RFID標(biāo)簽用縫隙天線分析與設(shè)計(jì)_圖文

1、第 28卷 第 1期 暨南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 V ol . 28 N o . 12007年 2月 Jou rnal of J inan U niversity (N atural Science Feb . 2007收稿日期 2006-10-16基金項(xiàng)目 廣東珠海市科技攻關(guān)項(xiàng)目 (PC20032001作者簡介 周永明 (1963- , 男 , 博士生 , 副教授 , 研究方向 :電磁場與天線RF I D 標(biāo)簽用縫隙天線分析與設(shè)計(jì)周永明1, 2, 賴聲禮1(1. 華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 , 廣東 廣州 510640; 2. 韶關(guān)大學(xué)信息工程系 , 廣東 韶關(guān) 512005 摘 要 分析了

2、縫隙彎折次數(shù) 、 高度 、 位置 、 寬度和縫隙平片大小對縫隙天線諧振特性的影響 . 仿真結(jié)果顯示 ,縫隙的彎折次數(shù)和高度對其諧振頻率影響顯著 . 最后 , 提出了一款 UHF 射頻識別標(biāo)簽用的縫隙天線 , 制作了相應(yīng) 的實(shí)物天線 . 仿真與測試結(jié)果說明所設(shè)計(jì)的天線基本滿足 RF I D .關(guān)鍵詞 射頻識別 ; 標(biāo)簽天線 ; 縫隙天線 ; 諧振特性中圖分類號 T N821+. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A -( -05t slot an tenna for RF I D tagZHOU Yong 2m ing1, 2, LA I Sheng 2li1(1. School of Electr onic a

3、nd I nfor mati on, South China University of Technol ogy, Guangzhou 510640, China;2. Depart m ent of Electr onic Engineering, Shaoguan University, Shaoguan 512005, China Abstract The influences of bend ti m es, height, positi on, width and conduct or size on res onant char 2acteristics of sl ot ante

4、nna are analyzed . The si m ulati on results of MOM (method of moment show that both bend ti m es and height of sl ot antenna can efficiently reduce the res onant frequency . Consequently they can als o efficiently m iniaturize the size of RF I D tag antenna . Finally, one sl ot antenna used as RF I

5、 D (Radi o frequency identificati on tag antenna at 915MHz band is p resented . Both si m ulated and measured results show that the designed antenna is satisfied f or RF I D app licati on . Key words RF I D ; tag antenna; sl ot antenna; res onant characteristic1 引言無線射頻識別 (簡稱為 RF I D 系統(tǒng)由標(biāo)簽 、 讀 寫器和后臺主

6、機(jī)組成 . RF I D 標(biāo)簽由專用的 I C 芯片 和一根連接在芯片兩端上的天線組成 . 在 RF I D 標(biāo) 簽天線設(shè)計(jì)中 , 天線與芯片之間的阻抗匹配程度決 定著 RF I D 系統(tǒng)性能指標(biāo) , 標(biāo)簽小型化要求其天線 小型化 , 標(biāo)簽天線小型化是標(biāo)簽設(shè)計(jì)者永遠(yuǎn)追求的 目標(biāo) .近來 , 有一些標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的報(bào)道 , 例如折疊型偶極天線 、 V 型偶極天線 、 倒 F 型天線 、 環(huán)型天線 和分形天線等等1-3. 這些天線的輪廓外形大都是半波振子的變形 , 長度大約為波長的一半 , 顯得大 了點(diǎn) , 阻抗匹配不容易也不方便 , 它們的帶寬狹 窄 , 加工制造復(fù)雜 , 因此不利于 RF I D

7、 技術(shù)的推廣 普及應(yīng)用 .縫隙天線具有輪廓低 、 重量輕 、 加工簡單 、 易于 與物體共形 、 批量生產(chǎn) 、 電性能多樣化 、 寬帶和與有 源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點(diǎn) , 適合 大規(guī)模生產(chǎn) , 能簡化整機(jī)的制作與調(diào)試 , 從而大大降低成本 . 近年來雖然有一些研究縫隙天線的文 章4-5, 但彎折縫隙天線的諧振特性分析與標(biāo)簽用縫隙天線鮮見報(bào)道 . 因此 , 彎折縫隙天線的諧振特 性研究和嘗試在 915MHz 頻段用縫隙天線來設(shè)計(jì) RF I D 標(biāo)簽天線具有廣闊的市場前景 . 為此 , 本文矩量法研究了縫隙彎折次數(shù) 、 高度 、 位置 、 寬度和縫隙天線平片大小對矩形縫隙天線諧 振特

