CN103022644A - 一种轮胎嵌入式rfid小型化标签弯折天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法，该设计方法包括以下步骤：第一步：确定弯折单元几何尺寸以及标签芯片输入阻抗；第二步：确定水平方向弯折单元个数；第三步：确定垂直方向弯折单元个数；第四步：调整弯折线宽，使天线增益最大；第五步：馈电端增加并调整环路电感，使天线阻抗与芯片阻抗共轭匹配。本设计方法简单、有效，便于设计具有良好阻抗匹配特性、使辐射增益最大的低成本小型化电子标签天线。同时，本设计方法也可用于通信、工业控制、装备制造、智慧农业、食品安全等RFID应用领域。

Description

一种轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法

技术领域

本发明涉及一种RFID天线的设计方法,特别是一种轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法。

背景技术

射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术因其利用电磁波后向散射原理，实现对物体的无接触、非视距识别，并且成本、功耗低，越来越多被关注和应用。例如，汽车轮胎嵌入式RFID电子标签，用以跟踪轮胎行走的公里数、轮胎花纹深度、轮胎磨损情况，监测轮胎胎压和温度以及包括轮胎招回在内的轮胎全生命周期管理等等。但是，为提高轮胎嵌入式RFID系统标签读取可靠性，电子标签嵌入汽车轮胎需要解决这样一对矛盾：一方面，为保证电子标签与轮胎有良好的粘合性以及克服轮胎硫化过程中的高温、高压带来的影响，要求足够小的标签天线；另一方面，轮胎无线电环境差，轮胎橡胶对电磁波的固有介质损耗要求电子标签天线应足够大，以提高电磁辐射能力。

近年来，由于电子器件小型化的需要，电小天线越来越重要。现在，普遍认为电小天线指几何尺寸不超过半径为λ/2π球面的天线，其中λ是自由空间波长；而受工作环境的影响，尽管并不一定满足定电小天线几何尺寸要求，但受成本和物理尺寸限制的天线则是另外一种小型化天线，可称为空间小型化天线。轮胎嵌入式RFID系统应用中，电子标签天线小型化要求指的就是后一种。反映小型化RFID电子标签天线性能主要包括与芯片的阻抗匹配、辐射增益和工作带宽。在RFID应用中，与阻抗匹配、辐射增益重要性相比，工作带宽倒在其次。因此，小型化RFID电子标签天线设计则主要考虑阻抗匹配和辐射增益。如Ranasinghe等提出了一种基于阻抗匹配的小型化RFID电子标签天线的设计方法，但这种方法需要不断调整RC等效电路参数和天线几何尺寸，设计过程比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法，该设计方法简单、有效，设计的小型化标签弯折天线应用于RFID电子标签空间受限的场合，具有良好的阻抗匹配特性，以实现较大辐射增益、降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法，所述的弯折天线为偶极子弯折天线，由两个天线臂组成，每个天线臂由N个弯折单元组成，第i个弯折单元包括a_i-1、b_i、c_i、d_i、e_i和a_i六个弯折点，记a_i-1和b_i的电长度为

则c_i、d_i、e_i和a_i之间的电长度分别表示为

和

第i个弯折单元的电长度表示为

每一个天线臂电长度L_mp为

设轮胎嵌入式RFID小型化对电子标签的空间约束为A×B的矩形，即长为A、宽为B的矩形，RFID电子标签嵌入轮胎位置如图4所示，其设计方法包括以下步骤：

第一步：确定弯折单元几何尺寸，即确定

和

的大小，以及标签芯片输入阻抗；

第二步：确定水平方向弯折单元个数P，

$P=\left[\frac{A}{4L_{c_i}^{b_i}}\right],$ 式中，[·]表示取整；

第三步：确定垂直方向弯折单元个数Q，

$Q=\left[\frac{B-2L_{c_i}^{b_i}}{2L_{c_i}^{b_i}}\right],$ 式中， $B>2L_{c_i}^{b_i};$

第四步：调整弯折线宽，使天线增益最大；

第五步：馈电端增加并调整环路电感，使天线阻抗与芯片阻抗共轭匹配。

上述的轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线设计方法，所述的每个天线臂的N个弯折单元都是对称的，即

每一个天线臂的物理长度L为每一个弯折单元都是以0角度连接或者90度连接或者根据物理空间的要求以任意角度连接。

前述的轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线设计方法，所述的每一个弯折单元都是以90度连接。

