可调平台容错天线设计，使用特性模式分析RFID物联网及应用

抽象

射频识别（RFID）是物联网实现的关键技术（物联网）的梦想。RFID技术已经出现在传感，识别，跟踪，和货物的定位。为了标记的东西数量庞大，这是符合成本效益的使用一个RFID天线的标签不同的事情。因此，在本文中与可调能力的平台宽容RFID标签天线建议。所提出的标签天线的设计和使用特征模式分析（CMA）优化。此外，该标签天线由一个折叠的贴剂周围FR 4基板和印刷在纸基材上的馈电环形元件包裹的。的感应馈电环堆叠在折叠补丁并将其提供了与RFID芯片阻抗匹配。因为单独的辐射和馈送元件的，该标签天线具有阻抗匹配用的任何RFID芯片的通用性。Furthermore, this tag is able to cover American RFID band (902–928 MHz) and can be tuned to European RFID band (865–868 MHz) by adding tunable strips. In order to demonstrate platform tolerant operation, the read range of RFID tag is measured by mounting it on different materials. The maximum read range of RFID tag is 4.5 m in free space or on dielectrics and 6.5 m above 200 × 200 mm²金属板，分别。

1.简介

现代无线技术正朝着一个新的范例，其中包括物联网（IOT）互联网和互联网的一切（IOE）驱动这个世界。在物联网的世界里，一切都会有自己独特的身份。物联网（IOT）的网络将提供一个新兴的集成的无线平台，在物理和虚拟的东西都可以被唯一标识，在全球范围内，并与全球网络相连接。物联网由于像智能城市以其独特的新兴应用[成为研究和行业普遍1，2]，连接车辆[2]，医疗保健监测[3-五]， 等等 [2]。射频识别（RFID）是物联网的重要技术之一，因为它可以让设备（对象）不仅通过网络分享其独特的数字码，以无线，也捕捉到在全球范围内对于本地化的物理状态[6]。RFID与物联网相结合，开设了应用上的新模式和新时代7]。的描述性模式，以使一个网络的IoT与RFID技术集成在图中示出1。

事情的基本信息将被存储在电子RFID标签的电子产品代码（EPC）或通用标识（UID）形式，并且该信息可以通过无线RFID阅读器，它可以从任何地方通过互联网访问读取[8-10]。

无源超（UHF）RFID标签的大部分，因为他们长期读取范围和高速数据传输能力的应用更具吸引力。此外，成本低，UHF RFID标签便于打印的结构，使他们能够整合或嵌入里面加标签的对象，给他们一个独特的属性。然而，UHF RFID标签是多向主机标签对象，如金属，木材和玻璃更敏感。这种敏感性，在一侧上，是用于利用UHF RFID标签作为感测装置好。在另一方面，对不同的表面此灵敏度需要为每个标记的实体单独的UHF RFID标签设计[7，11]。因此，它是有益的和具有成本效益的设计一个成本低，耐平台天线解决方案，以标签的大部分事情。

在文献中，有可用的解决平台宽容UHF RFID标签的这个问题，特别是对反金属表面效果[许多解决方案12，13]。在[14]，双层PIFA天线中引入了平台宽容的应用程序。然而，这种设计的性能在很大程度上取决于孔的位置。此外，在引入通路的双层结构使其成为一个昂贵的解决方案。A single layer coupled loop based antenna fabricated on 3 mm thick FR 4 substrate was proposed in [15]，用于标记和金属低介电常数的介电材料。Although this proposed antenna works on metal with read range of 6 m, its major drawback is substrate thickness. In [16]，一个阶梯阻抗耦合贴片天线被设计在薄衬底上。然而，这种耦合贴片具有小的带宽尤其是在金属表面。带数字的边缘锯齿状另一折叠贴片天线被设计在[17]，用于标记的金属物体。This antenna was wrapped around 3 mm thick substrate with RFID chip mounted on vertical edge, which leads to a structure which is expensive and difficult to fabricate. Also, the vertical chip mounting configuration is more vulnerable to damage. Another solution was proposed in [18]通过使用混合双端口标签天线，其由嵌入有贴片天线的偶极子的。This design has large size with 3.2 mm substrate thickness.

