一種可手戴RFID標簽天線設計

1引言

隨著射頻識別（RFID）技術的快速發展，射頻識別系統得到了越來越廣泛的應用。由于分米波波段（UHF）的RFID系統具有高的讀取速率以及較長的讀取距離，因此近年來關于UHF波段的RFID系統的研究越來越多。無源的RFID標簽（Tag）通常由RFID標簽芯片和RFID標簽天線構成。RFID標簽天線的設計對于RFID系統具有十分重要的作用，近來，關于RFID標簽天線的研究越來越多，尤其是對于900MHz頻段的RFID標簽天線。一些基于偶極子結構的標簽天線已經在許多RFID系統中得到成功的應用，但是在一些特殊的應用中，當標簽靠近金屬表面或者貼在金屬表面時，標簽天線的阻抗特性會受到很大的影響，導致讀取距離大大減小，甚至無法工作。這個問題受到了許多研究者的關注，在一些文章中提出了可以放置在金屬表面的RFID標簽天線，這些天線自身都帶有金屬地結構，因此當放置在金屬表面上時仍可以良好的工作。但是，這些天線所匹配的RFID標簽芯片的阻抗的實部值都較小，一般都小于20。而現有的一些RFID標簽芯片的阻抗實部接近40，本文所提出的RFID標簽天線所使用的RFID標簽芯片的阻抗實部為42。

另一方面，隨著個人電子通信領域的發展，可穿戴天線也得到了越來越多的研究。在RFID領域，可穿戴的RFID標簽也有著很大的發展前景。除了當RFID標簽天線靠近金屬時會使天線特性改變外，一般的RFID標簽天線在靠近人體的情況下，也會使得阻抗特性發生很大變化，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標簽天線，首先對所提出天線的平面結構進行研究，然后對將天線戴在手腕上時的情況進行了仿真分析，并制作了天線實物進行了測量。

2天線結構

本文所設計的天線是對應一種工作在915MHz的RFID標簽芯片而設計的，該種芯片的輸入阻抗為42-j157Ω。通過調節參數，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。天線的平面結構如圖1所示。

圖1RFID標簽天線平面結構

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對稱的貼片，兩個貼片之間間隔為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對稱的耦合饋電貼片，相距1mm，標簽芯片對耦合饋電片對稱饋電，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介質板，er=4.4。通過調節主輻射貼片的長度L1可以調整天線的諧振頻率，而天線的輸入阻抗由參數W1，Lc調節。本文所設計的天線尺寸如表1所示。

表1 RFID標簽天線尺寸參數（單位：mm）

3仿真與測量結果

因為當將天線戴在手腕上時，天線的形狀會發生較大的變化，所以天線設計時，除了要考慮天線處于平面結構時的特性外，還需要進一步考慮當天線被戴在手腕上時發生形變后的特性。在仿真研究中，用如圖2所示的環形結構來模擬當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。