抗金屬影響超高頻射頻識別柔性天線設計

朱傳俊 ,孫 煒, ,李長生

(1.南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇 南京 210094;2.上海航天設備制造總廠有限公司,上海 200245)

射頻識別(RFID)技術是一種非接觸式自動識別技術,利用無線電信號實現(xiàn)空間分離設備之間的通信和識別。在物理層面上,RFID 系統(tǒng)主要由發(fā)射器、接收器和上位機組成。接收器附在被識別的物體上,在有效識別距離內,發(fā)射器可以在不接觸物體的情況下,對接收器進行讀取和寫入操作,從而達到識別物體、處理物體信息或發(fā)送信息的目的[1-2]。RFID 技術目前已在數(shù)據集成和管理等領域得到廣泛應用。低頻RFID系統(tǒng)主要應用于畜牧業(yè)管理、門禁和安全管理、自動加油系統(tǒng)等信息傳遞距離較近的場合;高頻RFID 系統(tǒng)主要應用于圖書管理、大型會議人員通道、智能貨架管理等需要一定識別距離的場合;超高頻(Ultra-High Frequency,UHF) RFID 系統(tǒng)主要應用于生產供應鏈管理、航空包裹管理、港口集裝箱管理等要求數(shù)據傳輸效率較高、識別距離較遠的場合;微波RFID系統(tǒng)主要應用于物品追蹤、工業(yè)自動化生產管理等要求數(shù)據快速、定向、遠距離傳輸?shù)膱龊蟍3-5]。

超高頻RFID 系統(tǒng)工作在860～960 MHz 頻段,空氣環(huán)境下傳輸距離可達1 m 以上,但對環(huán)境十分敏感,尤其是在金屬條件下,金屬對收發(fā)天線自身性能以及對電磁波反射的影響使傳輸距離下降明顯,限制了超高頻RFID 系統(tǒng)在各個領域的應用[6-9]?，F(xiàn)有研究成果主要從兩個方向解決這個問題:(1)從金屬的存在對收發(fā)天線自身性能的影響角度出發(fā),Ukkonen 等[10]指出接收器性能受金屬板影響的結果與金屬板本身尺寸有關,郭宗鑫等[11]指出金屬中的渦流會影響天線能夠捕獲到的能量,使接收天線讀取距離下降,李柏楊等[12]指出金屬磁導率大小是影響天線增益的重要因素;(2)從收發(fā)天線自身結構優(yōu)化及材料的角度出發(fā),Venneri 等[13]采用吸波材料減少金屬平面對電磁波的反射,Huang 等[14]制作出石墨烯天線,在960 MHz 回波損耗最低可達-11.6 dB,景裕文等[15]設計了一種對工作頻率變化不敏感的可彎曲天線。但上述研究主要是分析金屬板對天線性能的影響,收發(fā)天線位于類似金屬管內時如何提高超高頻RFID 系統(tǒng)傳輸距離的研究相對較少。

針對此問題,本文設計了一款以聚酰亞胺為承印基材的對稱彎折偶極子微帶天線,分析了天線各結構尺寸對天線回波損耗、駐波比、增益等的影響,仿真出單一參數(shù)的取值范圍,進行多參數(shù)聯(lián)合仿真優(yōu)化后得到最優(yōu)傳輸效果下的天線設計參數(shù)。實物測試及信息傳輸實驗結果表明,中心頻率為915 MHz 的天線在直徑125 mm 金屬管內有效傳輸距離最大為110 mm。

1 金屬管內天線仿真模型

為保證RFID 系統(tǒng)有效地工作,一般要求天線增益大于3 dB,回波損耗小于-10 dB,駐波比小于2。本文研究的超高頻RFID 系統(tǒng)工作在902～928 MHz 頻段,該系統(tǒng)收發(fā)端天線對稱放置于直徑125 mm 金屬管內,天線的饋電中心與金屬管中心軸線重合,收發(fā)端電路模塊根據需要位于金屬管內或管外。

天線種類多樣,微帶天線因具有質量輕、體積小、成本低等優(yōu)點在航天和軍工領域有著廣泛的應用,但在金屬管內傳輸性能下降明顯;對稱偶極子天線是超高頻RFID 系統(tǒng)中最常采用的天線類型,但在天線臂長與輸入信號波長的比值大于0.625 時輻射減弱、增益下降,一般通過把直線型振子臂改為曲線振子臂的方式增強輻射及改善天線增益。本文結合兩種天線的優(yōu)點設計了一款對稱彎折偶極子微帶天線,考慮到具體應用場合與調研結果,選擇聚酰亞胺薄膜作為天線的承印基材,此材料制成的天線厚度不超過0.1 mm,允許一定程度的彎折,具有一定的柔性,不會輕易損壞。根據華南理工大學賴曉錚等的研究,天線諧振特性會隨偶極子天線彎折次數(shù)的不同發(fā)生改變,在超高頻頻段內天線彎折一次時諧振特性最佳[16],同時為了便于天線的阻抗匹配,加工實物時在兩個彎折臂之間添加短截線作為連接,其初始幾何結構圖如圖1(a)所示。通過改變天線的臂長、臂寬等參數(shù)使天線最佳諧振頻率為915 MHz,依據表1 天線各參數(shù)初始尺寸建立對稱彎折偶極子微帶天線仿真模型,如圖1(b)所示。

