RFID

RFID专题:26 标签天线设计过程、案例

2022-03-20 15:50:31 明申科技 7

4.4.3 标签天线设计过程

在介绍完标签天线设计要点之后,接下来要讨论的是标签天线的设计过程。超高频RFID标签天线的性能主要取决于随频率变化而变化的标签芯片复数阻抗。在天线设计过程中,为了满足设计要求,必须密切关注标签的识别范围。由于天线大小和工作频率限制了天线的最大可达增益和带宽,所以必须对标签性能进行优化,以便满足设计要求。通常,不同材料不同的工作频段上,可调谐的天线设计更倾向于为标签制造的误差和标签性能的优化提供容差。

标签天线设计过程与阅读器天线设计过程类似,但又有所区别,主要包括以下几个基本步骤,如图4-67所示。


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图4-67超高频RFID标签天线设计的一般过程

确定超高频RFID标签的应用环境,一旦确定应用类别,对标签的要求就可以确定,再根据要求准备设计数据,为设计做好准备工作;

由于天线是标签的核心组成部分,对标签的设计要求可以进一步转变为对标签天线的设计要求,而标签天线设计要求主要有频段、尺寸和形状、阻抗带宽、辐射特性、识别范围、应用时的可移动性、成本和可靠性等;

确定天线的材料,即根据标签天线设计要求确定天线的构建材料,Inlay天线的材料选取主要是指辐射导体和绝缘基底材料的选择。目前,多数inlay使用PET作为绝缘基底材料,使用铝作为辐射导体;

确定标签天线的负载阻抗。传统无线通信系统中的天线输入阻抗大多采用50欧姆或75欧姆特性阻抗,而超高频RFID标签天线输入阻抗则需根据所选用的专用芯片阻抗来确定。通常情况下,标签天线输入阻抗为类似20+j200Ω的复数形式(如标签芯片阻抗为20-j200Ω);

确定天线类型及其参数指标。目前,标签天线通常采用微带天线(含缝隙天线),偶极子天线,以及变形的微带和偶极子天线等类型。微带天线由于具有很多优点而成为阅读器天线和抗金属标签的首选天线类型,而普通Inlay多采用偶极子天线类型。天线的参数指标主要针对具体应用来确定,一旦应用确定后,标签天线的工作频段、阻抗带宽、增益、辐射模式等特性就基本确定;

通过对标签天线建模,并对标签天线参数进行多次仿真研究和优化,直到设计结果满足设计要求。目前,标签天线建模和仿真计算及优化的工具较多,比较具有典型性的建模和仿真软件有HFSS,FEKO,CST,ADS和IE3D等,而具有代表性的电磁计算方法有矩量法(MOM)、有限元法(FEM)和有限差分时域法(FDTD)等;

建模和仿真是标签天线设计的重要环节,而实验分析和测量则是对前者取得结果的验证,并且通过实验也可以帮助分析和优化天线设计;

将仿真和实验得出的结果与具体应用的设计要求进行比较,就可以得出设计评价。设计评价的积累至关重要,有经验的天线设计工程师都是在每一次的设计评价积累中练就出来的。

4.4.4 标签天线设计案例

在学习了标签天线设计基础、设计要点和设计过程之后,需要动动手找一个简单的设计案例来练习一下。

要求根据一款特定芯片,设计其在915MHz下的工作标签天线,已知该芯片输入阻抗在频率915MHz 。那么就需要设计标签天线在频率为915MHz处阻抗与之共轭匹配。设计及仿真如下:

图4-68为标签设计的模型图,具体设计步骤可参照4.1.1中的介绍。笔者使用的仿真工具是Ansoft的天线仿真软件HFSS。


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图4-68标签天线仿真模型

如图6-69标签天线仿真方向图所示,天线方向图具有全向性特性,辐射增益为2dBi左右。


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图4-69标签天线仿真方向图

图6-70标签天线仿真阻抗中,横坐标为频率值,纵坐标为阻抗值;其中m2为天线阻抗虚部,m1为天线阻抗实部。有图中的标准点可得,在频率为915MHz处天线阻抗为,在此频点上满足与芯片阻抗的共轭要求。根据传输线理论,此时芯片可获得最大工作能量。


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图4-70标签天线仿真阻抗(915MHz阻抗为15.0+j139Ω)

由图6-70标签天线仿真阻抗图可得,天线随频率具有特定的分布特性,其中最明显的特征为阻抗实部随频率升高有一个明显的上升和起伏,而阻抗虚部随频率升高则有一个急剧的下降,即处在一个谐振状态的边缘。每一种、每一个天线都有它特定的阻抗随频率的分布特性。