有益效果：弯折天线可在很小的物理空间内获得良好的谐振特性，因此，对于RFID电子标签空间受限的场合，标签弯折天线非常有用。本发明从轮胎嵌入式RFID系统应用出发，充分利用弯折天线的周期特性和紧凑特性，提出了一种空间受限的轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法。本设计方法简单、有效，便于设计具有良好阻抗匹配特性、从而具有较大辐射增益的低成本小型化电子标签天线。

同时，本设计方法也可用于通信、工业控制、装备制造、智慧农业、食品安全等RFID应用领域。

附图说明

图1是本发明90度连接的偶极子弯折天线结构示意图；

图2是本发明0角度连接的偶极子弯折天线结构示意图；

图3是本发明的偶极子弯折天线弯折单元结构示意图；

图4是本发明的RFID电子标签嵌入轮胎位置示意图，图中：1-轮胎内圈，2-轮胎外圈，3-轮胎胎侧，4-橡胶；

图5是RFID电子标签芯片等效电路示意图，图中：J-天线端，K-逻辑电路；

图6是RFID电子标签等效电路示意图，图中：L-无损匹配网络。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1。

一、电子标签的Bode-Fano阻抗匹配约束

对于CMOS工艺的RFID电子标签芯片，其等效电路如图5所示。从图5可见，芯片输入阻抗主要取决于二极管的结电容X_j和旁路电容X_s，并可用并联型或者串联型RC等效电路表示。因此，根据RFID后向散射原理，对于一个理想RFID电子标签，其可用图6所示的包括无损匹配网络在内的等效电路表示，其中，R_s是天线辐射电阻，R和C分别是芯片并联型等效电路负载。根据Bode-Fano定理，对于图6所示的RFID电子标签等效电路，阻抗匹配应满足如下约束：

${\∫}_0^{\∞}\ln \frac{1}{\left|\mathrm{\Γ}\right|}\mathrm{d\ω}\≤\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{RC}}---\left(1\right)$

式（1）中，Γ是RC负载的反射系数，R_s是天线辐射感应源电阻。式（1）给出了在整个频带内RC负载和反射系数之间应满足的约束条件。

而事实上，根据ITU和相关国家RFID系统频率分配的规定，RFID系统工作频带受限。因此，为进一步分析RFID系统电子标签天线与芯片匹配之间关系，可假设工作频带Δf内，反射系数为常数|Γ|_Δf，而工作频带外，反射系数为1，即工作频带外，RFID标签完全失配，也可避免对带外电子设备造成电子干扰。因此，由式（1）可得到：

${\left|\mathrm{\Γ}\right|}_{\mathrm{\Δf}}\≥e^{-\frac{1}{2\mathrm{\ΔfRC}}}---\left(2\right)$

式（2）表明，给定RC负载，带宽和功率传递之间可以折衷。也就是说，如果需要满足一定量的功率传递要求，即带内反射系数应该满足某个|Γ|_Δf，则带宽可能不得不减少；而要满足一定的带宽要求，则不得不牺牲一定的功率传递。

根据《800/900MHz频段射频识别(RFID)技术应用规定(试行)》，我国RFID系统使用的频率范围为840MHz～845MHz和920MHz～925MHz，即带宽为5MHz。由式（2），可计算对RFID电子标签发射系数的约束。如假设芯片负载阻抗为R＝1kΩ，C＝1pF，可计算得到最小反射系数为3.7201e-044。而事实上，芯片负载阻抗负载值都比假设值大，计算出来的反射系数都很小。这就意味着，电子标签天线和芯片之间获的良好匹配，不必对RFID系统的带宽分配提出更多、更高的要求。因此，小型化RFID电子标签天线设计则主要考虑阻抗匹配，从而使辐射增益最大。

二、弯折天线设计

（1）弯折天线

弯折天线可在很小的物理空间内获得良好的谐振特性，因此，对于RFID电子标签空间受限的场合，标签弯折天线非常有用。此外，弯折天线的周期特性和紧凑特性，便于设计具有良好阻抗匹配特性，使辐射增益最大的低成本小型化电子标签天线。

偶极子弯折天线如图2所示。偶极子弯折天线由两个天线臂组成，每个天线臂由N个弯折单元组成，第i个弯折单元包括a_i-1、b_i、c_i、d_i、e_i和a_i六个弯折点（如图3所示），如记a_i-1和b_i的电长度为

