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基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

2018年06月06日 16:19 次阅读

0 引言

射频识别技术(RFID)是一种新兴的自动识别技术,其工作原理是通过无线方式进行双向数据通信,达到传递射频信息的目的。一般情况下,RFID系统由电子标签、阅读器和相关应用系统软件等组成。其中,标签包括天线及芯片两部分。由于RFID标签和阅读器之间不需要接触即可完成两者的识别,因此RFID系统可以工作在各种环境中,并可以同时进行多个运动目标的识别。至今,RFID系统已广泛应用在诸多领域,如:物流管理、生产制造、图书管理、身份识别、道路自动收费等领域。

在RFID系统通信过程中,阅读器通过自身的天线发送一定频率的射频信号。当标签进入此区域时,标签天线从此领域的辐射场中获得相对应的阅读器的命令,经标签处理,然后通过自身的天线发送出自身编码等应答信息。此发送的信息被阅读器读取,并解码,然后传送到对应的应用系统软件进行处理,从而达到自动识别物体的目的。标签天线作为RFID系统的基本元件之一,其性能将直接影响标签接收及其发射信号的准确性,所以对其研究具有重要的意义。

1 UHF RFID标签天线设计理论原则

1.1 阻抗共轭匹配

电子标签需从阅读器天线上得到电磁波能量来响应标签芯片,因此在电子标签芯片上有一小部分用来检测标签天线上的感应电动势或者感应电压的电路,并通过二极管电路整流,再经过电压放大,最后读取标签信息。天线设计无需知道芯片内部结构,只需知道芯片封装后的芯片阻抗值的大小,然后利用最大能量传递法则设计天线。标签芯片的输入阻抗分为电阻分量和电抗分量两部分,电抗部分一般为容性阻抗,为了达到最大能量传递,需要电子标签天线的输入阻抗与标签芯片输入阻抗共轭匹配。标签芯片的输入阻抗为Z=R-jX的形式,为了实现芯片与天线的共轭匹配,我们要设计的天线的输入阻抗形式应为Z=R+jX。对于UHF频段标签天线,就要用到能够为标签天线引入感抗的共轭匹配结构来实现标签芯片与标签天线之间的匹配了。一般需要在天线上中加入环形结构馈电额外结构或其他结构来进行匹配。本文采用功率反射系数描述标签天线与标签芯片之间的阻抗共轭匹配情况。

基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

如图1所示为等效电路图。其中Za为为天线输入阻抗,Zc是芯片输入阻抗,Zc=Rc+jXc。

基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

1.2 主要性能参数影响

在电子标签天线主要性能方面,标签的识别距离r为重要的指标参数,表达式如下:

基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

以上式中,P1为阅读器的发射功率,GT为阅读器天线的增益,Gr标签天线的增益,为反射系数,Pth为激励标签芯片的门限功率。

1.3 小尺寸、低成本

由于标签需要粘贴到相对应的物品上,需要电子标签体积足够小,随着RFID系统的不断成熟发展,标签应用也越广泛,电子标签生产成本要求也越来越低。

2 UHF RFID标签天线设计过程

首先,根据辐射特性,确定其天线大概结构。然后,调整天线结构,使增益达到要求。最后,调整匹配结构,使天线与芯片阻抗匹配,主要包括以下两方面。其一,调整匹配结构尺寸,总结尺寸对阻抗影响。其二,其反射系数S11《-10dB在频带的范围内,我国的UHF RFID频段:840~845MHz和920~925MHz。

3 UHF RFID标签天线设计及HFSS仿真及结果分析

3.1 UHF RFID标签天线设计

根据标签天线设计理论,芯片阻抗为20-188jΩ,工作频率为f0=920MHz。本文所设计的天线采用厚度为0.8mm、介电常数为4.6的FR4介质作其基板,贴片为铜皮。天线结构如图2所示,参数值如图3所示。

基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

从结构图中可以看出,标签天线采用电磁耦合馈电结构,有两部分组成,其一是独立弯折的辐射体,其二是一馈电环。芯片从馈电环的开口地方激励。通过标签天线设计理论分析,改变结构中的参数距离d及其馈电环的尺寸来影响两者之间的耦合度,进而影响标签天线的阻抗值达到与标签芯片阻抗的共轭匹配。

