可安装在导电物体上的UHF RFID标签天线的设计进展外文翻译资料

英语原文共 25 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

可安装在导电物体上的UHF RFID标签天线的设计进展

Toni Bjouml;rninen1, Lauri Sydauml;nheimo1, Leena Ukkonen1

, and Yahya Rahmat-Samii2

1Department of Electronics and Communications Engineering

Tampere University of Technology

Tampere, FI-33101, Finland

E-mail:toni.bjorninen@tut.fi ;lauri.sydanheimo@tut.fi ;leena.ukkonen@tut.fi

2Electrical Engineering Department

University of California, Los Angeles

Los Angeles, CA 90095, USA

E-mail: rahmat@ee.ucla.edu

摘要:射频识别标签的金属安装天线的设计是由便宜,体积小,低剖面等一系列独特的挑战驱动的。当标签被安装在各种形状和尺寸的导电平台共形结构时需要提供可靠的操作。在过去的十年中，大量的研究一直致力于满足这些严格的要求。目前，使用灵活的标签类型可以读取几米范围内的标签。此外，整个频谱的标签尺寸性能比已经在各种创新的天线设计方法中被证明。本文回顾和总结了天线的抗金属标签的进展，并展望了未来前景。

1.介绍

无源射频识别（RFID）技术提供自动识别和跟踪项目。这是通过无电池远程项目可寻址标签和天线和集成电路（集成电路）实现的。电磁波的传播.超高频（UHF）的供电和通信被动标签可以通过各种媒介在几米的距离内快速询问大量标签。这些都是最初引发研究无源超高频RFID系统的主要优势。目前，他们用于访问控制、供应链管理和项目中—水平资产跟踪。工作频率区域可以在全球频率范围内的子频840MHz到960MHz内调节。一位导师在附录中提供了更多关于被动RFID系统基本原理的细节。

由于被动RFID技术的广泛用途，新的应用不断出现。比如说，基于天线自感知和低功率的集成传感器的RFID传感器获得了更多的关注。在智能导航机器中标签的定位和RFID 的使用也已经被研究。微型，超低功耗和免维护标签也设想为下一代互联网无线传感器节点提供平台：物联网技术。可穿戴式服装集成标签的追踪，及各种生物医学应用，从检测肢体运动到微型RFID神经记录标签，都已经被研究。图1阐述了RFID的各种实际应用。

驱动的RFID标签设计和优化的主要因素是对标签的大小，成本和集成的严格要求。基本的物理限制存在于给定大小的天线上实现的性能。天线占用的球形体积比如时，是自由空间波数，是外接天线的最大尺寸半径，通常被归类为电小尺寸。但是，对于标签天线，结构厚度也被严格限制，这是因为在大多数应用中，标签需要不明显。当考虑到标签天线的尺寸性能比，除了，也要考虑标签的足迹和厚度。

为了降低材料和制造成本，标签天线需要阻抗匹配技术，利用自身匹配（例如，单双T匹配，临近耦合回路馈电，寄生负载）来避免使用分立原件。这意味着天线的几何形状适于同时提供所需的输入阻抗和辐射特性。现代计算电磁学工具是应对挑战所不可或缺的。

标签天线设计的另一个特点是，需要直接连接到一个超低功耗RFID应用特定的集成电路（IC标签）。标签IC的阻抗很大程度上取决于电荷泵芯片的前端。这是一个非线性器件，使电阻具有电容性（一平均数的例子就是15-j150Omega;）。因此，复杂的共轭阻抗匹配的标签天线的设计从根本上与传统天线不同，常用的匹配是50Omega;。特别是，芯片的唤醒功率依赖于频率的标签IC的阻抗的准确获知对一个成功的设计来说是势在必行的。

最后，也许最大的挑战尚未结束,标签天线的设计不希望有天线之间的相互作用。在实际应用中，RFID标签使用未指定属性的材料安装在平台上。因此，安装在含有或具有传统天线不良影响的物理上的低调低成本的标签天线的发展是最重要的。

图一.无源UHF RFID的应用示例

1.1用于安装金属标签的挑战

当标签上安装导电项目时，不需要的电磁天线物质相互作用是一个特别明显的问题。低剖面天线导致天线从导电表面分离小于四分之一波长。因此天线的电流主要流向水平导电面。在这种配置中，天线受导体的影响强烈。实际上，如果在设计中省略了导电体的邻近位置，那么当安装在导电件上时，标签可能根本不起作用。

偶极天线，是RFID标签中运用最广泛的天线类型，这是通过考虑平行于导电平面的线源解释。电磁边界条件要求表面的切向电场消失，这意味着表面电流大小几乎相等，但是与源电流相比反相。辐射叠加产生的两个电流分布在远场消失了，因此，天线辐射效率就会降低。

