一種柔性抗金屬標簽天線的設計

景裕文,崔英花

(北京信息科技大學 信息與通信工程學院,北京 100101)

常見的商業用射頻識別(RFID)標簽分為硬質標簽及柔性標簽兩種。硬質標簽通常采用傳統的PCB加工工藝,該類工藝技術成熟、采用標準化設計、加工精度較高且擁有良好的力學性能和電氣性能[1]。在許多新的應用場合,標簽要貼在非平坦表面物體上,如煤氣罐和滅火器等圓柱體表面、紙箱和書本的邊緣等,此時硬質平面結構標簽不易與被貼標簽物體低剖面共形,同時貼不牢固、容易折壞,最重要的是標簽天線性能會發生變化[2]。柔性天線的基底采用的是價格低廉且易得的紙張、塑料薄膜和織物等,所以它具有可彎曲、易共形、質量小等優點[3]。

文獻[4]研究一種柔性標簽發生圓弧形彎曲和垂直折疊形變時天線性能的變化及對RFID系統讀取距離的影響,研究表明標簽天線隨著彎曲形變的加大,天線的增益和輻射效率明顯惡化,對讀取距離的影響也較大。文獻[5]提出一種小型柔性抗金屬標簽天線,利用陶瓷粉末(BaTiO3)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制成的介質基板具有柔性和高介電常數的特性,天線結構為變形的單層T型偶極子,結構相對簡單,但是天線性能對彎曲變化較敏感。文獻[6]提出一種可手戴RFID標簽天線,天線采用雙層結構,整體厚度為4.5 mm,天線彎曲后在工作頻率處發生頻率偏移,彎曲后最大讀取距離為1.5 m。文獻[7-8]采用導電織物材料來設計柔性可穿戴標簽天線,構造類似短路貼片結構的標簽天線,以增大頻帶寬度,但是天線結構復雜,增益較低,讀取距離較小。文獻[9]介紹了一種新的RFID生產方式,采用Walki-4E技術通過激光切割鋁箔層來設計天線圖案,為柔性電路板的設計提供便利。

本文通過對上述文獻的分析與總結,提出一種新穎的單層共形天線設計,具有抗金屬性、對所貼附物體表面的彎曲性不敏感、識讀距離遠的特點。采用PET(滌綸)作為天線基材,可滿足柔性基材的要求,其在高溫高頻下,電性能較高,耐疲勞性、耐摩擦性、尺寸穩定性都很好。通過在基材正反面鍍銅,并利用Walki-4E技術進行激光切割來設計天線圖案,標簽具有單層結構,制作簡單。并對天線彎曲性能進行理論分析,設計天線結構,通過軟件仿真驗證設計的合理性。

1 天線結構分析

如圖1所示為平面結構的標簽天線,天線主要由三部分組成,底板、介質基板和輻射貼片。輻射貼片可以分成兩部分,第一部分挖掉一矩形槽,第二部分將矩形槽中間再插入一個比矩形槽小的金屬貼片,最后構成一個環形槽孔。

圖1 天線結構圖Fig.1 Antenna structure diagram

當天線彎曲時微帶線對地的電場有切線方向的向量,可等效為天線串聯一個電容從而導致頻率往高頻偏移。為了減小這種影響,首先可以減少天線金屬覆蓋面積,即通過挖掉一個矩形槽來減少串聯電容的值,但是這種做法同時增加了天線表面電流的流徑,即增加了電感,為了削弱這種影響,在矩形槽的中間插入金屬貼片,通過上下兩端耦合此金屬貼片產生反向電流減少貼片天線的電感,造成升頻的作用。

因此在天線彎曲的時候,會因為串聯電容導致頻率升高,但因為挖掉矩形槽而減緩了諧振頻率往高頻偏移的現象,再進一步利用中間金屬貼片產生的作用,使得天線諧振頻率偏移很小。

2 天線參數分析

在該設計中,選用Alien Higgs-3作為參考標簽芯片,工作頻率在915 MHz時的復數阻抗Zchip=31-j212 Ω。為了與該容性阻抗進行共軛匹配,天線采用電感耦合饋電結構,電感耦合匹配使用環形共振腔形成饋入結構提供高電感阻抗,再耦合至輻射體。環形的大小可以調整電抗,環形與輻射體間的耦合強度可以調整電阻,此方法在匹配設計上較為容易。

在饋電環饋電處的輸入阻抗用式1來表示[10]:

