劉玉偉，張愛軍，楊如軍

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

UHF頻段金屬型標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計(jì)

劉玉偉，張愛軍，楊如軍

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

隨著天線技術(shù)的發(fā)展，對(duì)UHF RFID可用于金屬物體的標(biāo)簽天線的研究成為了熱點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出一種適用于845～960MHz的寬頻帶可用于金屬物體的新型標(biāo)簽天線，并通過(guò)仿真分析與計(jì)算確定了天線的一些重要參量，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽天線輸入阻抗能在較大范圍內(nèi)與更多阻抗不同的標(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，抗金屬性能穩(wěn)定，天線尺寸較小，通信距離較遠(yuǎn)。

RFID系統(tǒng)；UHF RFID天線；寬頻帶標(biāo)簽天線；金屬物體

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification)技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間的敵我識(shí)別系統(tǒng)，是一種基于射頻通信原理和雷達(dá)原理實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。由于其具有讀寫速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可識(shí)別移動(dòng)目標(biāo)、無(wú)需人工干擾等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、物流控制系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，射頻識(shí)別技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景促使大量資源投入到該技術(shù)的研究，促進(jìn)了該技術(shù)的快速發(fā)展[1]。

在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，天線性能設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了整個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)性能的好壞，包括系統(tǒng)的讀取距離、成本、抗干擾性、魯棒性等。目前在低頻和高頻段的射頻識(shí)別天線技術(shù)已經(jīng)較為成熟，隨著超高頻（UHF）和微波（MW）頻段 RFID技術(shù)的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，對(duì)天線的設(shè)計(jì)要求在不斷提高，涉及天線的方向圖特性、帶寬特性、極化特性、尺寸大小、結(jié)構(gòu)形狀、體積重量、實(shí)現(xiàn)方式等因素。本文依據(jù)目前對(duì)天線設(shè)計(jì)提出的新要求，設(shè)計(jì)一款在能夠符合多方面要求、實(shí)用性更強(qiáng)并能應(yīng)用于金屬物體表面的UHF頻段標(biāo)簽天線。

1 RFID標(biāo)簽天線研究現(xiàn)狀

射頻識(shí)別天線，包括標(biāo)簽天線和讀寫器天線。對(duì)于標(biāo)簽部分，如圖1，標(biāo)簽天線的形式主要有線圈天線，微帶天線，偶極子天線及其變形結(jié)構(gòu)等，線圈天線是目前理論研究和應(yīng)用都比較成熟的一種天線，其理論和加工工藝也較為成熟，但是由于其本身的限制，只適用于近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)，很難應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大信息量、高頻率的場(chǎng)合；微帶貼片天線做標(biāo)簽天線增益高，讀寫距離遠(yuǎn)，標(biāo)簽安裝要求較高，但是其加工工藝復(fù)雜，方向性不強(qiáng)，適用于識(shí)別方向不變的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)；偶極子天線及其變形機(jī)構(gòu)的輻射能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)輻射方向圖的全向性，制作工藝簡(jiǎn)單，且成本較低，常用于遠(yuǎn)距離UHF或MW的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，但不適合用在金屬物體場(chǎng)合。

目前大多數(shù)的UHF頻段RFID標(biāo)簽天線都是偶極子結(jié)構(gòu)天線及其變形[2]，但是在某些場(chǎng)合卻不適用，偶極子天線卻不能滿足要求，比如，在金屬物體能發(fā)生反射作用，導(dǎo)致偶極子天線的阻抗，方向性，增益等各項(xiàng)性能都會(huì)發(fā)生較大的變化，因此天線阻抗與芯片阻抗無(wú)法達(dá)到最優(yōu)匹配，標(biāo)簽就不能正常工作。為了避免這種情況，通常會(huì)增加標(biāo)簽與金屬物體的距離，但這樣就需要增加天線的通信距離，標(biāo)簽性能也不穩(wěn)定，同時(shí)增加了加工和安裝的難度。因此可用于金屬物體的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)一直是RFID標(biāo)簽天線研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 標(biāo)簽組成的等效電路Fig. 1 Equivalent Circuit of tag's Composition

