RFID标签用缝隙天线分析与设计
第28卷第1期2007年2月暨南大学学报(自然科学版)
Jou rnal of J inan U niversity (N atural Science )
V ol . 28 N o . 1Feb . 2007
RF I D 标签用缝隙天线分析与设计
周永明
1, 2
, 赖声礼
1
(1. 华南理工大学电子与信息学院, 广东广州510640; 2. 韶关大学信息工程系, 广东韶关512005) [摘 要] 分析了缝隙弯折次数、高度、位置、宽度和缝隙平片大小对缝隙天线谐振特性的影响. 仿真结果显示,
缝隙的弯折次数和高度对其谐振频率影响显著. 最后, 提出了一款UHF 射频识别标签用的缝隙天线, 制作了相应的实物天线. 仿真与测试结果说明所设计的天线基本满足RF I D .
[关键词] 射频识别; 标签天线; 缝隙天线; 谐振特性
[中图分类号] T N821. 4 [文献标识码] A -() -05
+
t slot an tenna for RF I D tag
ZHOU Yong 2m ing
1, 2
, LA I Sheng 2li
1
(1. School of Electr onic and 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 antenna 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 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 characteristic
1 引言
无线射频识别(简称为RF I D ) 系统由标签、读写器和后台主机组成. RF I D 标签由专用的I C 芯片和一根连接在芯片两端上的天线组成. 在RF I D 标签天线设计中, 天线与芯片之间的阻抗匹配程度决定着RF I D 系统性能指标, 标签小型化要求其天线小型化, 标签天线小型化是标签设计者永远追求的目标.
近来, 有一些标签天线设计的报道, 例如折叠
[收稿日期] 2006-10-16
[基金项目] 广东珠海市科技攻关项目(PC20032001)
型偶极天线、V 型偶极天线、倒F 型天线、环型天线和分形天线等等
[1-3]
. 这些天线的轮廓外形大都是
半波振子的变形, 长度大约为波长的一半, 显得大了点, 阻抗匹配不容易也不方便, 它们的带宽狭窄, 加工制造复杂, 因此不利于RF I D 技术的推广普及应用.
缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带和与有源器件和电路集成为统一的组件等诸多特点, 适合大规模生产, 能简化整机的制作与调试, 从而大大
[作者简介] 周永明(1963-) , 男, 博士生, 副教授, 研究方向:电磁场与天线
降低成本. 近年来虽然有一些研究缝隙天线的文章
[4-5]
2. 1 弯折次数的影响
(b ) 、(c ) 和(d ) 分别为矩形长直缝隙图2(a ) 、
(没有弯折) 、2、4和6个对称矩形弯折的缝隙天线
, 但弯折缝隙天线的谐振特性分析与标签用
缝隙天线鲜见报道. 因此, 弯折缝隙天线的谐振特性研究和尝试在915MHz 频段用缝隙天线来设计RF I D 标签天线具有广阔的市场前景.
结构图. 分析条件是, L =120mm , W =100mm , h =10mm , 缝隙的宽度为1mm , 缝隙的水平长度为115mm. 矩量法仿真结果的反射系数S 11曲线如图3(a ) 所示. 4条天线具有如图3(b ) 所示相似的辐
为此, 本文矩量法研究了缝隙弯折次数、高度、位置、宽度和缝隙天线平片大小对矩形缝隙天线谐振特性的影响. 最后, 根据给定的标签芯片, 提出了一款UHF 射频识别标签用的缝隙天线, 制作了相应的实物天线. 仿真与测试结果表明, 所设计的天线适合于RF I D 标签应用.
射方向图
.
2 缝隙天线分析
缝隙天线有平面与非平面之分. 线. , 槽缝的宽度比其长度小得多. 对偶原理是分析缝隙天线辐射的基本理论. 缝隙天线与其互补电振子具有相似的辐射场
分布特性(方向图) , 区别是其电场与磁场的位置互换. 缝隙天线阻抗Z 1与其互补的电振子的阻抗Z 2之间存在如下的互补关系:
Z 1Z 2=Z 0/4
2
图2
平面垂直弯折缝隙天线结构
(1)
其中, Z 0=37710欧姆, 为自由空间的特性阻抗.
式(1) 是分析验证互补天线(阻抗) 的依据之一. 缝隙天线的馈电激励方式主要有电磁藕合和直接相联的接触式馈电. 电磁藕合馈电是贴近(非接触) 馈电. 直接相联馈电是接触式馈电. 基于标签结构特点, 宜采用接触式馈电, 即标签用缝隙天线与标签芯片直接相联馈电, 这样不仅能简化标签结构, 便于集成化, 而且还能降低成本, 推广普及RF I D 技术的应用.
