（电路与系统专业论文）uhf频段rfid标签天线的小型化设计.pdf

u h f 频段r f i d 标签天线的小型化设计 专业 电路与系统 硕士生 杜德棚 导师 龙云亮教授 摘要 随着u h fr f i d 超高频射频识别 技术的应用与发展 r f i d 系统对电子标 签的要求更高了 标签天线是电子标签的重要组成部分 标签天线的常见要求如 下 低成本 高增益 全向辐射 体积小 与r f i c 良好匹配 本文的主要工作如下 1 叙述了r f i d 系统的分类 介绍了r f i d 技术的相关协议 并提供了一 些生产商的信息 为后续的工作提供参考 2 介绍了r f i d 标签天线设计的关键技术 包括 小型化技术 影响增益 的关键因素 匹配技术 带宽拓展技术 抗金属影响的结构 3 分析r f i c 端口阻抗的频率响应 探讨标签天线与r f i c 的匹配方法 4 建模仿真 分析天线尺寸的改变对天线性能的影响 研究增大天线增益 天线小型化 端口匹配的方法 5 最盾设计出两款标签天线 分别良好地匹配至 两种r f i c 工作频段都 可以覆盖8 6 0 9 6 0 m h z 增益达到2 2 5 d b i 关键字 u h f r f i d 标签天线 增益 匹配 小型化 d e s i g na n d m i n i a t u r i z a t i o no fu h fr f i d t a g a n t e n n a m a j o r c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e d e p e n gd u s u p e r v i s o r p r o f y u n l i a n gl o n g a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fr f i d r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h ew i d e l yu s eo fu h fr f i d t h er f i ds y s t e mc a l l sf o ram o r er i g i dr e q u i r e m e n t o ft h et a gd e s i g n t h et a ga n t e n n ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h et a g t h ec o m m o nr e q u i r e m e n t so ft h et a ga n t e n n aa r ea sf o l l o w s l o w c o s t h i 曲一g a i n o m n i d i r e c t i o n a lr a d i a t i o n s m a l ls i z ea n dp e r f e c tm a t c ht ot h er f i c t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec l a s s i f i c a t i o no fr f i ds y s t e m s i n t r o d u c e st h e r e l e v a n tp r o t o c o l si nr f i dt e c h n o l o g y a n dg i v e ss o m ei n f o r m a t i o na b o u tt h e p r o d u c e r sa sa r e f e r e n c ef o rt h ef o l l o w i n gw o r k 2 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h er f i dt a ga n t e n n ad e s i g n i n c l u d i n gt h em e t h o do fa n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n t h ek e yi n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h e g a i n a n t e n n am a t c ht ot a gi c t h em e t h o do fb a n d w i d t he x p a n s i o n t h ea n t i m e t a l i n t e r f e r i n gs t r u c t u r e 3 t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep o r ti m p e d a n c e sf r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h er f i c a n d e x p l o r e st h em a t c h i n gm e t h o db e t w e e nt h