一种柔性抗金属标签天线的设计

景裕文,崔英花

(北京信息科技大学 信息与通信工程学院,北京 100101)

常见的商业用射频识别(RFID)标签分为硬质标签及柔性标签两种。硬质标签通常采用传统的PCB加工工艺,该类工艺技术成熟、采用标准化设计、加工精度较高且拥有良好的力学性能和电气性能[1]。在许多新的应用场合,标签要贴在非平坦表面物体上,如煤气罐和灭火器等圆柱体表面、纸箱和书本的边缘等,此时硬质平面结构标签不易与被贴标签物体低剖面共形,同时贴不牢固、容易折坏,最重要的是标签天线性能会发生变化[2]。柔性天线的基底采用的是价格低廉且易得的纸张、塑料薄膜和织物等,所以它具有可弯曲、易共形、质量小等优点[3]。

文献[4]研究一种柔性标签发生圆弧形弯曲和垂直折叠形变时天线性能的变化及对RFID系统读取距离的影响,研究表明标签天线随着弯曲形变的加大,天线的增益和辐射效率明显恶化,对读取距离的影响也较大。文献[5]提出一种小型柔性抗金属标签天线,利用陶瓷粉末(BaTiO3)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制成的介质基板具有柔性和高介电常数的特性,天线结构为变形的单层T型偶极子,结构相对简单,但是天线性能对弯曲变化较敏感。文献[6]提出一种可手戴RFID标签天线,天线采用双层结构,整体厚度为4.5 mm,天线弯曲后在工作频率处发生频率偏移,弯曲后最大读取距离为1.5 m。文献[7-8]采用导电织物材料来设计柔性可穿戴标签天线,构造类似短路贴片结构的标签天线,以增大频带宽度,但是天线结构复杂,增益较低,读取距离较小。文献[9]介绍了一种新的RFID生产方式,采用Walki-4E技术通过激光切割铝箔层来设计天线图案,为柔性电路板的设计提供便利。

本文通过对上述文献的分析与总结,提出一种新颖的单层共形天线设计,具有抗金属性、对所贴附物体表面的弯曲性不敏感、识读距离远的特点。采用PET(涤纶)作为天线基材,可满足柔性基材的要求,其在高温高频下,电性能较高,耐疲劳性、耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。通过在基材正反面镀铜,并利用Walki-4E技术进行激光切割来设计天线图案,标签具有单层结构,制作简单。并对天线弯曲性能进行理论分析,设计天线结构,通过软件仿真验证设计的合理性。

1 天线结构分析

如图1所示为平面结构的标签天线,天线主要由三部分组成,底板、介质基板和辐射贴片。辐射贴片可以分成两部分,第一部分挖掉一矩形槽,第二部分将矩形槽中间再插入一个比矩形槽小的金属贴片,最后构成一个环形槽孔。

图1 天线结构图Fig.1 Antenna structure diagram

当天线弯曲时微带线对地的电场有切线方向的向量,可等效为天线串联一个电容从而导致频率往高频偏移。为了减小这种影响,首先可以减少天线金属覆盖面积,即通过挖掉一个矩形槽来减少串联电容的值,但是这种做法同时增加了天线表面电流的流径,即增加了电感,为了削弱这种影响,在矩形槽的中间插入金属贴片,通过上下两端耦合此金属贴片产生反向电流减少贴片天线的电感,造成升频的作用。

因此在天线弯曲的时候,会因为串联电容导致频率升高,但因为挖掉矩形槽而减缓了谐振频率往高频偏移的现象,再进一步利用中间金属贴片产生的作用,使得天线谐振频率偏移很小。

2 天线参数分析

在该设计中,选用Alien Higgs-3作为参考标签芯片,工作频率在915 MHz时的复数阻抗Zchip=31-j212 Ω。为了与该容性阻抗进行共轭匹配,天线采用电感耦合馈电结构,电感耦合匹配使用环形共振腔形成馈入结构提供高电感阻抗,再耦合至辐射体。环形的大小可以调整电抗,环形与辐射体间的耦合强度可以调整电阻,此方法在匹配设计上较为容易。

在馈电环馈电处的输入阻抗用式1来表示[10]:

式中:Zloop、M和Zrb分别是馈电环输入阻抗、馈电环和辐射体之间的互感和辐射体的输入阻抗。基于式1,天线输入阻抗的电阻Rin和电抗Xin可以表示为式(2),式(3):

式中:f0为天线的工作频率。通过式(2)可知,天线输入电阻由馈电环和辐射体之间的互感决定,可以通过调节馈电环尺寸和馈电环与辐射体的距离来调节其大小。对于天线输入电抗,主要受到馈电环尺寸的影响,如式(4)所示:

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式中:LL为馈电环长度;WL为馈电环宽度;s为馈电环线宽。

对于矩形辐射贴片,考虑到边缘短效应后,实际上的辐射单元长度L如式(5)所示:

式中:c为自由空间波长,值为3.0×108m/s;εeff为有效介电常数;△L为等效辐射缝隙长度;可以分别用式6,式(7)表示:

式中:εr为介质的相对介电常数;h为介质厚度;W为矩形贴片的宽度。

采用电感耦合馈电使天线工作频率在915 MHz时与芯片阻抗共轭匹配,此时基材的εr=3.9,介质损耗角正切 tanδ=0.003。 介质厚度h为 1.5 mm,满足天线低轮廓要求。辐射贴片的宽度W为10 mm,可满足天线尺寸的小型化。相应的天线结构图如图1所示。

优化后的参数如表1所示。

表1 天线参数Tab.1 The antenna parameters mm

3 仿真结果及分析

在RFID测试系统中,天线回波损耗(S11)的定义如式(8)所示:

式中:Zchip为芯片阻抗;Z∗ant为天线输入阻抗的共轭。天线在平面结构时的仿真结果如图2所示。通过图2(a)、(b)可以观察到,天线在工作频率915 MHz时的回波损耗为-38.7 dB,此时的天线的输入阻抗为28+j212 Ω,与芯片阻抗Zchip=31-j212 Ω匹配良好。图2(c)为天线在垂直于天线平面方向的方向图,天线在E面具有全向性的特点,可以观察到天线的最大增益为-11 dB。

图2 平面结构天线性能仿真图Fig.2 Simulation diagrams of plane structure antenna performance

图3 天线弯曲模型Fig.3 Antenna bending model

功率反射系数表示为标签天线的反射波功率(Prfl)与入射波功率(Ptag)的比值[11-12],如式(9)所示:

功率传输系数(τ)表示入射波功率传输到标签芯片的大小,如式(10)所示:

为了衡量标签的读取性能,方便记录标签在不同弯曲角度下的行为方式,可以通过定义最大读取距离d来进行比较,单位为 m,如式(11)所示[5]:

式中:PEIRP为阅读器发射端等效各向同性功率,这里为3.28 W(即35 dBm);Pir为标签芯片灵敏度,这里值为-18 dBm;Gr为标签天线的仿真增益。随着标签弯曲角度的不同,分别根据式(8),式(10),式(11)来表示天线回波损耗,其图以及功率传输系数和最大读取距离随频率的变化图相应的图形为图4～6。

图4 不同弯曲表面天线回波损耗图Fig.4 Return loss diagram of different curved surface antennas

图5 不同弯曲表面天线功率传输系数图Fig.5 Power transmission coefficient diagram of different curved surface antennas

图6 不同弯曲表面天线最大读取距离仿真图Fig.6 Maximum read distance simulation diagram of different curved surface antennas

由以上三图可以观察到标签贴附于平面结构物体时的性能要好于弯曲物体,如图4所示,在工作频率915 MHz频率附近,标签弯曲角度的不同对谐振频率的影响较小,满足设计要求。如图5所示,在工作频率915 MHz频率处的传输功率都大于0.5,且平面结构时功率传输系数接近于1,表明天线性能较好。如图6所示,使用MATLAB对采集的数据进行处理,可以观察到在915 MHz频率附近标签的最大读取距离要大于2.5 m。

4 结论

提出一种柔性抗金属标签天线,工作频率为915 MHz,天线整体尺寸为:90 mm×24 mm×1.5 mm, 满足普通标签尺寸要求。标签具有单层结构,对所贴附物体的弯曲性不敏感,在不同弯曲角度下的读取距离都大于2.5 m。尤其正常的平面结构状态下标签功率传输系数为0.99,读取距离大于3.5 m。所设计的标签天线满足实际需求。