8、性的影響 . 最后 , 根據(jù)給定的標(biāo)簽芯片 , 提出 了一款 UHF 射頻識別標(biāo)簽用的縫隙天線 , 制作了 相應(yīng)的實(shí)物天線 . 仿真與測試結(jié)果表明 , 所設(shè)計(jì)的 天線適合于 RF I D 標(biāo)簽應(yīng)用 .2 縫隙天線分析 縫隙天線有平面與非平面之分 . 線 . , 槽縫的寬度比其 長度小得多 . 對偶原理是分析縫隙天線輻射的基本 理論 . 縫隙天線與其互補(bǔ)電振子具有相似的輻射場分布特性 (方向圖 , 區(qū)別是其電場與磁場的位置互 換 . 縫隙天線阻抗 Z 1與其互補(bǔ)的電振子的阻抗 Z 2之間存在如下的互補(bǔ)關(guān)系 :Z 1Z 2=Z 20/4(1其中 , Z 0=37710歐姆 , 為自由空間的特性阻抗

9、 . 式 (1 是分析驗(yàn)證互補(bǔ)天線 (阻抗 的依據(jù)之一 . 縫隙天線的饋電激勵方式主要有電磁藕合和直 接相聯(lián)的接觸式饋電 . 電磁藕合饋電是貼近 (非接 觸 饋電 . 直接相聯(lián)饋電是接觸式饋電 . 基于標(biāo)簽 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) , 宜采用接觸式饋電 , 即標(biāo)簽用縫隙天線 與標(biāo)簽芯片直接相聯(lián)饋電 , 這樣不僅能簡化標(biāo)簽結(jié) 構(gòu) , 便于集成化 , 而且還能降低成本 , 推廣普及 RF I D 技術(shù)的應(yīng)用 .彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 1所示 , 平片大小 為 L ×W , 縫隙彎折寬度和高度分別為 s 和 h, 縫隙 離饋電中心距離為 l . 以下討論這些參數(shù)的改變對 縫隙天線諧振特性的影響. 圖

10、1 彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)2. 1 彎折次數(shù)的影響圖 2(a 、(b 、 (c 和 (d 分別為矩形長直縫隙 (沒有彎折 、 2、 4和 6個對稱矩形彎折的縫隙天線結(jié)構(gòu)圖 . 分析條件是 , L =120mm , W =100mm , h =10mm , 縫隙的寬度為 1mm , 縫隙的水平長度為 115mm. 矩量法仿真結(jié)果的反射系數(shù) S 11曲線如圖 3(a 所示 . 4條天線具有如圖 3(b 所示相似的輻射方向圖.圖 2平面垂直彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)圖 3 S 11曲線和天線輻射方向圖 表 1是圖 2各彎折縫隙天線的諧振頻率 、 諧振 點(diǎn)阻抗 、 反射系數(shù) S 11值 、 增益和效率關(guān)系表 . 仿真

11、 結(jié)果顯示 , 2個彎折的諧振頻率比沒有彎折的約小 290MHz, 4個彎折的諧振頻率比 2個彎折的約小 240MHz, 6個彎折的諧振頻率比 4個彎折的約小 160MHz . 可見彎折能有效地降低縫隙天線的諧振頻率 , 可用于縮減縫隙天線的尺寸 . 同時增益隨著 彎折數(shù)目的增大逐漸下降 , 阻抗帶寬也隨之減小 ,諧振點(diǎn)阻抗變化不大 .2. 2 彎折高度的影響改變縫隙的高度 h, l =18mm , s =17mm , L ×W =120mm ×100mm 來分析本問題 . 仿真結(jié)果的 S 11曲線如圖 4所示 . 四條天線的輻射方向圖與圖 3(b 相似 . 表 2是縫隙彎

12、折高度 h 與諧振頻率 、 諧振 點(diǎn)阻抗 、 諧振點(diǎn)的 S 11值 、 增益和效率關(guān)系表 . 由圖 4和表 2可以看出 , 隨著縫隙彎折高度 h 的增加 , 諧振頻率與阻抗逐漸減小 , S 11值遞增和增 益隨之遞減 , -10db 阻抗帶寬也逐漸減小 . 2. 3 彎折位置的影響h =10mm, s =10mm, L ×W =120mm ×100mm, 改變 l 的值來分析本問題 . 仿真結(jié)果的 S 11曲線如圖 5所示 . 4條天線的輻射方向圖與圖 3(b 相似 . 表 3是縫隙彎折位置與諧振頻率 、 諧振點(diǎn)阻抗 、 諧振點(diǎn)的 S 11值 、 增益和效率關(guān)系表 . 由圖

