CN109244661B - 一种小型圆极化植入式射频识别天线 - Google Patents

一种小型圆极化植入式射频识别天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种小型圆极化植入式射频识别天线，其包含上层介质基板、下层介质基板、天线辐射单元、馈电端；天线辐射单元配置在上层介质基板与下层介质基板间，天线辐射单元包括：设置在外围的环路及配置于环路内部的T字形匹配条，T字形匹配条的一端部连接环路，另一端部连接所述馈电端，其中，环路沿辐射单元的横向中线对称。在天线辐射单元加载一个对称的环路结构，引入慢波结构，来实现小型化；通过加载不同长度的弯折线，使得基本谐振模式分解为两个幅度相同、相位相差90度的正交模式，形成圆极化；采用变型的T字形结构，使得天线阻抗匹配芯片的低电阻高容抗特性；天线具有小型化、低剖面、抗干扰、生物兼容等特性。

Description

一种小型圆极化植入式射频识别天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体的涉及一种小型圆极化植入式射频识别(RFID)天线。
背景技术
随着射频识别(RFID)技术和无线医疗设备的不断发展，RFID技术不仅仅可以被使用在物流管理、无接触支付等场景中，也在无线医疗领域被人们逐渐开始应用。一个无源RFID植入式标签天线进入接收机的接受范围内便会获得能量，发出自身信息，被外部阅读器读取并解码送至电脑等上位机来进行相关的处理，所以对于植入医疗设备来说，RFID技术大大解决了其内部电池供电问题。
近年来，国内外学者提出了多款植入式射频识别天线。文献[1，Aslam B,Khan UH,Azam MA,Amin Y,Loo J,Tenhunen H,“A compact implantable RFID tag antennadedicated to wireless health care,”Int J RF MicrowComput Aided Eng.2017；00:e21094.http://doi.org/10.1002/mmce.21094]提出了一款工作在2.4GHz ISM频段，大小为10×12×2mm3的无源折叠偶极子植入式射频识别天线，其增益达到-16.3dBi,并且其最大阅读距离达到23cm。文献[2，Y.H.Jung,Y.Qiu,S.Lee et al.,“A compact parylene-coated WLAN flexible antenna for implantable electronics,”IEEE AntennasWireless Propag.Lett.,vol.15,2016]是利用一个圆柱型植入式RFID天线来增加其阅读范围，可达到3m的识别距离，但其天线尺寸较大。文献[3，C.Occhiuzzi,G.Contri,andG.Marrocco,“Design of implanted RFIDtags for passive sensing of human body:The STENTag,”IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.60,no.7,pp.3146–3154,July 2012]提出了一款能够感知血管状态的无源植入式RFID天线。文献[4，R.Lodato,V.Lopresto,R.Pinto,and G.Marrocco,“Numerical and experimentalcharacterization ofthrough-the-body UHF-RFID links for passive tagsimplanted into human limbs,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.10,pp.5298–5306,Oct.2014]展示了一款能够收集矫形假肢健康状况数据的RFID标签，其实测通信距离可以达到35cm。以上植入式标签均为线极化天线，会带来以下几点问题：第一，由于人体运动，植入式天线与体外接收天线保持一定的角度是不切实际的，第二，由于复杂的室内环境，会存在多径散射，第三，标签只能接收到阅读器一半的功率。另外，现有的植入式RFID天线大多数具有线极化特性，且体积较大，不利于人体植入。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明目的是：本发明构造了一种新型小型化且具有圆极化特性的植入式RFID天线。针对无线医疗领域，提出一款新型的具有圆极化特性，且体积很小的圆形植入式射频识别天线。
本发明采用如下的技术方案：
一种圆极化植入式RFID天线，其特征在于，包含上层介质基板、下层介质基板、天线辐射单元、馈电端；
所述天线辐射单元配置在所述上层介质基板与下层介质基板间，
所述天线辐射单元包括：设置在外围的环路及配置于环路内部的T字形匹配条，所述T字形匹配条的一端部连接环路，另一端部连接所述馈电端，其中，所述环路沿辐射单元的横向中线对称。
优选的，该上层介质基板、下层介质基板采用高介电常数RogersRO3010板材，其相对介电常数为10.2。
优选的，该环路的内部和外部开槽形成沿周向间隔排列的第一折弯部，第二折弯部，第三折弯部，第四折弯部，其中，第一折弯部，第三折弯部沿第一方向对称，第二折弯部，第四折弯部沿第二方向对称。
