一種可穿戴的UHF RFID標簽彎折天線設計*

盧善勇,陸 翔,鄧 云

(1.廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系,南寧 530226;2.廣西大學物理科學與工程技術學院,南寧 530004)

一種可穿戴的UHFRFID標簽彎折天線設計*

盧善勇1*,陸 翔2,鄧 云1

(1.廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系,南寧 530226;2.廣西大學物理科學與工程技術學院,南寧 530004)

針對可穿戴的人體跟蹤以及監測問題,提出了一種小型的紡織RFID標簽彎折天線,該天線主要由導電線繡成的4個字母文本構成,具有文本彎折的幾何結構以及鋸齒形穿線結構,天線尺寸較小,即:65 mm×24 mm×0.46 mm,與普通文字標簽的尺寸相似。并對該標簽進行了優化,以便在工作頻率(即:910 MHz)條件下與RFID芯片阻抗實現共軛匹配。最后,利用雙端口差分探頭對若干標簽進行了測量,該探頭適用于平衡的RFID標簽結構。在測試實驗中,對帶有不同線跡圖案以及各種導電線直徑的標簽進行了檢測,實驗結果表明,提出標簽阻抗的實測結果與模擬結果基本吻合,證明了提出標簽設計和測量方法的有效性。

可穿戴;導電線;阻抗測量;RFID天線

射頻識別(RFID)系統廣泛用于無線支付、資產管理、人體跟蹤以及監測等領域[1-2]。在人體監測應用領域使用的RFID標簽中,可利用導電線將天線繡在普通的衣物內[3]。利用高導電率的導電線,制成的可穿戴RFID標簽天線具備較好的接收性能、靈活性以及耐用性。利用傳統刺繡技術能夠制成帶有復雜圖案以及精美外形的標簽[4]。

研究人員對以紡織材料為介質基板的導電線可穿戴天線表現出了極大的興趣,因此對天線的輸入阻抗、方向性、增益以及輻射效率等關鍵設計因素進行了研究。文獻[5]指出通過優化導電線的縫制花樣能夠擴展其方向性。文獻[6]對導電線密度對天線增益的影響進行了探討,并指出縫合密度會降低有效導電率,從而降低輻射效率。文獻[7]對輻射效率與導電線直徑以及織物密度之間的關系進行了研究,研究結果表明:導電線越厚,并且編織線之間的間隔越大,就越能夠增強輻射效率。

特別是對于RFID標簽天線而言,輸入阻抗(Zant)是最重要的設計因數。標簽阻抗應該與RFID芯片阻抗(Zchip)成共軛匹配,以便獲得最佳性能。所以,準確描繪標簽阻抗的特性至關重要。由于支路之間的電流不平衡等原因,單端探頭技術[8]等傳統測量方法并不適用于帶有平衡饋電結構的標簽。平衡-不平衡變換探頭方法[6]能夠在一定程度上解決不平衡電流問題;但是,測量數據的精確度仍無法確定。

以紡織材料為基板,本文提出了一種基于導電線的RFID標簽彎折天線的設計、制造以及阻抗測量過程,該RFID標簽天線是在超高頻(UHF)段(900 MHz～920 MHz)條件下運行。標簽是由隨機的4個字母組成。利用全波模擬對線跡圖案以及導電線直徑對天線性能的影響進行了檢測。在測量樣機阻抗方面,使用了雙端口差分探頭技術[9]以便增強測量的精確度。將測量結果與模擬結果進行對比能夠得出本文提出的設計以及測量方法的有效性。

圖1 天線的幾何結構

1 提出的天線設計

1.1 天線的幾何結構以及材質

圖1(a)和圖1(b)分別為本文提出的RFID標簽的正面和背面。文本彎折的偶極呈“TUSH”狀,字母為隨機選取。每個字母是由標簽背面的導電線相連。導電線組成了T型匹配電路,該電路與字母“U”和字母“S”之間的RFID芯片相連。本文使用的RFID芯片是由美國意聯科技公司生產。在800 MHz～1 GHz的頻率范圍內,芯片阻抗在21-j150 Ω～13-j121 Ω的范圍內變化;其中,在910 MHz(工作頻段的中間)的條件下Zchip=16-j133 Ω。本文使用的導電線是由Syscom Advanced Material公司生產的鍍銀導電線,其導電率高達105S/m;基片是暗棕色織物,其厚度為t=0.46,介電常數εr和損耗角正切tanδ分別為1.3和0.023[10]。導電線的厚度取決于絞結在一起的長絲數量。我們分別使用了帶有20個長絲和40個長絲的導電線,如果將它們拉伸并平鋪在基片上,可得知導電線的寬度分別為w1=0.4 mm和0. 65 mm。

4個字母圖案的初始長度接近于910 MHz的半波長。基于此,可以推算出字符與字符之間的長度以及字符的水平長度。我們保持字符長度相同,以便進行天線調諧過程,如圖1(a)所示。在共軛匹配情況下,T型匹配長度為ls。

