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用于UHF频段射频识别系统的小型右手圆极化四臂螺旋天线设计方案

射频百花潭 2018-03-31 11:32 次阅读

本文设计了一种用于UHF 频段射频识别系统的小型右手圆极化四臂螺旋天线。天线由四块印刷介质板装配组成,辐射部分为印制在介质板的4个金属条带臂,通过微带威尔金森功分器馈电。通过对关键参数的仿真优化,天线尺寸为60 mm × 60 mm × 8 mm,峰值增益为4.2 dB,带内轴比< 3 dB,3 dB 波束宽度> 120°。实物测试结果与仿真结果吻合良好。

1 引言

射频识别(RFID)技术近年来得到了广泛的重视和应用。UHF频段的RFID 系统,由于其传输距离远、传输速率高,受到了更多地关注[1]。典型的RFID系统由RFID 阅读器和标签两部分组成,RFID无源标签依靠RFID 阅读器发射的电磁信号供电,并通过反射调制电磁信号与阅读器通信。因此,RFID读写器天线设计的优劣对其系统工作性能有关键的影响。

随着手持移动端RFID读写设备的发展,减小天线尺寸成为了读卡器天线设计中非常重要的设计要求,同时由于使用场景的复杂性,RFID无源标签的姿态的非固定性,良好的圆极化性能也不可或缺。不同的应用场景对读写距离的要求也不同,如资产管理和人员管理应用中,要求最少数米的读写距离,这就对设备内置天线的增益提出了要求。另一方面,为了便于与移动设备集成使用,要求天线具有结构简单,稳定,重量轻的特点。

传统的读写器天线包括偶极子天线,折合振子天线,陶瓷微带天线等均不能满足读写器天线对于高圆极化性能的要求[2][3]。四臂螺旋天线由于其出色的圆极化性能被等人应用于RFID系统中。印刷四臂螺旋天线继承了四臂螺旋天线圆极化性能好,轴向辐射等特性,同时又具有制作简单,稳定性好的特点。Wang-Ik Son等人将PIFA天线应用于印刷四臂螺旋天线并分析了天线的匹配原理[4],本文在此基础上对天线的馈电匹配和辐射结构均进行了改进。结合印刷四臂螺旋天线和PIFA天线的形式提出了一种小尺寸、低剖面、高性能的圆极化射频识别天线。

2 天线结构设计

本文采用三维电磁设计软件HFSS13.0对天线结构进行了设计仿真和优化。天线模型示意图如图1所示。

1a整体结构

天线由四个改进的PIFA天线以四臂螺旋的形式组成。整个天线结构由四块介质板组成,中间两块小介质板采用卡子形状设计以保证物理结构的稳定和牢固。天线的功分馈电网络印制在下层介质板上的,四个PIFA天线印制在上层及中间介质板上。PIFA天线印制在介电常数3.5,厚度1mm的F4BM350介质板上,每个天线由印制在上层介质板的辐射臂和中间介质板的匹配馈电结构组成。

1b侧视图

1c天线馈电网络模型示意图

图 1 天线模型示意

3 天线关键参数设计和优化

天线部分参数示意如图2所示。中间部分为天线的馈电匹配结构,用于设计天线的阻抗匹配已达到最佳性能,设计对这一部分结构参数的优化设计是该天线的重点。经过仿真验证,参数H主要影响天线的谐振频率,这是H长度的金属条带本身既具有馈电传输能量的作用,同时也是PIFA天线谐振臂的一部分,从而影响天线的主谐振频率。L1和L2决定了PIFA天线短路匹配结构的位置和长度,主要影响到天线输入阻抗的虚部大小,可以等效为在天线输入端加载电容电感的效应,L2同时也会影响到PIFA天线辐射臂的长度大小,从而影响到主谐振频率。各参数的优化结果如表1所示,此时天线达到最佳匹配效果。

