抗金屬影響超高頻射頻識別柔性天線設(shè)計(jì)

朱傳俊 ,孫 煒, ,李長生

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094;2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

射頻識別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù),利用無線電信號實(shí)現(xiàn)空間分離設(shè)備之間的通信和識別。在物理層面上,RFID 系統(tǒng)主要由發(fā)射器、接收器和上位機(jī)組成。接收器附在被識別的物體上,在有效識別距離內(nèi),發(fā)射器可以在不接觸物體的情況下,對接收器進(jìn)行讀取和寫入操作,從而達(dá)到識別物體、處理物體信息或發(fā)送信息的目的[1-2]。RFID 技術(shù)目前已在數(shù)據(jù)集成和管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。低頻RFID系統(tǒng)主要應(yīng)用于畜牧業(yè)管理、門禁和安全管理、自動加油系統(tǒng)等信息傳遞距離較近的場合;高頻RFID 系統(tǒng)主要應(yīng)用于圖書管理、大型會議人員通道、智能貨架管理等需要一定識別距離的場合;超高頻(Ultra-High Frequency,UHF) RFID 系統(tǒng)主要應(yīng)用于生產(chǎn)供應(yīng)鏈管理、航空包裹管理、港口集裝箱管理等要求數(shù)據(jù)傳輸效率較高、識別距離較遠(yuǎn)的場合;微波RFID系統(tǒng)主要應(yīng)用于物品追蹤、工業(yè)自動化生產(chǎn)管理等要求數(shù)據(jù)快速、定向、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱龊蟍3-5]。

超高頻RFID 系統(tǒng)工作在860～960 MHz 頻段,空氣環(huán)境下傳輸距離可達(dá)1 m 以上,但對環(huán)境十分敏感,尤其是在金屬條件下,金屬對收發(fā)天線自身性能以及對電磁波反射的影響使傳輸距離下降明顯,限制了超高頻RFID 系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用[6-9]?，F(xiàn)有研究成果主要從兩個方向解決這個問題:(1)從金屬的存在對收發(fā)天線自身性能的影響角度出發(fā),Ukkonen 等[10]指出接收器性能受金屬板影響的結(jié)果與金屬板本身尺寸有關(guān),郭宗鑫等[11]指出金屬中的渦流會影響天線能夠捕獲到的能量,使接收天線讀取距離下降,李柏楊等[12]指出金屬磁導(dǎo)率大小是影響天線增益的重要因素;(2)從收發(fā)天線自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料的角度出發(fā),Venneri 等[13]采用吸波材料減少金屬平面對電磁波的反射,Huang 等[14]制作出石墨烯天線,在960 MHz 回波損耗最低可達(dá)-11.6 dB,景裕文等[15]設(shè)計(jì)了一種對工作頻率變化不敏感的可彎曲天線。但上述研究主要是分析金屬板對天線性能的影響,收發(fā)天線位于類似金屬管內(nèi)時如何提高超高頻RFID 系統(tǒng)傳輸距離的研究相對較少。

針對此問題,本文設(shè)計(jì)了一款以聚酰亞胺為承印基材的對稱彎折偶極子微帶天線,分析了天線各結(jié)構(gòu)尺寸對天線回波損耗、駐波比、增益等的影響,仿真出單一參數(shù)的取值范圍,進(jìn)行多參數(shù)聯(lián)合仿真優(yōu)化后得到最優(yōu)傳輸效果下的天線設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)物測試及信息傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,中心頻率為915 MHz 的天線在直徑125 mm 金屬管內(nèi)有效傳輸距離最大為110 mm。

1 金屬管內(nèi)天線仿真模型

為保證RFID 系統(tǒng)有效地工作,一般要求天線增益大于3 dB,回波損耗小于-10 dB,駐波比小于2。本文研究的超高頻RFID 系統(tǒng)工作在902～928 MHz 頻段,該系統(tǒng)收發(fā)端天線對稱放置于直徑125 mm 金屬管內(nèi),天線的饋電中心與金屬管中心軸線重合,收發(fā)端電路模塊根據(jù)需要位于金屬管內(nèi)或管外。