2 標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

標(biāo)簽天線的首要任務(wù)是傳輸功率給標(biāo)簽芯片以激勵(lì)其工作[3]。在此過(guò)程中，標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配設(shè)計(jì)至關(guān)重要，標(biāo)簽芯片的輸入阻抗通常為復(fù)阻抗，已不是常見的50 Ω和75 Ω。為了節(jié)約成本，標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間最好不借助阻抗匹配電路，應(yīng)設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線使其輸入阻抗與標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)一定程度的共扼匹配，并且這兩者之間的匹配情況能夠直接影響到標(biāo)簽電路能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)和芯片能否得到足夠的能量進(jìn)行反向散射通訊，從而影響識(shí)別距離遠(yuǎn)近。由于標(biāo)簽要要能夠粘貼到被識(shí)別的物體上，因此需要標(biāo)簽足夠小，標(biāo)簽天線也就要求尺寸小，并且具有半球輻射性或全向性。一般情況下，標(biāo)簽需要批量生產(chǎn)，這就要求標(biāo)簽天線成本低，加工簡(jiǎn)單。

作為UHF頻段射頻標(biāo)簽的天線，必須具備如下性質(zhì):體積足夠小，能夠被嵌入到體積本來(lái)就小的射頻標(biāo)簽上；傳輸功率足夠大，并為射頻標(biāo)簽提供能量；有半球覆蓋的方向性或全向性；無(wú)論標(biāo)簽處于什么方向，天線的極化都能與讀寫器的詢問(wèn)信號(hào)相匹配；作為損耗件的一部分，天線要價(jià)格低廉。

3 金屬型標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

UHF頻段可用于金屬物體的標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)主要有以下3種方法：一是，基于微帶天線改進(jìn)的結(jié)構(gòu)[4]。二是，基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)。三是，采用人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(AMC)。采用EBG結(jié)構(gòu)基板的天線，表面阻抗足夠大，能夠很好的抑制表面泄漏波，并且在禁帶隙處反射波也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，受金屬物體表面反射波影響很小，但是這種基板結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜，成本較高。AMC結(jié)構(gòu)適用于縫藕合微帶天線，天線背瓣降低，增益上升，采用這種結(jié)構(gòu)制作的天線受反射波的影響較大，天線性能也不穩(wěn)定。而采用微帶天線的形式改進(jìn)的結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、成本低，加工方便，易于實(shí)現(xiàn)線極化、圓極化、多頻段工作，因而此方法更適合在實(shí)際中應(yīng)用。這里就介紹一種寬帶的基于微帶天線的可用于金屬物體的標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)。

3.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)簽芯片選用Alien公司的ALN-9338-R，采用微帶天線的形式設(shè)計(jì)了如圖所示的金屬型標(biāo)簽天線。該芯片在915 MHz的表現(xiàn)阻抗為6.2-j126 Ω，為了節(jié)約成本，選用價(jià)格較低的環(huán)氧樹脂介質(zhì)作為標(biāo)簽天線的介質(zhì)基板，價(jià)格低廉，制造簡(jiǎn)便，采用短路探針結(jié)構(gòu)或通孔及短路板結(jié)構(gòu)。對(duì)稱的長(zhǎng)T型槽能夠集中電路流向，避免出現(xiàn)環(huán)流，這種結(jié)構(gòu)使天線尺寸減小，同時(shí)方便調(diào)節(jié)輸入阻抗。兩個(gè)T型槽之間進(jìn)行饋電，通過(guò)改變T型槽結(jié)構(gòu)來(lái)改變饋電位置，使天線輸入阻抗在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，與更多標(biāo)簽芯片匹配。

