用于老年人临床监护系统的超高频射频识别天线

程铋峪

安徽邮电职业技术学院通信工程系，安徽合肥,230031

中国已经逐渐进入老龄化社会，据有关部门预测，到2035年,老年人口将达到4亿人[1]。伴随人口老龄化，长期卧床病人将会增加，易出现大小便失禁的情况。医护人员不足，难以保证实时护理,将给病患带来极大的不适感，也容易导致湿疹和局部感染。针对此问题展开相应研究既能减轻医护人员工作负担，也能应对人口老龄化带来的实际问题，适应经济社会发展[2]。

射频识别(RFID)技术是使用最广泛的一项信息传递技术[3]，因其安全可靠、成本低，被广泛用于物流管理[4]、交通信息化管理[5]、药品食品防伪鉴别[6]以及医疗监控应用[7]等方面。在一个典型的无源RFID系统中，每个物体都会贴上一个标签(tag)，这个标签即为射频识别系统的应答器,由标签天线和芯片构成；当另一侧的读写器(writer/reader)发射信号时，处于交变电磁场中的标签相应地产生能量从而驱动标签芯片，实现通信。常用的RFID通信频段有：125 KHz、13.56 MHz、433.92 MHz、超高频(UHF)920 MHz、2.45 GHz等。其中UHF射频识别系统因其具有较远的读写距离，较高的数据传输速度以及较好的应对环境干扰的能力越来越受到关注[8-10]。

普通天线为了与传输线匹配通常都设计成50 Ω的输入阻抗，标签天线则需要根据具体的芯片来设计，以达到最优的辐射性能[11-13]。在标签天线设计中，往往需要利用弯折技术实现天线体积缩减[14]，通过调节天线枝节的长度和宽度来实现阻抗调节[15-16]。

本文设计了一种用于老年人临床监护系统的UHF RFID天线。该标签天线利用老年人临床使用的尿不湿作为基板。尿不湿在干燥与大小便混合物附着时其相对介电常数将发生变化，进而会影响天线匹配。标签天线在尿不湿干燥时可正常与读写器进行数据通信；一旦出现老年人大小便失禁，天线将失配，无法与读写器进行通信，此时服务器检测出通信中断，则可通知医护人员进行处理。

1 天线设计

图1 天线结构示意图

标签天线结构如图1所示，中间为矩形环单元，芯片位于矩形环底部中心预留的馈电端口中，左右两侧由对称的弯折单元构成，标签天线各部分贴片宽度均为1 mm，标签天线各部分具体尺寸(表1)。

表1 图1中天线各部分尺寸单位：mm

LL1L2L3L4L5L6L742125.522363WW1W2W3W414841113

注：L为长度，W为宽度。

天线仿真采用Ansoft公司的HFSS ver.15软件。天线基板采用的是可供老年人使用的尿不湿。尿不湿在正常干燥的情况下相对介电常数为1.3，电导率为0.04 S/m；而在大小便附着时的相对介电常数为80，电导率为1.54 S/m。人体模型采用国际上常用的三层结构[17]，上层为皮肤层(与尿不湿接触)，中层为脂肪层，底层为肌肉层(图2)。其中工作在915 MHz时皮肤的相对介电常数为41.3，电损耗正切为0.41，导电率为0.87 S/m；脂肪的相对介电常数为5.45，电损耗正切为0.18，导电率为0.05 S/m；肌肉的相对介电常数为55，电损耗正切为0.34，导电率为0.95 S/m。该标签天线采用Impinj公司的Monza 4芯片，芯片阻抗Zc=11-j143欧姆。

图2 天线仿真模型

由于标签芯片的阻抗为容性，为了与其实现共轭匹配，达到能量最优传输的效果,设计中采用了呈电感性的环形单元结构与弯折枝节结构相结合的设计方式，并利用仿真对环形单元与弯折枝节进行了优化。环形单元长度L1对标签天线性能的影响如图3所示：其中图3(a)表明，随着环形单元长度L1增长，天线的谐振点将往低频段移动；图3(b)及图3(c)分别分析了环形单元长度L1与天线输入阻抗的关系，结果表明，随着L1的增长，天线输入阻抗的实部与虚部阻抗值也随之增加。