因此如能仿真计算和测试芯片整个频带内的阻抗分布特性,使后端天线的设计能够根据芯片的阻抗频率特性来实现与之在宽频带内的共轭匹配,可以实现在较宽的频带内,标签读取距离达到最远,射频的性能达到最佳。

简单的仿真设计案例讲完了,如果觉得不过瘾,或对仿真软件及天线设计很感兴趣,可以看一下笔者的另外一本关于天线设计的书《UHF RFID天线设计仿真与实践》,书中有大量篇幅教大家如何设计、仿真/制作和测试各类标签。

4.4.5 常见标签天线详解

本小结主要介绍4款超高频RFID标签及其天线设计原理,市场上大多数普通材质标签设计思路和结构外形都与这4款天线相似。在今后的天线设计过程中,可以按照这4款天线为蓝本,设计自己的天线。

1.Alien的ALN-9640(Squiggle)

由于经典,所以ALN-9640第一个被拿出来详解,这款天线也是许多天线设计工程初学时的范例。ALN-9640原名Squiggle,如图4-71所示,尺寸94.8mm×8.1mm,使用芯片Higgs-3。


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图4-71ALN-9640标签天线图

这款标签的几个设计被后世的天线设计者普遍学习和使用:

两端加宽结构:增加辐射能力,或理解为增加其辐射电阻。

波形短线结构:减少多标签堆叠干扰影响,电磁波可以透过波形短线把一些能量传递到后面的标签;增加辐射尺寸(电长度),一般偶极子天线的长度为半个波长,约为17cm,通过波形短线即可使原长度9.48cm的标签达到17cm标签的电长度,从而获得较好的方向增益。

非对称结构:如果大家仔细观察可以发现,该标签是非对称的,非对称结构带来阻抗在不同频率变化平缓,从而增加标签的带宽。

此类天线的标签最适合应用于箱标,且支持批量箱子堆叠通过识别。

2.Alien的ALN-9654(G-Tag)

ALN-9654又名G-Tag,如图4-72所示尺寸93mmx 19mm,是一种适合贴在各种不同的介电常数物体上的标签,常用于玻璃风挡标签。这种标签设计同样颠覆了传统标签的设计思路。


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图4-72 ALN-9654标签天线图

这款天线设计的特点如下:

金属覆盖面积大:雷达截面大,反向散射能量强,阅读器接收标签反射的能量很强,即使在很复杂的环境中依然可以使用。

缝隙耦合方式:相当于弱耦合连接方式,外界介电常数影响小,环境适应能力强。

非对称结构:如果大家仔细观察可以发现,该标签是非对称的,非对称结构带来阻抗在不同频率变化平缓,从而可以增加标签的带宽。

综合以上的特点,该类型的标签有致命的缺点,就是标签覆盖面积太大,对后面的标签电磁场阻挡的非常严重,在批量标签应用中劣势比较明显。但是针对单个标签应用于复杂介质的标签,是最好的选择。

3.Alien的ALN-9613(SIT)

ALN-9613又名SIT,如图4-73所示,尺寸12mm×9mm,是一款近场天线设计。只要见到一个闭合的小环标签,就理解为近场标签。


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图4-73ALN-9613标签天线图

该标签的特点是尺寸小,只能近距离工作。配合近场阅读器天线效果更佳,保证读卡距离在近场、远场突变明显。此类型天线的标签一般做成白Inlay用于单品级防伪,由于标签尺寸小,相对成本较低,加上防伪时需要近距离一对一操作,相比与传统的远场偶极子标签,在防伪等应用中具有优势。此类型标签通常制作成易碎标签使用。

4.Impinj的H47(True 3D)

Impinj的H47标签是第一款3D标签,如图4-74所示,其尺寸44mm×44mm,是首次实现了真正全向辐射的标签。


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图4-74Impinj的H47标签天线图

其设计要点:在一个正方形或圆形的区域内,设计两个相互垂直的偶极子天线,同时还要完成匹配特性。这里一定要注意的是,要处理好这两个相互垂直的偶极子天线之间的耦合系数。

H47标签采用True 3D 天线技术,可用于服装、零售业、资产管理、物流等行业。对于类似机场行李管理场景,标签在传送带运输时无法确定标签的朝向,采用3D标签在不确定阅读器辐射极化方向的应用中的具有较好的识别效果。

如果你已经完全掌握了本节的内容,恭喜你,你已经成为一名合格的中级超高频RFID天线设计工程师了。如果还希望在超高频RFID标签天线设计上深造和发展,就需要在更多领域研究,包括芯片内部构造、封装工艺影响、反向信号强度天线设计、堆叠模型等。而这些领域一般人很难接触到,只有在芯片原厂或大的标签公司才有机会得到学习和锻炼。


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