天線種類多樣,微帶天線因具有質(zhì)量輕、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)在航天和軍工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,但在金屬管內(nèi)傳輸性能下降明顯;對稱偶極子天線是超高頻RFID 系統(tǒng)中最常采用的天線類型,但在天線臂長與輸入信號波長的比值大于0.625 時輻射減弱、增益下降,一般通過把直線型振子臂改為曲線振子臂的方式增強(qiáng)輻射及改善天線增益。本文結(jié)合兩種天線的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款對稱彎折偶極子微帶天線,考慮到具體應(yīng)用場合與調(diào)研結(jié)果,選擇聚酰亞胺薄膜作為天線的承印基材,此材料制成的天線厚度不超過0.1 mm,允許一定程度的彎折,具有一定的柔性,不會輕易損壞。根據(jù)華南理工大學(xué)賴曉錚等的研究,天線諧振特性會隨偶極子天線彎折次數(shù)的不同發(fā)生改變,在超高頻頻段內(nèi)天線彎折一次時諧振特性最佳[16],同時為了便于天線的阻抗匹配,加工實(shí)物時在兩個彎折臂之間添加短截線作為連接,其初始幾何結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示。通過改變天線的臂長、臂寬等參數(shù)使天線最佳諧振頻率為915 MHz,依據(jù)表1 天線各參數(shù)初始尺寸建立對稱彎折偶極子微帶天線仿真模型,如圖1(b)所示。

圖1 對稱彎折偶極子微帶天線。(a) 結(jié)構(gòu)圖;(b) 仿真模型Fig.1 Symmetrically bending dipole microstrip antenna.(a) Structure diagram;(b) Simulation model

2 天線參數(shù)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

取對稱彎折偶極子微帶天線振子的主臂垂直寬度H1作為變量,其他尺寸與表1 相同,分析H1對天線回波損耗和駐波比的影響,仿真結(jié)果分別如圖2(a)和(b)所示。隨著H1的增大,天線的諧振頻點(diǎn)不斷減小,諧振頻點(diǎn)處回波損耗與駐波比逐漸增大。結(jié)合圖2(c)和(d)所示對H1為30 mm 附近數(shù)值進(jìn)一步的仿真分析結(jié)果,H1應(yīng)在30～32 mm 內(nèi)取值。

圖2 H1對天線性能的影響。(a) 回波損耗;(b) 駐波比;(c) 回波損耗(細(xì)化);(d) 駐波比(細(xì)化)Fig.2 Effects of H1 on antennas.(a) Return loss;(b) Standing wave ration;(c) Return loss (enlarged);(d) Standing wave ration (enlarged)

取短截線垂直寬度H2為變量,其他尺寸與表1 相同,分析H2對天線回波損耗和駐波比的影響,仿真結(jié)果如圖3 所示。隨著H2的增大,天線的諧振頻點(diǎn)不斷增大,但增長幅度較小,都在902～928 MHz 頻段內(nèi),對應(yīng)天線諧振頻點(diǎn)的回波損耗和駐波比逐漸增大。分析圖中數(shù)據(jù)可知,915 MHz 諧振頻率下天線的回波損耗和駐波比先減小后增大,H2取值應(yīng)為6～8 mm。

圖3 H2對天線性能的影響。(a) 回波損耗;(b) 駐波比Fig.3 Effects of H2 on antennas.(a) Return loss;(b) Standing wave ration

表1 天線初始尺寸參數(shù)表Tab.1 Initial values of antenna

將天線長度L3作為變量,其他尺寸與表1 相同,分析L3對天線回波損耗和駐波比的影響,仿真結(jié)果分別如圖4(a)和(b)所示。當(dāng)L3過長或者過短時,在諧振頻點(diǎn)天線的回波損耗變大,匹配下降,反射功率增大,且此時天線的駐波比在諧振頻點(diǎn)都大于2.5,阻抗不匹配。結(jié)合圖4(c)和(d)細(xì)化仿真分析結(jié)果,L3取值應(yīng)為70～80 mm。