或者，可以使用图像理论来理解该现象。在这种情况下，在导电平面的相对侧上以相等的距离放置相同的天线（图像源），其被假定为具有无限长度。然后去除平面，但是通过以使得满足导电平面处的原始边界条件（切向电场消失）的方式馈送图像源天线来对其影响进行建模。这通过与主源天线相比承载具有相等幅度但相位相反的电流的图像源天线来实现。天线阵列的理论可以用于发现远场辐射图。耦合天线的输入阻抗的计算揭示了对于非常紧密间隔的天线，互电阻接近自电阻[27]。这意味着耦合的天线近似短路。因此，即使小的损耗电阻也会降低辐射效率。然而，可以增强天线的方向性。在实践中，导电体（即使是比天线小的体）的接近度可以极大地影响天线的辐射图，并且天线的阻抗是到金属的距离的函数[28]。在2.2节中将进一步研究平行于导电平面放置的偶极天线的操作。

回顾在用于RFID标签的天线的设计中的最高优先级 ，廉价和不显眼的结构 ，显然地共同解决对天线尺寸性能比的基本限制和由于导电体的接近性的不利影响是一个突出的挑战。当天线的尺寸和结构复杂性保持在可接受的水平时，极难实现几米内的高标签读取范围。

尽管如此，如图2所示，在RFID应用的整个光谱中都遇到各种形状和尺寸。 例子包括工业集团管理; 机械库存在施工现场;跟踪集装箱，车辆和火车车厢运输链; 监控电梯和自动扶梯; 和项目级别识别小金属物品，如硬件工具，厨具，锡罐和喷雾瓶。因此显而易见的需要标记天线在导电体附近表现良好。相应地，大量的研究已经在这样的天线上进行了，而话题兴趣仍然很高。最后，图3中出示了用于金属安装能力标签的天线的一般设计流程。

本文回顾了在该领域取得的进展，讨论了在金属可安装标签中使用的各种类型的天线和设计方法，并展示了未来的前景。 其余的文本组织如下， 第2节介绍了标签读取范围的概念，其将在整篇论文中用作标签性能度量。 第3节和第4节分别讨论了基于有和没有接地平面的天线的可安装金属的标签。讨论和未来前景在第5节中展现。

图二.在RFID应用中常见的各种尺寸和形状的金属物品

2.将范围作为标记性能度量

读取器可以检测到标签的最大距离是重要的实际标签性能指标。 这不仅让天线工程师，并且让其它专业领域的人员容易地理解。 使用读取范围以评估RFID标签的性能还具有使用相对不复杂的设备可以无线测量的优点。 以这种方式，避免了有问题的侵入式小天线测量，并且不需要标签IC的单独表征。

2.1测量和模拟阅读范围

通常，无源标签的读取范围受到前向链路操作的限制，即从读取器到标签的IC的无线功率传输的效率。 假设用于站点无关比较的自由空间条件，在以标签为中心的球面坐标系的空间观察角phi;和theta;处的可读标签读取范围由[71]给出。

其中是由读取器发射的载波音的波长; 是调节的等效各向同性辐射功率; 是标签IC的唤醒功率; 是标签和阅读器天线之间的相互偏振功率效率; 是标签天线的辐射效率; 是标签天线的方向性; 是天线IC电力传输效率,由天线和IC阻抗决定,分别是和; 方程（1a）是Friis的简单透射方程的直接含义。

虽然等式（1）明确地示出了标签天线的特性和与标签IC的阻抗匹配如何影响读取范围，但可能不是所有所需的数据都可用于计算。然而，基于在完全组装的标签上的消声室中执行的无线测量，可以从简单Friis传输方程和等式（1）获得不同的方程。在该测量中，在被测试标签的询问期间，读取器的发射功率被降低，并且记录标签保持响应的最低发射功率（阈值功率：Pth）。最常见的是，阈值功率相对于标签用其标识码答复的查询命令来定义。可获得的标签读取范围由图[17]给出。

其中是偏振匹配的读取器和标签天线的间隔，并且是读取器天线的实现增益，包括组合的电缆和阻抗失配损耗。 这里，观察方向（phi;）由被测试标签相对于发射天线的取向确定。

通常假设= 1，但有时以= 0.5来估计主要线性极化的标签天线和圆偏振读取器天线之间的极化损耗。如果未指定观察角度，则假定读取范围值是在所有空间角度上的最大值。总结上面的讨论：等式（1）和（2）中给出的是前向链路限制标签读取范围，当最大读取器天线增益指向标签时，其在具有兼容传输功率的自由空间条件下获得。

因此，本文中引用的所有标签读取范围值将被缩放以对应于=4 W（调节的，例如在美国）= -18dBm， = 1。 这允许公平地比较作者使用不同测量配置，不同的唤醒功率，以及各种EIRP规定，标签IC所报告的结果。这里应当注意，多年来，标签IC唤醒功率特别已经显着改善，并且从等式（1）可以看出，该参数在标签读取范围中起主要作用。 为了清楚起见，星号表示法： 用于区分缩放的读数范围值与引用的文章中报告的值。

