文摘

在本文中,一种新颖的三维平面倒l天线(PILA)超高频(UHF)无线电频率识别(RFID)标签挂载在金属表面提出了物联网(物联网)室内定位应用程序。该标签天线(45毫米×82毫米×4毫米或0.137λ×0.25λ×0.012λ)是专为安装在金属物体。3 d PILA天线是用铜制作的一张厚度1毫米和空气作为电介质材料的衬底,以最小化成本和实现。设计、t形槽一直在调优辐射单元插入标签的共振与芯片实现良好的匹配。同时,取得一个简单的等效电路模型,分析了3 d PILA的阻抗。基于优化设计,制作原型已经在消声室测量。该标记的共振频率是稳定的,它不受影响的金属物体。天线样机的测量结果与仿真结果证明合理的协议,和阅读范围的3.6米测量在消声室。最重要的是,在建筑走廊,拟议中的标签可以实现最大读18米的距离与发射功率为31.5 dBm 867 MHz时放置在金属。随着3 d PILA天线结构,提出antimetal标签是一个合适的解决方案,可以集成到一个室内定位的场景。

1。介绍

室内定位系统吸引了研究兴趣在过去十年中由于各种应用程序(1]。然而,室内定位技术是最具挑战性的问题物联网(物联网)。物联网系统集成的结果的技术,包括传感和识别的方法。无线射频识别技术(RFID)和无线传感器网络(网络)是最重要的块在物联网的框架2]。在物联网中,射频识别技术用于智能城市应用,如相机、人体跟踪,智能停车,GPS(全球定位系统)和智能传感器。射频识别系统是一个识别技术,自动、实时捕获和传输数据来识别对象通过反射无线电波3,4]。然而,由于超高频RFID标签是直接安装在或接近金属物体,金属物体的存在在接触或靠近标签可以降低阻抗匹配,辐射模式,辐射效率、增益、带宽,和阅读范围的标记。在过去的几年中,由不同的研究者提出了几种方法来解决和克服这个问题,提高标签的性能。在[5,6),插入一个标签之间的陶瓷材料和金属对象提出了。然而,使用陶瓷可以大幅增加成本。人工磁导体(AMC)地面和电磁能带电磁带隙)(结构也用于隔离金属表面的RFID标签(7,8]。然而,电磁带隙结构可以帮助改善应用程序的AMC和增益和阅读范围,但他们引入更高的制造成本和增加标记大小。另一种方法是基于平面天线的设计以开放的存根饲料设计在金属标签(9]。然而,开放的存根的贴片谐振器是大尺寸天线设计。为了实现小型化,金属通过用于做空一个辐射贴片的边缘地平面形成新的天线结构,如曲线移动较短的贴片天线存根挂载金属物体(10]。近年来,新技术探讨了减少平面片的大小。实现体积小,灵活的贴片天线在[11]使用锯齿设计技术,能够实现读7米的距离时附加到20厘米×20厘米的金属板。进一步减少贴片天线的大小,折叠方法最近提出了设计各种灵活的RFID标签在金属的应用程序(12- - - - - -15]。大小减少,有欧姆损失的增加,因此影响天线性能如增益、效率、定向辐射。

平面inverted-F天线(PIFA)使用金属表面为地平面是一个受欢迎的结构设计微型金属标签。通过应用PIFA设计概念,天线的尺寸可以很容易地减少引入通过(16,17),但PIFA是更敏感的性能通过的位置(18]。在本文中,一种新型的l型天线是用来设计一种新型的3 d标签天线,可以安装在一个金属对象物联网RFID的应用程序。拟议中的3 d PILA标签没有底物不需要通过实现天线设计的使用,从而减少生产过程的成本。本文以以下方式组织:在部分2,天线配置说明和一个等效电路描述开发3 d PILA提出的输入阻抗。节3,描述实验结果。最后,结论部分提供了5。

