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用于UHF頻段的近場RFID橢圓分段環(huán)天線

作者:楊子江,曹亮,李秀萍
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2011-03-22 06:59:37
摘要:本文設計了一款用于UHF 頻段的近場RFID 橢圓分段環(huán)天線。通過利用分段耦合結構,在其周長大于工作波長時,天線的表面電流依然保持同向;通過采用橢圓形結構,可以調整其磁場的范圍。天線印刷在FR-4 介質板上并且安置在250mm×180mm×50mm 的金屬腔體內。在860-871MHz 時,這款讀寫器天線能達到16.1cm 的讀寫距離以及8cm 的讀寫寬度,適合用于UHF 頻段的RFID 讀寫器。
  引言

  射頻識別技術(RFID)是一種非接觸的自動識別技術,其工作原理是利用射頻信號的空間耦合特性,實現(xiàn)對靜止或移動的物品的自動識別。典型的RFID 系統(tǒng)包括標簽、讀寫器、天線和中間件四個組成部分[1]。其中,天線作為標簽和讀寫器提供射頻信號空間傳遞的設備,是影響RFID 系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關鍵部分,因而天線設計受到人們極大的重視。通常,RFID 系統(tǒng)可根據(jù)其作用距離分為兩種:近場系統(tǒng)和遠場系統(tǒng)。一般情況下,用于低頻(LF,125-134KHz)和高頻(HF,13.56MHz)的近場RFID 系統(tǒng)都是基于電感耦合來實現(xiàn)讀寫器和標簽間的能量的轉換和數(shù)據(jù)的傳輸,而用于超高頻(UHF,840-960MHz)和微波頻段(2.4GHZ 和5.8GHz)的遠場RFID 系統(tǒng)都是基于電磁場在讀寫器和標簽之間的傳播。近年來,由于RFID 在單品識別方面的應用日益受到重視,UHF 近場天線的設計技術也成為人們研究的重點[2]。

  在近場識別系統(tǒng)中,一般讀寫器和標簽都采用傳統(tǒng)的金屬線環(huán)形結構,這是因為電小環(huán)形天線(直徑遠小于其工作波長)能在天線的軸向上產(chǎn)生很強的磁場。電小環(huán)天線上方的磁場強度受天線直徑的影響很大,當距離天線超過其直徑的長度時,磁場就會迅速的下降。增大環(huán)天線的直徑可以增加讀寫距離,但是由于半徑增大,磁場的范圍也會較大,同時當天線增大到周長接近其波長時,環(huán)上的電流會反向,此時天線就不能形成穩(wěn)定的磁場;此外,環(huán)天線也很難匹配到50ohm[3-5]。

  針對上述問題,本文設計了一款橢圓分段環(huán)天線用于單品識別。在這個結構中,利用兩個相鄰的平行金屬線向下一段金屬線提供串聯(lián)電容,每個分段都可以看作是一段諧振線,這樣就避免了電感的積累,從而解決了匹配的難題。同時,在諧振時,在每段上的電壓都是實數(shù),相位不會積累,所以可以在環(huán)上形成均勻同向的電流,從而在軸向形成很強的磁場。

  1 天線結構介紹

  橢圓分段環(huán)天線的結構如圖1(a)所示。圖中,天線的介質板為FR-4(厚度h=1.6mm,介電常數(shù)4.4,損耗角正切0.02)PCB 板。圖1(b)給出了橢圓分段環(huán)天線的整體結構圖,包括橢圓分段環(huán),金屬腔體,匹配電路三部分。圖1(c)是天線的加工實物圖。


圖1 橢圓分段環(huán)RFID 讀寫器天線結構(a)橢圓分段環(huán)天線結構
(b)天線整體結構(c)加工實物圖

  在圖 1(a)中,每相鄰的兩段金屬線之間存在一個交疊的部分,該交疊的結構主要用來產(chǎn)生一個電容,其電容值C 是由電長度L(θ)和間距d 決定的。

  當減小相鄰金屬線的間距或增大交疊部分的長度時,電容值將隨之增大;通過調整適當?shù)腖(θ)和d,可使每段金屬線的電感與其感應電容在中心頻率處工作于諧振狀態(tài),從而避免了電流相位的累積。分段環(huán)近場天線設計成橢圓形,短軸的長度是d1 = 8cm,用來控制近場天線讀取寬度;長軸的長度為d 2 = 15cm,用來控制天線的讀取距離。

  在圖1(b)中,天線位于矩形金屬腔體內部,天線距離金屬腔體的底部為40mm,金屬腔體上方開口,覆以塑料蓋,大小為250×180×50mm3。金屬腔體有兩個作用:一是減少外界對天線的干擾;二是控制磁場在所需要的方向,增強磁場強度。但是金屬腔體會使天線的Q 值增大,這將會增加匹配的難度,減小天線的帶寬[6],因而需要在天線輸入端加上一個匹配電路,在這里使用集總元件連接成一個對稱平衡的匹配電路[7],將輸入阻抗匹配到50ohm。

  圖 2(a)和圖2(b)給出了橢圓環(huán)天線和橢圓分段環(huán)天線在866MHz 的表面電流分布。從圖2(a)可以看出電流的空洞以及在頂部和底部電流的反向。圖2(b)中,平行的相鄰金屬線之間的電容和金屬線本身的電感使得這個大環(huán)天線的性能和小環(huán)天線類似,電流在橢圓分段環(huán)天線的分布依然同向并且可以形成很強的近場磁場。


圖 2 電流分布對比(866MHz) 

  2 天線性能分析

  天線的 S11 性能的實際測量結果如圖3 所示,-10dB 帶寬為11MHz(860-871MHz),能夠完全覆蓋歐洲標準的865-868MHz。


圖 3 橢圓分段環(huán)天線的S11 性能

  使用圖 4 中的Impinj UHF Button 近場標簽的去測試橢圓分段環(huán)天線讀取性能,測試時使Button 標簽平面平行于天線,讀寫器的輸出功率為Pout=1Watt。


圖 4 Impinj UHF Button 近場標簽

  經(jīng)過實際測試,該天線最大的讀取距離為16.1cm,讀取寬度小于8cm,讀取性能良好,圖5 為該天線的實際讀取測試結果,從中可以看出當距離天線超過5cm 時,讀取寬度小于8cm,與短軸的長度相符合。


圖 5 讀取寬度測量結果

  圖 6 是橢圓分段環(huán)天線的增益隨頻率的變化圖,從圖6 中可以看出,該天線在865-868MHz 的頻率范圍內最大增益小于2.8dBi。圖7 給出了在f=866MHz 的天線的兩個正交面XOZ 和YOZ 面上的增益圖。


圖6 橢圓分段環(huán)天線的增益隨頻率變化曲線


圖7 XOZ,YOZ 平面上的增益圖(866MHz)

  3 結論

  本文設計了一款橢圓分段環(huán)天線,用于對確定的高度和寬度的位置進行安全讀取。該天線設計的關鍵點在于使得橢圓分段環(huán)上的電流保持均勻同向,并通過對橢圓環(huán)的長軸和短軸的調整,可以使這款天線在特定的讀寫距離和寬度內產(chǎn)生很強的磁場。因而這款天線適用于RFID 近場讀寫器的應用,在860-871MHz 的工作帶寬內,具有16.1cm 的讀寫距離以及8cm的讀寫寬度。

  作者介紹:北京郵電大學電子工程學院 楊子江,曹亮,李秀萍