则剩余c_i、d_i、e_i和a_i弯折点之间的电长度可分别表示为：

和

因此，第i个弯折的电长度可表示为：

所以每一个天线臂电长度为：需要说明的是，尽管没有假设第i个弯折是对称的，但考虑到弯折天线的周期特性和紧凑特性，为简化设计，可使每一个弯折都是对称的，即：则而每一个天线臂的物理长度L为：此外，图2中每一个弯折单元都是0角度连接的，图1是以90度连接的。而事实上，根据物理空间的要求，每一个弯折单元都可以以任意角度连接，同时也可改善天线辐射的全向性。

（2）轮胎嵌入式RFID小型化标签90度连接弯折天线设计方法

设定轮胎嵌入式RFID小型化对电子标签的空间约束为A×B的矩形，即长为A、宽为B的矩形，RFID电子标签嵌入轮胎位置如图4所示，则轮胎嵌入式RFID小型化标签90度连接弯折天线设计步骤如下：

第一步：确定弯折单元几何尺寸，即确定

和

的大小，以及标签芯片输入阻抗。

第二步：确定水平方向弯折单元个数P，

$P=\left[\frac{A}{4L_{c_i}^{b_i}}\right],$ 式中，[·]表示取整。

第三步：确定垂直方向弯折单元个数Q，

$Q=\left[\frac{B-2L_{c_i}^{b_i}}{2L_{c_i}^{b_i}}\right],$ 式中， $B>2L_{c_i}^{b_i}.$

第四步：调整弯折线宽，使天线增益最大。

第五步：馈电端增加并调整环路电感，以使天线阻抗与芯片阻抗共轭匹配。

（3）设计实例

设定轮胎嵌入式RFID小型化对电子标签的空间约束为73×47(mm×mm)的矩形，轮胎橡胶介电常数为4.2，损耗因子为0.1，RFID工作频率为920MHz，芯片输入阻抗为130-j47欧，确定 $L_{b_i}^{a_{i-1}}=L_{c_i}^{b_i}=L_{e_i}^{d_i}=L_{a_i}^{e_i}=5\mathrm{mm},$ $L_{d_i}^{c_i}=2L_{e_i}^{d_i}=10\mathrm{mm},$ 调整弯折线宽为1.58mm，则设计的轮胎嵌入式RFID小型化标签90度连接弯折天线几何结构如图1所示，其对应的天线阻抗为130+j47欧，与电子标签芯片阻抗共轭匹配，使辐射增益最大。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线的设计方法，其特征在于：所述的弯折天线为偶极子弯折天线，由两个天线臂组成，每个天线臂由N个弯折单元组成，第i个弯折单元包括a_i-1、b_i、c_i、d_i、e_i和a_i六个弯折点，记a_i-1和b_i的电长度为

则c_i、d_i、e_i和a_i之间的电长度分别表示为

和

第i个弯折单元的电长度表示为 $L_i=L_{b_i}^{a_{i-1}}+L_{c_i}^{b_i}+L_{d_i}^{c_i}+L_{e_i}^{d_i}+L_{a_i}^{e_i},$ 每一个天线臂电长度L_mp为 $L_{\mathrm{mp}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i;$ 设轮胎嵌入式RFID小型化对电子标签的空间约束为A×B的矩形，即长为A、宽为B的矩形，其设计方法包括以下步骤：

第一步：确定弯折单元几何尺寸，即确定

和

的大小，以及标签芯片输入阻抗；

第二步：确定水平方向弯折单元个数P，

式中，[·]表示取整；

第三步：确定垂直方向弯折单元个数Q，

式中，

第四步：调整弯折线宽，使天线增益最大；

第五步：馈电端增加并调整环路电感，使天线阻抗与芯片阻抗共轭匹配。

2.根据权利要求1所述的轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线设计方法，其特征在于：所述每个天线臂的N个弯折单元都是对称的，即每一个天线臂的物理长度L为

每一个弯折单元都是以0角度连接，或者90度连接，或者根据物理空间的要求以任意角度连接。

3.根据权利要求2所述的轮胎嵌入式RFID小型化标签弯折天线设计方法，其特征在于：所述的每一个弯折单元都是以90度连接。

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