩個(gè)同軸電纜。外導(dǎo)體焊接在一起,以便連接同一根地線。外導(dǎo)體的一端剝?nèi)チ送馄?所以突出的內(nèi)導(dǎo)體能夠與標(biāo)簽相連。在連接標(biāo)簽之前,應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的短路-開路-負(fù)載-穿透(SOLT)校準(zhǔn)。

3.2 測量結(jié)果

本文采用雙端口差分探頭方法對標(biāo)簽阻抗進(jìn)行了測量。圖8(a)和圖8(b)分別是手工縫制的標(biāo)簽和自動繡出的標(biāo)簽的測量結(jié)果以及模擬結(jié)果。表2總結(jié)了在910 MHz的條件下的測量阻抗以及模擬阻抗。除了頻率出現(xiàn)周期性變化以外,測量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合,該變化是由探頭校準(zhǔn)誤差引起的。由于在VNA端口進(jìn)行了校準(zhǔn),并非探頭頂部,因此從VNA端口到探頭頂部的不確定性會一直存在,并會對阻抗測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖8 標(biāo)簽的阻抗測量結(jié)果

模擬結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果手工縫制42+j136Ω42+j138Ω自動縫制42+j136Ω35+j134Ω

對于自動繡出的標(biāo)簽而言,由于制作缺陷,測量電阻低于模擬電阻。電阻同樣也取決于刺繡區(qū)域的有效導(dǎo)電率。對于自動繡出的標(biāo)簽而言,如果導(dǎo)電線被緊緊地綁在刺繡區(qū)域內(nèi)的基片上,其有效導(dǎo)電率會下降,從而導(dǎo)致總厚度降低。

4 結(jié)論

本文提出了一種在織物基片上的UHF RFID標(biāo)簽彎折天線。標(biāo)簽圖案是由導(dǎo)電線彎折的4個(gè)字母組成。由于具有文本彎折的幾何結(jié)構(gòu)以及鋸齒形穿線結(jié)構(gòu),天線尺寸較小,即:65 mm×24 mm×0.46 mm,與普通名字標(biāo)簽的尺寸相似。因此,本文提出的標(biāo)簽?zāi)軌蜉p易地別在衣物上,適用于人體跟蹤以及監(jiān)測。利用電腦縫紉機(jī)自動刺繡,減少了制作標(biāo)簽所耗費(fèi)的時(shí)間以及精力,并降低了制作誤差。本文采用雙端口差分探頭方法對樣機(jī)阻抗進(jìn)行了測量。測量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合,證明了提出RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)和測量方法的可行性和有效性。

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DesignofaWearableUHFRFIDTagBendingAntenna*

LUShanyong1*,LUXiang2,DENGYun1

(1.Department of Computer and Electronic Information Engineering,Guangxi Vocational and Technical College,Nanning 530226,China;2.College of Physical Science and Technology,Guangxi University,Nanning 530004,China)

For wearable human tracking and monitoring problems,a small textile RFID tag bending antenna is proposed. The proposed antenna is mainly composed of four letter text,which is made of a conductive wire,and has the geometric structure of the bending of the text and the zigzag thread structure. The antenna is small in size 65 mm×24 mm×0.46 mm which is similar to the size of the common text label. And the label was optimized to achieve the conjugate match with the RFID chip impedance at the operating frequency(910 MHz). Finally,some labels were measured using a two port differential probe,and the probe was applied to the balanced RFID tag structure. In the experimental test,the label with different line trace pattern and a variety of wire diameter were detected. The experimental results show that the measured results are in agreement with the simulation results which demonstrate the effectiveness of the proposed label design and methods of measurement

wearable;guide wire;impedance measurement;RFID antenna

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.007

項(xiàng)目來源:廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016LX492)

2016-08-30修改日期2016-10-21

TN832

A

1005-9490(2017)05-1083-05

盧善勇(1977-),男,壯族,廣西龍州,廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,本科,講師,主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿油ㄐ偶夹g(shù)、通信電源技術(shù),lushanyong530226@sina.com;

陸翔(1973-),男,壯族,廣西扶綏,廣西大學(xué),博士,高級實(shí)驗(yàn)師,碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⑻幚?

鄧云(1983-),男,漢族,廣西全州,廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,碩士,講師,主要研究領(lǐng)域?yàn)榭刂乒こ獭?/p>