趙志強， 馬潤波， 魯志紅， 韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 03006)

0 引 言

射頻識別(RFID)技術(shù)源于20世紀30年代的雷達技術(shù)， 是在20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)[1]. 射頻識別技術(shù)通過空間耦合實現(xiàn)無接觸自動識別目標對象， 識別過程無須人工干預(yù)[2-3]. 超高頻(UHF)射頻識別(RFID)技術(shù)具有讀取速率快、 讀寫距離長、 非接觸識別、 多目標識別等優(yōu)點， 被公認為21 世紀最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[4]. 近年來， 隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和深入， 超高頻射頻識別技術(shù)也得到了迅速發(fā)展， 特別是在物流和供應(yīng)鏈管理方面.

在UHF RFID系統(tǒng)中， 標簽天線的設(shè)計是非常重要的組成部分. 許多標簽天線要安裝在金屬或其它介質(zhì)表面， 這些外部環(huán)境對天線的近場存在顯著的影響， 從而引起標簽天線的方向特性、 阻抗特性以及諧振頻率的顯著改變. 特別當標簽靠近金屬表面時， 由于標簽天線輻射電阻的下降， 天線和芯片之間會產(chǎn)生嚴重的阻抗失配， 從而導(dǎo)致標簽天線實際增益的迅速衰減. 到目前為止， 關(guān)于UHF RFID標簽天線的文獻有很多， 但適用于多環(huán)境的小型化標簽天線的文獻并不多. 文獻[5]提出了一種用于金屬環(huán)境的帶寬增強的平面倒E天線， 它的天線帶寬是857-980MHz， 足以覆蓋整個UHF RFID頻段， 但是天線整體尺寸較大(75 mm×22 mm)， 不適合一些安裝平面較小的場合； 文獻[6]提出了一種新型小型化的雙層PIFA 天線， 它采用接近式耦合饋電， 天線的尺寸相對較小(26 mm×14 mm×2.4 mm)， 但天線帶寬是917-933MHz， 只能覆蓋一小部分UHF RFID頻段， 而且天線需要許多金屬過孔， 加工較復(fù)雜； 文獻[7]利用中層寄生金屬條帶將頂層天線輻射體與地板隔離， 減小地板對天線的影響， 從而實現(xiàn)抗金屬性能. 但天線尺寸較大(31×103×7.6 mm3)， 而且需要很多金屬過孔， 加工復(fù)雜； 文獻[8]提出了一種安裝在金屬表面的帶有兩對T型縫隙的緊湊型貼片標簽天線， 可以實現(xiàn)圓極化， 天線尺寸為60×60×1.6 mm3， 天線帶寬為886～952 MHz； 文獻[9]提出一種用于金屬環(huán)境的可穿戴鋸齒型折疊貼片標簽天線， 天線尺寸為30×30×3 mm3， 在金屬環(huán)境下， 最大閱讀距離可達到7.1 m； 文獻[10]利用人工磁導(dǎo)體(AMC)地板實現(xiàn)雙頻帶遠程的標簽天線設(shè)計， 但是一般使用AMC結(jié)構(gòu)會使得整個天線結(jié)構(gòu)變得很大， 不適合安裝在一些安裝平面比較小的場合， 應(yīng)用環(huán)境較局限. 對于應(yīng)用環(huán)境， 文獻[5-11]主要研究了金屬環(huán)境下天線的性能， 并沒有研究其他對天線影響較大的環(huán)境， 比如水表面等高電介質(zhì)環(huán)境. 總之， 在標簽天線的設(shè)計中， 大多數(shù)專家和學(xué)者主要集中在標簽天線的小型化、 寬帶以及抗金屬性能， 相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境多為較單一的特定環(huán)境.

本文針對標簽天線的應(yīng)用環(huán)境， 研究標簽天線在多種環(huán)境下的適應(yīng)性. 本設(shè)計通過外層貼片的折疊使得天線尺寸變得更小， 并引入中層U型貼片以產(chǎn)生兩個相鄰諧振模式. 設(shè)計中還采用了包含T型匹配網(wǎng)絡(luò)的接近式耦合結(jié)構(gòu)進行饋電， 使天線帶寬得以拓寬而且使天線調(diào)諧更加方便.

1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 由圖1(a)橫截面可見： 天線包含由厚度為t1的空氣層隔開的上下兩層介質(zhì)基板， 基板厚度均為h. 頂層基板兩面都附著金屬層， 稱為頂層金屬和中層金屬； 底層基板僅有底面附著金屬層， 稱為底層金屬. 為減小環(huán)境對天線的影響， 底層金屬層完全覆蓋介質(zhì)底面， 通過兩側(cè)金屬壁連接頂層和底層金屬， 形成外層輻射體. 頂層金屬結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示， 由對稱放置的L型金屬貼片和T型匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成， 饋電口處嵌入標簽芯片. 中層金屬結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示， 由一個U型貼片構(gòu)成， 其上刻蝕有兩個對稱的矩形縫隙. 設(shè)計采用兩層介質(zhì)板厚度h=0.8 mm的低成本FR4， 其相對介電常數(shù)為4.4， 損耗角正切為0.025.

