用于老年人臨床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的超高頻射頻識別天線

程鉍峪

安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程系，安徽合肥,230031

中國已經(jīng)逐漸進(jìn)入老齡化社會，據(jù)有關(guān)部門預(yù)測，到2035年,老年人口將達(dá)到4億人[1]。伴隨人口老齡化，長期臥床病人將會增加，易出現(xiàn)大小便失禁的情況。醫(yī)護(hù)人員不足，難以保證實時護(hù)理,將給病患帶來極大的不適感，也容易導(dǎo)致濕疹和局部感染。針對此問題展開相應(yīng)研究既能減輕醫(yī)護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)，也能應(yīng)對人口老齡化帶來的實際問題，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展[2]。

射頻識別(RFID)技術(shù)是使用最廣泛的一項信息傳遞技術(shù)[3]，因其安全可靠、成本低，被廣泛用于物流管理[4]、交通信息化管理[5]、藥品食品防偽鑒別[6]以及醫(yī)療監(jiān)控應(yīng)用[7]等方面。在一個典型的無源RFID系統(tǒng)中，每個物體都會貼上一個標(biāo)簽(tag)，這個標(biāo)簽即為射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)答器,由標(biāo)簽天線和芯片構(gòu)成；當(dāng)另一側(cè)的讀寫器(writer/reader)發(fā)射信號時，處于交變電磁場中的標(biāo)簽相應(yīng)地產(chǎn)生能量從而驅(qū)動標(biāo)簽芯片，實現(xiàn)通信。常用的RFID通信頻段有：125 KHz、13.56 MHz、433.92 MHz、超高頻(UHF)920 MHz、2.45 GHz等。其中UHF射頻識別系統(tǒng)因其具有較遠(yuǎn)的讀寫距離，較高的數(shù)據(jù)傳輸速度以及較好的應(yīng)對環(huán)境干擾的能力越來越受到關(guān)注[8-10]。

普通天線為了與傳輸線匹配通常都設(shè)計成50 Ω的輸入阻抗，標(biāo)簽天線則需要根據(jù)具體的芯片來設(shè)計，以達(dá)到最優(yōu)的輻射性能[11-13]。在標(biāo)簽天線設(shè)計中，往往需要利用彎折技術(shù)實現(xiàn)天線體積縮減[14]，通過調(diào)節(jié)天線枝節(jié)的長度和寬度來實現(xiàn)阻抗調(diào)節(jié)[15-16]。

本文設(shè)計了一種用于老年人臨床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的UHF RFID天線。該標(biāo)簽天線利用老年人臨床使用的尿不濕作為基板。尿不濕在干燥與大小便混合物附著時其相對介電常數(shù)將發(fā)生變化，進(jìn)而會影響天線匹配。標(biāo)簽天線在尿不濕干燥時可正常與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；一旦出現(xiàn)老年人大小便失禁，天線將失配，無法與讀寫器進(jìn)行通信，此時服務(wù)器檢測出通信中斷，則可通知醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

1 天線設(shè)計

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，中間為矩形環(huán)單元，芯片位于矩形環(huán)底部中心預(yù)留的饋電端口中，左右兩側(cè)由對稱的彎折單元構(gòu)成，標(biāo)簽天線各部分貼片寬度均為1 mm，標(biāo)簽天線各部分具體尺寸(表1)。

表1 圖1中天線各部分尺寸單位：mm

LL1L2L3L4L5L6L742125.522363WW1W2W3W414841113

注：L為長度，W為寬度。

天線仿真采用Ansoft公司的HFSS ver.15軟件。天線基板采用的是可供老年人使用的尿不濕。尿不濕在正常干燥的情況下相對介電常數(shù)為1.3，電導(dǎo)率為0.04 S/m；而在大小便附著時的相對介電常數(shù)為80，電導(dǎo)率為1.54 S/m。人體模型采用國際上常用的三層結(jié)構(gòu)[17]，上層為皮膚層(與尿不濕接觸)，中層為脂肪層，底層為肌肉層(圖2)。其中工作在915 MHz時皮膚的相對介電常數(shù)為41.3，電損耗正切為0.41，導(dǎo)電率為0.87 S/m；脂肪的相對介電常數(shù)為5.45，電損耗正切為0.18，導(dǎo)電率為0.05 S/m；肌肉的相對介電常數(shù)為55，電損耗正切為0.34，導(dǎo)電率為0.95 S/m。該標(biāo)簽天線采用Impinj公司的Monza 4芯片，芯片阻抗Zc=11-j143歐姆。

圖2 天線仿真模型

由于標(biāo)簽芯片的阻抗為容性，為了與其實現(xiàn)共軛匹配，達(dá)到能量最優(yōu)傳輸?shù)男Ч?設(shè)計中采用了呈電感性的環(huán)形單元結(jié)構(gòu)與彎折枝節(jié)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方式，并利用仿真對環(huán)形單元與彎折枝節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。環(huán)形單元長度L1對標(biāo)簽天線性能的影響如圖3所示：其中圖3(a)表明，隨著環(huán)形單元長度L1增長，天線的諧振點將往低頻段移動；圖3(b)及圖3(c)分別分析了環(huán)形單元長度L1與天線輸入阻抗的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著L1的增長，天線輸入阻抗的實部與虛部阻抗值也隨之增加。