上述仿真結(jié)果顯示各結(jié)構(gòu)尺寸過大或過小時天線的回波損耗與駐波比都處于合理設(shè)計(jì)范圍外,性能匹配下降。結(jié)合圖2～圖4 仿真結(jié)果給出的主臂垂直寬度、短截線垂直寬度和天線長度的取值范圍進(jìn)行多參數(shù)聯(lián)合仿真,優(yōu)化表1 中各項(xiàng)變量數(shù)值,所設(shè)計(jì)的對稱彎折偶極子微帶天線最終尺寸如表2 所示。

表2 優(yōu)化后天線設(shè)計(jì)尺寸Tab.2 Optimized values of antenna

圖4 L3對天線性能的影響。(a) 回波損耗;(b) 駐波比;(c) 回波損耗(細(xì)化);(d) 駐波比(細(xì)化)Fig.4 Effects of L3 on antennas.(a) Return loss;(b) Standing wave ration;(c) Return loss (enlarged);(d) Standing wave ration (enlarged)

優(yōu)化后天線各項(xiàng)性能參數(shù)如圖5 所示,在金屬管內(nèi)最大增益為3.36 dB,天線的回波損耗最小低于-25 dB。駐波比小于2 的頻段為904～935 MHz,回波損耗小于-10 dB的頻段為904～935 MHz,天線的中心頻率為915 MHz,根據(jù)仿真的史密斯圓圖,天線阻抗匹配參數(shù)為(56.10-7.28j) Ω。仿真分析結(jié)果顯示該參數(shù)下天線各項(xiàng)性能都滿足本文對金屬管內(nèi)天線的設(shè)計(jì)要求。

圖5 優(yōu)化后天線性能仿真結(jié)果。(a) 增益;(b) 回波損耗與駐波比;(c) 阻抗匹配Fig.5 Simulation performances of optimization antenna.(a) Gain;(b) Return loss and standing wave ration;(c) Impedance matching

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 金屬管內(nèi)超高頻RFID 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的對稱彎折偶極子微帶天線在金屬管內(nèi)傳輸性能是否符合設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了一套金屬管內(nèi)超高頻RFID 傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)方案原理圖如圖6所示。

圖6 金屬管內(nèi)超高頻RFID 傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)Fig.6 Design of UHF RFID transmission system in the metal tube

該系統(tǒng)由信息發(fā)送模塊、發(fā)射天線、接收天線與信息接收模塊組成。對天線性能進(jìn)行測試時,上位機(jī)輸入待測試裝定信息,通過射頻裝定模塊傳遞給發(fā)射天線,發(fā)射天線將裝定信息發(fā)送出去;信息接收模塊通過天線接收到信息發(fā)送模塊發(fā)送的裝定信息,經(jīng)信息接收電路讀取裝定信息,通過與發(fā)送的信息進(jìn)行對比以驗(yàn)證信息傳輸是否正確。

信息發(fā)送模塊核心是射頻裝定模塊,工作環(huán)境為直徑125 mm 的金屬管,由于空間尺寸的限制,選用的是JT-2850超高頻RFID 讀寫模塊;射頻接收模塊選用的是EM4325 半無源射頻芯片,射頻載波頻率為860～960 MHz,有無源模式與電池輔助供電模式兩種工作狀態(tài),接收裝定信息時工作在無源模式,提取裝定信息時工作在電池輔助供電模式,通過SPI 串口進(jìn)行通信。

3.2 天線性能測試

根據(jù)表2 中對稱彎折偶極子微帶天線設(shè)計(jì)尺寸,制作了圖7(a)所示聚酰亞胺柔性天線。將天線置于金屬管內(nèi),用E5062A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對設(shè)計(jì)的實(shí)物天線性能進(jìn)行測試,測量天線的回波損耗、駐波比和輸入阻抗等參數(shù),結(jié)果分別如圖7(b)～(d)所示,在915 MHz 諧振頻率時,天線的回波損耗為-17.58 dB,駐波比為1.38,阻抗匹配為(58.14+13.53j) Ω,金屬管內(nèi)天線性能符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 聚酰亞胺柔性天線性能測試結(jié)果。(a) 實(shí)物圖;(b) 回波損耗;(c) 駐波比;(d) 阻抗匹配Fig.7 Test performances of polyimide flexible antenna.(a) Physical picture;(b) Return loss;(c) Standing wave ration;(d) Impedance matching