2。配置和等效电路

2.1。天线结构设计

PILA用于本研究的配置是一个著名的天线,因为它有许多杰出的优点如结构简单、体积小、重量轻、容易制造方法,和较低的生产成本。提出的配置如图3 d标签天线1。原型超高频RFID标签天线已经意识到在一个45×82×4毫米的整体体积³。它由一个矩形贴片的t形槽中心。天线由两层薄铜的厚度t_年代= 1毫米,隔着空气。减小天线的尺寸,做空板用于散热片顶部连接到地平面。做空的存根在直接接触的一侧。

设计一个超高频RFID标签,阻抗(Z_一个)的一个标签天线应该共轭芯片阻抗(Z_c)的标签。标签天线第一次模拟和优化电磁(EM)仿真软件CST微波工作室通过监控复杂的阻抗匹配,回波损耗,和标记阅读范围,以更好地了解标签的行为。如果标签满足所有这些要求,天线设计就完成了。否则,设计进一步修改,以达到高水平的优化,直到满足要求。

集成的芯片选择该PILA RFID标签天线是一个外星人Higgs-3 IC(从外国公司的)。等效电路是一个平行的rc电路电容和电阻Rp = 1500ΩCp = 0.85 pF (19]。天线匹配的RFID芯片通过一个非常简单的匹配基于t形槽。的t形槽已经插入的辐射单元优化标签的共振。槽天线的电容阻抗变换PILA天线感应。这个位置达到共轭复数阻抗匹配标签天线和电容之间的集成电路与芯片实现良好的适应匹配获得良好的增益在共振频率。表1显示的优化设计参数提出3 d PILA天线结构。

然而,匹配PILA标签和阅读器天线的极化影响通信链路。天线都是线性偏振,读取性能是由电场之间的对齐的阅读器和标签天线。更具体地说,我们PILA标签应该保持在正确的位置能够读和写。

2.2。等效电路模型

的等效电路模型,提出了3 d PILA标签派生分析它的输入阻抗。等效电路模型如图2。构建模型,辐射贴片电阻(表示R_一个),电感(l_一个)、电容(C_一个)在一个平行的RLC电路。我们可以看到在图1散热器和地平面功能像一个平行板电容器电容C_一个(20.可以使用下面的估计方程: 在哪里 有效表面积(通过删除t形槽)散热器和 的介电常数是自由空间。的阻力R_一个和损失,这是需要占辐射电阻,电感l_一个的l形的补丁可以确定使用CurveFit宏观模型(21]。参照图2存根由电感(l_年代)和电阻(R_年代)放置在系列。通过了解存根维度,其电感l_一个(nH) (22,23可以使用以下公式计算: 在哪里t_年代= 1毫米表示的铜厚度存根。同样来自存根维度,存根的阻力可以估计使用交流电阻: 在哪里 ,δ= 2.2×10⁻⁶m是铜的皮肤深度,ρ= 1.72×10⁻⁸Ωm铜电阻率,K_c= 2.084是当前拥挤因素(12]。做空墙估计使用的电感l_风场= 2l_年代。的电容的t形槽差距(23),提供芯片可以使用以下公式计算:

此外,天线输入阻抗可以计算通过结合电路元件的等效电路,并绘制在图的结果3。输入阻抗的3 d PILA CST仿真也添加到生成的等效电路模型曲线为便于比较。发现轻微的差异之间的输入阻抗建模和模拟天线输入阻抗。在现实中,近似方程用于PILA天线计算元素值推导假设均匀天线上的电流分布。标签天线应该匹配的测量阻抗RFID ASIC芯片 (24为了实现共轭匹配。的确,在900 MHz,天线的输入阻抗是建模 ,和模拟天线的阻抗 。然而,尽管小分歧,一个合理的协议是观察表明,提出的等效电路模型是有效的用于阻抗分析。

3所示。结果与讨论

拟议中的3 d PILA标签是放在一块的中心300×300毫米²金属板的模拟和测量。图4显示了模拟和测量提出标签天线的反射系数。获得20 dB的模拟回波损耗的频率907 MHz没有金属板。良好的阻抗匹配是实现在900 MHz 17.7 dB回波损耗的金属板。它可以观察到标记的共振频率是稳定和金属物体影响不大。通过简单地改变匹配t形槽的长度到辐射单元,可以调整天线的回波损耗与芯片的阻抗值相匹配。