13、 5和表 3可以看出 , 隨著彎折與饋電中心距離 l 的增大 , 諧 振點(diǎn)阻抗遞減 , 諧振點(diǎn)處的 S 11值逐漸增大 , 天線其 它參數(shù)基本不變 . 2. 4 彎折寬度的影響l =9. 5mm , h =10mm , L ×W =120mm ×100mm , 改變縫隙寬度 s 來分析 . 仿真結(jié)果的 S 11曲 線如圖 6所示 . 4條天線的輻射方向圖與圖 3(b 相似 . 表 4是 縫隙彎折寬度與諧振頻率 、 、 諧振點(diǎn)的 S 11值 . , 除諧振頻率 ,. 圖 4 S 11曲線圖 5 S 11曲線表 1 縫隙彎折次數(shù)對天線性能參數(shù)的影響彎折個數(shù)諧振頻率 /GHz諧振

14、點(diǎn)阻抗 /Ohm 諧振點(diǎn)反射系數(shù) /db增益 /dB i 天線效率 /%輻射效率 /%02. 0654. 78+j2. 60-25. 825. 9899. 3999. 6621. 7747. 20-j1. 27-29. 995. 4199. 5599. 6441. 5348. 89-j1. 00-36. 434. 8099. 5599. 6261. 3747. 77-j1. 23-31. 694. 4299. 3799. 57表 2 縫隙彎折高度對天線性能參數(shù)的影響彎折高度 /mm諧振頻率 /GHz諧振點(diǎn)阻抗 /Ohm諧振點(diǎn)反射系數(shù) /db增益 /dB i 天線效率 /%輻射效率 /%51.

15、9549. 72+j0. 06-50. 876. 0398. 8599. 56101. 7547. 87-j2. 16-30. 165. 6798. 6999. 63151. 5543. 37-j6. 24-20. 245. 0796. 8099. 52表 3 縫隙彎折位置對天線性能參數(shù)的影響彎折位置 /mm諧振頻率 /GHz諧振點(diǎn)阻抗 /Ohm諧振點(diǎn)反射系數(shù) /db增益 /dB i 天線效率 /%輻射效率 /%101. 8551. 73-j2. 73-29. 965. 5199. 5099. 60151. 8647. 38-j3. 24-25. 805. 5399. 4099. 58201.

16、 8745. 23-j3. 43-23. 075. 5599. 2099. 59251. 8843. 12-j1. 00-21. 904. 5799. 0399. 58表 4 縫隙彎折寬度對天線性能參數(shù)的影響彎折寬度 /mm諧振頻率 /GHz諧振點(diǎn)阻抗 /Ohm諧振點(diǎn)反射系數(shù) /db增益 /dB i 天線效率 /%輻射效率 /%111. 8053. 74+j3. 20-26. 635. 5299. 6099. 61161. 7853. 09+j1. 73-29. 245. 5499. 5599. 60211. 7651. 83+j2. 42-31. 065. 4499. 5199. 55261

17、. 7452. 46+j1. 20-31. 465. 3499. 3999. 502. 5 天線平片大小的影響在 h =l =s =10mm , L =120mm , 改變 W 來分 析本問題 . 仿真結(jié)果的 S11曲線如圖 7所示 . 4條天線的輻射方向圖與圖 3(b 相似 . 表 5是縫隙平片大小與諧振頻率 、 諧振點(diǎn)阻抗 、 諧振點(diǎn) 的 S11值 、 增益和效率關(guān)系表 . 可以看出 , 天線諧 振頻率微降 , 諧振點(diǎn)阻抗隨平片寬度的減小呈增 大態(tài)勢 , 但增幅減緩 , 說明天線對電流的阻礙增 加 , 增益下降 . 以上所有天線的效率都較高 , 接近 100%. 圖 6 S11曲線 115