图2 天线部分参数示意图

表1  各参数优化结果

4 天线加工与测试结果

天线加工实物图如图3所示,为了方便与后级系统连接,馈电端口用一根一端为SMA接口的引线引出。天线的各指标仿真与测试结果在下图处给出。图4为天线回波损耗结果图,仿真和测试结果基本趋势吻合良好,但存在一定频偏,可能是材料的介电常数不稳定,以及加工装配误差所导致。图5是天线峰值增益结果图,仿真与测试基本吻合,实测最大增益约为4.1dBic,与仿真最大4.2dB基本一致,图6为922MHz频点phi=0°主平面的右旋极化增益方向图,3dB波束宽度大于120°,同样与仿真结果吻合良好,这些都说明了设计结构的稳定性。

图3 天线实物图

图4 回波损耗结果图

图5 天线峰值增益结果

图6  922MHz频点方向图测试结果

5 结束语

本文利用将四臂螺旋天线和PIFA天线结合,改进了馈电和装配结构,设计了一种工作在UHF频段的新型RFID读卡器天线,天线整体尺寸60mm*60mm*8mm,与传统的读写器天线相比,具有小型化,低剖面,高增益,宽波束以及结构稳定的特点,实物测试与仿真结果吻合良好。

参考文献

1慈新新,王苏滨,王硕. 无线射频识别( RFID) 系统技术与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

2Z. N. Chen, X. Qing, and H. L Chung, “A universal UHF RFID reader antenna”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 57, no. 5, pp. 1275-1282, May 2009.

3T. N Chang, and J. M. Lin, “ A novel circularized patch antenna with a serial multislot type of loading”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 11, pp. 3345-3348, Nov. 2007

4W.-I. Son, H.-L. Lee, M.-Q. Lee, S.-B. Min, and J.-W. Yu, “Compact square quadrifilar spiral antenna with circular polarization for UHF mobile RFID reader,” in Proc. Asia Pacific Micro. Conf., pp. 2271–2274,Dec. 2010.

原文标题:一种新型的UHF频段RFID读卡器天线

文章出处:【微信号:gh_f97d2589983b,微信公众号:射频百花潭】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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CMOS交换机技术的优势及应用介绍

下一代微波点对点接收器的简化设计

微波点对点链路是无线移动网络的一个组成部分,它提供了基站(BTS/Nodes)与无线控制器(BSC/....
的头像 电子设计 发表于 04-06 09:53 468次 阅读
下一代微波点对点接收器的简化设计

仓储物流系统对RFID手持终端的需求

通过RFID智能手持终端下载由仓储管理系统生成的盘点数据后,库房管理员便可在智能终端的操作提示后,按....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 04-04 10:10 427次 阅读
仓储物流系统对RFID手持终端的需求

京信通信发布了一套监测天线网络健康状况的系统

京信通信开发了临界点AMS系统,以帮助那些使用天线的人跟踪其网络的运行状态。Wakabayashi解....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 04-04 10:07 865次 阅读
京信通信发布了一套监测天线网络健康状况的系统

RFID智能包装行业前景广阔 未来市场规模有望达2000亿

未来随着印刷电子、RFID、柔性显示等创新技术发展与深度融合,尤其是RFID技术与电子标签的高速发展....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 04-04 09:50 615次 阅读
RFID智能包装行业前景广阔  未来市场规模有望达2000亿

RFID技术是如何使全球珠宝业发生革命性变化的

虽然RFID被广泛用作许多行业的有效工具,但其中一个直接受益的行业就是珠宝行业。
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 04-04 09:43 394次 阅读
RFID技术是如何使全球珠宝业发生革命性变化的

通过信号相位行为提高频谱和功率效率

锁相环(PLL)使用相位检测器将反馈信号与参考信号进行比较,将两个信号的相位锁定在一起。虽然此属性仍....
的头像 电子设计 发表于 04-04 08:18 337次 阅读
通过信号相位行为提高频谱和功率效率

基于近零中频的改善直接变换接收器设计浅析

无论是用于传输语音还是数据,RF通信链路都是现代生活的基本组成部分。发射器将信息调制到射频,无线电接....
发表于 04-03 10:51 182次 阅读
基于近零中频的改善直接变换接收器设计浅析

佳能正在研发RF14-21mm f/1.4 L USM镜头 有望于2020年正式发布

据最新爆料消息,佳能正在研发RF14-21mm f/1.4 L USM镜头,已经进入测试阶段,有望于....
发表于 04-03 09:19 231次 阅读
佳能正在研发RF14-21mm f/1.4 L USM镜头 有望于2020年正式发布