3.2 天线仿真及结果分析

通过各参数进行分析、仿真,对比参数不同值对天线性能的影响,从而选取最佳值,进行优化,最后达到的仿真结果如图4所示。

基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

从图4可以看出,在频率f0=920MHz,阻抗为20+188jΩ,反射系数S11为-28dB的情况下,完成了与标签芯片阻抗良好的共轭匹配。

基于宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计解析

从图5(a)(b)看出,天线的方向性为全向性。在f0=920MHz处,标签天线的增益为1.9dB。天线在840MHz和925MHz附近有两个谐振峰。电子标签天线在-24dB的带宽为160MHz,为宽频带。频带不仅覆盖840~960MHz频带设计的目标,而且将上频带提高了40MHz。

4 结束语

本文设计了一款工作于UHF频段的直接匹配芯片的RFID标签天线。通过天线的仿真结果表明,本天线与特定芯片之间具有良好的阻抗匹配特性。标签天线的辐射特性良好,基本可以满足实际应用的要求。天线的结构简单,且采用的制作材料大大降低了其生产成本。由于天线的小尺寸和薄膜特性,由此天线生产出的标签可以广泛地粘贴在平面的物体上,可以促进RFID技术在物联网等方面的广泛应用。大多数情况下,RFID系统中标签天线需要在不同环境下工作,在很多实际应用时,标签天线需要粘贴在高电导率物体的表面,由于高电导率物体边界条件,这时标签识别距离、辐射效率、输入阻抗及其增益等参数都会受到极大的影响,为了解决上述问题,人们提出了倒F天线,或者是平面倒F天线类型的天线。因为为了实现其功能,倒F天线、平面倒F天线自身需要有一个金属接地板,这还需要改进。

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发表于 2017-12-26 08:44 1950次阅读
测量实际丛林环境下的电波传播路径损耗及天线效应

基于天线驻波比实用问题的详细分析

本文不打算重复很多无线电技术书籍中关于电压驻波比的理论叙述,只是想从感性认识的层面谈几个实用问题。

发表于 2017-12-25 11:34 1735次阅读
基于天线驻波比实用问题的详细分析

深度图片解析天线原理、天线指标测试

一、天线原理—天线基本概念; 二、天线指标测试;

发表于 2017-12-20 16:30 2045次阅读
深度图片解析天线原理、天线指标测试

天线知识深度图片详解

天线原理—天线基本概念

发表于 2017-12-18 16:23 1502次阅读
天线知识深度图片详解

全面屏时代,手机天线设计该如何应对?

解决全面屏天线设计问题,除终端厂商努力外,射频器件厂商也在不断地尝试,如:第一是开源的方式,提高 P...

发表于 2017-12-17 07:28 2944次阅读
全面屏时代,手机天线设计该如何应对?

现代手机的天线设计应对策略

自2007年iPhone问世以来的十年间,智能手机个头在不断变大,而其罪魁祸首就是屏幕尺寸增大所逼。...

发表于 2017-12-13 16:50 262次阅读
现代手机的天线设计应对策略

基于射频直放站系统的天线隔离度设计方案

直放站是移动通信中最重要的补充手段 移动通信的快速发展,需要建立大量的基站,特别是2001年联通公司...

发表于 2017-12-13 16:18 207次阅读
基于射频直放站系统的天线隔离度设计方案

双极化天线及其方向性图下倾技术分析

目前,在GSM网络建设和维护工作中,如何解决GSM网络高话务密度区的容量和干扰问题,提高全网的接通率...

发表于 2017-12-13 16:17 281次阅读
双极化天线及其方向性图下倾技术分析

移动通信领域的内置天线设计技术介绍

 随着3G网络计划于2002年下半年正式推出,设计与现有技术和频率后向兼容的3G手机所带来的更多挑战...

发表于 2017-12-13 16:16 208次阅读
移动通信领域的内置天线设计技术介绍

电磁辐射强度与天线架设方式关系解析

本文就公用移动电话基站的设置及天线的不同架设方式对周围环境产生的影响进行了分析,并提出了减少电磁辐射...

