譚立容 王從屹 伍瑞新

（1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210093；2.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210046）

引 言

無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是利用射頻信號(hào)來自動(dòng)識(shí)別物體的一種技術(shù)。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽（包括芯片和標(biāo)簽天線）、閱讀器和電腦等組成［1］。當(dāng)前，射頻識(shí)別常用的工作頻率有低頻頻段（125kHz、134kHz）、高頻頻段（13.56MHz）、超高頻（UHF）段（840～960MHz）和2.45GHz以上的微波頻段等。超高頻段和微波頻段由于具有操作距離遠(yuǎn)、通信速度快、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，已在停車收費(fèi)、物流、公共交通和汽車安全防盜等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。

全球各國家對(duì)UHF RFID工作頻段的規(guī)定不同，例如840～845MHz（中國）、920～925MHz（中國）、868～870MHz（歐洲）、902～928MHz（北美和南美）、952～954MHz（日本），這個(gè)給射頻識(shí)別技術(shù)的全球化應(yīng)用造成了一定的困難。設(shè)計(jì)一種能覆蓋世界各國UHF RFID頻率范圍的標(biāo)簽天線，對(duì)于RFID技術(shù)的全球化應(yīng)用是極為重要的。例如，隨著物流的發(fā)展RFID標(biāo)簽常用于貨物的自動(dòng)識(shí)別中。要在全球范圍內(nèi)使貨物容易地被識(shí)別，就必須要求RFID標(biāo)簽?zāi)芄ぷ髟谝粋€(gè)很寬的頻帶內(nèi)，從而保證標(biāo)簽中的信息能在世界各地被正確地識(shí)別出來。

為了使RFID標(biāo)簽?zāi)芄ぷ髟谌騏HF RFID頻段（840～960MHz）內(nèi)，首先要求標(biāo)簽天線能工作在上述頻率范圍。為此，人們研究了展寬UHF標(biāo)簽天線工作頻帶的各種技術(shù)，常見方法有：1）采用電感耦合結(jié)構(gòu)［2］；2）采用電容耦合結(jié)構(gòu)［3］；3）通過調(diào)節(jié)T 型匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬頻帶標(biāo)簽天線［4－5］；4）采用兩個(gè)寄生貼片激發(fā)新的波模來增加帶寬［6］，這些方法所得到的UHF標(biāo)簽天線雖然達(dá)到了展寬工作頻帶的目的，但常常需要以較大的天線尺寸為代價(jià)，它不能滿足電子標(biāo)簽小型化的要求。雖然低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)［7］、彎折的微帶線［8］、引入分形縫隙環(huán)結(jié)構(gòu)［9］和采用圓環(huán)結(jié)構(gòu)［10］等方法已被用于電子標(biāo)簽小型化中，但所得標(biāo)簽天線的帶寬往往不能覆蓋全球UHF RFID頻段。到目前為止，在國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道中做得較好的標(biāo)簽天線半功率帶寬從823 MHz到971MHz（其尺寸為83mm×85.5 mm）［11］。由上可見，要實(shí)現(xiàn)工作頻帶寬尺寸小的UHF標(biāo)簽天線仍然是困難的。而如何實(shí)現(xiàn)寬帶小型化的標(biāo)簽天線是RFID技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中必須要解決的問題。

針對(duì)寬頻帶標(biāo)簽天線研究中的問題，本文中提出了一個(gè)新的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，它使用了一對(duì)相互連接的開口諧振環(huán)和一個(gè)電感耦合引向線來實(shí)現(xiàn)天線的寬帶和小型化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線在VSWR＜1.22的工作頻帶達(dá)170MHz（790～960MHz），覆蓋了全球所有的UHF頻段。結(jié)合具有寬頻特性的商業(yè)標(biāo)簽芯片（RI－UHF－STRAP－08），實(shí)際制作了超高頻RFID標(biāo)簽。對(duì)該電子標(biāo)簽的實(shí)際測量表明：設(shè)計(jì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，具有較好的工作性能，能夠在多種工作環(huán)境下工作。天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于制造的優(yōu)點(diǎn)。

1 新型標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能

在電磁工程領(lǐng)域中，超常材料常常用來減小微波器件的尺寸［12－13］。開口諧振環(huán)（SRR）是一種構(gòu)建超常材料的基本單元，它已被用在許多微波器件如天線等的設(shè)計(jì)中。在電磁場作用下，金屬諧振環(huán)具有電感L，開口處表現(xiàn)出電容C和金屬有限電導(dǎo)率導(dǎo)致的電阻R，整個(gè)開口諧振環(huán)可以等效為一個(gè)由電容、電感和電阻串聯(lián)的諧振電路。在微波段金屬電阻的影響?？珊雎?，開口諧振環(huán)可看作在外加場感應(yīng)下的LC諧振器［14］。開口諧振環(huán)具有亞波長諧振特點(diǎn)，它已被用于微波器件的小型化設(shè)計(jì)中，諧振頻率跟開口諧振環(huán)具體尺寸大小有關(guān)。

本設(shè)計(jì)采用將兩個(gè)大小不一樣的開口諧振環(huán)相互連接，構(gòu)成相互連接的開口諧振環(huán)對(duì)。通過尺寸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)小尺寸SRR的諧振頻點(diǎn)毗鄰大尺寸SRR的諧振頻點(diǎn)，達(dá)到拓寬標(biāo)簽天線工作頻率范圍、構(gòu)造小型寬帶標(biāo)簽天線的目的。圖1（a）給出了所提出的天線結(jié)構(gòu)，它包括了一對(duì)相互連接的開口諧振環(huán)和一個(gè)電感耦合引向線，后者是用來獲取更好的天線輻射特性。