有许多技术来设计一个高效的平台宽容天线，诸如阻抗分析，采用超材料（电磁带隙（EBG），人造的磁导（AMC）），和电路分析。

特征模态分析(CMA)与特征模态理论(TCM)相结合，正成为设计高效终端天线的一种普遍的系统工具。将中医应用于天线设计并不是一个新课题。它首先由Garbacz提出，后来由Harrington和Mautz重新定义[19]。但是，近几年，中医在重新获得物理洞察天线设计。中医是因为它的以下特点[更具吸引力和系统化的方法19，20]。（1）它提供了一个更系统的设计方法，而不是强力。（2）它也允许设计师获得物理洞察天线的操作。（3）它可以帮助查找特定模式的共振频率。（4）它也允许找到最佳进给装置，以激励这些具体的模式。此外，在使用CMA为RFID [可用很少的设计21，22]和的IoT应用[23]。

本文利用特征模态分析，提出了一种适用于超高频射频识别和物联网应用的可调谐平台容忍折叠贴片天线。该天线由一个折叠贴片(包裹在FR 4基片)和一个小的感应馈电环路组成。印刷在纸基板上的送纸回路堆叠在折叠的贴片配置上。提出的折叠贴片优化使用CMA共振在915mhz。小进给回路与RFID芯片连接，提供共轭阻抗匹配。

因为单独的辐射和馈送元件的，所提出的标签天线具有阻抗匹配用的任何RFID芯片的通用性。此外，这种标签能够覆盖美国的RFID频段，并可以通过添加可调带调谐到欧洲的RFID频段。为了验证平台容错操作，RFID标签的读取范围是通过将其安装在不同材料上测量的。RFID标签的最大读取范围在自由空间或介质上为4.5 m, 200×200 mm以上为6.5 m²金属板，分别。此外，该标签还可以配备了基于物联网的传感器感知环境的影响和过程，这要归功于它的平台容忍能力。成本低，这种天线的可调谐，和平台宽容特性使其适用于RFID和物联网的应用。

2.特性模式分析

2.1。特征模式理论(中医)

特征模式可以作为任意的正交表面电流模式成形的导电体，这完全取决于其形状和大小，并独立于任何进料源的限定。

此外，特征模式（CM）可以通过求解特征方程，如下从矩量法（MOM）基于阻抗矩阵获得导出： 哪里和为母阻抗矩阵的实部和虚部;是eigencurrents和是特征值： 此外，由于特征模的正交性，可以用来推导表面总电流的天线如下： 哪里是模型激发系数和其被表示为它能够获得 该产品确定之间的耦合模式和激励。它还提供了天线的哪一模态是由馈电或入射电场激发的信息()。

2.2。矩形板的特征模态分析

The theory of characteristic modes (TCM) has been employed to calculate characteristic modes of a rectangular plate (160 × 25 mm²）mounted on a FR 4 (2 mm thick, loss less) substrate. The multilayer solver of CST Microwave studio has been used for modal analysis.

数字2shows the normalized current distribution (at 915 MHz) of first four associated characteristic modes of rectangular plate (as shown in subset of Figure3)。为了理解这些模态的行为，本征值将与标准化电流分布结合使用。与谐振模相关的本征值为零;结果表明，模的特征值越小，对辐射的贡献越大。此外，特征值的符号决定了某一模式是否在存储电能( ）或磁能（ )。与在自由空间中的矩形板的上述模式相关联的特征值显示在图3。模式resonates near 1.1 GHz as eigenvalue is zero near 1.1 GHz. Because of symmetry, the mode即使我们用直角板长度的一半也会传播。如从图中可以看出2，模式行为就像电感性模式;它也可以和与之相关的特征值确认（ )。此外，模式表示像特征值电流分布电容储能（ )。模式is a resonating mode at 1.6 GHz.

另一个称为模态意义的参数在确定模态共振的效率方面也非常有用。此外，应用外部激励源时，模态显著性决定了特定模态对总辐射的贡献。特征模态的模态显著性为160×25mm²矩形板如图所示4。

模式1和模式4谐振模，将有助于辐射，在由源激发，因为它们的模态意义接近1（如示于图4)。

模态意义的定义如下: 此外，从特征值计算出的特征角如由（6）也是特别确定确切的共振频率，其中被激发多于一个的模式需要非常有用的（例如，圆形极化的天线设计）。The characteristic angle associated with first four modes of 160 × 25 mm²矩形板显示在图五。对于谐振模 因此，模1和模4分别为1.1 GHz和1.6 GHz的谐振模。

