一种可穿戴的UHF RFID标签弯折天线设计*

卢善勇,陆 翔,邓 云

(1.广西职业技术学院计算机与电子信息工程系,南宁 530226;2.广西大学物理科学与工程技术学院,南宁 530004)

一种可穿戴的UHFRFID标签弯折天线设计*

卢善勇1*,陆 翔2,邓 云1

(1.广西职业技术学院计算机与电子信息工程系,南宁 530226;2.广西大学物理科学与工程技术学院,南宁 530004)

针对可穿戴的人体跟踪以及监测问题,提出了一种小型的纺织RFID标签弯折天线,该天线主要由导电线绣成的4个字母文本构成,具有文本弯折的几何结构以及锯齿形穿线结构,天线尺寸较小,即:65 mm×24 mm×0.46 mm,与普通文字标签的尺寸相似。并对该标签进行了优化,以便在工作频率(即:910 MHz)条件下与RFID芯片阻抗实现共轭匹配。最后,利用双端口差分探头对若干标签进行了测量,该探头适用于平衡的RFID标签结构。在测试实验中,对带有不同线迹图案以及各种导电线直径的标签进行了检测,实验结果表明,提出标签阻抗的实测结果与模拟结果基本吻合,证明了提出标签设计和测量方法的有效性。

可穿戴;导电线;阻抗测量;RFID天线

射频识别(RFID)系统广泛用于无线支付、资产管理、人体跟踪以及监测等领域[1-2]。在人体监测应用领域使用的RFID标签中,可利用导电线将天线绣在普通的衣物内[3]。利用高导电率的导电线,制成的可穿戴RFID标签天线具备较好的接收性能、灵活性以及耐用性。利用传统刺绣技术能够制成带有复杂图案以及精美外形的标签[4]。

研究人员对以纺织材料为介质基板的导电线可穿戴天线表现出了极大的兴趣,因此对天线的输入阻抗、方向性、增益以及辐射效率等关键设计因素进行了研究。文献[5]指出通过优化导电线的缝制花样能够扩展其方向性。文献[6]对导电线密度对天线增益的影响进行了探讨,并指出缝合密度会降低有效导电率,从而降低辐射效率。文献[7]对辐射效率与导电线直径以及织物密度之间的关系进行了研究,研究结果表明:导电线越厚,并且编织线之间的间隔越大,就越能够增强辐射效率。

特别是对于RFID标签天线而言,输入阻抗(Zant)是最重要的设计因数。标签阻抗应该与RFID芯片阻抗(Zchip)成共轭匹配,以便获得最佳性能。所以,准确描绘标签阻抗的特性至关重要。由于支路之间的电流不平衡等原因,单端探头技术[8]等传统测量方法并不适用于带有平衡馈电结构的标签。平衡-不平衡变换探头方法[6]能够在一定程度上解决不平衡电流问题;但是,测量数据的精确度仍无法确定。

以纺织材料为基板,本文提出了一种基于导电线的RFID标签弯折天线的设计、制造以及阻抗测量过程,该RFID标签天线是在超高频(UHF)段(900 MHz～920 MHz)条件下运行。标签是由随机的4个字母组成。利用全波模拟对线迹图案以及导电线直径对天线性能的影响进行了检测。在测量样机阻抗方面,使用了双端口差分探头技术[9]以便增强测量的精确度。将测量结果与模拟结果进行对比能够得出本文提出的设计以及测量方法的有效性。

图1 天线的几何结构

1 提出的天线设计

1.1 天线的几何结构以及材质

图1(a)和图1(b)分别为本文提出的RFID标签的正面和背面。文本弯折的偶极呈“TUSH”状,字母为随机选取。每个字母是由标签背面的导电线相连。导电线组成了T型匹配电路,该电路与字母“U”和字母“S”之间的RFID芯片相连。本文使用的RFID芯片是由美国意联科技公司生产。在800 MHz～1 GHz的频率范围内,芯片阻抗在21-j150 Ω～13-j121 Ω的范围内变化;其中,在910 MHz(工作频段的中间)的条件下Zchip=16-j133 Ω。本文使用的导电线是由Syscom Advanced Material公司生产的镀银导电线,其导电率高达105S/m;基片是暗棕色织物,其厚度为t=0.46,介电常数εr和损耗角正切tanδ分别为1.3和0.023[10]。导电线的厚度取决于绞结在一起的长丝数量。我们分别使用了带有20个长丝和40个长丝的导电线,如果将它们拉伸并平铺在基片上,可得知导电线的宽度分别为w1=0.4 mm和0. 65 mm。

