一种可手戴RFID标签天线设计

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）

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