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本文基于电磁场时域有限差分(FDTD)法,利用仿真软件XFDTD计算了应用于人体超高频远程监控的射频识别系统中的标签天线随频率变化的输入阻抗,最大增益以及870 MHz时水平面的增益方向图,还计算了芯片和天线组合成的系统的水平面各个方向上的最大作用距离。为了使得天线工作频率包含射频识别常用范围(860~960 MHz),在计算天线随频率变化的特性时,FDTD算法中的激励源设定为调制频率为870 MHz的调制高斯脉冲源。而在计算870 MHz时水平面的增益方向图时,激励源为正弦波源。同时FDTD吸收边界条件选用了吸收效果良好的8层PML吸收边界条件。
首先我们建立了分辨率为2 mm的椭圆柱型人体模型,接着建立了“H”型缝隙标签天线的模型。通过改变缝隙尺寸,计算了典型形状的天线的输入阻抗和最大增益随频率变化情况,以及870 MHZ时天线水平面的增益方向图,讨论了在射频识别应用的超高频范围内输入阻抗的情况,说明了天线的输入阻抗与缝隙尺寸的关系,可以通过调节天线缝隙的尺寸得到能和微芯片获得共扼匹配的天线的输入阻抗。
然后建立了分辨率为3.6 mm的Zubal人体模型,在组织的电磁参数分别设为单频率下的参数,和设为经典的德拜模型下的参数时分别讨论了在该模型下各种天线的输入阻抗和最大增益随频率变化的情况,870 MHz时天线水平面的增益方向图。与之前讨论的2 mm的模型下的情况进行比较,说明了不同人体模型对天线性能的影响以及模型参数不一样对计算结果的影响。
最后计算了870 MHz下,典型应用中不同芯片和最佳匹配天线系统的水平面的增益方向图,进而计算了读写器传输的有效功率EIRPR=3.2 W,微芯片工作所需要的功率Pchip=1 mW时,各系统在水平面各个方向上的最大作用距离,得到最大作用距离一般在几米范围之内,可以通过减小Pchip增大系统的作用范围。