唐學(xué)鋒

(湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

射頻識別(RFID)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù).RFID系統(tǒng)作為一種新興的短距離無線通信系統(tǒng)，近幾年被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源、倉儲管理、門禁系統(tǒng)、自動收費(fèi)等諸多領(lǐng)域[1-2].

RFID標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，存儲著被識別物體的相關(guān)信息.其中芯片已基本模塊化，標(biāo)簽天線是RFID系統(tǒng)中最易變的部分.實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)的RFID標(biāo)簽都是粘貼在比較小的物體上的，因此天線的尺寸受限是亟待解決的問題.半波長偶極子天線的尺寸比較大，不利于小型化應(yīng)用.為了實(shí)現(xiàn)天線的小型化，人們提出了分形技術(shù)、加載技術(shù)、彎折線技術(shù)等來縮小標(biāo)簽天線的尺寸.加載技術(shù)通過在天線的適當(dāng)位置加入有源或無源元件以改變天線的電流分布，從而增加天線的電長度實(shí)現(xiàn)小型化.但這使得天線結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且伴有額外的能量損耗，導(dǎo)致輻射效率降低.分形天線憑借空間的填充屬性和自相似性，充分利用有限的空間增加天線的電長度實(shí)現(xiàn)小型化.但分形天線構(gòu)建相對復(fù)雜，理論分析困難.彎折線天線作為分形天線的一種簡化，結(jié)構(gòu)和制作工藝簡單，是目前實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽小型化的理想選擇[3].它在限定天線平面尺寸的情況下通過改變彎折次數(shù)、彎折高度和彎折寬度有效地增加天線的電長度，同時具有多頻段、寬帶、可集成等特點(diǎn)，因此在RFID標(biāo)簽天線領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.國內(nèi)外的專家學(xué)者對彎折線天線做了大量的研究[4-9].

本文針對農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊的小型化彎折偶極子標(biāo)簽天線.天線工作在UHF頻段通過在彎折偶極子天線中引入T型阻抗匹配環(huán)實(shí)現(xiàn)天線與標(biāo)簽芯片的良好阻抗匹配.本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線具有較小的尺寸、較寬的帶寬、比較高的增益和良好的輻射性能等特點(diǎn).

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的UHF頻段標(biāo)簽天線由一個彎折線偶極子主輻射體和一個T型阻抗匹配環(huán)組成，如圖1所示.傳統(tǒng)偶極子天線具有結(jié)構(gòu)簡單、輻射能力強(qiáng)、方向性好等優(yōu)點(diǎn).但在UHF頻段半波長偶極子天線尺寸對RFID標(biāo)簽應(yīng)用來說顯得較大，以中心頻率915 MHz計(jì)算，半波長為164 mm.通過對偶極子兩臂進(jìn)行彎折變形，有效地減小了天線尺寸.標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片要做到良好的阻抗匹配才能增加標(biāo)簽的閱讀距離.與傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)不同，RFID標(biāo)簽天線要與輸入阻抗相連接，并非與50 Ω標(biāo)簽芯片相連接，在設(shè)計(jì)中要引入T型阻抗匹配環(huán)結(jié)構(gòu)，在對天線尺寸沒有太大影響的前提下，通過調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)的參數(shù)達(dá)到良好的阻抗匹配效果.在彎折偶極子臂的末端加載大面積金屬貼片，能起到輔助調(diào)節(jié)主輻射體阻抗的作用，也能改善天線增益和輻射效率[10].

Fig.1 Antenna HFSS design model Fig.2 Meander line antenna and and it's equivalent circuit

1.1 彎折線原理與設(shè)計(jì)

彎折偶極子天線由多個彎折單元串聯(lián)而成.以天線的半支為例分析，如圖2所示，電磁波由饋電點(diǎn)傳輸?shù)教炀€，帶箭頭的直線表示天線輻射電流的方向.彎折線水平相鄰的導(dǎo)體段的電流具有相反的相位，從遠(yuǎn)場觀察時，一對電流產(chǎn)生的輻射近似抵消，對外界表現(xiàn)為無輻射輸出.而垂直方向上，輻射電流始終沿著同一個方向產(chǎn)生有效輻射，其彎折線天線的輻射可以等效為圖2右邊的直導(dǎo)體輻射.但是彎折線天線的有效電長度是整個彎折線長度的總和，因此減小了天線尺寸.

設(shè)計(jì)均勻彎折偶極子天線時要考慮4個參數(shù)變量：線半徑(r)、彎折次數(shù)(N)、彎折高度(h)、彎折寬度(w).

本文采用電感電路模型法結(jié)合HFSS軟件仿真分析天線的諧振特性，研究彎折參數(shù)對天線性能的影響.高度為H的偶極子天線的等效自感為[11-12]：

(1)

式中：H是偶極子天線高度;r是天線半徑.電感電路模型法把每個彎折單元等效為一個電感，通過等效傳輸線模型來確定每個彎折單元的電感.每個彎折單元的特性阻抗為：

(2)

式中：w是彎折寬度.彎折單元的等效電感由輸入阻抗計(jì)算：

(3)

式中：β是自由空間傳播常數(shù)；h是彎折高度；ω是角頻率.由此可以得到彎折次數(shù)為N的彎折天線電感為：

L=Ls+NLM.