圖3 L1對標(biāo)簽天線各參數(shù)的影響

分析環(huán)形單元寬度W1對標(biāo)簽天線性能的影響(圖4)：其中圖4(a)表明，隨著環(huán)形單元寬度W1增長，天線的諧振點將往低頻段移動；圖4(b)及圖4(c)分別分析了環(huán)形單元寬度W1與天線輸入阻抗的關(guān)系。分析表明，隨著W1的增長，天線的輸入阻抗的實部與虛部阻抗值也隨之增加。分析折疊單元的寬邊長度W4對天線各方面性能指標(biāo)的影響，如圖5所示。從圖5(a)中可以看到，寬邊長度W4增加，將會改善天線在915 MHz諧振點處的匹配，但增加過長，天線諧振點將往低頻段移動；圖5(b)與圖5(c)表明，天線的輸入阻抗的實部與虛部阻抗值也隨折疊單元的寬邊長度W4的增加而增加。

圖4 W1對標(biāo)簽天線各參數(shù)的影響

圖5 W4對標(biāo)簽天線各參數(shù)的影響

2 結(jié)果與討論

該天線在穿戴條件下的回波損耗曲線如圖6所示。當(dāng)標(biāo)簽天線在干燥尿不濕上時能達(dá)到較好的匹配效果，其阻抗帶寬可以覆蓋我國當(dāng)前UHF RFID使用主流頻段902～928 MHz。當(dāng)老年人大小便失禁的時候，由于尿不濕的相對介電常數(shù)發(fā)生了變化，因此天線處于失配狀態(tài)。標(biāo)簽天線的輸入阻抗曲線如圖7所示，可以看出，當(dāng)尿不濕干燥時，該天線輸入阻抗可以很好地與芯片共軛匹配。

圖6 標(biāo)簽天線在匹配與失配時S11 圖7 標(biāo)簽天線輸入阻抗曲線

該天線在915 MHz頻點處xz面及yz面輻射方向如圖8。由于天線采用了彎折結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，從圖8中可以看出，該天線在天線整體尺寸減小的同時，具有偶極子天線良好的輻射方向特性。天線在-z方向，表示向床底方向上的最大增益為-3.46 dBi。該天線失配時的輻射方向如圖9，天線在-z方向的最大增益衰減為為-22 dBi。

圖8 匹配時輻射方向圖 圖9 失配時輻射方向圖

圖10為該標(biāo)簽天線應(yīng)用于老年人臨床監(jiān)護(hù)時的工作示意圖。標(biāo)簽貼附于老年人穿戴的尿不濕上，讀寫器放置于床底。參照中國病床平均高度，標(biāo)簽與讀寫器距離設(shè)置為0.5 m。通過傳輸系數(shù)公式(公式1)及弗里斯傳輸公式(公式2)可以得出匹配與失配條件下系統(tǒng)工作情況[13]。

圖10 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)簡易示意圖

(1)

(2)

公式(1)中的Rc與Ra分別為所使用的Monza 4芯片阻抗的實部與該標(biāo)簽天線輸入阻抗的實部值，Zc與Za分別為芯片阻抗值與標(biāo)簽天線的輸入阻抗值。匹配時芯片與標(biāo)簽天線輸入阻抗值接近共軛，因此傳輸系數(shù)接近于1。公式(2)為弗里斯傳輸公式，其中Pt為讀寫器天線的發(fā)射功率，Pr為芯片的最小接收靈敏度，Gt與Gr分別為讀寫器天線、標(biāo)簽天線的增益。

在本文中，讀寫器采用UHF超高頻中距離讀寫一體機(jī)Ljyzn-101，輸出功率達(dá)至30 dBm(可調(diào))，8 dBi天線配置；標(biāo)簽天線的接收靈敏度為-17.4 dBm。915 MHz時，在匹配條件下，RFID標(biāo)簽天線最大增益取值為-3.46 dBi，讀寫器只需輸出功率0.002 2 W，即可滿足0.5 m的通信需求。失配時，RFID標(biāo)簽天線最大增益取值為-22 dBi，標(biāo)簽輸入阻抗為92-j3Ω。根據(jù)上述公式計算，即使讀寫器輸出最大功率，通信距離仍小于0.43 m，故無法實現(xiàn)通信，從而可以實現(xiàn)判別。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于老年人臨床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的RFID標(biāo)簽天線。該天線以尿不濕為基板，由環(huán)形單元以及兩側(cè)彎折單元構(gòu)成，可以很好地覆蓋902～928 MHz UHF RFID頻段。通過利用尿不濕在干燥與有大小便混合物附著情況下,介電常數(shù)會發(fā)生相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致天線阻抗匹配發(fā)生變化的原理，天線可以很好地與市面售賣的讀寫器構(gòu)成監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。