的高度标记(h)是一个重要的参数共振频率、带宽和天线增益。通过增加顶板的高度,带宽增加但反射系数却降低了。质量因素问是由天线带宽的倒数。因此,最好的方式来增加天线带宽(低问)的体积最大化提出了3 d PILA标签。因此,增加天线区域(天线高度)减少反射系数。此外,如果我们减少顶板的高度,天线的增益减少,而辐射强度模式背后的地平面增加。因此,PILA天线的最佳高度是4毫米。

图5描述了模拟三维辐射模式原型PILA天线的谐振频率在自由空间和一个30×30厘米²金属板。仿真结果表明,没有金属板的标签天线增益1.98 dB在905 MHz和天线金属板已经在900 MHz获得4.08 dB。因此,除了金属平面上发现有用的提高天线增益通过加强孔径的电磁场方向(+z方向)。

模拟E -和H平面极坐标形式的辐射模式的PILA天线在自由空间和金属板图所示6。它可以观察到,当该标签天线放置在30×30厘米²金属板,最大辐射方向的改变。可以预计,与金属降低了天线的辐射对PILA天线在自由空间由于同相反射性能的金属板。

我们的表演特征标记在自由空间和在金属板上。过程的测量PILA天线提出了(25]。图7显示了在消声室实验装置。在测量过程中,标签和喇叭天线(读者)是直接面对面的在一个水平面。阅读器天线之间的距离和PILA标签天线是固定的d= 55厘米,而发送的发射功率读者逐渐变化,直到标签被激活。标签被放置在中间的金属板xy飞机与角φ= 90°。

图8显示的最小功率和频率在自由空间和一个30厘米×30厘米的金属板。在自由空间中,生成所需的最低功率大约4.5 dBm正确响应命令在901 MHz。测量标记敏感性增加到9.9 dBm在897 MHz标签放置在金属板,这是那么敏感,免费空间。在xy飞机(φ= 90°),我们的标签在自由空间最大的读者的阅读3.6米的距离大约17.1 dBm的输出功率。

图9显示了测量的测试设置最小标签打开功率的消声室,灵敏度是衡量不同沿垂直该标签y设在。通过观察测量标记敏感性,从图可以看出103.9 dBm的标签有最好的灵敏度在901 MHz时沿垂直距离y设在等于10厘米。因此,为了利用多天线的电磁能量可能面临的3 d PILA标签必须正确定位读者天线。

进一步验证了超高频标签天线性能在自由空间和金属,最大的阅读范围测量标记在走廊环境中进行。的过程中给出的测量标记的(26,27]。的ThingMagic M6e嵌入式RFID阅读器模块是使用喇叭天线检测标签回复其识别代码。交付的权力变化之间的5和31.5 dBm (1.4 W)通过计算机接口在一个频率范围从865.6到867.6兆赫和电缆损失约0.8 dBm。

为了一个被动的超高频RFID标签是成功阅读,接收信号强度指示(RSSI)的使用是为了提供更准确的标记的位置。读取范围和RSSI测量在欧盟(EU)超高频RFID乐队的方向φ= 90°xy飞机。图11显示了测量范围和RSSI读当标签天线放置在自由空间和金属板的方向φ= 90°。免费空间测量、标记的最大阅读距离测量是6.3米和31.5 dBm传输功率和接收机灵敏度测量是69−dBm 867 MHz的频率。如图11,标签能够达到最大阅读距离∼9.6测试时30×30厘米²金属板,在867.5 MHz的频率。然而,当测量读取性能在xy平面上,PILA标签天线旋转45^o顺时针方向对自己的z设在。阅读范围(φ= 45°)增加到11 72 RSSI =−dBm 866.9 MHz当标签天线放在一个铜板。图12显示的是测量读取距离瞄准线的方向(θ= 0°,φ= 0°)xy飞机。测量标签是最好的阅读范围18米(RSSI =−74 dBm)与31.5 dBm传输能量在867 MHz时金属板上测试过。

