楊 凱
(廈門致聯(lián)科技有限公司,福建 廈門 361000)
超高頻(Ultra-High Frequency,UHF)射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術以其非接觸、無源低成本、高速大量讀取等優(yōu)勢,被廣泛運用于物聯(lián)網(wǎng)底層的感知技術中[1-2]。近年來,無人零售超市、智慧餐飲和智能圖書館等物聯(lián)網(wǎng)+應用的興起,使得RFID系統(tǒng)在單品級無漏讀的基礎上,對誤讀性提出了更高要求,無疑是對RFID近場天線設計的一項新挑戰(zhàn)。
對于RFID的UHF頻段近場天線,它與標簽天線之間的耦合機制可分為電感耦合(磁耦合)和電容耦合(電耦合),耦合性能受背景環(huán)境中的物體電參數(shù)影響。無人零售系統(tǒng)中某些液體產(chǎn)品具有較高的介電常數(shù),普通電場耦合標簽讀取性能將會受到較大影響。同時自然界中絕大部分物體磁導率為1,采用以磁耦合原理設計的標簽,對于液體環(huán)境也會有較好的讀取性能。
近場天線的工作原理也可分為磁場耦合和電場耦合兩種。UHF頻段磁耦合天線原理與HF頻段天線原理[3]類似。文獻[4-5]利用分段耦合環(huán)天線的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了均勻的磁場分布。對于為增加閱讀區(qū)域而總體尺寸大于半波長的近場天線,由于其上電流的反相,在天線內(nèi)部也將產(chǎn)生磁場削弱區(qū)域,使得內(nèi)部磁場分布不均勻。采用分段耦合結(jié)構(gòu),每段天線單元上的電流相位一致,避免了因大尺寸而造成的磁場削弱,對磁場感應型標簽具有良好的近距離讀取效果。文獻[6-8]針對電場感應型標簽,通過降低讀寫器發(fā)射功率或者采用人為失配的標簽天線來實現(xiàn)近距離讀取。但是,對于存在兩種耦合形式標簽的場景,為保證電場耦合形式標簽的讀取率且降低功率,將會造成大量磁耦合標簽的漏讀,無法達到實際應用的要求。Qun Wu[9]利用漸變錐形雙邊微帶線(TDSPSL)饋電的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了天線表面均勻的分布磁場,感應面積僅為144 mm×144 mm,且天線未添加電流衰減單元。該天線僅對磁感應標簽能控制良好的讀取范圍,對電場感應型標簽的讀取范圍仍與遠場天線類似。
本文設計了一款基于TDSPSL的均勻磁場分布和水平全向低增益的近場天線,天線尺寸大小為φ200 mm×1.6 mm,涵蓋金屬反射板總體尺寸為300 mm×300 mm×21.6 mm。利用TDSPSL結(jié)構(gòu)對5個繞成環(huán)狀的偶極子天線進行中心饋電,在較大的平面尺寸范圍內(nèi)得到了均勻的磁場分布。TDSPSL末端的電阻加載單元擴展了天線帶寬,抑制了天線的輻射性能,對于磁耦合和電場耦合兩種類型的標簽都有良好的近距離讀取效果。
文中所述天線結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。天線由雙邊帶狀線饋電單元、環(huán)狀偶極子輻射單元及電阻加載單元3部分組成。天線印制于圓形FR4介質(zhì)基板上,介電常數(shù)εr為4.4,損耗角為0.02,厚度為1.6 mm。其中雙邊帶狀線的兩邊及每對偶極子的兩臂分別印制在介質(zhì)基板的上下兩層,且偶極子臂繞至成圓環(huán)狀。本文中天線采用5對偶極子以保證磁場在較大平面內(nèi)的均勻分布。介質(zhì)基板的雙邊帶狀線上流經(jīng)等幅反相電流,其輻射場可忽略不計。每個環(huán)形偶極子上的電流相位保持一致,使得該環(huán)形內(nèi)部能產(chǎn)生較均勻的磁場分布。同時在饋電線末端進行電阻加載,可有效吸收大部分來自饋源的能量,從而獲得較為理想的低增益值。天線饋電方式為底軸,同軸探針和外皮分別與天線上下層單元相連。為實現(xiàn)天線單向輻射,在天線下方20 mm處設置金屬反射板,直徑為300 mm。
圖1 天線俯視圖
圖2 天線側(cè)視圖
天線形式確定后,本文利用軟件對所述天線的參數(shù)進行優(yōu)化,以保證天線具備良好的電氣指標,現(xiàn)列舉部分優(yōu)化過程如下:
利用仿真軟件,本文對負載端電阻阻值R0進行步進調(diào)試,仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3 加載電阻R0對S11的影響