3. RFID标签天线设计使用CMA

3.1。偶极补丁的CMA

由模式二开始(）of aforementioned rectangular plate (160 × 25 mm²)。如前所述，模式2是一种归纳模式。为了使其成为谐振模式，我们创建了一个小槽(对应于增加一个电容)，并使其成为像偶极子的贴片，如图子集所示6。如从图中可以看出7，这两种模式分别在920mhz和1.1 GHz谐振。此外，还可以从归一化的电流分布(如图所示)中推断2和7），该矩形板的模式1和偶极贴片的模式2相同。这意味着，引入槽的对这种模式没有影响。

矩形板的感应模式2成为共振模式与引入由小槽引入电容。

3.2。拟折叠Patch的CMA

The dipole patch is working at 920 MHz (US RFID bands 902 MHz to 928 MHz); however its length is more in order to use it as RFID tag. Due to symmetry, Mode 1 (resonating at 920 MHz) of dipole patch will still resonate, even if half of the dipole patch is used (80 mm). In order to reduce the length further the patch is folded with same length on FR 4 substrate as shown in subset of Figure8。所得折叠贴片天线的特征值曲线图在图中示出8。为确定其作为平台容忍设计的运行，图中给出了一种谐振模式的特征值图8，放置该折叠贴片在自由空间和有限理想导体（PEC）边界以上之后。它可以从特征值曲线图可以观察到，模式1的共振频率对于两个在自由空间和上述PEC边界条件几乎相同。

然而，模式1的特征值曲线的斜率是针对两个不同的边界条件不同。而且，折叠片的模式1有一个陡的斜率，上述金属板与自由空间，这意味着与上述金属相比，折叠的贴剂具有在自由空间更多的带宽相比。

3.3。与可调条建议折叠补丁的CMA

如可从图中表示折叠贴片天线的归一化的电流分布可以看出9中，由于在模式1中的电流接近折叠端最大，且朝向插槽降低，它的行为就像背腔缝隙天线。电流路径的有效长度可以增加通过增加在槽附近的折叠片的两侧上的两个可调谐条如在图的子集所描绘10。因此，天线可以调谐到欧洲RFID波段(866 MHz - 868 MHz)。折叠贴片调谐到欧洲RFID波段也可以通过特征值和模态意义图(图)来确认10）的该加法调谐条折叠后的补丁。

4.模拟结果

为了实现的RFID标签天线，馈战略应被提议后特性模式分析获得的折叠的补丁。由于大多数的RFID标签芯片具有电容性阻抗，要求标签阻抗为电感性为共轭匹配，因此，感应耦合回路是一个好的选择喂该天线。此外，共轭匹配，单独的耦合感应回路，还提供了与任何RFID芯片阻抗匹配的多功能性，仅通过改变循环参数，在不主散热器（折叠贴片）的任何变化。

提出折叠贴片RFID标签的完整的天线几何形状示于图11。最后，提出的设计包括一个折叠贴片作为主要散热器和一个小的感应馈电环路，以匹配RFID芯片。

此外，图12示出了将折叠贴片上方的感应馈电环后的表面的电流分布;它是从图清楚12该进料回路激发相同的模式在折叠贴片天线的特征模式分析表达（图9)。所提出的折叠贴片是围绕一个低成本FR 4基板包裹（ ， )。Furthermore, the inductive feeding loop is printed on a 0.25 mm thick paper substrate.

提出的设计的详细尺寸如图中示出13。涉及仿真天线设计参数被优化进一步使用CST微波工作室的频域解算器和列于表1。更多over, Alien Higgs H3 has been used as RFID chip with impedance (30–201 j) computed from equivalent circuit of parallel 1500 ohms resistance and 0.85 pF capacitance.

如图14，这个标签设计的模拟输入阻抗图证实了美国RFID频段（美国）不可调带工作天线，并且可以调整到欧洲RFID（EU）与波段调谐条。The real and imaginary impedance of antenna is ranging from 30 to 40 Ohms and 180 to 205 Ohms, respectively, in required RFID bands, which is best matched with Alien Higgs-3 RFID chip.

To verify antenna performance as platform tolerant design, for simulation purpose, the antenna is placed on two different materials: (1) a 200 × 200 mm2 plate with relative permittivity ，代表低介电常数电介质;(2) a 200 × 200 mm2 metal plate. For both cases, the power reflection corresponding to conjugate match of this proposed design is shown in Figure15。The 3 dB bandwidth of antenna is more than 40 MHz for both cases in US band, with a little bit shift in center frequency for metal case. However, the bandwidth of antenna is enough to protect it from detuning. Moreover, the antenna also provides 3 dB bandwidth of 30 MHz in EU band. Also, in this case, there is a small shift in center frequency as compared with metal and dielectric case.

