田春勝，周凱，由麗，管有林

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱， 150001

用于銀行紙幣管理系統(tǒng)的UHF-RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

田春勝，周凱，由麗，管有林

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱， 150001

提出了一種特高頻段的用于銀行紙幣管理系統(tǒng)的小型化標(biāo)簽天線。天線采用折疊偶極子結(jié)構(gòu)，可有效地減小天線的尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì)。通過附加橫條和T型阻抗匹配結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線與芯片之間良好的阻抗匹配。天線貼附在紙基材料上，一方面紙基材料柔軟可彎折，利于對(duì)紙幣進(jìn)行捆綁；另一方面，紙基材料可回收利用，減少環(huán)境污染。針對(duì)Impinj的Gen2芯片，芯片的阻抗為33－j112Ω，天線在915 MHz工作頻率下的輸入阻抗為32．5＋j110Ω，兩者實(shí)現(xiàn)了較好的阻抗匹配。仿真結(jié)果表明：天線具有很好的全向性，并且在915 MHz時(shí)的最大增益為2．33 dBi，最大理論讀取距離約為10 m，可以有效地應(yīng)用到實(shí)際生活中。

紙幣管理系統(tǒng)；標(biāo)簽天線；偶極子；T型阻抗匹配

射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)，作為一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，獲取其相關(guān)數(shù)據(jù)，無需人工接觸、無需光學(xué)可視即可完成信息的輸入和處理［1］，操作簡(jiǎn)單快捷。RFID技術(shù)具有防水、耐高溫、壽命長(zhǎng)、讀寫距離遠(yuǎn)、讀寫速度快、信息存儲(chǔ)容量大等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來各國(guó)研究的熱點(diǎn)。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)3部分組成。電子標(biāo)簽作為RFID系統(tǒng)的重要組成部分［2］，通常貼附在需要識(shí)別的物體上，存儲(chǔ)著目標(biāo)物體的相關(guān)信息，可被讀寫器通過射頻信號(hào)讀／寫。RFID系統(tǒng)的工作波段主要有低頻、高頻、超高頻和微波等波段，工作于UHF波段的RFID系統(tǒng)相對(duì)于低頻和高頻具有較大的讀寫距離，使其在更多的領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注［3］。

1 標(biāo)簽天線的原理與設(shè)計(jì)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，RFID系統(tǒng)如今已廣泛應(yīng)用于商業(yè)物流［4］、交通運(yùn)輸［5］、公共安全等眾多領(lǐng)域。在銀行紙幣管理中，工作人員通常將100張面值相同的紙幣用紙條捆綁在一起。這樣做在一定層度上有利于紙幣的管理。但紙幣的捆數(shù)達(dá)到一定層度時(shí)，特別是不同面值的紙幣堆放在一起，就不易得知紙幣的相關(guān)信息。針對(duì)于這個(gè)問題，圖1介紹了一種用于紙幣管理系統(tǒng)的RFID系統(tǒng)［6］。在這個(gè)系統(tǒng)中工作人員可用貼附有標(biāo)簽天線的紙條將一定數(shù)量的紙幣進(jìn)行捆綁，然后通過計(jì)算機(jī)將這些紙幣的相關(guān)信息（例如紙幣的數(shù)量、面值、序列號(hào)等）寫入到電子標(biāo)簽的芯片內(nèi)，最后核實(shí)人員將通過讀寫器對(duì)這些捆綁好的紙幣進(jìn)行信息核實(shí)。當(dāng)這些處理好的紙幣被運(yùn)送到其他地方時(shí)，當(dāng)?shù)氐墓ぷ魅藛T只需用讀寫器對(duì)行掃一下就可以迅速的了解到這些紙幣的相關(guān)信息。

圖1 用于紙幣管理系統(tǒng)的RFID系統(tǒng)

針對(duì)于上述思路，本文設(shè)計(jì)了一款小型化的UHF標(biāo)簽天線。天線貼附在紙基材料上，一方面紙基材料柔軟可彎折，利于對(duì)紙幣進(jìn)行捆綁；另一方面，當(dāng)紙基材料損壞后可簡(jiǎn)單的更換紙基材料，不必更換標(biāo)簽天線，紙基材料還可回收利用，降低的制作的成本，減小了對(duì)環(huán)境的污染［7］。

標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線采用彎折偶極子、橫條加載和T型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，芯片放置在T型網(wǎng)絡(luò)匹配結(jié)構(gòu)的開口處，使其對(duì)天線進(jìn)行激勵(lì)，利用電感耦合將能量送至整個(gè)輻射體上［8］。彎折偶極子結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)天線的小型化［9］，橫條加載和T型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證天線和芯片之間實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，使天線獲得更大的增益，從而達(dá)到更遠(yuǎn)的閱讀距離。由于本天線是基于紙幣管理系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，通常100張美元紙幣的尺寸為156 mm×66 mm×10 mm，用于捆綁紙幣的標(biāo)簽的最小長(zhǎng)度為152 mm（66＋10＋66＋10）?？紤]標(biāo)簽的成本和捆綁的效果，標(biāo)簽的最優(yōu)化長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為172 mm。標(biāo)簽天線印制在紙基材料polyester上，介質(zhì)高度h＝0．07 mm，介電常數(shù)ε＝3．2。天線采用Impinj的Gen2＿M(jìn)onza1芯片，該芯片在中心頻率為915 MHz時(shí)的阻抗約為33－j112Ω。本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線工作在美國(guó)FCC規(guī)定的902～928 MHz頻率范圍內(nèi)［10-11］，因此天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)為在915MHz時(shí)阻抗為33＋j112Ω。