根據給出的Zchip,如果l和ls增加,輻射電阻以及電抗就會越大。參考文獻[10]中記錄了相似的觀察結果。考慮到材質屬性以及導電線和基片的尺寸,根據文獻[11-12]中的數值,我們可以利用全波模擬對l和ls進行進一步優化。表1提供了l和ls的最優值以及其他參數。標簽的總體覆蓋區尺寸為65 mm×24 mm×0.46 mm,在工作頻率為910 MHz的條件下足夠緊密。

表1 天線參數 單位:mm

圖2 模擬模型比較結果

1.2 天線參數分析

為了更加獲得更加精確地測量結果,對包含線跡圖案、線跡密度和導電線寬度3個參數進行了模擬分析。例如,標簽的正面和背面分別是直線線跡圖案和傾斜的線跡圖案(如圖1所示),均用于模擬模型中。為了證明其重要性,我們對帶有線跡圖案的模擬結果與未帶線跡圖案的模擬結果進行了比較。圖2(a)和圖2(b)是被比較的模擬模型,圖2(c)是800 MHz～1 GHz的頻率范圍內模擬中的實際阻抗和理想阻抗。“帶有線跡圖案”的阻抗高于“未帶線跡圖案”的阻抗。需特別指出,在910 MHz的條件下,“帶有線跡圖案”的模型電阻(40 Ω)是“未帶線跡圖案”的模型電阻兩倍以上。標簽有效孔徑的增加導致電阻增加,從而致使輻射電阻較大。在包含了線跡圖案的模擬模型中,方向性從0.6提升至1.7。

同樣也通過全波模擬對線跡密度對標簽阻抗的影響進行了研究。圖3(a)和圖3(b)分別是線跡稀疏(g=1.56 mm)并且密度為11個線跡的標簽,和線跡稀疏(g=0.53 mm)并且密度為22個線跡的標簽。例如,當線跡數量為11并且g=1.56 mm以及線跡數量為22并且g=0.53 mm時,形成了高度為h的鋸齒形線跡。如圖3(c)所示,由于縫隙小于UHF段內的波長,阻抗幾乎不受線跡密度變化的影響。

圖3 線跡密度對阻抗的影響

圖4 實際阻抗與理想阻抗之間的對比。

另一個參數研究是改變導電線寬度。分別測試了導電線寬度為w1=0.4 mm和0.65 mm的標簽。在本文中,沿字母高度h的鋸齒形線跡數量固定為11。如圖4所示,阻抗比較表明,實際阻抗以及理想阻抗會隨著w1的增加而減少。更具體地說,在910 MHz的條件下,如果w1從0.4 mm增加至0.65 mm,阻抗會在35+j133 Ω～25+j127 Ω的范圍內變化。實際阻抗較低的原因在于損耗電阻降低,然后導電線的有效導電率增加。理想阻抗較低的原因在于寬導電線上線跡之間的電容增加。

2 天線制造

本文采用下列兩種方法制作了最佳標簽模型:(1)利用織針手工縫制圖案;(2)利用電腦縫紉機自動繡出圖案。對于后者而言,我們利用電磁仿真工具(Ansys HFSS)輸出了最佳模型,然后將其輸入數字化刺繡軟件(Brother PEDesign),該軟件可控制電腦縫紉機(Brother NV-900)。數字化刺繡軟件能夠自動檢測字母的邊界以及輸入模型的指定工作區域。此外,由于能夠手動選擇數字化圖案、密度以及加工速度,該軟件提供了自定義刺繡選項。

圖5(a)是通過數字化刺繡軟件獲得的線跡圖案,圖5(b)是自動繡出的標簽。對于后者而言,該標簽的均勻性較好,并且制作誤差較少。需注意,在兩種情況下,我們使用的是包含了20個長絲(w1=0.4 mm)的導電線。由于抗拉強度較大,在刺繡過程中,將包含了40個長絲(w1=0.65 mm)的導電線纏在穿梭箱內。

圖5 線跡圖案以及標簽實物圖

3 天線測量結果

3.1 阻抗測量

為了測量標簽阻抗,我們使用了雙端口差分探頭,這是測量平衡RFID標簽阻抗最有效的測試裝置[7,10]。在此,不平衡單端口同軸探頭等傳統測試固定裝置并不適用,原因在于T型匹配電路上兩個支路的電流量差不多。

雙端口差分探頭方法是根據雙端口微波網絡原理提出的。圖6(a)是RFID芯片以及標簽連接的簡化圖。連接芯片的兩個支路處的電位差的幅值相同但是相位卻相反。就這一點而言,通過用測試裝置(即:雙端口差分探頭)代替芯片(二者的電位差相同)可以對標簽阻抗進行測量。圖6(b)是與雙端口差分探頭相連的標簽的等效電路。該等效電路可被簡化為雙端口π網絡,如圖6(c)所示。因此,天線阻抗可表示為:

Zant=(Zd1+Zd2)||Za

(1)

