基于超高频射频识别技术的共形湿度传感器_金钢跃.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023专题研讨 虚拟仿真技术(112)DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 022基于超高频射频识别技术的共形湿度传感器金钢跃，王晶，许宁，刘琦(杭州电子科技大学 电子信息学院，杭州 310018)摘要:针对湿度检测无线传感的问题，设计了一种基于超高频射频识别技术的共形湿度传感器。该传感器中间加载射频识别芯片，以获取来自阅读器的电磁能量，实现无线无源的数据传输;以锥形软木介质作为湿敏材料，降低了设计的成本;采用共形设计，提高了结构的紧凑性。仿真和测试表明，该结构在超高频 840 960MHz 有良好的湿度感应效果。利用传感器接收到的后向散射功率，分析并建立功率-湿度曲线，实现湿度检测的目的。关键词:射频识别;电磁能量;后向散射功率;湿度检测中图分类号:TN 925文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0103 05Conformal Humidity Sensor Based on UHF FID TechnologyJIN Gangyue，WANG Jing，XU Ning，LIU Qi(School of Electronics and Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)Abstract:A conformal humidity sensor based on UHF FID technology is designed to solve the problems in humiditydetection The sensor is equipped with radio frequency identification(FID)chip to obtain electromagnetic energy fromthe reader and realize wireless and passive data transmission Conical cork medium is used as wet sensitive material toreduce the cost Conformal antenna structure is used to improve the compactness of the sensor The simulation andmeasurement results show that the sensor could obtain desirable sensing results in 840-960 MHzBased on thebackscattered power received by the FID reader，the power-humidity curve can be analyzed and established to realizehumidity monitoringKey words:radio frequency identification(FID);electromagnetic energy;backscattered power;humidity detection收稿日期:2022-08-31基金项目:国家自然科学基金项目(61901146);杭州电子科技大学2020 高等教育教学改革研究项目(YBJG202079)作者简介:金钢跃(1999 )，男，浙江嘉兴人，硕士生，主要研究方向为物联网技术与应用。Tel:19550150705;E-mail:jingangyue hdu edu cn通信作者:刘琦(1989 )，女，安徽宿州人，博士，副研究员，主要研究方向为射频识别及传感技术。Tel:13656718136;E-mail:liuqi67 hdu edu cn0引言相对湿度(elative Humidity，%H)，是一种衡量空气湿度水平的参量，是单位体积内实际所含的水汽密度与同等温度时的饱和水汽密度之比，其值往往用百分比表示。相对湿度过高或过低会导致人体机能下降产生烦躁、疲倦等情绪，也会增加患上相应疾病的概率。湿度传感器在日常生活中扮演着越来越重要的角色，通过湿度传感器可以实现对湿度的实时监测，以便做出相应的环境调整。射频识别(adio Frequency Identification，FID)电子标签以其低成本、使用寿命长、无线无源等优势，近年来逐渐在传感检测领域占据越发重要的地位。FID 标签可取代无线传感器节点检测目标信息，且可取代无线传输设备(如 Wifi、蓝牙等)将目标信息传输到服务器，实现信息的检测、传输及处理等操作，有很高的便利性和兼容性。随着 FID 技术的不断成熟，超高频 FID 电子标签在温度1、湿度2、拉力3、建第 42 卷筑4、金属结构缺陷5 和管理6-8 等领域均有出色表现，FID 湿度传感器更是在食品存储9、农林业监测10、工业监测和医疗安全11 等领域投入广泛应用。在 FID 领域，已经探索多种可用于湿度传感器的材料，如 kapton HN 50012、nafion 11713、PVA14、软木15-16、纺织纱线17-18 和各类新型聚合物如 CleviosPH 500 等。新型聚合物的成本过高、制造技术受限，基于成本和获取途径考虑，本文选用软木作为介质基材。软木介质基材由于其多孔结构对于湿度的变化敏感。当环境湿度变化时，软木中的含水量也会发生变化，从而导致其介电常数和损耗角正切的变化，并最终体现为软木共形标签的谐振频率以及后向散射功率值的变化。