弯折缝隙天线结构参数如图1所示, 平片大小为L ×W , 缝隙弯折宽度和高度分别为s 和h, 缝隙离馈电中心距离为l . 以下讨论这些参数的改变对缝隙天线谐振特性的影响
.
图3 S 11曲线和天线辐射方向图
表1是图2各弯折缝隙天线的谐振频率、谐振点阻抗、反射系数S 11值、增益和效率关系表. 仿真结果显示, 2个弯折的谐振频率比没有弯折的约小290MHz, 4个弯折的谐振频率比2个弯折的约小240MHz, 6个弯折的谐振频率比4个弯折的约小160MHz . 可见弯折能有效地降低缝隙天线的谐振
频率, 可用于缩减缝隙天线的尺寸. 同时增益随着弯折数目的增大逐渐下降, 阻抗带宽也随之减小,
图1 弯折缝隙天线结构
谐振点阻抗变化不大.
2. 2 弯折高度的影响
改变缝隙的高度h, l =18mm , s =17mm , L ×W =120mm ×100mm 来分析本问题. 仿真结果的S 11曲线如图4所示. 四条天线的辐射方向图与图3(b ) 相似. 表2是缝隙弯折高度h 与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点的S 11值、增益和效率关系表. 由图4和表2可以看出, 随着缝隙弯折高度h 的增加, 谐振频率与阻抗逐渐减小, S 11值递增和增益随之递减, -10db 阻抗带宽也逐渐减小. 2. 3 弯折位置的影响
h =10mm, s =10mm, L ×W =120mm ×100mm, 改变l 的值来分析本问题. 仿真结果的S 11曲线如图5所示. 4条天线的辐射方向图与图3(b ) 相似.
表3是缝隙弯折位置与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点的S 11值、增益和效率关系表. 由图5和表3可以看出, 随着弯折与馈电中心距离l 的增大, 谐振点阻抗递减, 谐振点处的S 11值逐渐增大, 天线其它参数基本不变. 2. 4 弯折宽度的影响
l =9. 5mm , h =10mm , L ×W =120mm ×100mm , 改变缝隙宽度s 来分析. 仿真结果的S 11曲线如图6所示.
4条天线的辐射方向图与图3(b ) 相似. 表4是缝隙弯折宽度与谐振频率、、谐振点的S 11值. , 除谐振频率,
.
图4 S 11
曲线
表1 缝隙弯折次数对天线性能参数的影响
弯折个数
0246
谐振频率/GHz
2. 061. 771. 531. 37
谐振点阻抗/Ohm 54. 78+j2. 6047. 20-j1. 2748. 89-j1. 0047. 77-j1. 23
谐振点反射系数/db
-25. 82-29. 99-36. 43-31. 69
图5 S 11曲线
增益/dB i 5. 985. 414. 804. 42
天线效率/%
99. 3999. 5599. 5599. 37
辐射效率/%
99. 6699. 6499. 6299. 57
表2 缝隙弯折高度对天线性能参数的影响
弯折高度/mm谐振频率/GHz
51. 95101. 75151. 55谐振点阻抗/Ohm
49. 72+j0. 0647. 87-j2. 1643. 37-j6. 24谐振点反射系数/db
-50. 87-30. 16-20. 24增益/dB i 6. 035. 675. 07天线效率/%
98. 8598. 6996. 80辐射效率/%
99. 5699. 6399. 52表3 缝隙弯折位置对天线性能参数的影响
弯折位置/mm谐振频率/GHz
101. 85151. 86201. 87251. 88
谐振点阻抗/Ohm
51. 73-j2. 7347. 38-j3. 2445. 23-j3. 4343. 12-j1. 00
谐振点反射系数/db
-29. 96-25. 80-23. 07-21. 90
增益/dB i 5. 515. 535. 554. 57
天线效率/%
99. 5099. 4099. 2099. 03
辐射效率/%
99. 6099. 5899. 5999. 58
表4 缝隙弯折宽度对天线性能参数的影响
弯折宽度/mm谐振频率/GHz
111. 80161. 78211. 76261. 74
谐振点阻抗/Ohm
53. 74+j3. 2053. 09+j1. 7351. 83+j2. 4252. 46+j1. 20
谐振点反射系数/db
-26. 63-29. 24-31. 06-31. 46
增益/dB i 5. 525. 545. 445. 34
天线效率/%
99. 6099. 5599. 5199. 39
辐射效率/%
99. 6199. 6099. 5599. 50
第1期周永明, 等:RF I D 标签用缝隙天线分析与设计77
2. 5 天线平片大小的影响
在h =l =s =10mm , L =120mm , 改变W 来分析本问题. 仿真结果的S 11曲线如图7所示.
