一種可手戴RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

1引言

隨著射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的快速發(fā)展，射頻識(shí)別系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于分米波波段（UHF）的RFID系統(tǒng)具有高的讀取速率以及較長的讀取距離，因此近年來關(guān)于UHF波段的RFID系統(tǒng)的研究越來越多。無源的RFID標(biāo)簽（Tag）通常由RFID標(biāo)簽芯片和RFID標(biāo)簽天線構(gòu)成。RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)對(duì)于RFID系統(tǒng)具有十分重要的作用，近來，關(guān)于RFID標(biāo)簽天線的研究越來越多，尤其是對(duì)于900MHz頻段的RFID標(biāo)簽天線。一些基于偶極子結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線已經(jīng)在許多RFID系統(tǒng)中得到成功的應(yīng)用，但是在一些特殊的應(yīng)用中，當(dāng)標(biāo)簽靠近金屬表面或者貼在金屬表面時(shí)，標(biāo)簽天線的阻抗特性會(huì)受到很大的影響，導(dǎo)致讀取距離大大減小，甚至無法工作。這個(gè)問題受到了許多研究者的關(guān)注，在一些文章中提出了可以放置在金屬表面的RFID標(biāo)簽天線，這些天線自身都帶有金屬地結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)放置在金屬表面上時(shí)仍可以良好的工作。但是，這些天線所匹配的RFID標(biāo)簽芯片的阻抗的實(shí)部值都較小，一般都小于20。而現(xiàn)有的一些RFID標(biāo)簽芯片的阻抗實(shí)部接近40，本文所提出的RFID標(biāo)簽天線所使用的RFID標(biāo)簽芯片的阻抗實(shí)部為42。

另一方面，隨著個(gè)人電子通信領(lǐng)域的發(fā)展，可穿戴天線也得到了越來越多的研究。在RFID領(lǐng)域，可穿戴的RFID標(biāo)簽也有著很大的發(fā)展前景。除了當(dāng)RFID標(biāo)簽天線靠近金屬時(shí)會(huì)使天線特性改變外，一般的RFID標(biāo)簽天線在靠近人體的情況下，也會(huì)使得阻抗特性發(fā)生很大變化，使得讀取距離大大縮短。

本文提出了一種可以帶在手腕上的RFID標(biāo)簽天線，首先對(duì)所提出天線的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，然后對(duì)將天線戴在手腕上時(shí)的情況進(jìn)行了仿真分析，并制作了天線實(shí)物進(jìn)行了測量。

2天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的天線是對(duì)應(yīng)一種工作在915MHz的RFID標(biāo)簽芯片而設(shè)計(jì)的，該種芯片的輸入阻抗為42-j157Ω。通過調(diào)節(jié)參數(shù)，本文提出的天線很容易與具有其他輸入阻抗值得芯片相匹配。天線的平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1RFID標(biāo)簽天線平面結(jié)構(gòu)

該天線主要由三部分組成，地板，主輻射貼片以及耦合饋電貼片。其中主輻射貼片為兩個(gè)對(duì)稱的貼片，兩個(gè)貼片之間間隔為1mm，貼片的外端由短路片與地板相連。主輻射貼片與地之間采用泡沫層支撐。主輻射貼片上有一對(duì)對(duì)稱的耦合饋電貼片，相距1mm，標(biāo)簽芯片對(duì)耦合饋電片對(duì)稱饋電，耦合貼片與輻射貼片之間通過容性耦合傳遞能量。主輻射貼片與耦合貼片之間放置FR4介質(zhì)板，er=4.4。通過調(diào)節(jié)主輻射貼片的長度L1可以調(diào)整天線的諧振頻率，而天線的輸入阻抗由參數(shù)W1，Lc調(diào)節(jié)。本文所設(shè)計(jì)的天線尺寸如表1所示。

表1 RFID標(biāo)簽天線尺寸參數(shù)（單位：mm）

3仿真與測量結(jié)果

因?yàn)楫?dāng)將天線戴在手腕上時(shí)，天線的形狀會(huì)發(fā)生較大的變化，所以天線設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮天線處于平面結(jié)構(gòu)時(shí)的特性外，還需要進(jìn)一步考慮當(dāng)天線被戴在手腕上時(shí)發(fā)生形變后的特性。在仿真研究中，用如圖2所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)來模擬當(dāng)天線戴在手腕上后的情況。天線在不同形狀下的回波損耗如圖3所示。