低轮廓灵活超高频RFID标签设计腕带应用gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

在这项研究中，提出了一种低轮廓超高频(UHF)射频识别(RFID)标签天线设计的腕带在医疗保健应用。散热器是基于开槽腔技术，是由一个开槽贴片(双t槽)加载到一个灵活的开腔。所提出的开槽设计可以很容易地使标签的输入阻抗调谐到典型超高频RFID芯片的复杂阻抗。提出的标签天线尺寸为86 mm×25 mm×1.6 mmgydF4y2Ba 在915mhz时，最大读取范围可达8米(在自由空间情况下单独站立)，6.6米(在自由空间情况下戴在人的手腕上)，以及高达3米(在拥挤情况下戴在人的手腕上)。gydF4y2Ba

1.介绍gydF4y2Ba

长期健康保健系统一直是近年来讨论感兴趣的话题,也是现在最重要的问题之一在高度发达的地区,因为许多国家的卫生保健系统尚未被完全旨在应对他们的长期护理问题。因此，有必要开发一种良好的射频识别跟踪系统，这可能需要可穿戴设备，如可作为腕带的柔性射频识别标签。gydF4y2Ba

为了设计一个合适的可穿戴RFID标签，它必须是灵活的，并能够承受人体效应(或称为对人体效应)。由于人体内部(例如皮肤、脂肪、肌肉和骨骼)介电常数的复杂性，它将吸收或减轻由RFID标签发射/接收的电磁(EM)波。此外，如果穿戴式RFID标签与人体(on-body)近距离接触或直接接触，RFID标签的电波长、阻抗匹配和辐射效率将会恶化[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。当RFID标签附着在瘦削的女性志愿者的不同身体区域(手臂、前臂、前额、颈部、腹部和尾部)时，对实现增益的影响被报道在[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，他们表明，尾部区域收益最大，而腿部区域收益最大，因为脂肪组织含量更大。gydF4y2Ba

由于对人体的影响，许多不同的方法和技术被提出，以提高性能(例如，增益和读取范围)的RFID标签时，它在人体条件[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。要提高人体RFID标签监控应用的读取范围，最简单的方法是使用电池辅助的主动RFID标签，如在[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。然而，这样的方法会增加RFID标签的成本和厚度（配置文件）。为了实现被动体上的RFID标签（无电池的协助下），也就是基于通过嵌套槽馈悬浮贴片的平面标签天线已经在研究[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。即使[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba允许它承载传感器，并且槽设计可以很容易地调整以实现良好的感应电抗，天线必须通过4毫米厚的硅基板与皮肤电隔离。研究了一种平衡槽形天线的概念[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba复杂环境(如肉、水);然而，该标签天线的平面尺寸为120mm×30mm。为了在人体尾部获得约3.9米(有效各向同性辐射功率，EIRP 4W)的读数范围，一种四元PIFA阵列标签已被报道[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]，其平面尺寸为85.5 mm×54 mm。gydF4y2Ba

最近，有报导采用开槽腔技术来设计人体上的RFID标签[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。达到紧凑的尺寸为40mm×50mm×3mmgydF4y2Ba ，工作在[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]已经应用了垂直折叠耦合短补片腔技术，当连接到人体胸部时，可以实现5.1 m (EIRP 4W)的读数范围。至于在[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]，贴片蚀刻在0.4毫米薄FR4衬底上，并加载在1.4毫米厚的泡沫衬底上。然而，[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)是116毫米×40毫米，当连接到人的腹部时，可达到最大的读数范围(gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba})最高达3.5米(eirp4w)。就作者所关心的而言，很少有作者研究可应用在人体腕带上的被动RFID标签。在[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，两个锥形结构被用来形成一个开放的空腔结构。达到51.1 mm×21.3 mm×0.64 mm的小尺寸特性，[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]已使用高介电常数衬底(ARLON AD1000，gydF4y2BaεgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba= 10.2)，而且，当连接到人的手腕上时，它只能屈服gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}最高达2.1米(东经3.23度)。尽管如此，目前还没有详细的报道将柔性腕带集成到被动射频识别标签上，从而可以产生gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}可达4m, EIRP < 3W。gydF4y2Ba

因此，本文对[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]是本文提出的。蚀刻在0.4毫米薄FR4基板上的凹槽贴片，不使用刚性基板，而是加载在1.2毫米薄的柔性PVC(聚氯乙烯)塑料基板(gydF4y2BaεgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba= 2.75)，开槽腔是用带胶的铜带覆盖PVC形成的。这项扩展工作与[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba包括:(1)结构设计简单，尺寸紧凑，(2)腕带灵活，(3)轻松实现理想的谐振频率和阻抗匹配只需简单调整槽参数。详细的天线设计及其相应的仿真和测量结果(在自由空间和腕带条件下)将进一步讨论。gydF4y2Ba