圖1 對稱彎折偶極子微帶天線。(a) 結構圖;(b) 仿真模型Fig.1 Symmetrically bending dipole microstrip antenna.(a) Structure diagram;(b) Simulation model

2 天線參數(shù)優(yōu)化仿真設計

取對稱彎折偶極子微帶天線振子的主臂垂直寬度H1作為變量,其他尺寸與表1 相同,分析H1對天線回波損耗和駐波比的影響,仿真結果分別如圖2(a)和(b)所示。隨著H1的增大,天線的諧振頻點不斷減小,諧振頻點處回波損耗與駐波比逐漸增大。結合圖2(c)和(d)所示對H1為30 mm 附近數(shù)值進一步的仿真分析結果,H1應在30～32 mm 內取值。

圖2 H1對天線性能的影響。(a) 回波損耗;(b) 駐波比;(c) 回波損耗(細化);(d) 駐波比(細化)Fig.2 Effects of H1 on antennas.(a) Return loss;(b) Standing wave ration;(c) Return loss (enlarged);(d) Standing wave ration (enlarged)

取短截線垂直寬度H2為變量,其他尺寸與表1 相同,分析H2對天線回波損耗和駐波比的影響,仿真結果如圖3 所示。隨著H2的增大,天線的諧振頻點不斷增大,但增長幅度較小,都在902～928 MHz 頻段內,對應天線諧振頻點的回波損耗和駐波比逐漸增大。分析圖中數(shù)據可知,915 MHz 諧振頻率下天線的回波損耗和駐波比先減小后增大,H2取值應為6～8 mm。

圖3 H2對天線性能的影響。(a) 回波損耗;(b) 駐波比Fig.3 Effects of H2 on antennas.(a) Return loss;(b) Standing wave ration

表1 天線初始尺寸參數(shù)表Tab.1 Initial values of antenna

將天線長度L3作為變量,其他尺寸與表1 相同,分析L3對天線回波損耗和駐波比的影響,仿真結果分別如圖4(a)和(b)所示。當L3過長或者過短時,在諧振頻點天線的回波損耗變大,匹配下降,反射功率增大,且此時天線的駐波比在諧振頻點都大于2.5,阻抗不匹配。結合圖4(c)和(d)細化仿真分析結果,L3取值應為70～80 mm。

上述仿真結果顯示各結構尺寸過大或過小時天線的回波損耗與駐波比都處于合理設計范圍外,性能匹配下降。結合圖2～圖4 仿真結果給出的主臂垂直寬度、短截線垂直寬度和天線長度的取值范圍進行多參數(shù)聯(lián)合仿真,優(yōu)化表1 中各項變量數(shù)值,所設計的對稱彎折偶極子微帶天線最終尺寸如表2 所示。

表2 優(yōu)化后天線設計尺寸Tab.2 Optimized values of antenna

圖4 L3對天線性能的影響。(a) 回波損耗;(b) 駐波比;(c) 回波損耗(細化);(d) 駐波比(細化)Fig.4 Effects of L3 on antennas.(a) Return loss;(b) Standing wave ration;(c) Return loss (enlarged);(d) Standing wave ration (enlarged)

優(yōu)化后天線各項性能參數(shù)如圖5 所示,在金屬管內最大增益為3.36 dB,天線的回波損耗最小低于-25 dB。駐波比小于2 的頻段為904～935 MHz,回波損耗小于-10 dB的頻段為904～935 MHz,天線的中心頻率為915 MHz,根據仿真的史密斯圓圖,天線阻抗匹配參數(shù)為(56.10-7.28j) Ω。仿真分析結果顯示該參數(shù)下天線各項性能都滿足本文對金屬管內天線的設計要求。

圖5 優(yōu)化后天線性能仿真結果。(a) 增益;(b) 回波損耗與駐波比;(c) 阻抗匹配Fig.5 Simulation performances of optimization antenna.(a) Gain;(b) Return loss and standing wave ration;(c) Impedance matching

3 實驗測試

3.1 金屬管內超高頻RFID 系統(tǒng)設計

為驗證所設計的對稱彎折偶極子微帶天線在金屬管內傳輸性能是否符合設計要求,設計了一套金屬管內超高頻RFID 傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)方案原理圖如圖6所示。

圖6 金屬管內超高頻RFID 傳輸系統(tǒng)方案設計Fig.6 Design of UHF RFID transmission system in the metal tube

該系統(tǒng)由信息發(fā)送模塊、發(fā)射天線、接收天線與信息接收模塊組成。對天線性能進行測試時,上位機輸入待測試裝定信息,通過射頻裝定模塊傳遞給發(fā)射天線,發(fā)射天線將裝定信息發(fā)送出去;信息接收模塊通過天線接收到信息發(fā)送模塊發(fā)送的裝定信息,經信息接收電路讀取裝定信息,通過與發(fā)送的信息進行對比以驗證信息傳輸是否正確。