ea n t e n n aa n d t h er f i c 4 a f t e rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h et a ga n t e n n a t h i sp a p e rc o n c l u d e st h e r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n as t r u c t u r ea n dt h ea n t e n n ap e r f o r m a n c e a n dt h e nf o c u so n t h em e t h o d so fa n t e n n ag a i ni n c r e a s i n g a n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n a n dp o r tm a t c h i n g 5 f i n a l l y t h i sp a p e rp r o p o s e st w ot a ga n t e n n a s w h i c hr e s p e c t i v e l ya c h i e v ea g o o dm a t c ht ot w ot y p e so fr f i c b o t ho ft h e s et w oa n t e n n a sc a nw o r ko n8 6 0 9 6 0 m h z w i t ht h eg a i no f2 2 5 d b i k e y w o r d u h f r f i d t a ga n t e n n a g a i n m a t c h m i n i a t u r i z a t i o n i i i 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指 导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引 用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担 学位论文作者签名 肛德和僻 日期 碲 f 月蓼日 v 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规 定 即 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆 院系资料室 被查阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 可以采用复印 缩印或其他方法保存学位论文 学位论文作者张修删锄纷葛泛南 日期 歹移叼 年了月 参日日期 伽c 年r 月2 斗日 f 第一章绪论 第一章绪论 近年来 r f i d 技术正在飞速发展 其应用领域在不断扩展 现在在中国使 用得比较多的是1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统 而u h f 频段 8 6 0 一9 6 0 m h z 的r f i d 系统还没有得到推广 在中国还没有形成统一的标准 1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统的通信方式是近场耦合 而u h fr f i d 是远场通信 读写距离可以达到3 米以上 导致u h fr f i d 没有得到推广的重要原因是其研发 成本很高 电子标签的识别率受环境影响大 识别率不够高 当电子标签贴到 复杂的环境中时 漏识别和误识别的概率明显提高 1 1 课题背景及意义 1 1 1r f i d 系统简介 r f i d r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的中文名是射频识别 它的特点 是通信方式无接触 工作距离远 信息存储量大 r f i d 技术有多种分类方式n 1 具体如表卜1 表1 1r f i d 频段分类及相应国际标准 分类方式具体分类 工作频率低频系统 高频系统 电子标签内是否装有电池有源系统 无源系统 电子标签内保存的信息注入的方式集成电路固化式 现场有线改写式 现 场无线改写式 读取电子标签数据的技术实现手段广播发射式 倍频式 反射调制式 根据r f i d 系统的工作频率 r f i d 技术的工作频段可以更细致地划分 而 在相应的工作频段对应着一种或多种国际标准 常见的国际标准有i s o i e c 和e p c 三类 这些协议分别都详细地规定了读写器的工作协议 读写器与标签 之间的空中接口 读写器的发射功率要求 数据的传输方式 通信数据的格式 数据存储的格式 防碰撞算法 r f i d 技术的测试方式等等 r f i d 技术的频段 中出大学硕士学位论文 分类及相应霉际标准粥瞄如表l 一2 所示 表1 2r f i d 频段分类及相应国际标准 频段频段名称相关标准主要应用 1 2 5 1 3 4 k h z低频 i s 0 i e c 无源标签 疆1 8 0 0 0 2 畜牧业麴管理系统 汽车防盗 l o w f r e q u e n