基于可手戴RFID标签天线的设计解析

1引言

随着射频识别（RFID）技术的快速发展，射频识别系统得到了越来越广泛的应用。由于分米波波段（UHF）的RFID系统具有高的读取速率以及较长的读取距离，因此近年来关于UHF波段的RFID系统的研究越来越多。无源的RFID标签（Tag）通常由RFID标签芯片和RFID标签天线构成。RFID标签天线的设计对于RFID系统具有十分重要的作用，近来，关于RFID标签天线的研究越来越多，尤其是对于900MHz频段的RFID标签天线。一些基于偶极子结构的标签天线已经在许多RFID系统中得到成功的应用，但是在一些特殊的应用中，当标签靠近金属表面或者贴在金属表面时，标签天线的阻抗特性会受到很大的影响，导致读取距离大大减小，甚至无法工作。这个问题受到了许多研究者的关注，在一些文章中提出了可以放置在金属表面的RFID标签天线，这些天线自身都带有金属地结构，因此当放置在金属表面上时仍可以良好的工作。但是，这些天线所匹配的RFID标签芯片的阻抗的实部值都较小，一般都小于20。而现有的一些RFID标签芯片的阻抗实部接近40，本文所提出的RFID标签天线所使用的RFID标签芯片的阻抗实部为42。

另一方面，随着个人电子通信领域的发展，可穿戴天线也得到了越来越多的研究。在RFID领域，可穿戴的RFID标签也有着很大的发展前景。除了当RFID标签天线靠近金属时会使天线特性改变外，一般的RFID标签天线在靠近人体的情况下，也会使得阻抗特性发生很大变化，使得读取距离大大缩短。

本文提出了一种可以带在手腕上的RFID标签天线，首先对所提出天线的平面结构进行研究，然后对将天线戴在手腕上时的情况进行了仿真分析，并制作了天线实物进行了测量。

2 天线结构

本文所设计的天线是对应一种工作在915MHz的RFID标签芯片而设计的，该种芯片的输入阻抗为42-j157Ω。通过调节参数，本文提出的天线很容易与具有其他输入阻抗值得芯片相匹配。天线的平面结构如图1所示。

图1 RFID标签天线平面结构

该天线主要由三部分组成，地板，主辐射贴片以及耦合馈电贴片。其中主辐射贴片为两个对称的贴片，两个贴片之间间隔为1mm，贴片的外端由短路片与地板相连。主辐射贴片与地之间采用泡沫层支撑。主辐射贴片上有一对对称的耦合馈电贴片，相距1 mm，标签芯片对耦合馈电片对称馈电，耦合贴片与辐射贴片之间通过容性耦合传递能量。主辐射贴片与耦合贴片之间放置FR4介质板，er=4.4。 通过调节主辐射贴片的长度L1可以调整天线的谐振频率，而天线的输入阻抗由参数W1，Lc调节。本文所设计的天线尺寸如表1所示。

表1 RFID标签天线尺寸参数（单位：mm）

LL1LcW1WHH1

14211330203022.5

3 仿真与测量结果

因为当将天线戴在手腕上时，天线的形状会发生较大的变化，所以天线设计时，除了要考虑天线处于平面结构时的特性外，还需要进一步考虑当天线被戴在手腕上时发生形变后的特性。在仿真研究中，用如图2所示的环形结构来模拟当天线戴在手腕上后的情况。天线在不同形状下的回波损耗如图3所示。

图2 发生形变后天线的模拟结构图

图3 回波损耗的仿真结果

由图3中的仿真结果可以看出，当天线发生形变时，会对其阻抗特性产生影响。但可以看到，本文所提出设计的天在，当天线被弯曲成大概呈手腕形状时，仍然可以保持较好的回波损耗特性。天线方向图的仿真结果如图4所示

图4 天线方向图仿真结果

为了验证设计天线的工作效果，在仿真的基础上，依照表1中所给出的尺寸制作出一个可形变的RFID天线。该天线采用了泡沫双面胶作为辐射贴片与地板之间的支撑，使得天线可以进行弯曲，进而可以戴在手腕上进行测量。图4为所制作的RFID天线照片。

图5 制作的RFID天线的照片

使用CSL461读卡器对制作的RFID标签天线进行了实验验证，设定读卡器的发射功率为30dBm，读卡器所连接天线增益为6dBi，测量得到当天线保持平面结构，最大的读取距离为2.5m。当天线变形为环形结构并且带在手腕上是，最大读取距离为1.5m。测量结果表明，本文所提出的天线结构可以有效地减小人体对于天线性能的影响，天线在戴在手腕上的情况下，仍然具有可以接受的读取距离，因此可以在手戴的RFID标签中得到应用。另外，由于本文所提出的RFID天线也具有金属地板的结构，因此也具有可以避免金属表面影响的优良特性。

4 结论

本文提出和设计了一种可以适应于手戴应用的RFID标签天线。由仿真结果发现，当所设计的天线发生形变，呈环形时，会对它的阻抗特性产生一定的影响，但是仍然能够较好的与标签芯片的输入阻抗匹配，即具有良好的回波损耗特性。为了验证所设计天线的工作效果，对制作的一加有标签芯片的天线实物进行了实际的测量。测量结果显示，当没有形变时天线可实现的最大读取距离为2.5m。在发生形变，戴于手腕上时，最大的读取距离可以保持在1.5m，仍然保持在可以接受的读取范围内，从实际出发验证了本文所提出的天线结构可以有效地减小人体对于天线性能的影响，可以应用于手戴的RFID标签。