1．1 彎折偶極子

在保持諧振頻率不變的情況下，任何以減小物理大小來縮小天線尺寸的方法，都會(huì)造成天線的帶寬減小，方向圖扭曲，效率降低等。但采用彎折偶極子結(jié)構(gòu)可以在天線性能損失可以接受的情況下實(shí)現(xiàn)天線的小型化。偶極子的連續(xù)彎折使其中的電流具有相反的相位，同時(shí)提供容性和感性的電抗，它們相互抵消，從而降低天線的諧振頻率。所以，對(duì)于天線有尺寸限定的情況下通過改變偶極子的彎折數(shù)、彎折長(zhǎng)度和彎折寬度是實(shí)現(xiàn)天線小型化設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)天線諧振頻率，使諧振頻率保持在915 MHz附近的有效途徑。如圖3所示，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)彎折長(zhǎng)度n的大小，可實(shí)現(xiàn)諧振頻率的改變，當(dāng)n＝12．1 mm時(shí)天線的諧振頻率正好保持在915 MHz，天線S11＜－10 dB的工作頻帶為908～923 MHz，覆蓋在美國(guó)FCC規(guī)定的頻帶內(nèi)。

圖3 標(biāo)簽天線的S11曲線圖

1．2 橫條加載

橫條加載主要應(yīng)用于彎折偶極子天線，當(dāng)橫條靠近偶極子的雙臂時(shí)就會(huì)相應(yīng)的改變天線的輻射電阻和耦合電容［12］，故可通過調(diào)節(jié)橫條與偶極子雙臂的距離來調(diào)整天線的輸入阻抗，從而實(shí)現(xiàn)天線與芯片的阻抗匹配。如圖4所示，當(dāng)參數(shù)a分別取0．4、0．5、0．6 mm時(shí)，天線的阻抗有明顯的變化。

圖4 a值對(duì)阻抗的影響

1．3 T型匹配網(wǎng)絡(luò)

T型匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖5所示。圖中長(zhǎng)度為L(zhǎng)的偶極子天線的輸入阻抗可通過引入一個(gè)中心短路線進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，短路線由T型匹配體和另一偶極子組成。標(biāo)簽芯片連接到第2個(gè)偶極子上，第2個(gè)偶極子的長(zhǎng)度為a（a≤L），距離第1個(gè)偶極子的距離較近，距離為b。天線饋電點(diǎn)處的輸入阻抗表示為

式中：Zt＝j(luò) Z0tan kα／2為短路線的輸入阻抗；表示雙導(dǎo)線傳輸線的特性阻抗；ZA為偶極子無T型匹配時(shí)的阻抗；re＝0．5W為偶極子的等效半徑；re′＝8．25c為匹配短路線的等效半徑；α＝ln（b／re′）／ln（b／re）為2個(gè)導(dǎo)體之間的電流分配系數(shù)［13］。通過改變參數(shù)L、a和c可以調(diào)整天線的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)與芯片的阻抗匹配［14］。

圖5 T型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和等效電路

因此，在本文所提出的天線結(jié)構(gòu)中可以通過調(diào)節(jié)e、g等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的效果。圖6給出了參數(shù)e對(duì)天線阻抗的影響，當(dāng)e分別取5．8、6．0和6．2 mm時(shí)，天線的輸入阻抗有明顯的變化，故可通過調(diào)節(jié)e的大小來實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配。同樣，圖7給出了參數(shù)g對(duì)天線阻抗的影響，從圖中可以看出參數(shù)g對(duì)天線的阻抗也有很大的影響。

圖6 e值對(duì)阻抗的影響

圖7 g值對(duì)阻抗的影響

2 結(jié)果分析

表1列出了最終設(shè)計(jì)天線的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。此時(shí)，天線在915 MHz時(shí)的輸入阻抗為32．5＋j110Ω，與Impinj的Gen2＿M(jìn)onza1的芯片阻抗33－j112Ω基本上形成了良好的阻抗共軛匹配。圖8為天線的輻射方向圖，由圖可以看出，天線在H面具有良好的全向性，天線的最大增益為2．33 dBi。天線的閱讀距離公式為