注意,使用Thingmagic M6 902 - 928 MHz频段RFID阅读器(我们;FCC)提出的距离可以增加阅读标签因为我们的标签天线的运作在900 MHz。

很明显,我们的标签在实际环境中工作得很好。然而,原因阅读范围增加归因于走廊环境建设性的直接梁和反射光束,也许从墙上,地板上,每一个都包含一个弱的间接信号强直接信号。因此,金属板作为支持减少后辐射反射器,提高天线的增益和方向性在前面的方向,并增加户外阅读范围。

的性能提出了3 d PILA比较与其他出版metal-mountable超高频RFID标签在表2。参照表,标签(28)能够实现最大阅读距离14.6米的室外环境,标签尺寸比我们的大,它需要两个FR4基板的使用和被一层空气分离增加天线的带宽。同样,有一个很大的概要文件,标签(26)达到阅读距离超过我们建议的标签,就是能达到46.5米的走廊。此外,标签使用螺旋状人工磁导体(AMC)增加标记,使制造过程很麻烦。此外,为了增加天线增益和阅读范围,超高频RFID标签可以被关联到一个平面反射镜在[29日),但这使得天线沉重和非常大。在[30.],阅读器发射功率为1.2 W,标签只能达到最大读5米的距离。此外,标签天线设计的想法使用希尔伯特曲线结构标记大型金属对象实现起来是不切实际的。的情况(31日),标签几乎相同的尺寸和我们的尺寸88毫米×32毫米×3.2毫米。标签天线安装在金属表面能够达到最大读7.2米的距离,但在自由空间标记的读性能没有被研究过。指表2再次,标记(14紧凑和灵活的,但采用槽对小型化设计和制造过程复杂化。同时,实现阅读距离内无回声的内阁比我们的短。然而,阅读距离也估计(14),可以达到5.2米,当标签被放在一个金属板。与一个合理的标签尺寸,我们建议的标签可以实现合理的阅读距离在自由空间和金属物体。另一方面,我们的标签是用铜皮的厚度1毫米,它不需要使用衬底。此外,我们建议的标签不需要使用多个卖空通过寄生元素,slotlines波动。它不仅是简单的设计,但是它也可以容易制造,这是更可取的跟踪金属物体各种物联网环境的室内定位系统。因此,我们的3 d PILA标签可以很容易地用于重工业和户外应用。

4所示。生产过程

生产过程始于采购所有的部分,即铜片和塑料的支持。程序的第二步是源耗材如粘合剂和焊料。事实上,天线元素是用1毫米铜表和整个提出天线的衬底是空气。塑料支架用于之间的辐射单元(贴片天线)和地平面。下一步是由激光切割铜表获取相邻天线部分(图1 (c))。切割后的天线所需的长度,将折叠有最终的三维结构的标记。此外,焊接的集成电路结构和插入塑料支持构成最终的制造步骤。然而,每个标签生产的总成本不超过1美元(美元)。

5。结论和未来的工作

小说的一个3 d PILA标签天线设计超高频射频识别系统提出了安装在金属物体。结果表明,通过使用两个铜片之间,隔着一层空气,结构对金属物体的存在,它的增益可以提高,带宽涵盖所有无源超高频RFID乐队。的t形槽也应用于设计调整天线阻抗的电阻和电抗。制作一个简单的和具有成本效益的方法是可能的这种设计而不再需要通过和复杂的多层结构。科学家发明了一种等效电路分析标签天线的阻抗特性。找到好的协议仿真和建模之间的数据。模拟和测量进行展示标签性能的金属和非金属对象。我们建议的标签的最大阅读范围是6.3年的自由空间和18米,当安装在金属表面在实际操作条件下(建筑走廊)。与一些金属标签相比,我们建议的标签是结构简单,能实现合理的阅读距离在自由空间和金属物体。拟议的RFID天线是一个很好的候选人和物联网应用在真实的环境中。

在未来,我们可以使用超材料设计标签的概念32- - - - - -34)通过将超材料板上面PILA天线(作为superstrate)集中信号在一个方向上提供一个长期探测范围。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。