圖2中，介質(zhì)基板材料選用成本較低的FR-4材料，其相對(duì)介電常數(shù)為εr=4.4，基板厚度h為1.5 mm，損耗角正切為tanθ=0.02。標(biāo)簽天線基板尺寸為l×w×h=100 mm×30 mm×l.5 mm，a×r為T型槽的長(zhǎng)臂尺寸，m×n為短臂尺寸，b為短臂距輻射貼片寬邊的距離，c為饋點(diǎn)距輻射貼片寬邊的距離。兩個(gè)T型槽之間的間距d為5.4 mm，在兩個(gè)T型槽之間進(jìn)行饋電，形成一種內(nèi)插式饋電結(jié)構(gòu)。

圖2 金屬型標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the metallic tag antenna

3.2 仿真分析

采用Ansoft公司的電磁場(chǎng)仿真HFSS對(duì)本設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真分析[5]。最終確定，當(dāng)a×r=80 mm×l mm，m×n=4 mm×1 mm，b=70.8 mm，c=46.5 mm時(shí)，標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間可實(shí)現(xiàn)良好的匹配狀態(tài)，天線性能最佳。

圖3中所示為匹配狀態(tài)時(shí)標(biāo)簽天線的輸入阻抗的實(shí)部和虛部變化。在整個(gè)UHF頻段845～960 MHz內(nèi)，輸入阻抗的實(shí)部變化范圍約為3.12～20.45 Ω，虛部變化范圍約為74.68～188.26 Ω，能夠滿足大多數(shù)UHF頻段標(biāo)簽芯片的匹配要求。在頻率為915 MHz處，天線的輸入阻抗為Za=7.28+j122.5 Ω，而標(biāo)簽芯片表現(xiàn)阻抗的共軛阻抗為6.2+j126 Ω，兩者基本一致，天線與標(biāo)簽芯片能夠?qū)崿F(xiàn)良好的匹配[6]。

圖3 匹配狀態(tài)時(shí)天線的輸入阻抗Fig. 3 Input impedance in matching state

圖4 匹配狀態(tài)時(shí)天線的回波損耗Fig. 4 Return loss measurement in matching state

由圖4匹配狀態(tài)時(shí)標(biāo)簽天線的回波損耗S11可以看出，在UHF頻段內(nèi)，S11均小于-10 dB，且最低點(diǎn)920 MHz的回波損耗達(dá)到最小值-36.62 dB，使標(biāo)簽天線與所用標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)了良好的共軛匹配狀態(tài)。若該金屬型標(biāo)簽天線與其他一些阻抗不同的標(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配，也能夠在該頻段內(nèi)達(dá)到較好的匹配狀態(tài)。

圖5 匹配狀態(tài)時(shí)天線的增益方向圖Fig. 5 Gain pattern in matching state

圖5為匹配狀態(tài)時(shí)天線的增益方向圖。為保證標(biāo)簽有較好的可讀性，減小其對(duì)特定放置方向的依賴性，一般要求標(biāo)簽天線的輻射方向具有較好的全向性[7]。由圖可看出，在phi=0 deg方向上，標(biāo)簽天線具有良好的全向性，滿足一般標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)天線的最大輻射增益約為-2.05 dBi。由圖1知標(biāo)簽天線阻抗Za=Ra+jXa,標(biāo)簽芯片阻抗Zc=Rc+jXc,根據(jù)自由空間FRISS傳輸，RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離為：

其中，讀寫器發(fā)射功率Pt=4 W，標(biāo)簽芯片門限激活功率Pth通常取值-8～-20 dBm[8]，本設(shè)計(jì)取值-14 dBm，讀寫器天線的增益取Gt=l，極化匹配系數(shù)取0.5，τ=1·|s|2為功率傳輸系數(shù)，s為功率反射系數(shù)，且s=(Za-Zc*)/(Za+Zc)，將這些數(shù)據(jù)代入(1)中，得到所設(shè)計(jì)的金屬型標(biāo)簽天線的最大理論讀取距離為6.1 m。

