英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用于近场和远场操作的UHF RFID阅读器天线

摘要 - 在本篇论文中，给出了一种用于在欧洲超高频（UHF）频段进行近场和远场操作的射频识别（RFID）阅读器天线。分段环路技术用于近场操作，而环路内部包含的贴片天线用于远场操作。制造的天线工作在864到873 MHz之间，反射系数小于10 dB，工作在欧洲的UHF RFID频带。其线性极化辐射模式可提供4 dBi的增益。对于近场和远场应用，天线的读取能力分别高达9厘米和6米。

索引术语 - 远场，近场，射频识别（RFID），阅读器天线，超高频（UHF）。

一、引言

超高频（UHF）射频识别（RFID）是一种快速增长的无线自动识别物体技术。近年来，UHF RFID在不同应用领域已经获得了广泛的应用[1]。考虑物体和应用的类型，基于电感耦合原理的近场操作或基于电磁耦合原理的远场操作被广泛的用于在读取器和标签之间传输信息。远场操作因为读取距离远被广泛使用，但是远场标签的性能易受到高介质物质存在的影响[3] - [6]。近场操作适用于其周围有金属和液体的物体[2]。电感耦合通常使用在低频（LF）和高频（HF）。由于在小型，昂贵和敏感物体以及医药物流和生物传感应用等不同应用的物品级标签上具有良好的性能，超高频近场操作正引起全球的关注[2] - [6]。

虽然UHF上的RFID阅读器天线正在开展广泛的研究，但我们发现很少有在同一频率上同时用于近场和远场操作的阅读器天线论文期刊。 在近场和远场RFID阅读器天线方面有一些美国专利[7] [8]。然而，这些设计具有的近场和远场性能，要么不在相同的方向上，要么不在相同的频带上。本文给出的RFID阅读器天线的新颖之处在于实现了分段环路的同时使用贴片天线同时在欧洲UHF（865-868MHz）频带内进行近场和远场操作。未来的研究可以通过修改设计来改善天线带宽，磁场分布，增益，极化和其他参数的性能.

这封信的其余部分安排如下： 第二节介绍天线的设计过程， 第三节介绍天线结构及其详细尺寸，第四节概述了模拟和测量结果及其比较。第五节介绍天线的近场和远场阅读性能。最后，第六节给出了结论。

二、设计过程

环形天线通常用于电感耦合近场RFID系统。在LF和HF频段，物理上较大的环路仍然是工作波长的一小部分，这可以使环路电流变小。沿着环路的电流分布在振幅和相位方面是均匀的，可以在靠近环路的区域产生强而均匀的磁场。另一方面，环形天线的最佳尺寸与UHF频段的波长相比较大，或者与之相当。在这种情况下，电流的幅度和相位分布是不均匀的，并且在每个半波长处都会反转，这会导致回路中心弱磁场和非均匀磁场[9]。 在每个连续的段对之间分割回路和插入电容器的想法解决了在UHF上使用相对较大的回路的问题[10]。每段都提供电感（L），其值取决于其长度和宽度。放置在回路段之间的电容（C）被用来在期望的频率f处抵消由段引入的相位滞。这些部分应该很小，以便在回路内提供单向电流和均匀的场分布。

（1）

天线的设计没有必要使用集总电容。 相反，我们可以通过耦合这些段来产生电容效应，如前所述[11]和[12]中的5.8-GHz应用通过在支撑衬底上实现顶部到底部耦合。在当前的设计中使用这种方法，其中每个片段通过重叠区域（A）和分离（h）（h是基板材料的厚度）连接到其连续片段。这会产生由（2）给出的电容C，其中是自由空间中的介电常数并且是衬底的相对介电常数。因此，我们可以通过改变所需设计中基片的长度，宽度和重叠面积以及基片的高度和相对介电常数来调谐到所需的频率。 （2）

除了分段环形天线之外，贴片天线还设计为与同一频带内的环形天线结合在一起。 所需的工作频率补长可以近似为Len。其中是光速，是考虑到依赖于贴片的宽度（W）和高度（h）和基片的边缘效应的基片的有效相对介电常数。插入式微带线用于馈送贴片天线，并且还可以简化与回路的馈电连接。贴片天线的输入电阻可以通过改变插入深度来改变。