c y无钥匙开门系统 马拉松赛跑系 统 门禁系统 安全管理系统 13 5 6 m h z 高频 i s o i e c 无源标签 h f1 8 0 0 0 3图书管理系统 大型会议人员逶 h i g hf r e q u e n c y道系统 票务系统 货物真伪鉴 别 固定资产的管理系统 西药 物流管理系统 智能货架 4 3 3 期 h z超高频王s c 炉i e c 有源标签 咖1 8 0 0 0 7物流托盘追踪管理 货柜远距离 u l t r a 壬 i 曲跟踪 人员识别 财物跟踪 f r e q u e n c y 8 6 0 9 6 0 m h z超离频i s o i 王 c 无源标签 唧1 8 0 0 0 6供应链上的管理 生产线自动 u l 触h i 曲a b c e p c化 邮政包裹的管理 集装箱的 f r e q u e n c y 管理 铁路包裹的管理 后勤管 理系统 2 4 5 g h z微波i s 0 i e c 有源标签 m w1 8 0 0 0 4集装箱跟踪 火车自动识别 汽 m i c r ow a v e车自动识别缴费 5 8 g h z微波i s o i e c 有源标签 m w1 8 0 0 0 5集装箱跟踪 火车自动识别 汽 m i c r ow a v e车自动识别缴费 2 第一章绪论 u h fr f i d 系统的工作频段是8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 可以适应全球范围的工 作频段 主流工作频段分别对应三个欧洲 美国 日本的工作频段 不同地区 的具体的u h fr f i d 使用频段划分如表l 一3 所示 表l 一3 部分地区u h fr f i d 使用频段划分 国家 地区使用频段国家 地区使用频段 北美地区9 0 2 m h z 9 2 8 m h z韩国9 0 8 5 m h z 9 1 4 m h z 欧洲 8 6 6 眦z 8 6 9 m h z 新加坡 8 6 6 m h z 8 6 9 m h z 9 2 3 m 口 i z 9 2 5 n 狂l z 澳大利亚 9 18 m h z 9 2 6 m h z 中国大陆 8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 日本 9 5 2 吼z 一 9 5 4 m h z 中国香港8 6 5 m h z 8 6 8 m h z 9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 1 2u h fr f i d 标签天线的研究意义 1 2 1 研究意义 由于r f i d 系统的最大特点是非接触识别 r f i d 标签与读写器实现数据通 信过程中起关键作用的是天线 利用天线作为发送或接收无线电波的装置 一 方而 无源的r f i d 标签芯片的启动电路需要通过天线激活 在读写器天线产生 的电磁场中获得足够的能量 另一方而 天线决定了r f i d 标签与读写器之间的 通信信道和通信方式 因此 在r f i d 系统中 标签天线占有重要的地位 对其 详细的研究非常有意义 基于射频识别系统自身的应用背景 r f i d 标签天线具有自身的特点和难题 其中包括 体积足够小 能够贴到需要的物品上 有全向或半球覆盖的方向性 有足够大的天线增益 能够实现远场通信 提供最大可能的信号给标签的芯片 天线与芯片的阻抗必须匹配 3 中山大学硕 学位论文 无论标签在什么方向 标签天线的极化方向都能与读写器的信号相匹 配 标签非常便宜 标签天线的结构必须非常简单 天线的辐射方向性是由天线的整体结构解决的 天线的选型决定后 它的 方向图就大体确定了 所以天线的选型是天线设计的第一步 u f hr f i d 系统是远场通信的 标签天线的增益直接决定了天线的辐射效率 和电子标签的读写距离 只有达到足够大的增益 才能够实现良好的远场通信 所以调整天线增益是设计的很重要一步 电子标签的体积限制了它的应用范围 而标签天线的体积直接决定了它的 体积 所以标签天线必须实现小型化 这一步很重要 r f i d 标签天线的阻抗是否与标签芯片的阻抗相匹配 决定了r f i d 标签的 供电效率和天线的灵敏度 也决定了标签的读写距离和识别成功率 因此 天 线阻抗匹配是r f i d 标签天线设计的重要目标 1 2 2 国内外的研究现状 r f i d 技术没有全球统一的频率划分规范 主要分成三大类 欧盟地区 8 6 6m h z 8 6 9m h z 美国和拉丁美洲 9 0 2m h z 一9 2 8m h z 日本 9 5 2m h z 一 9 5 4m h z 为了在不同国家的r f i d 频段规定下都能保持一定的读写性能 r f i d 标签 必须支持多频段 即在8 6 6 姗z 8 6 8i h z 9 0 2m h z 一 9 2 8m h z 9 5 2m h z 9 5 4m h z 都能顺利工作 设计出来的天线工作频段最好能够覆盖8 6 0 m h z 9 6 0m h z 工 作频率在8 6 0 9 6 0m h z 的r f i d 系统的通信协议可以参考e p cc l a s s 一1 g e n e r a t i o n 一2 1 国外现在对标签天线的研究主要集中在天线与r f i c 匹配方式 