圖1

應(yīng)用射頻仿真軟件（HFSS）對(duì)該標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在厚度為1.5mm的FR4電路板上天線尺寸的最終尺寸為（單位：mm）：L3＝19.03，X3＝2，A2＝0.43，A1＝2.5，L1＝40.32，W1＝20.1，L2＝9.69，W2＝9.4，X1＝3，X2＝2.在設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮到了天線和射頻芯片之間的阻抗匹配。圖2給出了仿真得到的天線電壓駐波比，天線在790～960MHz范圍內(nèi)駐波比均小于1.22.因此，該天線可以很好地工作在全球所有的RFID UHF頻段上。圖3給出了天線輻射方向圖的仿真結(jié)果。結(jié)果顯示天線在E面表現(xiàn)出典型的偶極子天線的輻射特性；在H面上則近似全向輻射，能夠滿足在實(shí)際應(yīng)用中要求能從各個(gè)方向上讀取電子標(biāo)簽信息的需求。由仿真得到該天線在915MHz頻率的天線效率為63.8%.

作為比較在表1中列出了本文設(shè)計(jì)天線和目前國內(nèi)外其它寬帶小型UHF標(biāo)簽天線的天線尺寸和工作頻率?？梢钥吹剿岢龅臉?biāo)簽天線具有頻帶寬和面積小的特點(diǎn)，其綜合性能優(yōu)于大多數(shù)同類寬帶超高頻標(biāo)簽天線。

表1 UHF寬帶標(biāo)簽天線比較

2 新型電子標(biāo)簽的制備與性能測試

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線尺寸，在FR4環(huán)氧樹脂基板（εr＝4.4，tanδ＝0.002））上實(shí)際制作了RFID標(biāo)簽。電子標(biāo)簽中的射頻芯片采用了Ti公司的 RI－UHF－STRAP－08，它的工作頻率覆蓋了所需要的頻率范圍。圖1（b）給出了RFID標(biāo)簽實(shí)物照片。RFID標(biāo)簽的尺寸大小為40.32mm×25.23 mm.

為了證明制備的天線具有寬頻的特性，測量了天線的輸入阻抗。實(shí)際測量中需要將天線和信號(hào)源的同軸線端口連接?？紤]到RFID標(biāo)簽天線是一種平衡式天線結(jié)構(gòu)而同軸線為不平衡饋電結(jié)構(gòu)，直接連接標(biāo)簽天線與同軸線直接影響輸入阻抗的測量精度。為此，采用在文獻(xiàn)［15］中使用的標(biāo)簽天線輸入阻抗測試方法，將標(biāo)簽天線通過一個(gè)平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器（見圖4）與測量儀表矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA8363連接。通過測量同軸端口的散射參數(shù)S11＼S22＼S21＼S12，標(biāo)簽天線的輸入阻抗可以用文獻(xiàn)［15］中公式計(jì)算。

圖4 測試夾具和標(biāo)簽天線

圖5是采用上述方法得到的標(biāo)簽天線輸入阻抗實(shí)部和虛部。測試結(jié)果和HFSS軟件仿真結(jié)果相一致，標(biāo)簽天線的輸入阻抗和所用標(biāo)簽芯片阻抗基本上共軛匹配（芯片在915MHz時(shí)的阻抗為9.9－j60.53Ω）。同時(shí)在所關(guān)注頻段內(nèi)阻抗變化緩慢，從而有助于實(shí)現(xiàn)天線在全球UHF RFID頻段（840～960MHz）內(nèi)工作頻帶寬，以及較低的電壓駐波比。

圖5 標(biāo)簽天線輸入阻抗的頻率特性

在微波暗室中，采用Alien公司的 ALR－9900 RFID閱讀器和圓極化讀寫器天線測量了所制備的電子標(biāo)簽的讀取距離。圖6給出了該電子標(biāo)簽在微波暗室的讀取距離方向圖?？梢钥吹诫娮訕?biāo)簽的讀取距離與標(biāo)簽在空間的取向是有關(guān)系的。在E平面內(nèi)，讀取距離隨方位角的不同而不同，但是在H面內(nèi)讀取距離和方位角基本無關(guān)，其結(jié)果和仿真得到天線輻射方向圖結(jié)果基本一致。

讀取距離不但和天線方位角有關(guān)，而且還與標(biāo)簽所處的背景材料有關(guān)。表2列出了電子標(biāo)簽貼在不同材料表面時(shí)的最大讀取距離。顯然，在不同材料表面的讀寫距離是不同的，然而即使是貼在金屬表面上標(biāo)簽仍能被識(shí)別。表中的讀寫距離數(shù)據(jù)表明：該電子標(biāo)簽?zāi)軌驖M足近距離RFID應(yīng)用，如用作包裹和行李等物品的識(shí)別等。

圖6 天線讀取距離方向圖測量結(jié)果

表2 標(biāo)簽天線讀取距離

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的小型寬帶超高頻標(biāo)簽天線。該標(biāo)簽天線的工作頻帶（對(duì)應(yīng)VSWR＜1.22）達(dá)到170MHz（790～960MHz），覆蓋了全球所有的UHF頻段。比起大多數(shù)同類寬帶標(biāo)簽天線，它具有更小的尺寸和更寬的帶寬，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、制作方便。對(duì)實(shí)際制備的電子標(biāo)簽的測試結(jié)果表明：該標(biāo)簽?zāi)軌驊?yīng)用于不同的材料（包括金屬）物體表面，其讀寫距離能滿足從四周讀取電子標(biāo)簽信息的需求，適合近距離RFID應(yīng)用。

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