Qorvo已提供了超过1亿件5G无线基础设施元器件

2019年4月2日,移动应用、基础设施与国防应用中核心技术与 RF 解决方案的领先供应商 Qorvo....
发表于 04-03 09:13 287次 阅读
Qorvo已提供了超过1亿件5G无线基础设施元器件

快讯:信达物联携手海尔云裳衣联网,开启“物联网洗衣新模式”

据悉,2018年3月起,太平鸟女装作为太平鸟旗下核心品牌,率先革新自我,结合自身的TOC模式优势和A....
的头像 通信信号处理研究所 发表于 04-02 14:00 606次 阅读
快讯:信达物联携手海尔云裳衣联网,开启“物联网洗衣新模式”

交通方式的革命:RFID技术

随着时代的发展,公交、地铁、大巴、汽车、火车、飞机等交通方式,成为了现代人的必需品,而如何更便利的出....
发表于 04-02 11:15 206次 阅读
交通方式的革命:RFID技术

基于物联网的衣物全生命周期管理平台海尔衣联网介绍

云裳物联是海尔衣联网生态产业链的承接者。公司整合海尔及相关行业资源,以RFID等物联网技术为基础,应....
发表于 04-01 14:54 426次 阅读
基于物联网的衣物全生命周期管理平台海尔衣联网介绍

基于Virtuoso和NI AWR软件的RF前端模块集成设计流程

为了满足多模和多频手机对更高性能和更小元件尺寸的需求,业界正在将模块集成策略从单一封装中的类似构建模....
发表于 03-30 10:43 161次 阅读
基于Virtuoso和NI AWR软件的RF前端模块集成设计流程

物联网技术的原理是什么

将设备连接到互联网产生了许多惊人的好处, 通过使用智能手机,笔记本电脑和平板电脑,我们感受到了这些好....
发表于 03-28 14:43 865次 阅读
物联网技术的原理是什么

2019第十五届RFID世界大会在苏州国际博览中心隆重召开

上海交通大学RFID与物联网研究所所长王东教授在主旨演讲中指出,RFID与物联网是新一代信息技术中率....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 03-28 13:51 1421次 阅读
2019第十五届RFID世界大会在苏州国际博览中心隆重召开

如何使用MODBUS进行三菱FX3U系列PLC和RFID读卡器的通信

本文研讨基于modbus协议的三菱PLC和RFID读卡器的通信,实现了通信成功后RFID读卡器的读卡....
发表于 03-28 08:00 155次 阅读
如何使用MODBUS进行三菱FX3U系列PLC和RFID读卡器的通信

请问大家知不知道怎么用cadence仿真有源电感啊?

请问大家知不知道怎么用cadence仿真有源电感啊?得到电路的等效电感值,与频率有关。 ...
发表于 03-27 20:11 306次 阅读
请问大家知不知道怎么用cadence仿真有源电感啊?

如何通过RFID技术实现耗材的防伪?

“315国际消费者权益日”成立至今已有36年,假冒伪劣产品始终难以从消费者的身边根除,但随着技术的不....
的头像 ZLG致远电子 发表于 03-27 16:06 551次 阅读
如何通过RFID技术实现耗材的防伪?

当NFC与RFID技术相结合,会得到哪些新产物?

当今时代,手机是人们日常生活的随身物品,它甚至逐渐取代了人们日常生活中的一些生活工具,如钥匙、门禁卡....
发表于 03-26 15:51 195次 阅读
当NFC与RFID技术相结合,会得到哪些新产物?

日本与艾利丹尼森合作 添加RFID技术创建“未来的便利商店”

艾利丹尼森和日本政府合作,正在推动一项到2025年在这个国家将所有便利店全部转化为无人化商店的活动。
发表于 03-26 15:46 65次 阅读
日本与艾利丹尼森合作 添加RFID技术创建“未来的便利商店”

新款RFID模块实现了自动化读卡器安装功能

科技公司JADAK发布了一种新的超高频RFID读卡器模块,旨在实现RFID解决方案的快速部署,而无需....
发表于 03-26 15:41 89次 阅读
新款RFID模块实现了自动化读卡器安装功能