频带扩展技 术 天线小型化技术 适用于复杂环境的标签天线设计 现在常见的标签天线是单层金属贴片结构 芯片压到天线的馈电端 外加 塑料薄膜用于固定天线与芯片的位置 1 h t t p w w w e p c g l o b a l i n c o r s t a n d a r d s 4 第一章绪论 国外的r f i d 生产商有a l e i n l i m p i n j 2 o m r o n 3 u p mr a f l a t a c 4 其中a l e i n i m p i n j 有生产标签芯片 国内的生产商有 苏州的瑞福5 深圳的远望谷6 香 港的c s l 7 香港的兴华科仪8 c s l 的读写器c s 4 6 1 使用i m p i n j 的芯片 u h fr f i d 读写器常用芯片 w j 2 0 0 r 1 0 0 0 a s 3 9 9 0 1 a d l 9 0 1 0 其中流 行的芯片r 1 0 0 0 已经被i m p i n j 收购 读写器模块有 r m u 9 0 0 s k y e t e km 7m 9 1 3 本文的主要工作和章节安排 1 3 i 论文主要工作 r f i d 技术主要应用于货物跟踪 标签贴到货物上 其体积必须足够小 而 影响标签体积的最主要因素是标签天线 本文设计的天线实现了小型化 由于货物的摆放位置多变 贴到货物上的标签天线必须在多个角度都可以 识别 所以标签天线应该是全向辐射的 本文应用的是经过改良的半波偶极子 实现全向辐射 r f i d 标签的通信距离主要取决于标签天线的增益 所以标签天线的增益应 该尽量大 本文的研究发现 天线的增益随天线体积减小而减小 半波偶极子 的增益主要由天线的长度决定 与天线的宽度关系不大 本文设计的两款天线 的增益达到2 d b i 2 5 d b i r f i d 标签天线的阻抗是否与标签芯片的阻抗相匹配 直接决定了r f i d 标 签的供电效率和天线的灵敏度 标签天线与r f i c 的输入阻抗应该共轭匹配 实 现能量最大传输 天线阻抗匹配是r f i d 标签天线设计的重要目标 本文设计的 天线与r f i c 良好匹配 实现了s 1 1 一l o d b 8 6 0 9 6 0 m h z 1 h t t p l l w w w a l i e n t e c h n o l o g y c o m t a g s r f i di c p h l 2 h t t p l l w w w i m p i n j c o r n p r o d u c t s t a g c h i p s a s p x 3 h t t p w w w o m r o n r f i d c o r n u h f i n l a y s p h p 4 h t t p l l w w w u p m r a f l a m c c o m n o r t h a m e r i c a e n g r f i d p r o d u c t s u h f p r o d u c t s 5 h t t p w w w r a i f u e n 6 h t t p w w w i n v e n g o e n m a i n a s p 7 h t t p w w w c o n v e r g e n c e t o m h k 8 h t t p w w w s c h m i d t r f i d c o m s c p r o d u c t s h t m l s 中山大学硕士学位论文 r f i d 技术没有全球统一的频率划分规范 根据e p cc l a s s lg e n 2 u h fr f i d 系统应该可以工作于8 6 0 一 9 6 0 m i i z 本课题设计了两种可工作在8 6 0 9 6 0 m h z 的r f i d 标签天线 1 3 2 章节安排如下 第一章 绪论 本章主要介绍了r f i d 技术的研究背景和意义 首先简单介 绍了r f i d 系统 包括分类 相关的国际协议 不同地区的频段划分 接着介绍 了r f i d 标签天线的研究意义 r f i d 标签天线的研究现状 第二章 介绍了r f i d 标签天线设计的关键技术 包括 小型化技术 影响 增益的关键因素 匹配技术 带宽拓展技术 抗金属影响的结构 第三章 分析r f i c 端口阻抗的频率响应 探讨标签天线与r f i c 的匹配方 法 第四章 分析天线尺寸的改变对天线性能的影响 研究增大天线增益 天 线小型化 端口匹配的方法 最后设计出一种小型的r f i d 标签天线 s 1 1 一l o d b 的工作频段覆盖8 6 0 9 6 0 m h z 增益达到2 0 7 d b i 第五章 总结端口匹配的方法 设计出另外一款标签天线 良好地匹配到 r f i c s 1 l 上升的速度明显比前一章设计的天线要慢 工作频段覆盖8 6 0 9 6 0 m h z 增益达到2 3 3 d b i 6 第二章标签天线设计的关键技术 第二章标签天线设计的关键技术 2 1 小型化技术 2 1 1 弯折线偶极子 弯折两臂可以令半波偶极子的物理尺寸减少 同时维持足够的谐振长度 此例的中心频率为9 1 6 m h z 带宽8 3 m h z 宽 阅读距离有所减少 输入阻抗升高 