圖6 用于標簽阻抗測量的等效電路

圖7 與標簽以及向量網絡分析儀(VNA)相連的測試探頭

本文利用安立MS2038C向量網絡分析儀(VNA)進行了測量。圖7是與標簽以及VNA相連的雙端口差分探頭。該探頭包含兩個同軸電纜。外導體焊接在一起,以便連接同一根地線。外導體的一端剝去了外皮,所以突出的內導體能夠與標簽相連。在連接標簽之前,應進行標準的短路-開路-負載-穿透(SOLT)校準。

3.2 測量結果

本文采用雙端口差分探頭方法對標簽阻抗進行了測量。圖8(a)和圖8(b)分別是手工縫制的標簽和自動繡出的標簽的測量結果以及模擬結果。表2總結了在910 MHz的條件下的測量阻抗以及模擬阻抗。除了頻率出現周期性變化以外,測量結果與模擬結果基本吻合,該變化是由探頭校準誤差引起的。由于在VNA端口進行了校準,并非探頭頂部,因此從VNA端口到探頭頂部的不確定性會一直存在,并會對阻抗測量結果產生影響。

圖8 標簽的阻抗測量結果

模擬結果實驗結果手工縫制42+j136Ω42+j138Ω自動縫制42+j136Ω35+j134Ω

對于自動繡出的標簽而言,由于制作缺陷,測量電阻低于模擬電阻。電阻同樣也取決于刺繡區域的有效導電率。對于自動繡出的標簽而言,如果導電線被緊緊地綁在刺繡區域內的基片上,其有效導電率會下降,從而導致總厚度降低。

4 結論

本文提出了一種在織物基片上的UHF RFID標簽彎折天線。標簽圖案是由導電線彎折的4個字母組成。由于具有文本彎折的幾何結構以及鋸齒形穿線結構,天線尺寸較小,即:65 mm×24 mm×0.46 mm,與普通名字標簽的尺寸相似。因此,本文提出的標簽能夠輕易地別在衣物上,適用于人體跟蹤以及監測。利用電腦縫紉機自動刺繡,減少了制作標簽所耗費的時間以及精力,并降低了制作誤差。本文采用雙端口差分探頭方法對樣機阻抗進行了測量。測量結果與模擬結果基本吻合,證明了提出RFID標簽設計和測量方法的可行性和有效性。

[1] 段艷敏,廖成,夏小勇. 新型彎折偶極子RFID天線的小型化分析與設計[J]. 微波學報,2010,26(5):64-67.

[2] 董健,余夏蘋,任華斌,等. 一種UHF頻段彎折偶極子RFID天線的設計[J]. 電子元件與材料,2016(2):47-51.

[3] 唐濤,廖成,杜國宏. 小型化UHF彎折偶極子抗金屬RFID標簽天線的設計[J]. 微波學報,2012,28(4):35-38.

[4] 耿朋,楊曙輝,陳迎潮. 基于超材料結構實現5.8 GHz RFID天線小型化設計[J]. 電子器件,2015,38(5):1003-1007.

[5] Svanda M,Polivka M. Matching Technique for an on-Body Low-Profile Coupled-Patches UHF RFID Tag and for Sensor Antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(5):2295-2301.

[6] Moradi E,Bjorninen T,Ukkonen L,et al. Effects of Sewing Pattern on the Performance of Embroidered Dipole-Type RFID Tag Antennas[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,11(5):1482-1485.

[7] 李惠芝,莊勤亮,徐原. 織物結構參數對聚吡咯導電織物導電性的影響[J]. 東華大學學報(自然科學版),2015,41(1):37-42.

[8] 肖淵,蔣龍,陳蘭,等. 織物表面導電線路成形方法的研究進展[J]. 紡織導報,2015(8):92-95.

[9] Kuo S K,Chen S L,Lin C T. An Accurate Method for Impedance Measurement of RFID Tag Antenna[J]. Progress in Electromagnetics Research,2008,12(83):93-106.

[10] Tran H H,Ta S X,Park I. A Compact Circularly Polarized Crossed-Dipole Antenna for an RFID Tag[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14:674-677.

[11] Jankowskimihuowicz P,Pitera G,W?glarski M. The Impedance Measurements Problem in Antennas for RFID Technique[J]. Metrology and Measurement Systems,2014,21(3):509-520.

[12] 胥磊. 基于復自然諧振的無芯RFID標簽的設計[J]. 電子器件,2015,38(6):1321-1326.

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

項目來源:廣西高校中青年教師基礎能力提升項目(KY2016LX492)

2016-08-30修改日期2016-10-21

TN832

A

1005-9490(2017)05-1083-05

盧善勇(1977-),男,壯族,廣西龍州,廣西職業技術學院,本科,講師,主要研究領域為移動通信技術、通信電源技術,lushanyong530226@sina.com;

陸翔(1973-),男,壯族,廣西扶綏,廣西大學,博士,高級實驗師,碩士生導師,主要研究領域為信息處理;

鄧云(1983-),男,漢族,廣西全州,廣西職業技術學院,碩士,講師,主要研究領域為控制工程。