為實現(xiàn)小型化設(shè)計， 天線在XY平面的尺寸是受到限定的. 在確定XY平面尺寸以后， 對天線性能起主要影響的結(jié)構(gòu)包括T型匹配網(wǎng)絡(luò)和U型貼片. T型匹配網(wǎng)絡(luò)可以有效地解決天線的匹配問題， 諸多文獻的實驗結(jié)果也證明了這一點. 在文獻[12]的理論基礎(chǔ)上對T型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行改進， 通過采用接近耦合饋電結(jié)構(gòu)得到如圖1(b)所示的可以明顯節(jié)省空間的匹配結(jié)構(gòu).

考慮到僅有外層輻射體時天線帶寬比較窄， 設(shè)計了U型貼片來產(chǎn)生新的相鄰諧振模式. 當其電長度與外層輻射體電長度相近時， 整個天線結(jié)構(gòu)支持兩個頻率相鄰的諧振模式， 從而實現(xiàn)拓寬帶寬的目的. 由于外層輻射體內(nèi)部狹小空間內(nèi)的U型貼片尺寸很小， 為增加其電長度， 在U型貼片上設(shè)計了兩個矩形縫隙.

圖 1 天線幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry structure of the proposed antenna

當天線外層輻射體尺寸確定以后， 可以僅通過調(diào)整匹配結(jié)構(gòu)和U型貼片的主要幾何參數(shù)來調(diào)諧天線性能， 這使得天線具有穩(wěn)定的外部結(jié)構(gòu).

2 天線參數(shù)分析與優(yōu)化結(jié)果

本設(shè)計中的RFID標簽芯片采用Alien公司Higgs3芯片， 其典型接收靈敏度為-20 dBm， 在920 MHz處的輸入阻抗為27.115-j199.844 Ω[13]. 由于U型貼片和T型匹配網(wǎng)絡(luò)的引入， 天線與芯片在多種環(huán)境下均可實現(xiàn)在902～928 MHz頻段內(nèi)良好的共軛匹配. 為了驗證設(shè)計的正確性， 在CST仿真平臺上對所設(shè)計的天線進行模型建立和仿真優(yōu)化， 研究了天線在自由空間下的阻抗特性.

外層輻射體和中層U型貼片的參數(shù)對天線的阻抗特性具有明顯的影響， 可以用來對天線進行調(diào)諧. 由于外層輻射體會產(chǎn)生一個基本的諧振模式， 故空氣間隙厚度t2對天線的諧振頻率有著顯著的影響. 圖 2(a) 是空氣間隙厚度t2對天線輸入阻抗的影響. 由圖2(a)可見： 當t2增大時， 天線輸入阻抗的實部在減小， 虛部更加平緩， 同時天線工作頻率在向低頻處移動， 原因是t2的增大會使得外層輻射體諧振模式的電流路徑變長. 中層U型貼片會產(chǎn)生一個新的相鄰諧振模式， 故貼片長度l4對天線的諧振頻率有顯著的影響. 圖2(b) 是l4對天線輸入阻抗的影響. 由圖2(b)可見： 當l4增大時， 天線輸入阻抗的實部在目標頻帶內(nèi)增大， 虛部在200 Ω處波動更明顯. 同時天線的工作頻率向低頻處移動， 原因是l4的增大會使貼片諧振模式的電流路徑變長. 圖 2 的結(jié)果表明： 調(diào)節(jié)t2和l4， 天線在工作頻段內(nèi)易于調(diào)諧.

圖 2 t2和l4對天線阻抗的影響Fig.2 Antenna input impedance for different t2 and l4

T型匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對天線的阻抗特性同樣有顯著影響. 本文采用T型匹配網(wǎng)絡(luò)通過接近式耦合饋電實現(xiàn)天線與芯片的共軛匹配， 故其相關(guān)參數(shù)對天線匹配有著顯著的影響. 圖 3 給出了T型匹配網(wǎng)絡(luò)中的4個幾何參數(shù)對天線阻抗的影響： 圖3(a)是T型匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)臂長度w2對天線輸入阻抗的影響. 當w2增大時， 天線輸入阻抗的實部在逐漸減小， 虛部在逐漸增大； 圖3(b)是T型匹配網(wǎng)絡(luò)外臂寬度w6對天線輸入阻抗的影響. 當w6增大時， 天線輸入阻抗的實部緩慢減小， 而虛部在數(shù)值上減小， 但隨頻率的變化趨勢基本不變； 圖3(c)是天線輻射體與T型網(wǎng)絡(luò)之間的耦合距離g1對天線輸入阻抗的影響. 當g1增大時， 天線輸入阻抗的實部在增大， 虛部在減小， 工作頻率偏移較大； 圖3(d)給出了T型匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)臂和外臂之間的耦合距離g2對天線阻抗的影響. 當g2增大時， 天線阻抗實部和虛部在逐漸減小. 圖 3 的結(jié)果說明調(diào)節(jié)天線T型匹配網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)， 天線易于調(diào)節(jié)匹配且天線尺寸基本不變. 因此， 所提出的天線易于在固定小尺寸下進行優(yōu)化.