与简单偶极子相比 弯折线偶极子带 天线性能有所下降嘲n 0 1 2 1 2 末端容性加载 图2 1 弯折线偶极子 末端容性加载可使半波振子天线在整个天线辐射体上得到较平均分布的电 流 此方法使半波振子的长度减少到差不多1 4 个波长 这种电容加载半波振 子天线的辐射方向图与简单的半波偶极子天线相似c s l 1 2 1 3 分形结构 l j 图2 2 末端容性加载 基于领带结s i e r p i n s k ig a s k e t 分形结构的标签天线由于具有内部空白区 间的扩充性 随着阶数的增加 在保证多频段特性的同时 有效地保持了天线 的增益和效率不急剧下降n 3 1 7 中山大学硕士学位论文 0 阶 l 阶 2 阶 图2 3 领带结s i e r p i n s k i 标签天线结构 h i l b e r t 分形结构天线由于其具有空间填充特性 有利于r f i d 标签天线的 小型化设计 随着分形阶数的不断增加 与二维h i l b e r t 标签天线相比 一维 h il b e r t 标签天线在具备尺寸缩减特性的同时 有效地保持了天线的效率不急 剧下降 运用一维h i l b e r t 标签天线 可以实现谐振在9 1 5 m h z 的小型化高效率 的r f i d 标签天线n 钔 0 阶1 阶 图2 4 二维h il b e r t 分形标签天线 2 阶 1 一半波阵子 一几 一 一 厂 一 阶 一驰 一 一 盹一阶 图2 5 一维h il b e r t 分形标签天线 8 第二章标签天线设计的关键技术 2 2 影响天线增益的关键因素 弯曲偶极子可以减小天线的尺寸 但是天线增益会随着尺寸的减小而明显 下降 弯曲偶极子的电流方向如图2 6 辐射 辐射 r f i c 图2 6 弯曲偶极子的电流方向 当从远距离看向这个天线时 垂直相反方向的电流近似抵消 只有同一方 向从左到右的电流才产生辐射 弯曲偶极子的辐射电阻 砌近似如下口3 一 芒 2 埘一 孕 2 6 5 p 其中三删是弯曲偶极子的辐射有效长度 厶彬一一是传统偶极子天线的长 度 埘一一是传统偶极子天线的辐射电阻 旯是波长 天线选型时候应该尽量增大辐射臂之间的距离 减小相互抵消那一部分的 耦合 从而提高增益 2 3 带宽拓展技术 1 3 1 使天线的线宽增大 类似线性的天线方便生产 但有相对大的电感和相对小的电容 导致天线 的电抗比较大 与r f i c 匹配的带宽相对较小 如果偶极子天线使用更宽的元件 9 中山大学硕士学位论文 结构 天线的电容增大 电感减小 在相同的谐振频率 天线的q 值就会减小 天线可以获得更大的带宽嘲 图2 7 扁平天线与细线天线的q 值对比 2 3 2 双辐射体结构 在一个简单的半波振子天线的基础上 在与其垂直的方向上加入一个长度 稍微偏离半波长的半波振子天线 这种结构可使带宽增加 使标签在复杂的环 境中具有更强的稳定性n 5 m 6 m 力 r1 l 一j 图2 8 双辐射体结构的偶极子天线 2 3 3 加入短截线结构 在简单的半波振子天线接近天线馈电端的某位置加入开路短截线 可使标 签天线在较大的频率范围内得到较好的匹配 开路短截线 通常小于波长 4 可等效为并联电容 调节其长度 宽度和位置 就可调整天线的输入阻抗 但 通常只能调节输入阻抗的虚部乜1 l o 第二章标签天线设计的关键技术 2 3 4 折叠半波振子 图2 9 加入短截线结构 一些u h fr f i d 电子标签天线可能要与高阻抗的r f i c 的输入阻抗匹配 在 不考虑额外的匹配技术时 可以考虑以下结构形式 折叠半波振子由半波振子 两个末端相连而成 输入阻抗约为传统半波振子的自阻抗的4 倍b m 朗 图2 一l o 折叠半波振子 2 4 电子标签天线的匹配技术 2 4 1 横条加载 主要应用于简单偶极子天线和弯折线偶极子电子标签天线 由于横条靠近 偶极子天线的双臂 改变了天线的辐射电阻和耦合电容 从而调整横条与偶极 子天线的双臂与偶极子天线双臂的距离就可以调整天线的输入阻抗 特别是调 整输入阻抗的实部 而较紧凑的弯折线主要用于调节输入阻抗的电感量 调节 其长度 紧凑度 重复次数就可以调节输入阻抗的虚部口儿1 9 2 0 1 横条加载 弯折绣加感 图2 1 1 横条加载 中山大学硕士学位论文 2 4 2 感性耦合 感性耦合指r f i c 与馈线相连 馈线通常绕成一个电感圈 电感圈的电流最 大的边与辐射体的某条边相靠近 从而向辐射体感性耦合馈电 调整电感耦合 系数m 可以调整天线的输入电阻 这可以由调整馈线与辐射体之间的距离d 来 实现 调节馈线圈的周长可以调节馈线线圈的自感 从而调节天线的输入电抗 3 1 0 2 1 z 3 1 0 2 4 3 容性耦合 图2 1 2 感性耦合 r f i c 的两端与两馈线相连 两馈线分别经过约1 4 波长的长度后经开路点 进行容性耦合 当中一条馈线直接连接辐射体 开路点间的距离可以用于调整 电子标签天线的输入阻抗 间距越大 天线输入阻抗越小叫1 2 4 4 串联短截线馈电 图2 1 3 容性耦合 电阻短截线用于电阻匹配 而双电感短截线用于电抗匹配 通过调节电阻 短截线的长度和宽度 实现电阻匹配 双电感短截线由两个电感短截线组成 为r f i d 标签的两边提供对称结构 双电感短截线的末端分别接r f i c 的g n d 地 端 和r f 射频端 作为标签天线的馈电端 