应用于矿井的RFID应答器设计

摘要：采用RFID(射频识别)芯片IA4420设计了一款主动式应答器，主要应用于矿井安全生产管理。其工作中心频率为905 MHz，数据通信的核心部分是印刷偶极子天线，从仿真结果来看：其相对带宽约为40％，增益约为4．236 dB，输入阻抗接近纯电阻50 Ω，性能参数较好。
关键词：RFID应答器；IA4420；偶极子天线；矿井

矿井生产管理一直是人们十分关注的问题，而新兴技术RFID(射频识别)的引入，在矿井井下人员的生产调度和安全跟踪管理上发挥了突出的作用。RFID系统组成为：应答器、读卡器和上位机。井下基站里的读卡器不断地向其周围发送无线信号，矿工随身携带的应答器进入信号覆盖区后被激活，将保存在其内的员工数据信息发送给读卡器，读卡器接收到该数据后，将代表巷道地理位置的基站编码连同收到的员工数据一起打包送至地面计算机。文中重点阐述了应答器的设计：包括控制器、RFID芯片、偶极子天线。

1 控制器与RFID芯片
从图1看出应答器的硬件结构较为简单，控制器与RFID芯片均采用小型贴片封装，天线设计成印刷偶极子结构，较好地实现了天线尺寸的小型化。

定义Zin为天线的输入阻抗，图3中所示的虚线框内为天线振子臂和接地板的等效输入阻抗Zc。Za为馈线的特性阻抗，可由1／4阻抗变换器转换得到。Zb为短路线的特性阻抗，Zab为偶极子天线臂之间的缝隙等效特性阻抗。用θa、θb和θab代表各部分的电长度，则根据传输线理论分析如下：
；ZL是天线辐射阻抗，ZF是馈电端口阻抗。对于半波振子天线，可以近似把天线输入阻抗看作是辐射阻抗，即有：

f是工作频率，μ是磁导率，γ是电导率，λ是工作波长。
在最初的设计中，天线振臂和微带馈线的长度均取λ／4左右，振臂宽度取λ0。介质材料选用玻璃。
布环氧树脂(FR-4)，介质长L=81 mm、宽W=63 mm、厚h=3．6 mm，相对介电常数4．6，损耗角正切0．02。这样可以利用公式(8)、(7)计算出ZL；再利用微带线理论算出传输线和馈线的大致尺寸，然后根据计算的几何尺寸建模，得到所需的偶极子天线，最后使用ADS软件仿真并优化，才能得到最终天线尺寸：Lb=30 mm、宽Wb=6 mm；弯折处Lz=31mm，Wz=8 mm；微带巴伦底线长Hp=36 mm、宽Wp=6 mm；微带巴伦馈线宽Wf=8 mm；地平面宽Hd=20 mm、长Wd=50 mm；缝隙宽度LG=5 mm；通孔半径r=2 mm。
采用ADS仿真软件对天线的仿真结果如图4和图5。

如图4所示，印刷偶极子天线在谐振频率0．905 GHz处的回波损耗S11=-28．011 dB，满足通信系统中反射系数小于-14 dB的要求。S11／20=-1．400 55，则谐振频率处驻波比为：(1+10-1.40055)／(1-10-1.40055)=1．08，满足天线系统中驻波比小于1．5的要求。回波损耗为-10 dB对应着驻波比VSWR2．0，因此天线带宽范围近似为：0．741～1．122 GHz，其相对带宽约为40％。
利用ADS软件的正交面描述天线功能，如图5从XOZ面上看天线的增益为4．236 dB。

3 结束语
该款主动式应答器以射频技术为核心，选择工作中心频率为905 MHz，其电路元件采用小型贴片封装，结构紧凑、体积较小，方便矿井人员随身携带。从仿真结果来看，核心部件偶极子天线的带宽与增益参数较为理想。