18、平片大小 /mm2/Ohm /db增益 /dB i 天線效率 /%輻射效率 /% 120×120. 8641. 67j4. 52-19. 725. 4599. 6899. 50 120×1001. 50. 08-j0. 26-51. 465. 3099. 6599. 42 120×901. 8355. 35+j2. 10-23. 905. 1999. 6499. 30 120×801. 7456. 63+j3. 10-23. 883. 8599. 6399. 213 設(shè)計(jì)與測試基于上述縫隙天線特性的分析結(jié)果 , 本文在FR4基板上設(shè)計(jì)了一款 RF I D

19、 標(biāo)簽用矩形縫隙天線 , 結(jié)構(gòu)如圖 8所示 1工作頻率為 f =915MHz, 與之匹配的標(biāo)簽芯片 (A t m el 公司 AT A5590 端口阻抗為 Zchip=1210-j21710歐 姆 1金 屬 平 片 大 小 為圖 8 標(biāo)簽用縫隙天線結(jié)構(gòu)圖 9 S11曲線8010mm ×60 10mm , 縫隙寬為 1 10mm , 縫隙水平 長 6010mm , 縫隙高為 2010mm 1仿真顯示天線在 915MHz 處的阻抗為 918+j21812歐姆 , 與標(biāo)簽芯片端口阻抗匹配得很好 , S11=-4413db, 天線的方 向系數(shù)為 3157dbi, 輻射效率為 80113%.相

20、應(yīng)仿真 結(jié)果見圖 9和 10, 圖 11為制作的縫隙天線實(shí)物圖 .圖 10 輻射方向圖圖 11 標(biāo)簽用縫隙天線77 第 1期 周永明 , 等 :RF I D 標(biāo)簽用縫隙天線分析與設(shè)計(jì) 測試條件 :RF 信號頻率 915MHz, 衰減置于 -10db m , 調(diào)制為 AM , 調(diào)制深度 100%和調(diào)制信號頻 率為 1KHz 的方波 . 被測試天線與標(biāo)簽芯片的等效 輸入電路相聯(lián) , 接收來自發(fā)射天線的信號 , 通過測 量輸入電路端口上的電壓大小來說明被測試天線的 性能 . 在相同的條件下 , 測量得等效輸入電路端口 上的電壓越大 , 說明天線接收性能越好 . 測試結(jié)果 見表 6, 表中距離為發(fā)射天

21、線到測試天線間的距離 . 結(jié)果說明 , 該縫隙天線的性能比文獻(xiàn) 6的好 .表 6 測試結(jié)果距離 /cmV pp (電壓 /mV測試值 文獻(xiàn)值 610. 038. 730. 315. 020. 9220. 017. 1925. 0530. 011. 68. 735. 010. 97. 640. 010. 07. 1 另外 , 使用 AW I D 公司的 MPR -3014閱讀器 在天線輻射功率為 4W , 中心頻率為 915MHz, 并 且在標(biāo)簽天線與閱讀器天線良好接收條件下 , 測得 閱讀距離為 610m. 根據(jù)文獻(xiàn) 7報(bào)道 , 文中設(shè)計(jì)的 標(biāo)簽天線基本達(dá)到了應(yīng)用要求 .4 結(jié)論本文研究了平面

22、矩形彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對 其諧振特性的影響 , 縫隙的彎折次數(shù)和高度能有效 地降低其諧振頻率 , 可用于縮減天線尺寸 . 最后基 于彎折對縫隙天線性能的影響和給定芯片 , 提出了 一款 UHF 射頻識別標(biāo)簽用的縫隙天線 , 制作了相 應(yīng)的實(shí)物天線 . 仿真與測試結(jié)果顯示 , 所設(shè)計(jì)的天 線基本達(dá)到應(yīng)用要求 . 可以預(yù)計(jì) , 彎折縫隙天線將 是 UHF 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域看好的發(fā)展方向 .參考文獻(xiàn) 1 Q I N G Xian 2m ing, Y ANG N ing . A Folded D i pole Antenna for RF I D C Antennas and Pr opagati

23、on Society I nter 2 nati onal Sy mposiu m, I EEE, 2004, 1:97-100.2 賴曉錚 , 張小燕 , 賴聲禮 , 等 . 基于 H ilbert 分形結(jié)構(gòu) 的 RF I D 標(biāo)簽天線 J .華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) :自然科學(xué) 版 , 2006, 34(6 :26-28.3 M I N K S, KI M J W , P ARK C K, al . A Study of Ca 2 pacity Tag Depending on Pr oceedings, Pr I EEE, 2005, 5: LATI F S I, SHAF A I L, SHAR MA S K . Band wid