与感性耦合匹配的天线相比 串 联短截线馈电天线产生更低的相位角 更加适合与低电阻的r f i c 匹配瞄3 1 2 蚺一 杯整 线啦计的关键技术 2 4 51 匹配网络 图2 一1 4 串联短截线馈电 在天线馈电点附近加入t 匹配网络结构 达到标签天线与r f i c 之间的阻 抗共轭匹配 1 陶21 5t 匹配网络 图2 1 6t 一匹配网络等效电路 2 5 抗金属影响的标签天线结构 2 5 1 增加间距 为了改善天线的抗金属物质影响的能力 在介质基板下面加一层泡沫 用 于增加标签天线与其所摆放物体之间的距离 泡沫的厚度为3 m m 中山 学砸十学位论文 当此标签天线放在自由空间中 它的半功率带宽为6 95 删z 从9 0 45 m h z 到9 7 4 m h z 最大读耿距离为28 m 当放在金属表面时 半功率带宽为75 m h z 从9 0 9 m h z 9 1 65 唧z 最大读 取距离为i 8 m 3 可见 增加间距的方法不能很好地解决金属表面对电子标签天线的影响 p 0 h p e i 臣主三三三面三三三壹 2 5 2a m c 垫底结构 图21 7 增加间距的天线 a m c 结构即a r t i f i c i a lm a g n e t i cc o n d u c t o r 人工磁导体 可在电子标签 天线与其所粘贴的金属物质之间加入一层a m c 结构 用以隔离金属表而对电了 标签的影响 甚至可以借助a m c 来提升电子标签的增益 带宽和读取距离 1 a m c 的设计涉及到电磁场理论 物理学 矩阵分析等跨学科的内容 其测 试的方法还不成熟 研究的成本较高 此类a m c 结构的研究和应用暂时不实际 困 丁i 习 i 竺 竺i p e c 接地扳 幽2 1 8a m c 结构 第章标签玉线设计的关键技术 2 5 3p i f a 结构 p i f a 结构是可用于金属表面的u h fr f i d 电子标签天线的常见结构哺 1 当此标签天线放在自由空间时 其半功率带宽为1 5 j z 8 6 0 m l z 8 7 5 m h z 最 大读取距离为2 m 当放在金属板上时 半功率带宽为1 7 m h z 8 6 0 删z 8 7 7 m i z 最大读取距离为5l m 此p i f a 标签天线放在金属表面时 由于天线本身自带 地板 地板有一定的隔离金属表面影响的作用 所以对天线匹配 带宽的影响 不大 此标签天线放在金属表面时读取距离的增加 是由于金属表面作为更大 的反射板 提高了天线的方向系数 最大辐射方向上的增益 2 5 4 馈线接地结构 图2 1 9p i f a 结构 馈线通过感性耦合馈电向辐射体馈电 辐射体上开了l 型的开槽以增加电 长度 蚓 r f i c 的两端接馈线 一端的馈线短路接地板 馈线的一端接地可以 使馈线的长度减半 而且这样可以同时防止馈线所导致的寄生辐射和减少馈线 所产生的欧姆损耗 此标签天线在空气中的带宽 v s w r 25 为2 7 i m h z 9 0 1 9 9 2 9 m h z 最 大读取距离为6 m 在金属表面时为5 m 但由于其感性耦合馈电特性 它的带宽 较窄 x x l 已 中m 人学碰 学位论i 图2 2 0 馈线接地结构 2 5 5 辐射帖片接地结构 鼍 黯 竖立二一 u 此类结构采用馈线 圈 电感耦合的方式馈电给辐射体 短路接地铜片的 位于辐射体的远离馈线的两端 辐射体由两个对称的接地辐射铜片构成 可以视为两个p i f a 由于每个 p i f a 的接地点都位于其形状的边缘部分 所以电场变化的最大值可以建立在辐 射体的中心 而与传统的p i f a 结构相比 这样的结构可以减少在地板上的感应 电流 当此标签天线接近金属表面时 由金属表面所导致的性能恶化会被减轻 在空气中 此天线的带宽 v s w r 3 为1 1 删z 最大读取距离为5i m 在 第二章标签天线设计的关键技术 金属表面时 带宽 v s w r 3 为1 2 m h z 最大读取距离约为5 m 乜3 3 3 1 2 5 6 几种可以用于金属表面的标签天线 基于平面倒f 天线 p i f a 结构的双频段r f i d 标签天线 如图2 2 2 标签天 线采用纸质材料作为标签基材 天线结构为p i f a 结构 在天线辐射面上开槽和 小环 以实现天线双频段特性 采用了地面开缝隙技术 可获得比普通p i f a 天 线更宽的带宽 该r f i d 标签天线有2 个谐振频率 8 7 0 和9 1 5 m h z 带宽3 0 m h z 测试结果表明 此r f i d 标签天线可以很好地工作在8 6 7 和9 1 5 m h z 频率上n f 胁芷梗田 p i f a 结构图 单位 m m 地面加载缝隙结构图 单位 a m 图2 2 2 双频段r f i d 标签天线 陶瓷介质标签天线结构如图2 2 3 此标签天线利用陶瓷介质缩小天线的尺 寸 大小为2 5 m i n x 2 5 m i n x 3 m m 天线的阻抗可以通过短路板的大小 馈电回路 的尺寸来调节 当放在4 0 0 m m 4 0 0 m m 的金属表面时 最大读取距离5 m 9 1 0 m h z d 司 1 7 中山大学顾 学位论立 一1 1 图22 3 陶瓷介质标签天线 此标签天线利用t 一匹配网络与双对称辐射贴片接地结构相结合的方式 如 图2 2 