由圖3可以看出,隨著電阻阻值的加大,諧振頻點向高頻端移動,帶寬逐漸變窄。為保證諧振頻點盡量接近RFID的中心頻點915 MHz和足夠的帶寬,本文最終選定R0=62Ω作為加載電阻值。
如圖4、圖5所示。
圖4 參數(shù)W1對S11的影響
圖5 參數(shù)W2對S11的影響
加載電阻值一定時,天線諧振頻點受TDSPSL兩端長度的影響,W1的值增大,諧振頻點向低頻端移動,而W2的值增大,諧振頻點向高頻端移動。為保證天線諧振頻點接近RFID的中心頻點,本文最終選定W1=0.6 mm、W2=2.8 mm作為最終參數(shù)值。
按照上述過程,本文得到最終天線優(yōu)化結(jié)果,其參數(shù)如表1所列。
表1 天線優(yōu)化參數(shù)
在完成天線參數(shù)優(yōu)化后,本文利用三維電磁仿真軟件對天線結(jié)構(gòu)進行仿真。圖6、圖7給出了距離天線表面高度分別為3 cm和5 cm的平面上,在300 mm×300 mm的區(qū)域內(nèi)法向磁場強度(Hz)的二維分布圖。其中,天線輪廓處表示天線上表面的偶極子環(huán)金屬輻射部分??梢娫谂紭O子環(huán)內(nèi)部具有均勻的磁場分布,表明該天線具有良好的近場性能。
根據(jù)近場天線設計和電磁近遠場變換規(guī)則,要使得天線具有較為均勻的近場特性,其遠場增益應盡可能小。圖8給出了該天線位于遠場的天線增益情況。可以看到,天線的遠場增益達-9 dBi以下,也從側(cè)面反映了所設計天線具有優(yōu)良的近場性能。
圖6 天線正上方3 cm處Hz分布
圖7 天線正上方5 cm處Hz分布
圖8 天線增益方向圖
根據(jù)仿真優(yōu)化認定的最終天線參數(shù),制作了天線樣品實物,如圖9所示。采用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線S11參數(shù)進行測試,天線回波損耗測試與仿真結(jié)果如圖10所示。可以看出,天線的工作頻段較寬,-10 dB頻率范圍為790~1 067 MHz,絕對帶寬277 MHz,覆蓋了全球RFID通用頻段(840~960 MHz),說明本文天線具有良好的頻率特性。
圖9 天線實物
圖10 天線S11實測與仿真結(jié)果
為進一步驗證該天線的近場讀取性能,本文采用Impinj M6e模塊讀寫器構(gòu)建如圖11所示的測試環(huán)境來讀取標簽。讀寫器輸出功率為30 dBm,測試標簽分別為電場感應型標簽ZL001和磁感應型標簽Impinj J41。
圖11 近場天線讀取測試場景
在此本文對2款RFID標簽進行測試,如圖12所示,分別為電場感應型標簽(上)和磁場感應型標簽(下)。將標簽距離天線一定高度,對此高度內(nèi)的平面讀取范圍進行測試。測試場景如圖11所示,磁感應標簽測試數(shù)據(jù)和電場感應標簽測試結(jié)果如圖13、圖14所示。
圖12 電耦合型與磁耦合型RFID標簽
圖13 磁感應型標簽距離天線高度與讀取范圍測試
圖14 電感應型標簽距離天線高度與讀取范圍測試
圖13顯示了當高度z分別為0 cm、2 cm、2.5 cm、5 cm、9 cm和11 cm時,平面內(nèi)天線對磁場感應型標簽J41的讀取范圍。在距離天線面高度為0 cm的平面內(nèi),標簽可讀大致區(qū)域為直徑23cm的圓,且不存在盲區(qū)。隨著標簽距離天線垂直距離的不斷加大,標簽可讀范圍不斷縮小至最遠讀距處。可見,存在小部分的空讀區(qū)域,與預期結(jié)果較為吻合。
圖14顯示了高度0 cm、25 cm和50 cm時,不同高度平面內(nèi)天線對電場感應型標簽的讀取范圍。對于電場感應型標簽,標簽測試讀距為50 cm,標簽可讀平面區(qū)域基本控制在距離天線邊緣50 cm以內(nèi),較好地實現(xiàn)了電耦合型標簽的近場讀取。
設計了一款寬帶RFID近場天線,總體尺寸為300 mm×300 mm×21.6 mm。在偶極子繞至的環(huán)形內(nèi)部,存在較為均勻的磁場分布,并通過添加加載電阻,實現(xiàn)了水平全向低增益,實測阻抗帶寬277 MHz(790~1 067 MHz)。測試結(jié)果表明,設計的天線對電感耦合和電容耦合型標簽都有良好的近場讀取效果。
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