2.天线结构gydF4y2Ba

如前所述，此处建议的标签天线是[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]，它的几何形状(包括如何连接到人的手腕)是在图形中定义的gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。这里,底部表面(地面)的柔性衬底上用胶完全金属化铜带,和两个开放式的地面做空这两个矩形铜带连接的顶面(左和右部分,每个人都有大小26毫米×25毫米)的PVC。此后，这两个铜带的两个开口端(左上和右上部分)然后焊接到开槽补片的两个开口边缘。通过短路顶部和底部的金属表面(见图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba），达到的感抗将补偿标签芯片的容抗。gydF4y2Ba

如图所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，将两个对称的t形槽装入一个34mm×25mm的矩形补片中形成开槽补片。每个t形槽由垂直(6mm×3mm)槽和水平(6mm×24mm)槽段组成。因此，在两个t形槽之间形成非常窄的馈线(1mm)，用于连接标签芯片(Alien Higgs 4, SOT232 package, Z = 8−)gydF4y2BajgydF4y2Ba142Ω）。值得注意的是，在两个T形狭槽还到所需共轭匹配和工作频率提供自由一个额外的自由度来调整。所提出的腕带标签天线如何连接到一个人的手腕上的几何结构也示于图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。人腕/臂（皮肤，脂肪，肌肉和骨骼）体模的在915MHz的确切详细结构中，对应于它的几何形状，如基片层和厚度，在图中所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。其各种电特性如介电常数，损耗角正切，和导电性也列于表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。本工作中所进行的所有模拟都是通过商用(高频结构模拟器)HFSS软件完成的。gydF4y2Ba

3.结果与讨论gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba示出了在平面形式（自由空间的条件，FSC）所提出的标签天线的仿真和测量返回损耗。仿真和该标签的天线连接到一个人的手腕也绘制在该图中，当测量的回波损耗。当比较的阻抗带宽，模拟6dB的回波损耗在带宽FSC为5.2％（0.89-0.938 GHz的），而测得的一个是3.9％（0.9-0.936千兆赫）。这两个结果之间的细微差别可能是由于制造公差和意想不到的效果，特别是当带缝隙贴片焊接到位于所述PVC的顶表面上的两个铜带。尽管如此，的所测量的谐振模式提出一个在FSC是914兆赫，而对人体的手腕测得的一个在904 MHz的略低。值得注意的是，附连到手腕人提出标签天线的模拟6dB的回损带宽为6.2％（0.88-0.937 GHz）的，和其相应的测得的一个是5.3％（0.88-0.928 GHz）的。这里，两个结果之间的差异可以归因于在给定的下估计的参数（介电常数，损耗角正切，和电导率）gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。另外，如图所示gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，我们已经进行的测量是通过将在[研究了1/4波长平衡不平衡转换器技术gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]，在实际测量时可能会产生轻微的误差。gydF4y2Ba

为验证上述结果，请用图进行验证gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba分别示出所提出的标签天线，输入电阻和电抗，对应于图中所示的那些gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba。如图所示gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba,即使输入电阻测量的结果在FSC和人类手腕更高(分别大约9.3Ω和13Ω)比标签芯片电阻(8Ω)各自的电抗,如图gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba与标签芯片的电抗(-gydF4y2BajgydF4y2Ba142Ω)在915 MHz。gydF4y2Ba

3.1。弯曲标签天线的影响gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba6gydF4y2Ba节目在FSC，提出的天线的模拟回波损耗在天线是一个简单的平面型（无弯曲），当它被弯曲以符合正常的人的手腕。如该图所示，弯曲所提出的标签天线将仅轻微影响阻抗匹配，这可以在图清楚地解释gydF4y2Ba7(一)gydF4y2Ba，显示在915mhz左右的输入电阻值略有偏差，而其对应的电抗保持不变，如图所示gydF4y2Ba7 (b)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.2。参数d调优的影响gydF4y2Ba

为了使所提议的标签天线能够在所需的UHF RFID频段(902 - 928mhz)工作，重要的是要确定标签天线结构的一个参数，以便能够方便地帮助调整激励谐振频率。如图所示gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，实现了参数递增gydF4y2BadgydF4y2Ba从24毫米到28毫米(步长增加2毫米)，也意味着标签天线的总长度也将从82毫米增加到90毫米，可以允许共振频率从950 MHz到880 MHz的线性漂移到较低的频率。为了进一步理解这一现象，本文通过参数调谐时模拟的标签天线的输入电阻和输入电抗gydF4y2BadgydF4y2Ba还提出了在图gydF4y2Ba图9（a）gydF4y2Ba和gydF4y2Ba图9（b）gydF4y2Ba,分别。通过进一步观察这两个数字，我们也认识到，增长gydF4y2BadgydF4y2Ba将线性地减小两者的输入电阻和所提出的标签天线，分别，这解释了移位到较低频带的电抗。gydF4y2Ba