4 实现自由空 1 i i 半功率带宽11 4 范围是8 5 2 m h z 9 5 4 m h z 在金属表 面时 半功率带宽范围是8 6 2 8 7 2 y l h z 和9 2 1 9 3 8 m h z 叫 图2 2 4t 匹配网络与双对称辐射贴片接地结构 如图2 2 5 此标签天线由带有两个短路线馈电回路 两个与接地板短路的 对称辐射贴片构成 在自由空间 阻抗带宽为8 5 8 m h z 9 2 9 m h z s 1l 一73 6 d b v w s r 2 3 d b i 馈源输入端口驻波比 心 5 8 6 0 9 6 0 m h z 尺寸 2 c m x2 c m 5 c mx5 e m 芯片输入阻抗 4 7 1 4 j 1 2 4 8 9 1 5 m h z 4 3 5 3 j 1 2 0 4 2 9 6 0 m h z 要求设计的标签天线在9 1 5 m h z 频点与标签芯片理想匹配 4 1 天线指标分析 反射糸数与旺 圾比明天乐郊卜 i s i 而p 1 4 一1 t o s s 2 0 1 9 刚 划 g 筹圯广椰6 2 所以r e 呲o s s d b 1 s 1 一7 3 6d b 8 6 0 9 6 0 m h z 就可以满足要求 芯片的端口等效电路是ri ic 其中r 是端口并联等效电阻 c 是端口并联 等效电容 乙脚是端口并联等效阻抗 叫l c 去巾c 3 第阴章小型标签天线的设计 缈c 上 4 4 r z 盯配 r 肛 去 5 c i m a g l 么一1 l a j c4 6 把乙肘 4 7 1 4 j 1 2 4 8 9 1 5 m h z 代入公式 4 5 4 6 得到端口等效阻 抗 磊眦 r lc 3 7 7 5 0 h m sl i1 2 2 0 p f 代入式 3 7 得到芯片阻抗的频率 响应如图4 1 rie憾fmq c憾fl嘲 x 弋 i l l i 图4 1 芯片阻抗的频率响应 4 2 天线设计过程 设计思路 1 根据天线方向图要求确定天线大概结构 a r f i d 标签天线要求全向辐射 使用偶极子结构可以达到要求 2 调整天线结构 使增益达到要求 3 调整电尺寸 使天线谐振于9 15 m h z 附近 4 调整匹配电路 使天线与r f i c 匹配 巾m 大学碰 学位论立 a 调整匹配电路的尺寸 总结尺寸对天线阻抗的影响 最好能分别调 整z a n t 的实部和虚部 这样就能方便的实现菸轭匹配 b 工作于s 1 1 一1 0 d b 8 6 0 9 6 0 m h z 中国 9 2 0 9 2 5 m h z 4 2 1 天线结构选取 使增益达到要求 i 三i 下是几种天线结构的增益情况 仿真软件采用h f s s 仿真时把贴片天线设置成厚度为o0 7 m m 材料是铜 基板材料f r 4 一e p o x y 介电常数 r e l a t i v ep e r m i t t i v i t y 4 8 厚度0 4 m m 损耗 d i e l e c t r i cl o s st a n g e n t 00 1 8 天线端口阻抗设置成与芯片阻抗共轭匹配 4 71 4 1 1 2 48 解算频率的中点是9 1 5 m h z 如图4 2 紫红色的是金属贴片 贴片下面的长方体是r f 4 介质板 没有 金届地板 其中 俯视图巾介质扳的边界到天线的最小距离足2 m m 金属贴h i i 辐射臂的线宽是w 4 川距w 3 天线的具体尺 j 负l 表4 1 图4 2 密集辐射臂的偶极了天线 第四章小型标签天线的设计 表4 1 图4 2 的具体尺寸 单位 m m h l 6h 61 5w 4l h 21w l3 w 粕t 3 2 6 5 6 h 31 5w 2lw 总3 6 6 6 0 h 41 w 31 o 5 3h2 9 h 5 2 5说明 1 0 5 3 表示从1 到3 变化 步长为0 5 2 4 2 嘲x n s o l c o r p o r a t i o n 蚴 o r a d i 矾i o np a t t e r n1d 日 o a d a dd h f s s d e s l g n l p h i o d e g s e t u p l l a s t l 焉惩狲 d l o a i n t a l a l d p h l d e g s 如1 l a s t a 蜒岁 m 1 1 j h 图4 3 密集辐射臂的偶极子天线的方向图 图4 4g a i nv sw 3a tp h i 0 d e g f r e q 9 15 m h z 中山人学硕上学位论文 图4 6r e z v sw 3 3 0 第叫章十掣标 天线白勺 1 图4 7i m z v sw 3 延耻酗d 旷 叶呼塑 曼砂 如图4 3 图4 7 由仿真结果看出 天线的阻抗随着w 3 的增大而减小 谐振点的频率随着w 3 的增大而减小 这种天线是全向辐射的 w 3 对g a i n 的 影响很大 但是g a i n 2 3 d b i 于是 需要改变天线的整体结构 增大g a i n 图4 8 是改良的弯曲偶极子 g a i n 得到了提升 图4 8 弯曲偶极子 备用方案1 2 r t 口k dl hjrtok d ejllbi 中山人学硕上学位论文 图4 8 所示的改良的弯曲偶极子中 线宽和线的间距都是l m m 由仿真 结果可见 