发表于 2017-12-13 16:16 244次阅读
电磁辐射强度与天线架设方式关系解析

卫星的线极化与螺旋极化解析

卫星的下行频信号一般有两种极化:线极化与螺旋极化 线极化又分为水平H极化和垂直V极化; 螺旋极化又分...

发表于 2017-12-13 16:10 360次阅读
卫星的线极化与螺旋极化解析

1.5m天线接收C、Ku波段卫星电视使用说明

如何用1.5m天线同时接收卫星上的C、Ku波段卫星电视节目,对众多的卫星电视接收爱好者来说是个努力探...

发表于 2017-12-13 15:37 539次阅读
1.5m天线接收C、Ku波段卫星电视使用说明

随环境而变化的特殊天线用途详述

移动通信直放站是为消除移动通信网的局部范围信号盲区或弱信号区而设计的通信设备。 直放站通常分为两种:...

发表于 2017-12-13 15:34 140次阅读
随环境而变化的特殊天线用途详述

DEMA中波短天线的工作原理与性能指标介绍

传统天线(classical antennas)是根据赫兹(Hertz)定理的半波长共振理论来设计的...

发表于 2017-12-13 15:30 215次阅读
DEMA中波短天线的工作原理与性能指标介绍

AP天线覆盖影响因素分析

一般的AP在空旷的环境下理论上有100米到300米的覆盖范围,在办公的环境下有35米到100米覆盖范...

发表于 2017-12-13 15:29 162次阅读
AP天线覆盖影响因素分析

移动通信中的智能天线设计介绍

天线作为移动通信的重要组成部分,在提高网络性能、改善网络质量等方面起着巨大的作用。天线技术发展迅速,...

发表于 2017-12-13 15:28 211次阅读
移动通信中的智能天线设计介绍

基站辐射比手机辐射还要强?

通信基站、变电站、加油站和加气站越来越多的站进入居民小区。对这些与生活休戚相关的公共设施,人们产生了...

发表于 2017-12-13 15:15 154次阅读
基站辐射比手机辐射还要强?

手机天线可保大脑免受辐射伤害

英国工程学教授格林发明了一种能保护大脑使其免受无线电波辐射的手机天线。 格林告诉法新社说:这是一种新...

发表于 2017-12-13 15:06 99次阅读
手机天线可保大脑免受辐射伤害

基于U2270B的射频识别系统天线设计分析

近年来,自动识别方法在服务领域、货物销售、后勤分配、商业、生产企业和材料流通等领域得到了快速的发展,...

发表于 2017-12-13 14:28 335次阅读
基于U2270B的射频识别系统天线设计分析

基于AR1900解决方案的PAS手机令人爱不释手

8月,先进无线解决方案供应商Atheros宣布,UTStarcom的超薄型X30 PAS手机将采用该...

发表于 2017-12-13 13:02 132次阅读
基于AR1900解决方案的PAS手机令人爱不释手

手机等移动终端产品的电视接收天线设计

自数字电视开播以来,各种电视接收产品也因应市场需求不断推出,举凡带有动态显示器的各种产品也均将导入电...

发表于 2017-12-13 12:28 173次阅读
手机等移动终端产品的电视接收天线设计

卫星干扰起因及改善的解决办法解析

全球卫星干扰正在恶化。在Broadcast Asia 2006卫星会议上,业界角逐者们研讨了引起干扰...

发表于 2017-12-13 12:27 255次阅读
卫星干扰起因及改善的解决办法解析

卫星天线的防雷保护设计解决方案

用于电视/宽带服务广播信号的通信卫星主要使用两个工作频段,即C、Ku。C频段的频率范围为4.0 GH...

发表于 2017-12-13 11:33 569次阅读
卫星天线的防雷保护设计解决方案

基于PCB的小天线设计

原因或许就是因为它们是无源器件,在RF信号通路中所起的作用看来不大。也可能是是因为设计师希望他们一直...

发表于 2017-12-13 11:32 180次阅读
基于PCB的小天线设计

自适应阵列天线的简要介绍

在移动通信系统中,系统的容量是比较重要的一个指标。为了提高系统的容量,一般都采用分集、编码增益等一系...

发表于 2017-12-13 11:16 379次阅读
自适应阵列天线的简要介绍