將設(shè)計(jì)的對稱彎折偶極子微帶天線置于微波暗室中,測量該天線在設(shè)計(jì)頻率點(diǎn)的增益,如圖8 所示,微波暗室的四周和頂面都鋪設(shè)有吸波材料,以盡可能地吸收天線的反射波。測試過程中,將直徑為125 mm的金屬管放置在接收天線位置,接收天線通過SMA 接口與測試裝置相連并放置在金屬管內(nèi),將標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線置于發(fā)射端作為發(fā)射天線,其掃頻范圍為890～935 MHz。接收端緩慢旋轉(zhuǎn)180°接收發(fā)射端天線發(fā)出的電磁波信號。

圖8 天線增益測試Fig.8 The antenna gain test

發(fā)射端所使用的喇叭天線為西安恒達(dá)公司的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線。標(biāo)準(zhǔn)天線的增益G0為10.9 dB,假設(shè)樣品天線的增益為G,標(biāo)準(zhǔn)天線最大電平為V0,樣品天線最大電平為V,則天線的增益為:

代入915 MHz 時天線的測試數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)天線最大電平V0為51.36 dB,樣品天線最大電平V為37.19 dB,則測試天線的增益為:

計(jì)算得出的增益與仿真所得增益3.36 dB 誤差很小,僅為2.7%。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真分析基本一致,證明了該天線模型的正確性。

3.3 信息傳輸測試

根據(jù)圖6 設(shè)計(jì)的金屬管內(nèi)超高頻RFID 傳輸系統(tǒng)制作出原理樣機(jī)進(jìn)行信息傳輸實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置如圖9(a)所示。將所設(shè)計(jì)的收發(fā)天線貼在不同寬度的圓柱標(biāo)定塊上,通過SMA 接口與信息發(fā)送模塊的一端相連,并置于直徑125 mm 的金屬管內(nèi),信息發(fā)送模塊的另一端與上位機(jī)相連,用直流電源進(jìn)行供電。系統(tǒng)上電后,通過串口助手發(fā)送數(shù)據(jù),如圖9(b)所示,上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是“12 34”,反饋數(shù)據(jù)的倒數(shù)第二位為“00” 表明向接收天線中寫入數(shù)據(jù)成功,多次重復(fù)測試結(jié)果顯示數(shù)據(jù)寫入均正確。在IAR 仿真平臺中讀取信息,如圖9(c)所示,接收到的信息為“12 34”,讀取到的數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)一致。實(shí)驗(yàn)中測得收發(fā)天線最大有效工作距離是110 mm。

圖9 信息傳輸實(shí)驗(yàn)。(a) 實(shí)驗(yàn)裝置;(b) 寫入數(shù)據(jù);(c) 讀取數(shù)據(jù)Fig.9 Information transmission experiment.(a) Experimental devices;(b) Write data;(c)Read data

綜上所述,本文設(shè)計(jì)的以聚酰亞胺為基底的對稱彎折偶極子微帶天線的增益、回波損耗與駐波比都滿足設(shè)計(jì)要求,收發(fā)天線間通信正常。進(jìn)行天線信息傳輸實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)該天線允許一定錯位,即收發(fā)天線不保持嚴(yán)格的對稱狀態(tài)不影響傳輸性能,同時將天線置于金屬管內(nèi)不同位置時不影響信息傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這個優(yōu)點(diǎn)為聚酰亞胺柔性天線的應(yīng)用帶來了便利。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新型柔性天線,在偶極子天線基礎(chǔ)上引入微帶天線結(jié)構(gòu),天線尺寸為78 mm×31.5 mm,采用聚酰亞胺為基底,厚度不到0.1 mm。對天線實(shí)物的性能測試表明該天線符合設(shè)計(jì)要求,且允許一定的錯位,在金屬管內(nèi)位置不影響信息傳輸性能,故未來可將此柔性天線應(yīng)用于武器裝備中,如坦克膛內(nèi)信息裝定,引信位于彈尾,將該天線貼在引信表面,通過裝定器完成彈藥與武器平臺間的信息交聯(lián),實(shí)現(xiàn)引信起爆方式選擇、彈道修正和彈藥初始信息加載,解決坦克炮彈首發(fā)命中難題。