式中:Zloop、M和Zrb分別是饋電環輸入阻抗、饋電環和輻射體之間的互感和輻射體的輸入阻抗。基于式1,天線輸入阻抗的電阻Rin和電抗Xin可以表示為式(2),式(3):

式中:f0為天線的工作頻率。通過式(2)可知,天線輸入電阻由饋電環和輻射體之間的互感決定,可以通過調節饋電環尺寸和饋電環與輻射體的距離來調節其大小。對于天線輸入電抗,主要受到饋電環尺寸的影響,如式(4)所示:

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式中:LL為饋電環長度;WL為饋電環寬度;s為饋電環線寬。

對于矩形輻射貼片,考慮到邊緣短效應后,實際上的輻射單元長度L如式(5)所示:

式中:c為自由空間波長,值為3.0×108m/s;εeff為有效介電常數;△L為等效輻射縫隙長度;可以分別用式6,式(7)表示:

式中:εr為介質的相對介電常數;h為介質厚度;W為矩形貼片的寬度。

采用電感耦合饋電使天線工作頻率在915 MHz時與芯片阻抗共軛匹配,此時基材的εr=3.9,介質損耗角正切 tanδ=0.003。 介質厚度h為 1.5 mm,滿足天線低輪廓要求。輻射貼片的寬度W為10 mm,可滿足天線尺寸的小型化。相應的天線結構圖如圖1所示。

優化后的參數如表1所示。

表1 天線參數Tab.1 The antenna parameters mm

3 仿真結果及分析

在RFID測試系統中,天線回波損耗(S11)的定義如式(8)所示:

式中:Zchip為芯片阻抗;Z?ant為天線輸入阻抗的共軛。天線在平面結構時的仿真結果如圖2所示。通過圖2(a)、(b)可以觀察到,天線在工作頻率915 MHz時的回波損耗為-38.7 dB,此時的天線的輸入阻抗為28+j212 Ω,與芯片阻抗Zchip=31-j212 Ω匹配良好。圖2(c)為天線在垂直于天線平面方向的方向圖,天線在E面具有全向性的特點,可以觀察到天線的最大增益為-11 dB。

圖2 平面結構天線性能仿真圖Fig.2 Simulation diagrams of plane structure antenna performance

圖3 天線彎曲模型Fig.3 Antenna bending model

功率反射系數表示為標簽天線的反射波功率(Prfl)與入射波功率(Ptag)的比值[11-12],如式(9)所示:

功率傳輸系數(τ)表示入射波功率傳輸到標簽芯片的大小,如式(10)所示:

為了衡量標簽的讀取性能,方便記錄標簽在不同彎曲角度下的行為方式,可以通過定義最大讀取距離d來進行比較,單位為 m,如式(11)所示[5]:

式中:PEIRP為閱讀器發射端等效各向同性功率,這里為3.28 W(即35 dBm);Pir為標簽芯片靈敏度,這里值為-18 dBm;Gr為標簽天線的仿真增益。隨著標簽彎曲角度的不同,分別根據式(8),式(10),式(11)來表示天線回波損耗,其圖以及功率傳輸系數和最大讀取距離隨頻率的變化圖相應的圖形為圖4～6。

圖4 不同彎曲表面天線回波損耗圖Fig.4 Return loss diagram of different curved surface antennas

圖5 不同彎曲表面天線功率傳輸系數圖Fig.5 Power transmission coefficient diagram of different curved surface antennas

圖6 不同彎曲表面天線最大讀取距離仿真圖Fig.6 Maximum read distance simulation diagram of different curved surface antennas

由以上三圖可以觀察到標簽貼附于平面結構物體時的性能要好于彎曲物體,如圖4所示,在工作頻率915 MHz頻率附近,標簽彎曲角度的不同對諧振頻率的影響較小,滿足設計要求。如圖5所示,在工作頻率915 MHz頻率處的傳輸功率都大于0.5,且平面結構時功率傳輸系數接近于1,表明天線性能較好。如圖6所示,使用MATLAB對采集的數據進行處理,可以觀察到在915 MHz頻率附近標簽的最大讀取距離要大于2.5 m。

4 結論

提出一種柔性抗金屬標簽天線,工作頻率為915 MHz,天線整體尺寸為:90 mm×24 mm×1.5 mm, 滿足普通標簽尺寸要求。標簽具有單層結構,對所貼附物體的彎曲性不敏感,在不同彎曲角度下的讀取距離都大于2.5 m。尤其正常的平面結構狀態下標簽功率傳輸系數為0.99,讀取距離大于3.5 m。所設計的標簽天線滿足實際需求。