除了读取范围之外，我们已经将可操作带宽视为定性标签性能指标。 目前，840MHz至960MHz的全球UHF RFID频率范围被分为区域调节的子带，其大约以866MHz的频率为中心（下），915MHz（中）和953MHz（上）。 单频带（S）标签是为这些范围之一专门设计的。 宽带（B）标签实现几十兆赫的更宽带宽。 宽带（W）标签在840MHz至960MHz频带的下限，中间和上限范围中的至少两个以上可操作以具有类似的性能。

2.2偶极型标签在金属上的读取范围

偶极型标签天线目前在UHF RFID中是流行的。 它们具有简单的单层结构，适用于标签型标签。此外，偶极天线辐射图在垂直于偶极子轴的平面中是全向的。与定向天线相比，这提供了更广泛的温度功率采集的覆盖。 偶极型天线的尺寸减小技术也已经建立[29-31]。 偶极型标签天线还可以提供足够的平台容差，以保证大多数具有低介电常数（）的电介质物体的可靠识别[18-19,32-35]。

然而，导电表面对偶极天线的影响是更严重的性能问题。 为了举例说明这种现象对偶极型天线的性质的影响，我们进行了对直四分之一波偶极子和T匹配折叠偶极子的一个模拟研究（一种流行的标签天线结构），平行于导电表面放置。使用ANSYS HFSS 13进行仿真。所研究的天线如图4所示。

图四.研究偶极天线

在距离尺寸为140times;50times;5 的金属板（电导率：58MS / m）1.5mm的距离处模拟四分之一波长偶极子。 模拟天线与特定标签IC阻抗不匹配，但我们在仿真工具中选择了50Omega;馈电端口功率，因此功率量转移到天线结构的功率为100 mW。 图5a表示天线上和其下面的金属板上的表面电流密度。 箭头示出在固定时刻的电流流动的快照。 从该图中可以看出，天线上的表面电流密度和其下面的金属表面具有相同的数量级，但是电流流动方向相反。

对常规天线参数的所得到的影响总结在图6a中。 与金属的小的分离处，天线几乎短路。 这导致非常低的辐射效率值。 随着天线 - 金属分离增加到3mm，这在仍然可行一些RFID应用，辐射效率提高到25％。 然而，天线的电阻仍然保持低，使得阻抗匹配成问题。

T匹配折叠偶极子的研究进一步展示了金属接近性对一类普通标签天线的性质的影响。 通常，标签天线需要与电容标签IC共轭匹配。 对于短偶极子，T匹配技术可用于将电容天线阻抗转换为电感天线[16]。 在实践中，通过形成与天线的端子平行的短路电流路径（图4中的参数a和b）来实现。

由于标签天线的覆盖区尺寸是主要关注点，所以偶极臂通常被折叠以降低在相同覆盖区内的基本天线谐振。 在这两种广泛采用的设计方法之后，我们选择图4中的参数a，b和c以在距离金属板1.5mm的距离处实现接近15 j150Omega;（在866.6MHz）的天线阻抗。 这用作在实际标签设计场景中的典型目标值的示例。 由于研究的目的是举例说明金属附近的偶极子标签的一般特征，没有考虑特定的天线衬底材料，而是在空气中进行模拟。 然而，金属接近所产生的特征由低介电常数平台上的偶极标签共享，包括电路板，塑料和泡沫。

为了实现与四分之一波长偶极子的公平比较，我们在仿真中调整了50Omega;馈电端口功率，以便将100 mW传输到天线。如图5b所示，天线和金属板上的表面电流具有相同的数量级，但在相反的方向方向。因此当天线平行于导电表面放置时，该天线与四分之一波长偶极子有相同的问题。模拟的标签性能参数总结在图6b中。 T匹配的折叠偶极子在所研究的频率范围内表现出其自谐振频率。在谐振频率以下，天线阻抗是感性的，提供与标签IC的共轭匹配。在这种情况下，天线-IC功率传输效率（）在866.6MHz附近达到最大。然而，辐射效率仍然很低，低于5％，直到3 m的天线 - 金属间距。在1.5mm的间隔处，辐射效率仅为2％，但是在866.6MHz的匹配频率处，标签仍然实现了大约3 的看似高的读取范围。这是因为金属表面的接近将天线的方向性增加到大约4.3dBi（图6b），这显著地高于自由空间中的偶极子的值。

作为总结，靠近金属的T匹配的折叠偶极标签受到低效率的影响，电阻在远离天线的自谐振频率的频率处急剧衰减到零。 这导致有限的读取

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[27656]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word