圖 3 w2, w6, g1及g2對天線阻抗的影響 Fig.3 Antenna input impedance for different w2, w6, g1 and g2

為了研究所設(shè)計天線對多種環(huán)境的適應(yīng)性， 分別在3種典型環(huán)境下， 即自由空間以及背面附著在水和金屬環(huán)境下對天線進行建模及微調(diào)參數(shù)優(yōu)化分析. 底層金屬的反射作用使得天線近場主要分布天線內(nèi)部和上部， 當天線背面附著在水表面或金屬表面時， 天線近場受到的影響較小， 故只需通過優(yōu)化T型匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)即可實現(xiàn)天線對多種環(huán)境的兼容性. 最終優(yōu)化得到的天線各幾何參數(shù)為h=0.8 mm，l1=26 mm，l2=10.3 mm，l3=9.8 mm，l4=20.7 mm，l5=5 mm，w1=26 mm，w2=22 mm，w3=21.5 mm，w4=10 mm，w5=6 mm，w6=0.5 mm，w7=2 mm，w8=0.3 mm，g1=0.4 mm，g2=0.5 mm，t1=7 mm，t2=5.4 mm.

圖 4 給出了天線在3種環(huán)境下的反射系數(shù)曲線. 天線的帶寬以-3 dB帶寬為標準， 由圖 4 中結(jié)果可以看出： 自由空間、 水環(huán)境的阻抗帶寬分別是65 MHz(884～949 MHz)及64 MHz(902～966 MHz)； 而金屬環(huán)境分析了兩種情況： 一種是200 mm×200 mm的有限大金屬板， 其帶寬是76 MHz(902～978 MHz)； 另一種是無限大金屬板， 其帶寬是92 MHz(891～983 MHz) . 天線的阻抗帶寬盡管在不同環(huán)境下有一定差異， 不過基本可以覆蓋902～928 MHz的頻率范圍.

圖 5 給出了3種環(huán)境下的增益曲線， 天線在3種環(huán)境下的最大增益分別是-10 dB(自由空間)、 -13 dB(水環(huán)境)和-3 dB(金屬環(huán)境). 由于水對電磁信號的損耗最大， 水環(huán)境下增益最小， 而金屬環(huán)境下的增益最大. 與參考文獻比較， 天線的抗金屬性能優(yōu)于同尺寸天線的性能.

圖 6 給出了3種環(huán)境下天線在915 MHz處的歸一化輻射方向圖. 由圖 6 可以看出： 天線在自由空間中呈現(xiàn)兩個輻射方向， 在水環(huán)境和金屬環(huán)境下體現(xiàn)出較明顯的單方向性， 其中金屬環(huán)境下尤為明顯.

圖 4 3種環(huán)境下的S11曲線Fig.4 S11 in three platforms

圖 5 3種環(huán)境下的增益曲線Fig.5 Realized gains in three platforms

對本文設(shè)計天線的環(huán)境適應(yīng)性進行了更多驗證， 表 1 給出了在多種常見環(huán)境背景材料下此天線的帶寬以及最大增益. 可以看出： 當天線安裝在不同材料的平面上， 盡管帶寬和增益有所差異， 但都可以滿足覆蓋902～928 MHz頻帶的工作需要， 這說明本天線在多種環(huán)境下仍然呈現(xiàn)良好性能.

圖 6 3種環(huán)境下915 MHz的歸一化輻射方向圖Fig.6 Normalized radiation patterns at 915 MHz in three platforms

環(huán)境背景材料帶寬/MHz最大增益/dB自由空間65(884～849)-10紙42(884～926)-9.9油46(881～927)-9皮膚45(880～925)-8.4水64(902～966)-13金屬92(891～983)-3

3 結(jié) 論

本文設(shè)計并分析了一種適應(yīng)多環(huán)境的新型小型化超高頻RFID 標簽天線. 在天線總尺寸為26 mm×26 mm×7 mm的限定下， 通過對U型貼片和T型匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化分析， 實現(xiàn)了在多種環(huán)境下天線與芯片良好的共軛匹配， 帶寬均可覆蓋902～928 MHz頻段. 相較自由空間， 在金屬環(huán)境下天線最大增益可以達到-3 dB， 有7 dB的增量， 抗金屬特性相當好； 在其它多種環(huán)境下天線也呈現(xiàn)出良好性能， 滿足識別應(yīng)用的需要. 相比較相同大小甚至更大的標簽天線， 該天線是一款性能較好的選擇， 比較適合應(yīng)用于異構(gòu)零售項目管理、 動物跟蹤和車輛安全等場合.