4个字母图案的初始长度接近于910 MHz的半波长。基于此,可以推算出字符与字符之间的长度以及字符的水平长度。我们保持字符长度相同,以便进行天线调谐过程,如图1(a)所示。在共轭匹配情况下,T型匹配长度为ls。

根据给出的Zchip,如果l和ls增加,辐射电阻以及电抗就会越大。参考文献[10]中记录了相似的观察结果。考虑到材质属性以及导电线和基片的尺寸,根据文献[11-12]中的数值,我们可以利用全波模拟对l和ls进行进一步优化。表1提供了l和ls的最优值以及其他参数。标签的总体覆盖区尺寸为65 mm×24 mm×0.46 mm,在工作频率为910 MHz的条件下足够紧密。

表1 天线参数 单位:mm

图2 模拟模型比较结果

1.2 天线参数分析

为了更加获得更加精确地测量结果,对包含线迹图案、线迹密度和导电线宽度3个参数进行了模拟分析。例如,标签的正面和背面分别是直线线迹图案和倾斜的线迹图案(如图1所示),均用于模拟模型中。为了证明其重要性,我们对带有线迹图案的模拟结果与未带线迹图案的模拟结果进行了比较。图2(a)和图2(b)是被比较的模拟模型,图2(c)是800 MHz～1 GHz的频率范围内模拟中的实际阻抗和理想阻抗。“带有线迹图案”的阻抗高于“未带线迹图案”的阻抗。需特别指出,在910 MHz的条件下,“带有线迹图案”的模型电阻(40 Ω)是“未带线迹图案”的模型电阻两倍以上。标签有效孔径的增加导致电阻增加,从而致使辐射电阻较大。在包含了线迹图案的模拟模型中,方向性从0.6提升至1.7。

同样也通过全波模拟对线迹密度对标签阻抗的影响进行了研究。图3(a)和图3(b)分别是线迹稀疏(g=1.56 mm)并且密度为11个线迹的标签,和线迹稀疏(g=0.53 mm)并且密度为22个线迹的标签。例如,当线迹数量为11并且g=1.56 mm以及线迹数量为22并且g=0.53 mm时,形成了高度为h的锯齿形线迹。如图3(c)所示,由于缝隙小于UHF段内的波长,阻抗几乎不受线迹密度变化的影响。

图3 线迹密度对阻抗的影响

图4 实际阻抗与理想阻抗之间的对比。

另一个参数研究是改变导电线宽度。分别测试了导电线宽度为w1=0.4 mm和0.65 mm的标签。在本文中,沿字母高度h的锯齿形线迹数量固定为11。如图4所示,阻抗比较表明,实际阻抗以及理想阻抗会随着w1的增加而减少。更具体地说,在910 MHz的条件下,如果w1从0.4 mm增加至0.65 mm,阻抗会在35+j133 Ω～25+j127 Ω的范围内变化。实际阻抗较低的原因在于损耗电阻降低,然后导电线的有效导电率增加。理想阻抗较低的原因在于宽导电线上线迹之间的电容增加。

2 天线制造

本文采用下列两种方法制作了最佳标签模型:(1)利用织针手工缝制图案;(2)利用电脑缝纫机自动绣出图案。对于后者而言,我们利用电磁仿真工具(Ansys HFSS)输出了最佳模型,然后将其输入数字化刺绣软件(Brother PEDesign),该软件可控制电脑缝纫机(Brother NV-900)。数字化刺绣软件能够自动检测字母的边界以及输入模型的指定工作区域。此外,由于能够手动选择数字化图案、密度以及加工速度,该软件提供了自定义刺绣选项。

图5(a)是通过数字化刺绣软件获得的线迹图案,图5(b)是自动绣出的标签。对于后者而言,该标签的均匀性较好,并且制作误差较少。需注意,在两种情况下,我们使用的是包含了20个长丝(w1=0.4 mm)的导电线。由于抗拉强度较大,在刺绣过程中,将包含了40个长丝(w1=0.65 mm)的导电线缠在穿梭箱内。

图5 线迹图案以及标签实物图

3 天线测量结果

3.1 阻抗测量

为了测量标签阻抗,我们使用了双端口差分探头,这是测量平衡RFID标签阻抗最有效的测试装置[7,10]。在此,不平衡单端口同轴探头等传统测试固定装置并不适用,原因在于T型匹配电路上两个支路的电流量差不多。