4条天线的辐射方向图与图3(b ) 相似. 表5是缝隙平片大小与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点
的S 11值、增益和效率关系表. 可以看出, 天线谐
振频率微降, 谐振点阻抗随平片宽度的减小呈增大态势, 但增幅减缓, 说明天线对电流的阻碍增加, 增益下降. 以上所有天线的效率都较高, 接近
100%.
图6 S 11曲线
5平片大小/mm2
120×120120×100120×90120×80
11/Ohm
. 861. 1. 831. 74
41. 67j4. 5250. 08-j0. 2655. 35+j2. 1056. 63+j3. 10
/db
-19. 72-51. 46-23. 90-23. 88
增益/dB i
5. 455. 305. 193. 85
天线效率/%
99. 6899. 6599. 6499.
63
辐射效率/%
99. 5099. 4299. 3099. 21
3 设计与测试
基于上述缝隙天线特性的分析结果, 本文在
FR4基板上设计了一款RF I D 标签用矩形缝隙天线, 结构如图8所示1工作频率为f =915MHz, 与之匹配的标签芯片(A t m el 公司AT A5590) 端口阻抗为Z chip =1210-j21710欧姆1金属平片大小为
8010mm ×601
0mm , 缝隙宽为11
0mm , 缝隙水平
长6010mm , 缝隙高为2010mm 1仿真显示天线在915MHz 处的阻抗为918+j21812欧姆, 与标签芯片端口阻抗匹配得很好, S 11=-4413db, 天线的方向系数为3157dbi, 辐射效率为80113%.相应仿真结果见图9和10, 图11为制作的缝隙天线实物图.
图8 标签用缝隙天线结构
图10 辐射方向图
图9 S 11曲线
图11 标签用缝隙天线
78暨南大学学报(自然科学版) 第28卷
测试条件:RF 信号频率915MHz, 衰减置于-10db m , 调制为AM , 调制深度100%和调制信号频率为1KHz 的方波. 被测试天线与标签芯片的等效输入电路相联, 接收来自发射天线的信号, 通过测量输入电路端口上的电压大小来说明被测试天线的性能. 在相同的条件下, 测量得等效输入电路端口上的电压越大, 说明天线接收性能越好. 测试结果见表6, 表中距离为发射天线到测试天线间的距离. 结果说明, 该缝隙天线的性能比文献[6]的好.
表6 测试结果
距离/cm
10. 015. 020. 025. 030. 035. 040. 0
V pp (电压) /mV
应的实物天线. 仿真与测试结果显示, 所设计的天
线基本达到应用要求. 可以预计, 弯折缝隙天线将是UHF 标签天线设计领域看好的发展方向.
[参考文献]
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pacity Tag Depending on
文献值
[6]
测试值
30. 32958. 77. 67. 1
[Pr oceedings, Pr I EEE, 2005, 5:] LATI F S I, SHAF A I L, SHAR MA S K . Band width En 2
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2005, 53(3) :994-1003.
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[6] ZHOU Yong 2m ing, LA I Sheng 2li . A Design of RF I D Tag
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[7] RAO K V S . An overvie w of backscattered radi o frequen 2
cy identificati on syste m (RF I D ) [C ]∥A sia Pacific M i 2cr owave Conference, I EEE, 1999, 3:746-749.
38. 720. 917. 111. 610. 910. 0
另外, 使用AW I D 公司的MPR -3014阅读器
在天线辐射功率为4W , 中心频率为915MHz, 并且在标签天线与阅读器天线良好接收条件下, 测得阅读距离为610m. 根据文献[7]报道, 文中设计的标签天线基本达到了应用要求.
4 结论
本文研究了平面矩形弯折缝隙天线结构参数对其谐振特性的影响, 缝隙的弯折次数和高度能有效地降低其谐振频率, 可用于缩减天线尺寸. 最后基于弯折对缝隙天线性能的影响和给定芯片, 提出了一款UHF 射频识别标签用的缝隙天线, 制作了相
[责任编辑:王景周]