圖6中3條曲線代表此天線貼于尺寸分別為200 mm×200 mm、300 mm×300 mm、400 mm×400 mm的金屬物體表面時(shí)阻抗實(shí)部和虛部變化。由圖可知，雖然金屬物體表面面積不同，但天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部曲線的變化基本一致，只有微小變化?？梢?，金屬表面面積對(duì)天線輸入阻抗影響不大，與標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配也不會(huì)有太大影響，若將此天線貼于不同尺寸的金屬物體表面時(shí)，仍能與標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)良好的共軛阻抗匹配。并且通過(guò)分析得到天線貼于這3個(gè)尺寸金屬表面時(shí)天線增益均在-4.0 dBi左右，最大通信距離分別為：5.35 m，5.28 m，5.12 m，可見最大通信距離保持在5 m以上。

本設(shè)計(jì)除對(duì)上述參量進(jìn)行確定之外，還考慮了其他一些重要參量對(duì)天線輸入阻抗的影響，并進(jìn)行了仿真與分析。包括T型槽的長(zhǎng)臂尺寸a和r，短臂尺寸m和n，短臂與輻射寬邊距離b，饋點(diǎn)距輻射貼片距離c。得出結(jié)論：為能夠在較大范圍內(nèi)對(duì)天線的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與阻抗不同的標(biāo)簽芯片阻抗匹配，可以通過(guò)改變T型槽的長(zhǎng)臂長(zhǎng)a；天線輸入阻抗的虛部對(duì)r較為敏感，隨著r的增大不斷增大，r可以結(jié)合a，通過(guò)實(shí)部與虛部結(jié)合變動(dòng)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；短臂長(zhǎng)m與b類似，隨著其增大阻抗實(shí)虛部同時(shí)增大，但變化幅度較小，可以用來(lái)微調(diào)；短臂寬n的增大能夠減小標(biāo)簽天線的輸入阻抗；天線輸入阻抗的實(shí)部與虛部隨著饋點(diǎn)距輻射貼片寬邊的距離c的增大均減小。

圖6 標(biāo)簽天線輸入阻抗隨金屬物體表面尺寸變化的曲線Fig. 6 Input impedance of tag antenna varies with the size of the metal surface

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)微帶天線[9-10]原理，設(shè)計(jì)一款能用于金屬表面的超高頻標(biāo)簽天線，成本低，易制作，體積較小，頻帶寬，全向性較好，并根據(jù)所設(shè)計(jì)的天線，進(jìn)行了加工制作。將實(shí)物貼于不同金屬物體表面時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀對(duì)實(shí)物輸入阻抗進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試圖形和仿真圖形基本一致，測(cè)試值比仿真值向高頻偏移了約25 MHz，出現(xiàn)偏差的原因是由于天線制作誤差和測(cè)試誤差等引起的。但基本保證了在整個(gè)UHF頻段845～960 MHz內(nèi)，與標(biāo)簽芯片良好的匹配，S11均小于-10 dB，而且天線尺寸也較小，天線的讀取距離也較長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

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Research and design of UHF RFID metallic tag antenna

LIU Yu-wei，ZHANG Ai-jun，YANG Ru-jun
（School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China）

With the development of antenna technology, the studies of UHF RFID tag antenna can be used for metallic objects have become hot and difficult problems. According to the design features and design principles of the tag antenna, the dissertation is devoted to design a new type and suitable for 845～960MHz broadband tag antennas for metallic objects, the specific parameters of the antenna are analyzed and determined through simulation analysis and calculation. It is realized the input impedance of tag antenna can match with other types of tag chips which have different impedances in a larger scope.Measured results is basically consistent with simulation results are the performance of anti-metal is stable, the size of the antenna is smaller, the communication distance of the antenna is farther.

RFID system; UHF RFID antenna; broadband tag antenna; metallic objects

TN82

A

1674-6236(2014)03-0073-04

2013–06–09 稿件編號(hào)：201306067

劉玉偉(1987—)，男，河南鄭州人，碩士研究生。研究方向：無(wú)線通信技術(shù)，RFID識(shí)別技術(shù)。