（3）

三、天线结构

所提出的天线设计由包含如图1所示的贴片天线和从顶部到底部耦合的分段回路组成。将贴片天线放置在分段回路内部以实现尽可能紧凑的天线结构，尽管这种方法在阻断通过环路的部分磁通量方面存在缺陷。在Carte-sian坐标系中，天线表面位于-XY平面上，读取性能沿 Z方向是所设计所需要的。天线的总体尺寸为184*174*3.175 mm，环路的周长为616 mm，大约等于866.5 MHz时的1.78倍自由空间波长。本设计使用Rogers RT 5880基板，其具有2.2的相对介电常数（），3.175mm的厚度（h）以及tandelta;= 0.0009。如果这种类型的天线预期与手持阅读器单元一起使用，则减小天线结构的整体尺寸的一种可行的直接方法是使用较高介电常数的RF基片。这种设计的模型是在铣床的帮助下建造的。

详细尺寸如图2所示。环路分为八个部分; 四个位于基板的顶部，四个位于基板的顶部。 连续的段在它们的末端彼此连接，每个连接区域为64mm，每段的宽度是8毫米。正确调整长度，宽度和重叠区域可以获得所需的谐振频率。

贴片天线在顶层上具有辐射贴片并且在底层具有接地平面。天线的补长可以适当调整以获得与866.5 MHz共振。嵌入深度变化以获得合适的输入电阻，以便获得可接受的值，特别是在期望的带内。由于环形天线的存在，地平面仅比贴片大9 mm。 一个小的地平面可以减小贴片天线的增益和带宽，这是考虑天线设计的整体结构（包括环路和贴片）。

图1.近场远场RFID阅读器天线设计及其馈电机制的概述。 图2.天线的（左）顶视图和（右）底视图的详细尺寸。

四、模拟和测量结果

使用Ansoft高频结构模拟器（HFSS）软件进行模拟，该软件使用有限元法（FEM）。 用矢量网络分析仪（VNA）和Satimo StarLab分别测量反射系数和辐射方向图，并与模拟结果进行比较。

如图3所示，测得的结果与模拟结果一致，只有右侧偏差3 MHz。测得的带宽范围为864-873 MHz，涵盖了欧洲的UHF频段。总体带宽10 MHz相对较窄，并受限于由环路和贴片组成的天线设计的集成结构。它也受环路和贴片的相互作用以及相对较小的的底部贴平面的影响。

沿着分段环路和贴片天线的整个区域的电流分布如图4（a）所示，它沿环状天线是单向的。在传统回路中也对相同尺寸进行了调查。如图4（b）所示，这种情况下的电流正在改变其每个角处的方向。图5示出了在Z = 20mm的天线上方的XY平面上的磁场的所得Z分量。尽管整个区域的场分布不均匀，但大多数询问区具有足够的场强度来读取近场标签，并且场分布的振幅相对于传统环路的幅度大至少10dB 大部分显示区域如图5（b）所示。

中心区域的弱磁场是由于贴片天线及其电流分布。因为选择的设计方法，弱中心区域不能完全避免。然而，小型化技术可以应用于贴片天线，以便将天线彼此隔离并且提供近场读取范围和检测区域的增强。但是，这种方法降低了补丁的尺寸缩小带来了带宽和增益。另一方面，如果具体改善近场性能，这可能是一种合适的方法。

在XY和YZ平面上的天线的远场辐射方向图特性分别示于图1和2中。主光束覆盖目标正轴方向。

图3.天线的模拟和测量。

图4.（a）提出的天线和（b）传统环形天线的电流分布。

五、读取范围测量

所提出的RFID读取器天线设计的实际性能通过读取范围测量来验证。对于近场操作，读取范围取决于读取器天线产生的磁场强度，标签环路的大小和方向以及读取器单元和标签的灵敏度。对于远场操作，阅读器和标签天线的增益，偏振和方向以及阅读器和标签的灵敏度决定了读取范围。因此，使用常用的标签类型来衡量阅读器天线的读取性能非常重要。 测量设置配置如图8所示。Alien Technology ALR-8780符合ETSI 302-208标准的EPC Class 1 Gen 2 RFID读取器用于读取标签。 UPM制造的近场按钮型标签和远场短偶极子标签在我们的测量中被当作参考标签。

除了典型的读取范围测量之外，新出现的近场读取区域的特征化通过逐渐将读取器传输功率从3dBm增加到18dBm的办法来操作。这些结果显示在图9中。彩色空间表示在指定的发射功率电平下至少达到0.5cm读取范围的区域。