Furthermore, the directivity of this tag antenna is 5.87 dBi, after mounting it on a 200 × 200 mm2 metal plate as depicted in Figure16。

5.测量和讨论

提出的RFID标签的原型如图具有一个短路端的地衬底上，制作17。外来希格斯H3 RFID芯片与印刷在纸基材上小馈电环相连接。然后将含有进料回路本文基板粘贴在折叠片的槽。

为了验证在不同材料上的天线的性能，该标签的输入阻抗是使用安捷伦E8363B矢量网络分析仪通过以下所表达的程序测量[24]。

阻抗测量设置如图的插图所示18。两条同轴电缆的外涂层被焊接在一起，而每根电缆的单一端部用馈电环的开口端连接。天线的回波损耗是通过计算式[给定24使用从这个设置测量的参数。

与模拟结果进行了比较（图18），a better impedance match was observed for 865 to 868 MHz band, whereas the value of measured return loss is more for 902 to 928 MHz band. Overall, the measured results show a good agreement with simulation results with a little reduction in bandwidth. This may be due to some fabrication error or cable loss. Moreover, the measurement procedure also introduces some discrepancies.

此外，用于粘贴上述馈电环的胶还引入了在介电常数和衬底的厚度的某些变化。

RFID标签的理论读取范围可使用弗里斯公式如下来估计： 哪里 ， 在发射功率和RFID阅读器的增益，是标签天线的增益，并是芯片的最小阈值功率。

然而，另一种更好的和更实际的方法来估计最大读取范围与最大允许EIRP是先计算读取范围为EIRP的值小具有固定距离其被表示为 哪里是标签的最大读取范围，是参考固定距离在实验室测量是最大允许EIRP = 4瓦的大部分区域，并且为距离测量设备的参考EIRP。采用tagperformanpro设备(来自Voyantic公司)基于设置在实验室中测量最大读量程，如图所示19。频率扫描是通过用一个固定的距离Tagformance（运行）由泡沫间隔件提供。的理论读取范围是通过使用由下式表示式系统软件估计（8)。使用标签性能设置，在200×200 mm2金属板上测量的标签读取范围如图所示20。如从图清楚20，the measured read range of proposed tag is 6.2 m on 200 × 200 mm2 metal plate.

为了验证该标签溶液的鲁棒性，在室外和室内实验室环境中，使用4 W EIRP将RFID标签安装在不同材料上，测量其读取范围。测量装置包括一台笔记本电脑、Impinj R420阅读器和一个圆偏振阅读器天线。读取范围测量在920兆赫兹进行。

距离测量中使用的安装材料有塑料、木材、玻璃和书本(200×200 mm)²)。在上述材料上的最大测量读数范围如图所示21。更多over, the maximum read measured on metal plate is 6.5 m, while the measured read range on all other materials is more than 4.5 m in indoor environment. However, there is a small reduction in read range observed in outdoor environment.

此外，该标签设计的测量的读取范围图案显示在图22。A good unidirectional read range pattern with maximum read distance of 6.5 m is acquired in- 平面。此外，它可以从图中可以观察到的22的是，由于表面的电流分布的最大读取角度倾斜更靠近折叠边。

表中列出了所提议的设计与其他一些RFID标签在尺寸和性能方面的比较2。

六，结论

在物联网(IoT)中，每一个物体都可以通过一个独特的数字代码在全球范围内与互联网相连。RFID与物联网的结合开启了一个新的应用范式和时代。为了标记大量的东西，它是成本效益使用一个RFID标签天线为不同的东西。因此，本文利用特征模态分析，提出了一种适用于超高频RFID和物联网应用的具有可调谐能力的平台容忍折叠贴片天线。所提出的设计包括一个折叠贴片包裹在FR 4基片和一个小的感应馈电环路印刷在纸基片。提出的折叠贴片优化使用CMA共振在915mhz。由于该标签有一个单独的辐射和馈电元件，因此它可以重复使用，并具有与任何RFID芯片匹配的阻抗的多功能性。此外，为了验证所提出的RFID标签的平台容错能力，将其安装在不同材料上后测量其读取范围。RFID标签的最大读取范围在自由空间或介质上为4.5 m, 200×200 mm以上为6.5 m²金属板，分别。这种天线的平台容忍能力使它有利于物联网与传感器，可以用来感应环境的影响和流程的整合。此外，这种天线的低成本和可调谐特性使得它适合候选RFID和物联网应用程序。

利益冲突

作者宣称，有兴趣就本文发表任何冲突。

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