基于感應(yīng)耦合的UHF寬頻帶電子標(biāo)簽設(shè)計
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參考文獻(xiàn)[1]指出，在產(chǎn)品電子代碼(EPC)應(yīng)用中，近距離工作的RFID頻率統(tǒng)一集中在13.56 MHz，而遠(yuǎn)距離工作的RFID頻率定位于UHF頻段。由于各國、各地區(qū)對UHF頻段RFID應(yīng)用的界定存在不同，例如：美國標(biāo)準(zhǔn)為902 MHz～928 MHz，歐洲為865 MHz～868 MHz，日本為950 MHz～956 MHz,中國為840 MHz～845 MHz和920 MHz～925 MHz兩個頻段。因此，設(shè)計UHF RFID全頻段覆蓋的電子標(biāo)簽以滿足世界各國的要求，使電子標(biāo)簽具有通用性，是電子標(biāo)簽(天線)設(shè)計的一個目標(biāo)。
對于無源電子標(biāo)簽，僅當(dāng)標(biāo)簽芯片接收的能量大于它的最小門限功率Pth時才能正常工作。為了提高閱讀距離，就需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線阻抗間的共軛匹配。但是，標(biāo)簽天線一般采用變形偶極子天線，其諧振點(diǎn)并不一定是阻抗匹配點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[2]提出的電磁耦合饋電很好地解決了這個問題。參考文獻(xiàn)[3]采用一個饋電單元，2個均勻分布的輻射單元組成雙輻射邊天線達(dá)到很高的增益，但全向性不好。參考文獻(xiàn)[4]提出一種UHF全向性天線，盡管帶寬可以達(dá)到要求，但是諧振深度不夠（S11-10 dB）而且具有較大的尺寸。本文采用非均勻分布的彎折支節(jié)為耦合單元，設(shè)計了一款標(biāo)簽天線，帶寬（S11-22 dB）為180 MHz，不僅覆蓋了UHF全頻帶，而且具有較好的諧振深度和較小的標(biāo)簽天線尺寸。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了感應(yīng)單元與饋電單元的距離，以及饋電單元的形狀為矩形、三角形、梯形時標(biāo)簽天線的性能。
1 耦合原理分析
根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，這種天線模型可以等效為如圖1所示的天線模型。當(dāng)寄生單元無限長時，圖1模型可以等效為圖2所示的等效電路模型。
圖2中，寄生單元等效為左回路的L1、R、C，其中R等效為輻射體的自電阻。而饋電單元等效為右回路，L2等效為饋電單元的自電感。由于饋電單元的自阻抗非常小，所以在等效電路中被忽略了。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]的電路分析理論，對圖2回路列KVL可以得到：
從式(8)可以看到，諧振狀態(tài)的阻抗實(shí)部只與互感有關(guān)，而虛部與L2有關(guān)。由于互感M與耦合距離有關(guān)，所以天線阻抗的實(shí)部與寄生單元離饋電單元的距離有關(guān)，而虛部只與饋電單元自身的形狀有關(guān)。由此，可以看到在諧振點(diǎn)附近耦合加載對天線實(shí)虛部可起到單獨(dú)調(diào)節(jié)的作用。
2 天線的設(shè)計與研究
參考文獻(xiàn)[7]提出一種標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，寄生單元部分的分支采用均勻分布。而本文為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配，寄生單元的分支采用非均勻分布。標(biāo)簽天線的建模如圖3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。該天線由饋電環(huán)和輻射體兩部分組成。饋電單元由矩形構(gòu)成，與標(biāo)簽芯片直接相連。而輻射體是由非均勻分布的彎折支節(jié)構(gòu)成。在本設(shè)計中，當(dāng)所選用的芯片在915 MHz時，對外呈現(xiàn)的阻抗為Z=18.1-j149 Ω，遵循ISO-18000 6C協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線之間最大功率傳輸,所要求的天線阻抗在諧振頻率處應(yīng)為18.1+j149 Ω。
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