利用这一特性可将软木当作敏感材料用于湿度传感，通过测试分析拟合出后向散射功率接收信号强度指示(eceived Signal Strength Indicator，SSI)和环境相对湿度之间的关系，更直观地实现湿度的感应。本设计有助于学生理解 FID 系统、物联网、传感器的原理和应用，提高学生的仿真、测试、数据处理能力，加深学生对 FID 及传感理论的理解，提高学生进行综合设计、仿真和实现的能力。1工作原理1.1FID 系统原理无源超高频 FID 系统主要包括无源电子标签、阅读器、阅读器天线和标签天线。无源电子标签由天线和芯片组成，每个标签都内置一个唯一的电子编码(Electronic Product Code，EPC)，以对附着物体进行标识。阅读器可通过阅读器天线和标签天线之间传递的射频信号实现写入或读取标签的信息。在 FID 系统中，标签天线往往需要与射频芯片进行复阻抗的共轭匹配19-20，共轭匹配越好，其功率反射系数越小，损耗也就越小。在实际情况下，标签天线与射频芯片难以实现完全共轭匹配。天线与射频芯片因没有完全达到共轭匹配而产生的功率反射系数为s2=Zchip Z*anZchip+Zan2(1)式中:Zan为天线的等效复阻抗;Zchip为射频芯片的等效复阻抗;Z*an为 Zan共轭复阻抗。由于 FID 芯片的复阻抗一般呈容性，为实现与芯片阻抗的共轭匹配，标签天线的输入阻抗需要设计为感性。FID 系统在工作时，标签接收来自阅读器的电磁波，在不考虑外部影响的时候，其接收的电磁波功率Ptag会受阅读器发射功率、标签天线和阅读器天线在自由空间的增益等因素的影响，根据弗林斯(Friis)自由空间公式Ptag=PtGtGtag2(4)2(2)式中:Pt为阅读器发射功率;Gtag为标签天线在传输方向上的增益;Gt为阅读器天线在传输方向上的增益;为阅读器天线与标签之间的距离;为工作频率的波长。阅读器接收到的标签后向散射功率 SSI 只需把标签天线作为发射端，阅读器天线作为接收端，再次使用 Friis 自由空间公式，计算出SSI=(1 s2)PtG2tG2tag4(4)4(3)可见，SSI 与标签天线的功率反射系数 s2负相关，由于反射系数在 0 1 之间，在其他参数保持不变的前提下，反射系数的单调变化会导致后向散射功率SSI 的反向单调变化。1.2湿度检测原理设计采用软木作为介质基材，其介电常数会随着空气中相对湿度的变化而呈单调变化的关系。软木在湿润状态时，其介电常数约为 2.8，损耗角正切为0.04。软木在环境相对湿度为 0%的干燥状态时，其介电常数约为 1.5，损耗角正切为 0.016。当环境湿度变化引起软木介电常数和损耗角正切的变化，改变了天线结构中等效电容的大小，导致原本设计的天线与 FID 芯片的阻抗失配。当湿度增加时，软木介电常数增大，引起结构中等效电容的增大，天线的谐振频率与等效电容成反比，使谐振点向低频偏移，谐振频率的低频偏移导致在原谐振频率处的功率反射系数 s2增加，阅读器收到的后向散射功率减小。由式(3)可知，后向散射功率 SSI 就会减小。根据这一规律可将环境湿度的线性变化转化为阅读器接收到的后向散射功率的单调变化，通过后向散射功率的变化规律可直接确定空气中相对湿度的大小。2设计与优化该标签天线有 3 层，最外层为标签的共形金属贴片天线及射频芯片，中间是标签的衬底材料，内层为软木基材。其中共形金属贴片天线采用金属铝材料，其结构以槽天线为原型，在其四周轴对称位置开槽以减小天线尺寸。射频芯片采用 Impinj Monza 4，安装于金属贴片中心位置。中间层采用 Polyster(聚酯纤维)，厚度为 0.01 mm。内层采用实心圆台结构。标签共形贴附于圆台表面。天线和射频芯片的平面结构如图 1 所示，图中灰色部分为金属铝结构，中间白色部分为基底。通过三维电磁仿真软件 Ansys HFSS 对平面贴片天线进行优化，优化过程如图 2 所示。原始结构为一个槽天线，如图 2(a)所示。该天线贴附于 5 mm 厚的软木板上，通过仿真优化参数，使得该结构在湿度单调变化的前提下，谐振频率能在 860960 MHz 之间单调偏移，达到湿度检测的目的。其401第 2 期金钢跃，等:基于超高频射频识别技术的共形湿度传感器图 1湿度传感标签平面结构示意图图 2优化过程示意图次，需要实现与射频芯片之间的共轭匹配，射频芯片Impinj Monza 4 在超高频频段，其等效阻抗大约为(11 j143)，因此，标签天线的目标输入阻抗需要设计为(11+j143)。结构图 2(a)所示的标签天线，其功率反射系数随湿度的变化如图 3 所示。图 3在不 同湿度下的功率反射系数该结构对于湿度有良好的灵敏度，在谐振频率处的功率反射系数仅为 8 dB 左右，这一定程度上是由于软木在从干燥到潮湿过程中的损耗角正切在 0.0160.04 之间变化，从而导致天线有一定介电损耗。需要对结构图 2(a)进行调整，进一步实现阻抗的共轭匹配、减小损耗的目的。将槽天线进行共形的操作，并贴附于锥形软木上，这有利于减小结构的横向尺寸，其结构见图 2(b)。该结构所示标签天线的功率反射系数曲线如图 4 所示。可得整体功率反射系数下降了 5 6 dB。图 4共形立体结构功率反射系数曲线如图 2(b)所示结构标签天线的谐振频率在 9001 020 MHz 范围，未能在预期的 860 960 MHz 频段，对该结构采用四周轴对称开槽的方式进行优化，可增大电流流动的有效路径，以此降低谐振频率。改进结构如图 2(c)所示。图 5(a)(c)分别为对开槽的位置 X1、深度 Y1和宽度 Z1分别进行了优化仿真。X1在 1 5 mm 范围内进行优化，Y1在 5 9 mm内优化，Z1在 7 11 mm 范围内优化，可得 X1、Y1的变化能较大程度地使谐振频率偏移，Z1变化对谐振频率的偏移不太明显。要使得相对湿度在 0 时的谐振频率在960 MHz 左右，故而取:X1=3 mm，Y1=5 mm，Z1=9 mm。最终得到的尺寸:L=54 mm;W=48 mm;L1=5.4 mm;L2=1.8 mm;W1=11