至于增加参数的原因gydF4y2BadgydF4y2Ba从图中可以看出，能否降低电阻和电抗gydF4y2Ba1gydF4y2Ba所提出的标签天线是折叠型，从而，增加参数gydF4y2BadgydF4y2Ba这也会增加折叠表面积(顶部和底部)，导致电容电抗的增加。因此，一旦发生电容性电抗gydF4y2Ba，则感应电抗(gydF4y2Ba)的建议，标签天线将减少。即感应电抗gydF4y2Ba= 2gydF4y2BaπfgydF4y2BaL，减少gydF4y2Ba显然会导致频率的降低。值得注意的是，通过增加参数降低了所提出的标签天线的整体电抗gydF4y2BadgydF4y2Ba可能是电阻值降低的主要原因。另一种解释也与电子波长有关，它表示电子长度越长(包括长度)gydF4y2BadgydF4y2Ba），较长的波长，从而实现更低的频率。gydF4y2Ba

因此，该标签天线具有易于调谐谐振频率的优点。gydF4y2Ba

3.3。调谐参数的影响gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba

如上所述，开槽贴片负责调谐所提议的标签天线的阻抗匹配。由于开槽补片由两个对称的t形槽组成，因此对其槽的任意参数(gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)要求同时调校两个t形槽;然而，窄送料线的宽度必须保持在1毫米，以方便连接具有相同宽度1毫米的标签芯片。参数调优的模拟效果gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba首先调查并显示在图表中gydF4y2Ba10gydF4y2Ba和gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，而其他两个参数(gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba） 保持不变。gydF4y2Ba

如图所示gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，实现了参数递增gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba从23毫米到25毫米(以1毫米的步长递增)可以使谐振频率从921兆赫到909兆赫线性移动到较低的频率。相应的模拟输入电阻和输入电抗也用图形表示出来gydF4y2Ba(11日)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba图11（b）gydF4y2Ba,分别。通过进一步观察这两个图，可以认识到调优gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba不会影响915mhz时的输入电抗值，但随着gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba增加。此外，整个输入电抗已经移到较低的频率，这与图中观察到的趋势是一致的gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.4。调谐参数的影响gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba12gydF4y2Ba给出了增加狭缝参数对标签天线回波损耗的影响gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba为5mm到7mm（具有1mm的步长增量）。这里，增大gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba将允许轻微的线性从906兆赫的共振频率的移位到上限频率到923兆赫。为了进一步理解这一现象，本文通过参数调谐时模拟的标签天线的输入电阻和输入电抗gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba还提出了在图gydF4y2Ba(13日)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba13 (b)gydF4y2Ba,分别。通过进一步观察这两个数字，我们也认识到，增长gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba将被提出的标签天线的整个输入电阻和电抗线性移到更高的频带。gydF4y2Ba

3.5。调谐参数的影响gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba

研究了增加狭缝参数对标签天线回波损耗的影响gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba从2毫米到4毫米(一步增加1毫米)如图所示gydF4y2Ba14gydF4y2Ba。在该图中，实现了递增参数gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba可允许将共振频率从910mhz线性移至920mhz的较高频率。由其对应的模拟输入电阻和输入电抗绘制成图形gydF4y2Ba(15日)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba15（b）中gydF4y2Ba，也分别认识到，增加gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba也会将所提出的标签天线的整个输入电阻和电抗线性移到更高的频带。gydF4y2Ba

因此，由上述参数结果可以得出以下结论:(1)调优gydF4y2BadgydF4y2Ba可以很容易地实现在整个UHF RFID频带良好的谐振频率和工作频段中的EPC Gen 2（电子产品代码生成2，860-960兆赫），（2）调谐gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_lgydF4y2Ba当输入电阻保持不变时，只会影响输入电抗，并且(3)同时调节gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_wgydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba会影响输入电抗和电阻值。gydF4y2Ba

3.6。模拟辐射模式gydF4y2Ba

所提出的标签天线在915兆赫兹(在三个不同的原理平面)的模拟辐射模式在平面上的形式，并附在一个人的手腕幻像(如图所示)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)均以图表显示gydF4y2Ba16gydF4y2Ba和gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，并且所有值都相对于其峰值增益进行了归一化。如图所示gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，良好的全方位模式gydF4y2Ba在gydF4y2Bax zgydF4y2Ba平面，而良好的侧面图案在±gydF4y2BazgydF4y2Ba遵守指示gydF4y2Ba在gydF4y2Ba- zgydF4y2Ba飞机。在相应的图谱中也观察到明显的双向图案gydF4y2Bax - ygydF4y2Ba飞机。如图所示gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Bax zgydF4y2Ba和gydF4y2Ba- zgydF4y2Ba飞机显示了信号强度的明显下降(大约5到6分贝)在-gydF4y2BazgydF4y2Ba方向(gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 180度)与其对应的轴向(+gydF4y2BazgydF4y2Ba,gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 0°)。通过比较这两个图可以看出，人的手腕可以吸收向手腕传播的信号强度(电磁波)gydF4y2BazgydF4y2Ba方向)。此外，boresight信号强度(或峰值增益在+gydF4y2BazgydF4y2Ba方向)也从-4.62 dBi减少到-6.87 dBi，由于人类手腕的影响。gydF4y2Ba

