張　橋，周永剛，彭江露

(南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210000)

?

UHF頻段抗金屬標簽天線的分析與設計

張橋，周永剛，彭江露

(南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210000)

抗金屬標簽天線設計是 RFID研究的熱點及難點，文中設計并研究了一種UHF頻段陶瓷基片抗金屬標簽天線，對天線的回波損耗和阻抗進行了測量，在905～925 MHz內,S11<-20 dB，在良好匹配的同時還具有全向性輻射的特性，與仿真結果相吻合，而且陶瓷基片保證了良好的耐熱性，這意味著天線在惡劣環(huán)境下仍能保持良好的性能。

RFID；標簽天線；抗金屬

射頻識別 (Radio Frequency Identification，RFID) 技術起源于第二次世界大戰(zhàn)期間的敵我識別系統(tǒng)，由于其具有讀寫速度快、抗干擾能力強、可識別移動目標、無需人工干擾等特點，已廣泛應用于交通運輸、物流控制系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等諸多領域，廣闊的應用前景促使大量資源投入到該技術的研究，促進了其快速發(fā)展[1]。

在RFID系統(tǒng)中，天線性能直接影響整個系統(tǒng)性能，包括讀取距離、成本、抗干擾性、魯棒性等。目前在低頻和高頻段的RFID天線技術已較為成熟，隨著超高頻(UHF)和微波(MW)頻段 RFID 技術的應用需求不斷擴大，對天線的設計要求在不斷提高，涉及天線的方向圖特性、帶寬特性、極化特性、尺寸大小、結構形狀、體積重量、實現(xiàn)方式等因素。

目前多數(shù)的 UHF 頻段 RFID 標簽天線都是偶極子結構天線及其變形[2-4]，但在某些場合并不適用，比如，在金屬物體表面會發(fā)生反射，導致偶極子天線的阻抗、方向性、增益等各項性能都會發(fā)生較大的變化，因此天線阻抗與芯片阻抗無法達到最優(yōu)匹配，標簽就不能正常工作。為避免這種情況，通常會增加標簽與金屬物體的距離，但這樣需要增加天線的通信距離，標簽性能也不穩(wěn)定，同時增加了加工和安裝的難度。因此抗金屬[5-6]UHF RFID 標簽天線設計一直是 RFID 標簽天線研究的熱點和難點。

微帶貼片天線[7]本身具有抗金屬特性，且成本低，適合用作標簽天線?？紤]到標簽天線的惡劣的工作環(huán)境，可使用陶瓷材料作為基板。相比傳統(tǒng) FR-4 等襯底材料，Al2O3陶瓷原材料來源豐富、成本低、 機械強度和硬度高、 電絕緣、 抗熱震性好、耐化學腐蝕、尺寸精度高，與金屬有良好的附著力，是整體性能更好的襯底材料[8-9]。根據(jù)UHF RFID 天線的新要求，本文設計并研究了一款性能良好的抗金屬標簽天線。

1　RFID標簽天線設計

1.1標簽天線的設計特點

標簽天線的首要任務是傳輸功率給標簽芯片以激勵其工作[3]。在此過程中，標簽天線與標簽芯片之間的阻抗匹配設計至關重要，標簽芯片的輸入阻抗通常為復阻抗，已不是常見的 50 Ω 和 75 Ω。應設計特殊結構的標簽天線使其輸入阻抗與標簽芯片實現(xiàn)一定程度的共扼匹配，且這兩者之間的匹配情況能直接影響到標簽電路能否正常運轉和芯片能否得到足夠的能量進行反向散射通訊，從而影響識別距離遠近。如果芯片的最低開啟功率為Pth，讀寫距離R可表示為

(1)

其中，λ為自由空間波長；Pt為閱讀器天線發(fā)射功率；Gt、Gr分別為閱讀器天線和標簽天線的增益；τ為功率傳輸系數(shù)，若芯片的阻抗為Zc=Rc+jXc；標簽天線的阻抗為Za=Ra+jXa，則τ可表示為

(2)

1.2抗金屬標簽天線的設計過程

設計工具為HFSSv13，使用Alien公司的Higgs-3芯片[10]，在中心頻率915 MHz處，芯片的阻抗約為27-j201 Ω。介質基板采用氧化鋁陶瓷，相對介電常數(shù)εr=9.8，損耗角正切tanD=0，厚度h=1.0 mm。

圖1　抗金屬標簽天線結構

天線的拓撲結構如圖1所示。橙色部分為金屬，實際制作時為鋁箔；黑色方塊為H-3芯片。天線實物如圖2所示。

圖2　標簽天線實物照片

對工作頻率為f的矩形微帶天線，可根據(jù)式(3)來確定天線寬度W1

(3)