RFID技术在档案管理中的应用迎来另一个春天

RFID技术作为物联网应用的关键技术,现今已然应用到了工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等各个....
发表于 03-26 15:35 87次 阅读
RFID技术在档案管理中的应用迎来另一个春天

8712ET/ES和8714ET/ES RF网络分析仪服务指南

This service guide includes performance checks, adjustments and assembly replacement details. (Part number: 08714-9001...
发表于 03-26 07:09 58次 阅读
8712ET/ES和8714ET/ES RF网络分析仪服务指南

RFID标签天线的未来三大趋势浅析

如今RFID技术飞速发展,从而也有效助推了RFID标签天线的发展,在现今RFID天线市场中,RFID....
发表于 03-25 15:10 222次 阅读
RFID标签天线的未来三大趋势浅析

RFID技术在档案管理中的应用逐渐得到普及

RFID技术作为物联网应用的关键技术,现今已然应用到了工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等各个....
发表于 03-25 15:02 141次 阅读
RFID技术在档案管理中的应用逐渐得到普及

物联网的下一个主要领域将是工业互联网

互联网过去解决的是人和人之间的互联;物联网解决的是万物互联,还有智能制造的问题,以及整个控制过程。人....
发表于 03-25 14:24 740次 阅读
物联网的下一个主要领域将是工业互联网

物联网还缺乏统一的标准体系

目前,全国开始出现建设智慧城市的热潮。韦乐平表示,智慧城市应该是以电信网和物联网为基础,通过智能化的....
发表于 03-22 15:35 578次 阅读
物联网还缺乏统一的标准体系

对于RFID的组件RFID读写器和电子标签的工作原理,你了解嘛?

谐振频率,也就是外部信号以特定的频率输入谐振电路后使的谐振电路的容抗等于感抗,这个特定的频率就是谐振....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 03-21 15:52 582次 阅读
对于RFID的组件RFID读写器和电子标签的工作原理,你了解嘛?

什么才是成功的物联网商业化模式

目前,全国开始出现建设智慧城市的热潮。韦乐平表示,智慧城市应该是以电信网和物联网为基础,通过智能化的....
发表于 03-21 15:13 555次 阅读
什么才是成功的物联网商业化模式

瑞士公司开发出NFC-UHF双功能纺织标签及打印机

几年来,Textrace一直让客户在其销售的产品上试用基于织物的UHF RFID标签系统,包括欧洲的....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 03-20 16:32 1452次 阅读
瑞士公司开发出NFC-UHF双功能纺织标签及打印机

实现多场景应用RFID技术完善衣物全流程解决方案

而RFID技术的应用使这些问题迎刃而解,同时实现了自动化生产、仓储物流管理、品牌管理、渠道管理等过程....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 03-19 16:45 758次 阅读
实现多场景应用RFID技术完善衣物全流程解决方案

设计用于RFID标签的探测器AN 1089

This Application Note is for information only. Keysight no longer sells or supports these products....
发表于 03-19 16:39 75次 阅读
设计用于RFID标签的探测器AN 1089

13.56MHz RFID天线波形两个板子波形相差很大

最近在调试13.56MHz  RFID天线,目前有两个板子,两个板子都能读到卡,而且读卡的距离也差不多一样,但是量2块板子的...
发表于 03-11 00:03 98次 阅读
13.56MHz RFID天线波形两个板子波形相差很大

关于RFID射频信息ISO15693协议的CRC校验

各位高工,请问有没有了解RFID射频信息ISO15693协议的CRC校验?以下是读写器读出的信息: 读卡返回数据为:303030303...
发表于 03-06 16:53 342次 阅读
关于RFID射频信息ISO15693协议的CRC校验

请问无源RFID能提供的电流都与什么因素有关?

现在我想要实现在至少1m的通信距离情况下,读取传感器一端的数据,传感器想要做成无源的形式,能量由读卡器一端提供。 别人给了...
发表于 03-04 19:49 410次 阅读
请问无源RFID能提供的电流都与什么因素有关?

基于LTC6602的滤波器演示电路

LTC6602,用于软件定义的UHF RFID读取器的可编程基带滤波器。该电路显示了一个简单的基于LTC6602的滤波器,它使...
发表于 03-04 09:47 226次 阅读
基于LTC6602的滤波器演示电路