关键词：
人体电磁环境
HF-UHF双频段
馈电结构
标签天线
RFID腋下测温标签
摘要：
体温监测在疾病防控和治疗中非常重要,因为提前发现体温异常可以帮助人们更早地寻求治疗或预防措施。随着低功耗技术的进步与发展,RFID标签已经集成了传感和信号处理能力,利用RFID测温标签实时连续地监测人体体温成为了一种新兴的测温方式。然而,由于人体电磁环境的复杂性,RFID标签与人体接触时,标签天线的阻抗特性、辐射增益等性能都会被恶化,最终影响标签的通信距离。目前,研发人员开发了一系列的可穿戴RFID测温标签实现对人体体温的连续性监测,然而这些可穿戴RFID测温标签通常只工作在HF频段(13.56 MHz)或UHF频段(840-960 MHz),不能兼顾到不同RFID系统带来的便利性。此外,目前的可穿戴RFID测温标签应用于腋下测温时由于标签天线被夹在人体腋下产生了通信距离过短的问题。针对以上问题,本文设计了三款可穿戴超薄半有源RFID测温标签。基于人体等效溶液模型设计了一款HF-UHF双频段可穿戴超薄半有源RFID测温标签。该标签采用小环天线作为匹配结构,以实现超高频天线输入阻抗与芯片阻抗的共轭匹配。弯折UHF天线被设计在HF天线内部,以实现紧凑的双频段天线设计。此外,天线左右辐射臂的一部分与柔性电池采用了共形重叠设计以降低电池内金属部件对UHF天线的干扰。仿真结果表明,所设计UHF天线的阻抗特性、辐射增益以及辐射方向图具有对电池内金属部件不敏感的特点。实验结果表明,当标签被附着在人体等效溶液模型表面时,芯片端口的阻抗特性仿真结果与实测结果基本吻合,且所设计标签工作在HF频段与UHF频段的实测距离分别达到了2 cm与1.1 m。针对可穿戴测温标签应用于人体腋下测温时通信距离过短的问题提出了一款基于可穿戴差分馈电结构的超薄半有源RFID腋下测温标签。在该标签的设计中,首先提出了一种基于理想耦合微带线的差分馈电结构电路模型以解决UHF RFID标签中采用传输线馈电带来的阻抗失配问题,并在此基础上设计了一种可穿戴差分馈电结构以使标签天线远离腋窝环境;然后在所设计馈电结构的基础上设计了一款新型环形标签天线,相比于传统的偶极子标签天线,该天线的辐射增益提高了2.32 d B;最后,将所设计天线通过可穿戴差分馈电结构连接到RFID芯片进行仿真分析,仿真结果表明在920 MHz频点处芯片端口输入阻抗接近芯片端口输出阻抗的共轭。对所设计标签原型进行实验测试,实验结果表明,当标签被附着在人体等效溶液模型表面时,芯片端口的阻抗特性实测结果与仿真结果十分接近,实测阅读距离达到了3.3 m。针对可穿戴测温标签应用于人体腋下测温时通信距离过短的问题提出了一款基于可穿戴差分端口转单端口馈电结构的超薄半有源RFID腋下测温标签。在该标签的设计中,首先提出了一种差分端口转单端口馈电结构电路模型以将RFID芯片输出的差分信号转化为单端信号,使得单端天线也可以应用于RFID标签设计中;然后在此基础上设计了一种可穿戴差分端口转单端口馈电结构以使标签天线远离腋窝环境;接着在所设计馈电结构的基础上设计了一款新型单极子天线,该天线相比传统倒F天线具有更强的阻抗调节能力;最后,将所设计天线通过可穿戴差分端口转单端口馈电结构连接到RFID芯片进行仿真分析,仿真结果表明在920 MHz频点处的芯片输入阻抗接近芯片端口输出阻抗的共轭。对所设计标签原型进行实验测试,实验结果表明,当标签被附着在人体等效溶液模型表面时,芯片端口的阻抗特性仿真结果与实测结果十分接近,实测阅读距离达到了2.4 m。
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