优选的，该第一折弯部设有第一长方形槽，第三折弯部设有第三长方形槽，所述第一长方形槽的中心线与所述第三长方形槽的中心线重合且经过圆心。
优选的，该第二折弯部设有第二长方形槽，第四折弯部设有第四长方形槽，所述第二长方形槽的中心线与所述第四长方形槽的中心线重合且经过圆心。
优选的，该环路呈圆形，其外环半径与内环半径的比值固定。
优选的，该T字形匹配条包含第一匹配条，其具有第一端，用以连接环路，第三端用以连接馈电端；第二匹配条，其具有第二端，用以连接环路，第四端用以连接馈电端，其中，第二匹配条的长度大于的第一匹配条的长度。
优选的，该第一匹配条与第二匹配条组合呈2个T字依次串连接。
优选的，该馈电端位于所述天线的中间区域，其包含芯片，所述芯片的阻抗与所述天线的阻抗共轭。
与现有技术相比，本发明的优点是：
该天线在天线辐射单元上加载一个关于左右对称的环路结构，引入慢波结构，来实现其小型化；通过加载不同长度的弯折线，使得基本谐振模式分解为两个幅度相同、相位相差90度的正交模式，形成圆极化；采用变型的T字形匹配结构，使得天线阻抗匹配芯片的低电阻高容抗特性；其天线具有小型化、低剖面、抗干扰、生物兼容等特性。同时具有圆极化特性，且体积很小的圆形植入式射频识别天线适用于无线医疗领域。相比于线极化天线，本发明提出的圆极化天线能有效降低数据传输误码率和减少极化失配。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明实施例一应用模型仿真示意图；
图2a本发明实施例一应用示意图天线结构示意图；
图2b本发明实施例天线侧视结构示意图；
图3是发明实施例一天线阻抗仿真图；
图4是本发明实施例一天线仿真反射系数与轴比示意图；
图5是发明实施例一天线的远场方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
本发明实施方式提出的一种小型圆极化植入式RFID天线，包含上层介质基板、下层介质基板、天线辐射单元、馈电端；天线辐射单元配置在上层介质基板与下层介质基板间，天线辐射单元包括：设置在外围的环路及配置于环路内部的T字形匹配条，T字形匹配条的一端部连接环路，另一端部连接所述馈电端，其中，所述环路沿辐射单元的横向中线(x方向)对称。
该天线的工作原理：通过在圆形辐射单元上开槽形成外部环形结构，这样电流的有效路径延长，实现植入式天线的小型化。两个非对称弯折线的引入使得在远场模式下产生一对幅度相同、相位相差90°的电流，从而形成圆极化。
接下来结合图2a，2b来描述天线结构，图2a天线结构示意图，图2b为天线侧视结构示意图；天线较佳的呈圆形，其外环半径为R2，内环半径为R1,内部和外部(同时)开槽形成了4个弯折(线)部，天线100包含环路101，位于环路101内的T字形匹配条102，馈电端103，环路101的内部和外部开槽形成沿圆周间隔排列的第一折弯部101a，第二折弯部101b，第三折弯部101c，第四折弯部101d，其中，第一折弯部101a，第三折弯部101c沿第一方向(x方向)对称，第二折弯部101b，第四折弯部101d沿第二方向(y方向)对称。T字形匹配条102包含第一匹配条102a,其具有第一端102a1连接环路101，第三端102a2连接馈电端103，第二匹配条102b,其具有第二端102b1连接环路101，第四端102b2连接馈电端103。，第一匹配条102a与第二匹配条102b组合大致呈“T”串连接(靠近馈电端的匹配部分第二方向对称)。本实施方式中，第一折弯部101a设有第一长方形槽，第三折弯部101c设有第三长方形槽，第一长方形槽的中心线与第三长方形槽的中心线重合且经过圆心。第二折弯部101b设有第二长方形槽，第四折弯部101d设有第四长方形槽，第二长方形槽的中心线与第四长方形槽的中心线重合且经过圆心。
其中第一/三折弯部内部旋转槽宽度为w1，其旋转角度为α6；第一/三长方形槽长度为y2,宽度为x2；第二/四弯折部内部旋转槽宽度为w1，其旋转角度为α1；第二/四长方形槽长度为x1,宽度为y1；外部的4个旋转槽对称相同，其宽度为w4,旋转角度为α4,嵌套槽的宽度为w2,旋转角度为α5+α2。中间T型匹配条的宽度为w3,其包含长度不相等的第一匹配条与第二匹配条。本实施方式中选取第二匹配条长度大于第一匹配条的长度(在其他的实施方式中，也可与之相反)，将两个匹配条的末端靠近在一起，这样实现更好的匹配。本实施方式中，上层介质基板、下层介质基板均采用高介电常数RogersRO3010板材，其相对介电常数为10.2，损耗角正切为0.0035，厚度为0.635mm，且半径均为6mm。本实施方式采用三层立体组织模型来模拟外部人体环境，模型的尺寸为80×40×63mm3,天线植入深度为2mm(如图1所示,在915MHz频点时，皮肤的电参数特性为εr＝41.329,σ＝0.87169S/m)，以辐射面的中心点为圆心，其尺寸为：l1＝2.1mm，l2＝0.8mm，l3＝2.36mm，l4＝0.95mm，l5＝3.65mm，l6＝1mm，l7＝2.6mm，l8＝1.5mm，l9＝2.42mm，l10＝1.35mm，l11＝2.585mm，R1＝4.48mm，R2＝6mm，α1＝10deg，α2＝14deg，α3＝6.6deg，α4＝28.4deg，α5＝37deg，α6＝34deg，w1＝0.3mm，w2＝0.16mm，w3＝0.58mm，w4＝0.9mm，x1＝1.1mm，y1＝0.55mm，x2＝0.5mm，y2＝1.1mm，x3＝-0.5mm，y3＝2.8mm，h1＝0.635mm。