信息發(fā)送模塊核心是射頻裝定模塊,工作環(huán)境為直徑125 mm 的金屬管,由于空間尺寸的限制,選用的是JT-2850超高頻RFID 讀寫模塊;射頻接收模塊選用的是EM4325 半無源射頻芯片,射頻載波頻率為860～960 MHz,有無源模式與電池輔助供電模式兩種工作狀態(tài),接收裝定信息時工作在無源模式,提取裝定信息時工作在電池輔助供電模式,通過SPI 串口進行通信。

3.2 天線性能測試

根據表2 中對稱彎折偶極子微帶天線設計尺寸,制作了圖7(a)所示聚酰亞胺柔性天線。將天線置于金屬管內,用E5062A 矢量網絡分析儀對設計的實物天線性能進行測試,測量天線的回波損耗、駐波比和輸入阻抗等參數(shù),結果分別如圖7(b)～(d)所示,在915 MHz 諧振頻率時,天線的回波損耗為-17.58 dB,駐波比為1.38,阻抗匹配為(58.14+13.53j) Ω,金屬管內天線性能符合設計要求。

圖7 聚酰亞胺柔性天線性能測試結果。(a) 實物圖;(b) 回波損耗;(c) 駐波比;(d) 阻抗匹配Fig.7 Test performances of polyimide flexible antenna.(a) Physical picture;(b) Return loss;(c) Standing wave ration;(d) Impedance matching

將設計的對稱彎折偶極子微帶天線置于微波暗室中,測量該天線在設計頻率點的增益,如圖8 所示,微波暗室的四周和頂面都鋪設有吸波材料,以盡可能地吸收天線的反射波。測試過程中,將直徑為125 mm的金屬管放置在接收天線位置,接收天線通過SMA 接口與測試裝置相連并放置在金屬管內,將標準喇叭天線置于發(fā)射端作為發(fā)射天線,其掃頻范圍為890～935 MHz。接收端緩慢旋轉180°接收發(fā)射端天線發(fā)出的電磁波信號。

圖8 天線增益測試Fig.8 The antenna gain test

發(fā)射端所使用的喇叭天線為西安恒達公司的標準喇叭天線。標準天線的增益G0為10.9 dB,假設樣品天線的增益為G,標準天線最大電平為V0,樣品天線最大電平為V,則天線的增益為:

代入915 MHz 時天線的測試數(shù)據,標準天線最大電平V0為51.36 dB,樣品天線最大電平V為37.19 dB,則測試天線的增益為:

計算得出的增益與仿真所得增益3.36 dB 誤差很小,僅為2.7%。實驗測試結果與仿真分析基本一致,證明了該天線模型的正確性。

3.3 信息傳輸測試

根據圖6 設計的金屬管內超高頻RFID 傳輸系統(tǒng)制作出原理樣機進行信息傳輸實驗,實驗裝置如圖9(a)所示。將所設計的收發(fā)天線貼在不同寬度的圓柱標定塊上,通過SMA 接口與信息發(fā)送模塊的一端相連,并置于直徑125 mm 的金屬管內,信息發(fā)送模塊的另一端與上位機相連,用直流電源進行供電。系統(tǒng)上電后,通過串口助手發(fā)送數(shù)據,如圖9(b)所示,上位機發(fā)送的數(shù)據是“12 34”,反饋數(shù)據的倒數(shù)第二位為“00” 表明向接收天線中寫入數(shù)據成功,多次重復測試結果顯示數(shù)據寫入均正確。在IAR 仿真平臺中讀取信息,如圖9(c)所示,接收到的信息為“12 34”,讀取到的數(shù)據與寫入的數(shù)據一致。實驗中測得收發(fā)天線最大有效工作距離是110 mm。

圖9 信息傳輸實驗。(a) 實驗裝置;(b) 寫入數(shù)據;(c) 讀取數(shù)據Fig.9 Information transmission experiment.(a) Experimental devices;(b) Write data;(c)Read data

綜上所述,本文設計的以聚酰亞胺為基底的對稱彎折偶極子微帶天線的增益、回波損耗與駐波比都滿足設計要求,收發(fā)天線間通信正常。進行天線信息傳輸實驗時發(fā)現(xiàn)該天線允許一定錯位,即收發(fā)天線不保持嚴格的對稱狀態(tài)不影響傳輸性能,同時將天線置于金屬管內不同位置時不影響信息傳輸實驗結果,這個優(yōu)點為聚酰亞胺柔性天線的應用帶來了便利。

4 結論

本文設計了一款新型柔性天線,在偶極子天線基礎上引入微帶天線結構,天線尺寸為78 mm×31.5 mm,采用聚酰亞胺為基底,厚度不到0.1 mm。對天線實物的性能測試表明該天線符合設計要求,且允許一定的錯位,在金屬管內位置不影響信息傳輸性能,故未來可將此柔性天線應用于武器裝備中,如坦克膛內信息裝定,引信位于彈尾,將該天線貼在引信表面,通過裝定器完成彈藥與武器平臺間的信息交聯(lián),實現(xiàn)引信起爆方式選擇、彈道修正和彈藥初始信息加載,解決坦克炮彈首發(fā)命中難題。