双端口差分探头方法是根据双端口微波网络原理提出的。图6(a)是RFID芯片以及标签连接的简化图。连接芯片的两个支路处的电位差的幅值相同但是相位却相反。就这一点而言,通过用测试装置(即:双端口差分探头)代替芯片(二者的电位差相同)可以对标签阻抗进行测量。图6(b)是与双端口差分探头相连的标签的等效电路。该等效电路可被简化为双端口π网络,如图6(c)所示。因此,天线阻抗可表示为:

Zant=(Zd1+Zd2)||Za

(1)

图6 用于标签阻抗测量的等效电路

图7 与标签以及向量网络分析仪(VNA)相连的测试探头

本文利用安立MS2038C向量网络分析仪(VNA)进行了测量。图7是与标签以及VNA相连的双端口差分探头。该探头包含两个同轴电缆。外导体焊接在一起,以便连接同一根地线。外导体的一端剥去了外皮,所以突出的内导体能够与标签相连。在连接标签之前,应进行标准的短路-开路-负载-穿透(SOLT)校准。

3.2 测量结果

本文采用双端口差分探头方法对标签阻抗进行了测量。图8(a)和图8(b)分别是手工缝制的标签和自动绣出的标签的测量结果以及模拟结果。表2总结了在910 MHz的条件下的测量阻抗以及模拟阻抗。除了频率出现周期性变化以外,测量结果与模拟结果基本吻合,该变化是由探头校准误差引起的。由于在VNA端口进行了校准,并非探头顶部,因此从VNA端口到探头顶部的不确定性会一直存在,并会对阻抗测量结果产生影响。

图8 标签的阻抗测量结果

模拟结果实验结果手工缝制42+j136Ω42+j138Ω自动缝制42+j136Ω35+j134Ω

对于自动绣出的标签而言,由于制作缺陷,测量电阻低于模拟电阻。电阻同样也取决于刺绣区域的有效导电率。对于自动绣出的标签而言,如果导电线被紧紧地绑在刺绣区域内的基片上,其有效导电率会下降,从而导致总厚度降低。

4 结论

本文提出了一种在织物基片上的UHF RFID标签弯折天线。标签图案是由导电线弯折的4个字母组成。由于具有文本弯折的几何结构以及锯齿形穿线结构,天线尺寸较小,即:65 mm×24 mm×0.46 mm,与普通名字标签的尺寸相似。因此,本文提出的标签能够轻易地别在衣物上,适用于人体跟踪以及监测。利用电脑缝纫机自动刺绣,减少了制作标签所耗费的时间以及精力,并降低了制作误差。本文采用双端口差分探头方法对样机阻抗进行了测量。测量结果与模拟结果基本吻合,证明了提出RFID标签设计和测量方法的可行性和有效性。

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DesignofaWearableUHFRFIDTagBendingAntenna*

LUShanyong1*,LUXiang2,DENGYun1

(1.Department of Computer and Electronic Information Engineering,Guangxi Vocational and Technical College,Nanning 530226,China;2.College of Physical Science and Technology,Guangxi University,Nanning 530004,China)

For wearable human tracking and monitoring problems,a small textile RFID tag bending antenna is proposed. The proposed antenna is mainly composed of four letter text,which is made of a conductive wire,and has the geometric structure of the bending of the text and the zigzag thread structure. The antenna is small in size 65 mm×24 mm×0.46 mm which is similar to the size of the common text label. And the label was optimized to achieve the conjugate match with the RFID chip impedance at the operating frequency(910 MHz). Finally,some labels were measured using a two port differential probe,and the probe was applied to the balanced RFID tag structure. In the experimental test,the label with different line trace pattern and a variety of wire diameter were detected. The experimental results show that the measured results are in agreement with the simulation results which demonstrate the effectiveness of the proposed label design and methods of measurement

wearable;guide wire;impedance measurement;RFID antenna

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.007

项目来源:广西高校中青年教师基础能力提升项目(KY2016LX492)

2016-08-30修改日期2016-10-21

TN832

A

1005-9490(2017)05-1083-05

卢善勇(1977-),男,壮族,广西龙州,广西职业技术学院,本科,讲师,主要研究领域为移动通信技术、通信电源技术,lushanyong530226@sina.com;

陆翔(1973-),男,壮族,广西扶绥,广西大学,博士,高级实验师,硕士生导师,主要研究领域为信息处理;

邓云(1983-),男,汉族,广西全州,广西职业技术学院,硕士,讲师,主要研究领域为控制工程。