本实施方式中，植入式标签采用Monza R6-P芯片作为天线的馈电端，其中一个顶点为(-0.5mm,2.8mm),工作在915MHz的芯片阻抗为12.28-j*122.03Ω。较佳的，天线阻抗与芯片阻抗共轭匹配。此天线采用变型的T字形匹配来实现天线的低电阻和高感抗特性。馈电部分放置在中间区域，这样设计的好处在于一方面为了实现了天线的小型化，另一方面便于制作(加工焊接)。
图3为天线阻抗仿真图，其在915MHz时的输入阻抗为11.61+j*119.29Ω。Frequency，频率其单位GHz，Resistance阻抗其单位Ω，Reactance阻抗其单位Ω。
图4为本发明天线仿真反射系数与轴比示意图，从图中可以看出，-10dB阻抗带宽为42MHz，从902MHz到944MHz，其3dB轴比带宽为53MHz,从892MHz到945MHz(Frequency，频率其单位GHz)，Reflection coefficients,反射系数,Axial ratio，轴比其单位dB。
图5展示了远场方向图，当所述天线植入(人体皮肤)模型中(如图1)，其工作在915MHz时在两个主平面的辐射方向图。在此频率时，天线的左旋极化大于右旋极化，同时天线的最大增益为-30.4dBi。
根据本发明实施方式的方案中所描述的天线的结构与原理，使用HFSS(HighFrequency Structure Simulator)进行建模仿真，仿真结果达标后，将天线的仿真模型导出进行加工制作，板材选用Rogers RO3010，介电常数为10.2，损耗角正切为0.0035，厚度为0.635mm。天线馈电处直接焊上封装好的芯片的两个端口，在焊接时芯片的两个端口与天线馈电的两个端口充分焊牢，这样避免引起测试距离的误差过大。
接下来利用一款工作在超高频段的外部阅读器来分别测试本发明实施方式提出的圆极化天线，具体的缓慢移动内部嵌有天线的三层模型，直至阅读器无法识别到内部RFID天线为止(此处外部阅读器采用圆极化天线和线极化天线分别测量比较)，与利用弗林斯公式算出的可识别距离进行对比，测量外部天线到模型之间的距离，多次测量取平均值。其结果如下表,
从实验结果可以看出，当外部阅读器天线为线极化天线时，其实测阅读距离可达60cm,当外部阅读器天线为圆极化天线(此处圆极化天线不是文章中提的)时，其实测阅读距离可达87cm,该距离充分满足我们在医疗领域射频检测中所需的距离。该圆极化植入式RFID天线对于体内和体外通信的有效性高，鲁棒性好。
在天线辐射单元的设计中，其设置成一个沿第二方向对称的环路结构，引入慢波结构，来实现其小型化；通过加载不同长度的弯折线，使得基本谐振模式分解为两个幅度相同、相位相差90度的正交模式，形成圆极化；采用变型的T字形匹配结构，使得天线阻抗匹配芯片的低电阻高容抗特性；其天线具有小型化、低剖面、抗干扰、生物兼容等特性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种小型圆极化植入式射频识别天线，其特征在于，包含上层介质基板、下层介质基板、天线辐射单元、馈电端；
所述天线辐射单元配置在所述上层介质基板与下层介质基板间，
所述天线辐射单元包括：设置在外围的环路及配置于环路内部的变型的T字形匹配条，所述T字形匹配条的一端部连接环路，另一端部连接所述馈电端，其中，所述环路沿辐射单元的横向中线对称，
所述环路的内部和外部开槽形成沿周向间隔排列的第一折弯部，第二折弯部，第三折弯部，第四折弯部，其中，第一折弯部，第三折弯部沿第一方向对称，第二折弯部，第四折弯部沿第二方向对称，引入慢波结构，
所述T字形匹配条包含
第一匹配条，其具有第一端，用以连接环路，第三端用以连接馈电端；
第二匹配条，其具有第二端，用以连接环路，第四端用以连接馈电端，
其中，第二匹配条的长度大于的第一匹配条的长度。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述上层介质基板、下层介质基板采用高介电常数RogersRO3010板材，其相对介电常数为10.2。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，第一折弯部设有第一长方形槽，第三折弯部设有第三长方形槽，所述第一长方形槽的中心线与所述第三长方形槽的中心线重合且经过圆心。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，第二折弯部设有第二长方形槽，第四折弯部设有第四长方形槽，所述第二长方形槽的中心线与所述第四长方形槽的中心线重合且经过圆心。
5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述环路呈圆形，其外环半径与内环半径的比值固定。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，第一匹配条与第二匹配条组合呈2个T字依次串连接。
7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电端位于所述天线的中间区域，其包含芯片，所述芯片的阻抗与所述天线的阻抗共轭。
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GR01 Patent grant
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