天線長度一般取值為λe/2, 即波導波長的1/2

(4)

考慮到邊緣短路效應，L1實際取值應為

(5)

其中，εe為等效介電常數(shù)；ΔL為等效輻射縫隙長度，取值分別由如下公式確定

(6)

(7)

通過改變天線寬度W1來調節(jié)諧振頻率，改變凹槽的深度L3，饋線長度L2和L4來調節(jié)天線阻抗的實部和虛部以達到共軛匹配。最終確定的各尺寸如表1所示。

表1　天線尺寸表

2　仿真與測試結果

天線的仿真結果如圖2和圖3所示。圖2為天線的實部和虛部隨頻率變化的曲線，圖3為天線在915 MHz處的方向圖。可以看出，天線具有良好的全向性輻射特性, 最大增益約為0.7 dB，中心頻率915 MHz處的阻抗為37.7+j193.5 Ω，此時功率傳輸系數(shù)τ=0.96 。

圖3　天線增益方向圖

圖4　天線阻抗仿真結果

標簽天線的阻抗與功率傳輸系數(shù)密切相關，采取的測試方法為等效二端口網絡法[11]。測試使用Agilent公司的矢量網絡分析儀N5230C，一個自制同軸巴倫。由于抗金屬標簽天線自身帶有地平面，天線的性能對測試環(huán)境不敏感，為方便起見，測試場景如圖5所示。

圖5　標簽天線測試場景圖

測試時，將巴倫的兩端分別焊接在芯片兩端，讀取二端口S參數(shù)，然后在ADS2009中轉化為單端口S參數(shù)。將測試得到的數(shù)據(jù)與仿真對比，測試結果與仿真結果具有良好的一致性，如圖6所示。

圖6　仿真&測試結果對比

3　結束語

本文根據(jù)微帶天線原理，設計了一款加載開路枝節(jié)線的抗金屬標簽天線，在UHF頻段內具有良好的阻抗匹配，并具有全向性輻射特性，可用于近距離目標檢測等應用場合。

[1]Bhadrachalam L,Chalasni S.Impact of RFID technology and economic order quantity models[C].Vancouver: 3rd Annual IEEE International Systems Conference,2009.

[2]Shao Shuai,Kiourti A,Burkholder R J. Broadband textile-based passive UHF RFID tag antenna for elastic material[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2015(14):1385-1388.

[3]Tae-Wan Koo,Dongsu Kim,Jong-In Ryu. Design of a label-typed UHF RFID tag antenna for metallic objects[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2011(10):1010-1014.

[4]Hong-Kyun Ryu,Gichul Jung,Dea-Keun Ju. An electrically small spherical UHF RFID tag antenna with quasi-isotropic patterns for wireless sensor networks[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2010(9):60-62.

[5]He Yejun,Pan Zhengzheng.Design of UHF RFID broadband anti-metal tag antenna applied on surface of metallic objects[C].Shanghai:Wireless Communications and Networking Conference (WCNC),2013.

[6]Ding Xumin,Liu Shengying,Zhang Kuang. A broadband anti-metal RFID tag with AMC ground[C].Singapore: Antennas and Propagation, Asia-Pacific Conference,2014.

[7]Milligan T. Microstrip antennas[M].New Orleans: Modern Antenna Design,2005.

[8]Zhang Zhaosheng,Lu Zhenya,Chen Zhiwu.Research progress in ceramic substrate material for electronic packaging[J]. Materials Review,2008,22(11):16-20.

[9]Yang Huijuan,Wang Zhifa,Wang Haishan,et al.Present status and progress in study of Electronic packaging materials[J].Materials Review, 2004,18(6):86-88.

[10] Atien Technology.Higgs-3 datasheet[M].Novak:Alien Technology,2009.

[11] Zhou Yijun,Chen Chichih,Volakis J L.Dual band proximity-fed stacked patch antenna for tri-band GPS applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007,55(3):220-223.

Investigation and Design of UHF Anti-metal Tag Antenna

ZHANG Qiao, ZHOU Yonggang, PENG Jianglu

(School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210000, China)

The design of anti-metal tag antenna has been a hot spot in RFID research. In this paper, a UHF anti-metal RFID tag antenna on ceramic substrate is designed and investigated. The results shows good impedance matching of S11<-20 dB of the tag antenna at 905～925 MHz, as well as an omnidirectional radiation pattern, which is in agreement with simulation. Besides, the ceramic substrate ensures a high temperature resistance, which implies that the tag can work under tough circumstances while maintaining proper performance.

radiofrequency; identification; tag antenna; anti-metal

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.002

2015-11-20

國家自然科學基金資助項目(61471193)

張橋(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：天線與微波電路。

TN820.1; TP391.45

A

1007-7820(2016)08-004-03