图3 L1对标签天线各参数的影响

分析环形单元宽度W1对标签天线性能的影响(图4)：其中图4(a)表明，随着环形单元宽度W1增长，天线的谐振点将往低频段移动；图4(b)及图4(c)分别分析了环形单元宽度W1与天线输入阻抗的关系。分析表明，随着W1的增长，天线的输入阻抗的实部与虚部阻抗值也随之增加。分析折叠单元的宽边长度W4对天线各方面性能指标的影响，如图5所示。从图5(a)中可以看到，宽边长度W4增加，将会改善天线在915 MHz谐振点处的匹配，但增加过长，天线谐振点将往低频段移动；图5(b)与图5(c)表明，天线的输入阻抗的实部与虚部阻抗值也随折叠单元的宽边长度W4的增加而增加。

图4 W1对标签天线各参数的影响

图5 W4对标签天线各参数的影响

2 结果与讨论

该天线在穿戴条件下的回波损耗曲线如图6所示。当标签天线在干燥尿不湿上时能达到较好的匹配效果，其阻抗带宽可以覆盖我国当前UHF RFID使用主流频段902～928 MHz。当老年人大小便失禁的时候，由于尿不湿的相对介电常数发生了变化，因此天线处于失配状态。标签天线的输入阻抗曲线如图7所示，可以看出，当尿不湿干燥时，该天线输入阻抗可以很好地与芯片共轭匹配。

图6 标签天线在匹配与失配时S11 图7 标签天线输入阻抗曲线

该天线在915 MHz频点处xz面及yz面辐射方向如图8。由于天线采用了弯折结构进行设计，从图8中可以看出，该天线在天线整体尺寸减小的同时，具有偶极子天线良好的辐射方向特性。天线在-z方向，表示向床底方向上的最大增益为-3.46 dBi。该天线失配时的辐射方向如图9，天线在-z方向的最大增益衰减为为-22 dBi。

图8 匹配时辐射方向图 图9 失配时辐射方向图

图10为该标签天线应用于老年人临床监护时的工作示意图。标签贴附于老年人穿戴的尿不湿上，读写器放置于床底。参照中国病床平均高度，标签与读写器距离设置为0.5 m。通过传输系数公式(公式1)及弗里斯传输公式(公式2)可以得出匹配与失配条件下系统工作情况[13]。

图10 监护系统简易示意图

(1)

(2)

公式(1)中的Rc与Ra分别为所使用的Monza 4芯片阻抗的实部与该标签天线输入阻抗的实部值，Zc与Za分别为芯片阻抗值与标签天线的输入阻抗值。匹配时芯片与标签天线输入阻抗值接近共轭，因此传输系数接近于1。公式(2)为弗里斯传输公式，其中Pt为读写器天线的发射功率，Pr为芯片的最小接收灵敏度，Gt与Gr分别为读写器天线、标签天线的增益。

在本文中，读写器采用UHF超高频中距离读写一体机Ljyzn-101，输出功率达至30 dBm(可调)，8 dBi天线配置；标签天线的接收灵敏度为-17.4 dBm。915 MHz时，在匹配条件下，RFID标签天线最大增益取值为-3.46 dBi，读写器只需输出功率0.002 2 W，即可满足0.5 m的通信需求。失配时，RFID标签天线最大增益取值为-22 dBi，标签输入阻抗为92-j3Ω。根据上述公式计算，即使读写器输出最大功率，通信距离仍小于0.43 m，故无法实现通信，从而可以实现判别。

3 结 语

本文设计了一种应用于老年人临床监护系统的RFID标签天线。该天线以尿不湿为基板，由环形单元以及两侧弯折单元构成，可以很好地覆盖902～928 MHz UHF RFID频段。通过利用尿不湿在干燥与有大小便混合物附着情况下,介电常数会发生相应变化，从而导致天线阻抗匹配发生变化的原理，天线可以很好地与市面售卖的读写器构成监护系统。