如图5（a）所示，当按钮式标签平行于天线时，从磁场强度最高的区域获得9cm的最大读取范围。根据场强度，天线的不同区域具有不同的近场读取范围，小暗蓝色区域表示无法读取近场标签。否则，范围从几厘米变化到9厘米。如图10所示，我们使用与包括液体在内的不同对象相同的标签来测量读取范围。液体对象不影响读取性能，这是近场操作的主要优势。UPM短偶极子标签的读取范围沿正向轴约为6 m。将这个标签贴在不同的物体上，实现了几米远场读取距离。

图9所示的结果显示了在必须使用较低发射功率的近场配置中提出的天线设计的性能。 在图9的结果中，最大发射功率为18dBm，而规定将允许30dBm发射功率。结果表明，靠近分段回路的分区适用于功率较低的近场检测。

图5.（a）中的磁场分布的分量（a）（b）常规环形天线。

图6.平面辐射图。

图7.平面辐射图。

图8.读取范围性能的测量设置和相关标签。

图9.读取器传输功率逐渐增加的近场读取区域。

图10.用于近场读取范围测量的不同物体。

结论

在这封信中，我们介绍了同时用于近场和远场操作的UHF RFID阅读器天线。采用分段环路技术来模拟小型环形天线的特性，并在UHF上产生均匀的孔径磁场分布。贴片天线被设计用于远场操作，以便它可以包含在分段回路内。这款RFID阅读器天线为欧洲UHF RFID频段设计。使用近场按钮式标签，获得的最大读取范围为9厘米。当标签放置在液体物体上时，近场读取性能不会降低。远场读取距离约为6米，带有短偶极子标签。RFID阅读器天线的这种新设计成功地在近距离或远距离处检测到无源UHF RFID标签。

参考文献

[1] D.M.Dobkin，RF中的RFID.牛津，U.K：爱思唯尔，2008年.

[2] P. V. Nikitin，K. V. S. Rao和S. Lazar，“近场UHFRFID的概述”，见Proc.IEEEInt.Conf。 RFID，2007年3月，pp.167-174.

[3] D.M.Dobkin和S.M.Weigand，“环境对RFID标签天线的影响”，载于IEEEM icrow.Symp.Dig，2005年6月，第135-138页.

[4] X. Qing，Z. N. Chen和C. K. Goh，“RFID标签天线的平台效应和共同设计考虑”见Proc.IEEEMicrow.Conf，2008年12月，第1-4页.

[5] P. Raumonen，L.Sydauml;nheimo，L. Ukkonen，M. Keskilammi和M. Kivikoski，“在金属板附近折叠的偶极天线”载于Proc. IEEE Antennas Propag.Soc.Int.Symp.，2003年6月，第1卷，第848-885页.

[6] X. Qing，C. K. Goh和Z. N. Chen，“宽带UHF近场RFID天线”，IEEE Trans.Antennas Propag.,vol. 58, no. 12，第3829-3838页，2010年12月.

[7] R.A.Oliver，“用于近场和远场UHF RFID标签的断环RFID读取器天线”，美国设计专利D570,337S，2008年6月3日.

[8] X. Qing和Z. N. Chen，“近场和远场射频识别天线”，美国专利申请公开US20100026439A1，2010年2月4日.

[9] A.L.Popov,O.G.Vendik和N.A.Zubova,“RFID系统环形天线近场区的磁场强度”，Tech.Phys.Lett.，vol. 36，no.10，第882-884页，2010.

[10] D. M. Dobkin，S. M. Weigand和N. Iye，“用于近场UHF RFID的分段磁性天线”，Microw. J.，vol. 50，no. 6，第96-103页，Jun. 2007.

[11] R.Hasse，V.Demir，W.Hunsicker，D.Kajfez和A.Elsherbeni，“分析方形环形天线的设计和分析”，J. ACES，vol. 23，no. 1，第53-61页，2008年3月.

[12] R.Hasse，W.Hunsicker，K.Naishadham，A.Elsherbeni和D.Kajfez，“用于全向辐射的分隔圆形环形天线的分析和设计”，Proc. IEEE AP-S Int. Symp.，Spokane，WA，2011年7月3 - 8日，第1379-1382页.

13] C. A. Balanis，天线理论：分析与设计，第3版. 纽约：威利，2005年.

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21977]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word