式中：λ為工作波長(zhǎng)，Pt為閱讀器發(fā)射功率，基本上為4W，Gt為讀寫器天線增益，GT為標(biāo)簽天線增益，Pth為標(biāo)簽天線需要的最小功率閾值，τ為標(biāo)簽天線與芯片的功率傳輸系數(shù)，定義為τ＝1－Γ2，Γ為標(biāo)簽天線到芯片的電壓反射系數(shù)［15］。該天線的最大增益為2．33 dBi，在本文中Pt取4W，Gt＝1，Pth＝－14 dBm，λ＝328 mm，Γ＝0．32，利用式（2）計(jì)算出本文所設(shè)計(jì)的天線的最大理論讀取距離約為10 m，獲得了較遠(yuǎn)的讀寫距離。

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 天線在915 MHz時(shí)的方向圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款用于銀行紙幣管理系統(tǒng)的小型化超高頻RFID標(biāo)簽天線，該天線采用折疊偶極子、橫條加載和T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)橫條和T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大小可實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線與芯片之間的阻抗匹配，通過采用折疊偶極子結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)天線的諧振頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì)。天線貼附在紙基材料上，可方便地用于紙幣的捆綁。該天線的輻射方向圖具有良好的全向性，而且最大理論讀取距離約為10 m，獲得了較遠(yuǎn)的讀寫距離，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。接下來的工作就是進(jìn)一步拓展工作帶寬，優(yōu)化天線增益，使天線獲得更高的性能。

［1］FAUDZINM，ALIMT，ISMAIL I，et al．UHF-RFID tag antenna withminiaturization techniques［C］／／10th Interna-tional Conference on Electrical Engineering／Electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology．Krabi，Thailand，2013：1-5．

［2］XU L，TIANL B，HU B J．A novel broadband UHF RFID tag antenna mountable on metallic surface［C］／／Interna-tional Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing．Wuhan，China，2007：2128-2131．

［3］劉洋，滕建輔．新型貼片偶極子UHF RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（6）：97-99．

［4］段艷敏，廖成，夏小勇．新型彎折偶極子RFID天線的小型化分析與設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2010，26（5）：64-67．

［5］TASHI，HASANMS，YU H．Design and simulation of UHF RFID tag antennas and performance evaluation in presence of a metallic surface［C］／／5th International Conference on Software，Knowledge Information，Industrial Managementand Applications．Benevento，Italy，2011：1-5．

［6］TAEIK KIM，UISHEONKIM，GYUBONG JUNG，et al．Design of an UHF RFID tag antenna for papermoneyman-agement system［C］／／Asia Pacific Microwave Conference．Singapore，2009：1056-1059．

［7］賴曉錚，劉煥彬，張瑞娜，等．基于分形結(jié)構(gòu)的紙基RFID標(biāo)簽天線研究［J］．微波學(xué)報(bào)，2008，24（3）：36-39．

［8］許長(zhǎng)青，王朱丹，盛喆，等．一種新型UHFRFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與分析［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：59-64．

［9］傅舟，羅國(guó)清．UHF頻段RFID標(biāo)簽天線的小型化設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2013，36（3）：295-298．

［10］唐濤，廖成，杜國(guó)宏．小型化UHF彎折偶極子抗金屬RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2012，28（4）：35-38．

［11］ZHOU Xue，LUOGuoqing．A broadband and miniaturized UHF RFID tag antenna with T-matching network［C］／／Microwave Workshop Series on Millimeter Wave W ireless Technology and Applications．Nanjing，China，2012：1-3．

［12］章偉，甘泉．UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)現(xiàn)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2012：38-39．

［13］MARROCCOG．The artofUHFRFID antenna design：im-pedance-matching and size-reduction techniques［J］．An-tennas and Propagation Magazine，2008，50（1）：66-79．

［14］王平，文光?。b箱表面的超高頻RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2011，27（2）：42-46．

［15］龍平，葉明．UHF頻段超小型RFID無源抗金屬標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2012，28（2）：45-48．

Design of an UHF-RFID tag antenna used for the paper money management system in the bank

TIANChunsheng，ZHOU Kai，YOU Li，GUANYoulin
College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

A miniaturized ultra high frequency（UHF）band tag antenna is presented，which is used for papermon-ey management system in the bank．Using the folded dipole structure can effectively reduce the size of the antenna and miniaturize the design．The antenna has a bar and a T-match loop，realizing a good impedance matching to chip．The antenna is attached to the paper-based material；on the one hand，the soft paper-based material can be bent，which is conductive to bundling the papermoney；on the other hand，the recyclable paper-basedmaterial can reduce environmental pollution．Input impedance of the proposed antenna is 32．5＋j110Ω，which is conjugate-matched up with an Impinj Gen2 chip with impedance of 33－j112Ωat915MHz．The simulation result shows that the antenna has good omni-directivity，and the maximum gain at 915 MHz is 2．33 dBi，the maximal theoretical reading distance is approximately 10m．The antenna proposed in this paper can be effectively applied in practice．

papermoneymanagement system；tag antenna；dipole；T-match loop

TN82

A

1009-671X（2015）03-022-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201410008

2014-10-21．

日期：2015-05-11．作者簡(jiǎn)介：田春勝（1989-），男，碩士研究生；周凱（1971-），男，副教授，博士．

周凱，E-mail：zhoukai＠hrbeu．edu．cn．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150511．1634．003．html