此天线的g a m 1 9 2 d b i 接近指标要求 但s 1 1 偏大 还需要调整 匹配电路 由于这种天线在调节谐振点时有点复杂 只作备用 图4 9g a i n p h i 0 d e g f r e q 9 15 m h z 弯曲偶极子 备用方案1 2 b 舢 嘲mc 甜唧锄o n 1 4 3 5 1 0 y o s 1 1 d b 懵 l u m p p h i s s d e s i o n t s e t u p ls w e i 夸 二 k 一 l 1 蕾 卜 j f 七 f i 一 r a j i a l 5 d ej j l 毛 r j i 7 皇脯 r 一l 一广一 芒 己 毒一l i t 呻 j v 一讪 啊 妯 1 1 1 1 口 f r e q 1 u m z 3 2 第四章小型标嚣天线的设计 图4 1 l 弯曲偶极于 备用方案2 如图4 1 1 的天线 仿真时通过改变h 1 看g a i n 的变化 如图4 1 2 当 h l 2 4 m m g a i n 20 5 d b i 但是波动幅度比较大 如图4 1 3 谐振点的频率随 h 1 的增大而减小 蚓4 1 2 g a i nv sh la t p h i 0 d e g f r e q 9 1 5 m h z 弯曲偶极子 备用方案2 图4 1 3s 1 1v sh 1 弯h 偶极了 备用力案2 鲐过反复改变天线的结构 确定天线的矩型如幽4 1 4 图4 一1 4 弯 1 偶极子 最终方案原型 第四章小型标签天线的设计 图4 1 5g a i n a tp h i o d e g f r e q 9 1 5 m h z 弯曲偶极子 最终方案原型 图4 1 6s l lv sf r e q 弯曲偶极子 最终方案原型 可见这种天线的g a i n 可以达到要求 但谐振点和匹配电路需要改良 3 5 中山大学硕士学位论文 4 2 2 天线匹配电路调整 天线的结构如图4 1 4 下面是调整匹配电路的过程 图4 1 7g a i nv sw la tp h i 0 d e gh l 2 7 m mf r e q 9 1 5 m h z 图4 1 8r e z v s w l 3 6 第四章小型标签天线的设计 图4 1 9 旭 v s w l 放大图 图4 2 0 砌 z 删 v s w l 3 7 中山大学硕十学位论文 图4 2 1 1 1v sw l 由图4 1 7 图4 2 1 可见 谐振点随w l 增大而增大 h l 2 7 m m w l 1 5 m m 时 谐振点的匹配状况 s l l 2 9 d b 8 7 4 m h z 但是谐振点不在9 1 5 m h z 需 要把天线的电尺寸减小 提高谐振点 于是减小h 1 的值 尽量把谐振点调到 9 1 5 m h z 附近 图4 2 2s 1 1v sh la t w l l m m 3 8 第旧章小型标箍天线的设计 由图4 2 2 可见 当w l i m m h l 2 3 m m 时 谐振点的频率 9 0 0 i v 仆i z 此 时h l h 2 2 3 m r n 为了进一步减小尺寸 应该使h 1 1 1 2 同时变化 4 2 3 天线谐振点调整 留意到 当w l l5 m m h l 2 7 m m 时 谐振点的匹配状况良好 s 11 2 9 d b 8 6 5 m h z 在图4 1 4 中 使w l l5 m m h i h 2 调节谐振点 使其谐振在9 1 5 m t t z 修改后的天线结构如图4 2 3 天线仿真时的具体设计如下 紫红色的是盒属贴片 贴片下面的长方体是r f 4 介质板 没有金属地板 其中 介质板宽度h 2 h l 2 m m 长度是5 0 m m 其他地方的单位 m m 金属贴片中 线宽度大的是w l l5 m m 宽度小的是l m m h 3 6 m m w 3 m l n 细线之间的间距w 2 2 m m 因为贴片天线很薄 仿真时把贴片天线设置成二维平面 p e r f e c te 理想 电平面 天线端口阻抗与芯片阻抗共轭匹配 4 7 1 4 十i 1 2 48 基板材料 f r 4 一e p o x y 介屯常数 r e l a t i v ep e r m i t t i v i t y 4 8 厚度0 4 m m 损耗 d i e l e c t r i cl o s s t a n g e n 00 0 1 8 i j 髫 番m h 34 6 1 个鑫气 r f i c 一 4 8 一 5 0 图4 2 3 天线的虽终结构 中山大学硕上学位论文 图4 2 4 修正的s i iv s h i 已经考虑到z 兄眦随频率变化 如图4 2 4 谐振点的频率随h 1 的增大而减小 图4 2 5g a n iv sh la tw l 1 5 m mp h i 0 d e gf r e q 9 1 5 m h z 4 1 中m 大学硕 学位论文 如图4 2 4 当w l l5 m m h 1 2 2 5 m m 天线与r f i c 匹配良好 s 1 1 2 95 d b 9 1 5 m h z s l l 1 0 d b 73 6 d b 等效为v s w r 2 一3 d b i 馈源输入端口反射系数 s l l i o d b 8 6 0 9 6 0 m h z 尺寸 y t 口一 三 r i i 尹