3.7。测量所提议的标签天线的最大读取范围gydF4y2Ba

执行最大读取范围(gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}两项实验是通过一种商用设备“Voyantic tag高性能Pro”进行的，该设备是一种针对超高频RFID标签天线的一体机测试和测量装置[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。测量的第一次设置如图所示gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，其中提议的标签天线被连接到一块新鲜猪肉上。尽管这种新鲜猪肉的皮肤、脂肪和肌肉的厚度与人的手腕不同，但使用猪肉的原因是它的电子特性(脂肪和肌肉)与人的非常接近。此外，它很容易获得，而不是商业化的手模，因为它非常昂贵，对作者来说是无法获得的。该设备的安装说明如图所示gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，其中标准的水平线性极化发射天线（7.2 6dBi增益）在这种情况下使用，并连接到不超过0.5 W（27 dBm的）的RF输出功率。因此，在这种情况下，用于测量施加的总EIRP（等效全向辐射功率）为2.63 W（34.2 dBm为单位）。至于第二设置中，AUT（被测天线）中的溶液简单地与没有附着猪肉提议的平面型标签天线所取代。gydF4y2Ba

数据gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba和gydF4y2Ba21gydF4y2Ba显示测量结果由两个实验设置执行在“Voyantic性能专业”室。如图所示gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}跨越900-930兆赫测定以平面形式（FSC）所提出的标签天线的分别约为6.6米和8.0米之间。至于当它被贴在一块猪肉的情况下，其相应的gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}测量大约在6米到6.6米之间(跨越900 - 930mhz)。数字gydF4y2Ba21gydF4y2Ba显示的是测量gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}在方位面以915mhz的建议标签天线(gydF4y2Ba- zgydF4y2Ba面）两个设置情况。在此，在平面形式（FSC），视轴方向（+gydF4y2BazgydF4y2Ba方向)显示gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}的高度为8米，并会缓慢减缓时gydF4y2BaθgydF4y2Ba角度已经从视轴方向移开。在此之上，gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}将达到大约2.2米最小范围当gydF4y2BaθgydF4y2Ba角度为90度或270度。如前所述，由于对猪肉的吸收，所提出的标签天线附加到猪肉有较低的gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}与在瞄准方向的平面形式的情况相比，为6.6米。此外，猪肉对-的吸收会变得更加明显gydF4y2BazgydF4y2Ba方向，显示出降低的gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}的4.08 m，与平面形式的情况相比gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}= 7.18 m。从上面的结果，因为提出的标签天线(对于两种设置的情况)显示最小gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}整个方位至少为2米(EIRP 2.63 W)，因此适合纳入医疗保健应用程序，以跟踪/监测患者。gydF4y2Ba

为了进一步验证上述结果，我们将所提出的天线放置在三名站在非自由空间(non-FSC)环境下的志愿者的手腕上。如图所示gydF4y2Ba22gydF4y2Ba在实验室中，志愿者们站在两排金属桌子中间，创造了一个狭窄拥挤的多路径环境。通过使用2.63W (34.2 dBm) EIRP的RFID阅读器系统(Favite)测量，三名不同学生的测量距离分别为3.1 m、3 m和3.2 m，这大约是使用“Voyantic性能专业”腔室在FSC中测量的距离的一半。但是，需要注意的是，这些测量是在一个非常不理想的条件下进行的(狭窄拥挤的环境，两边都有金属墙)，因此得到的结果可能在不同的环境中有所不同。gydF4y2Ba

4.结论gydF4y2Ba

一种简单的低轮廓柔性RFID标签天线已成功研究工作在超高频波段(902 - 928mhz)。该标签天线的开槽腔设计具有阻抗匹配和可调谐到所需频段的优点。当被安装在人的手腕上时，6-dB的标签天线的返回损失带宽为5.3% (0.88-0.928 GHz)。在自由空间条件下，实验结果表明，所提出的标签天线能在2.2 m - 6.6 m之间保持良好的读取范围。在一个两边都有金属墙的狭窄拥挤的环境中，在瞄准方向，读数范围可达3米。因此，该天线是未来医疗行业跟踪/监测患者的一个很好的候选天线。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明，他们没有利益冲突。gydF4y2Ba

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