當(dāng)天線高度不變時增加彎折次數(shù)N，彎折線偶極子天線的電感會增大，從而天線的諧振頻率下降.

以上通過電感電路模型法從理論上分析了偶極子彎折參數(shù)對諧振特性的影響.在天線設(shè)計(jì)時可結(jié)合電磁三維仿真軟件HFSS計(jì)算優(yōu)化彎折天線的結(jié)構(gòu)參數(shù).

1.2 阻抗匹配設(shè)計(jì)

根據(jù)最大功率傳輸定理，需要標(biāo)簽天線的輸入阻抗與標(biāo)簽芯片的阻抗共軛匹配.考慮到標(biāo)簽的成本和體積，天線和芯片的阻抗匹配不能通過添加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)或電路來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)通過合理設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn).

本文采用的T型阻抗匹配結(jié)構(gòu)如圖3所示.第一個偶極子長度為l，引入一個中心短路臂來調(diào)節(jié)阻抗.第二個偶極子長度為a，小于第一個偶極子長度.兩個偶極子之間的距離為b，將天線源接到第二個偶極子.T型匹配結(jié)構(gòu)的等效電路如圖3所示.天線源點(diǎn)處的輸入阻抗由如下公式計(jì)算得到：

(4)

通過調(diào)節(jié)T型匹配環(huán)的尺寸參數(shù)a、b和微帶線寬W、W'可以調(diào)整天線阻抗和芯片阻抗，實(shí)現(xiàn)共軛匹配.如圖3所示，T型匹配可以等效成一個阻抗變壓器，對較小的偶極子總輸入阻抗既有容抗特性又有感抗特性[13].

Fig.3 T-match network and it's equivalent circuit Fig.4 Antenna HFSS simulation model

2 天線仿真與性能分析

2.1 天線建模

采用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS v15.0對標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì).天線的HFSS仿真模型如圖4所示.天線制作在厚度為1.6 mm 的FR-4環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板上，其相對介電常數(shù)εr=4.4.用理想薄導(dǎo)體代替輻射貼片，在HFSS中通過給一個二維平面模型分配理想導(dǎo)體邊界條件來模擬理想薄導(dǎo)體.建模后，設(shè)置輻射邊界條件，輻射邊界表面距離輻射源1/4波長.

2.2 仿真結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線匹配是意聯(lián)科技公司(Alien)的Higgs-3標(biāo)簽芯片.Higgs-3是一塊高度集成的單芯片UHF頻段RFID標(biāo)簽芯片.通過芯片的數(shù)據(jù)手冊可以計(jì)算或用Agilent ADS軟件仿真得到芯片的輸入阻抗.在915 MHz中心頻率處，芯片的輸入阻抗為27-j201Ω，

Fig.5 Antenna return loss(S11)

根據(jù)最大功率傳輸條件，天線的阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)成27+j201 Ω.圖5是標(biāo)簽天線的回波損耗圖.由圖5可見，S11<-10 dB的頻段范圍為850 MHz～980 MHz.在諧振點(diǎn)915 MHz處的回波損耗為-19 dB，與芯片輸入阻抗達(dá)到良好的匹配.

圖6是天線在915 MHz時的三維增益方向圖，圖7是天線的E面輻射方向圖.從兩個方向圖可見，天線輻射有較好的方向性，便于讀寫器識讀，在輻射表面的最大增益達(dá)到2 dB以上.

讀取距離是RFID標(biāo)簽的一個重要指標(biāo)，采用Friis公式對標(biāo)簽天線的讀取距離進(jìn)行估算:

(5)

式中：λ是工作波長，在中心頻率915 MHz時取值328 mm；Gt是讀寫器天線增益，Pt是讀寫器發(fā)射功率，兩者數(shù)值可由本文使用的Alien ALR-9900讀寫器數(shù)據(jù)手冊查到；Pth是標(biāo)簽天線能夠正常工作的最低閾值功率，根據(jù)Higgs-3芯片數(shù)據(jù)手冊查得Pth=-18 dBm；Gr是標(biāo)簽天線增益；τ是功率傳輸系數(shù)，當(dāng)天線與芯片共軛匹配時，τ=1.以上數(shù)據(jù)代入公式(5)計(jì)算得到標(biāo)簽天線的最大理論讀取距離約為10 m，滿足RFID標(biāo)簽應(yīng)用對讀取距離的要求.

Fig.6 3D gain pattern Fig.7 E-plane radiation pattern

3 結(jié) 論

本文提出一款結(jié)構(gòu)緊湊的小型化彎折偶極子標(biāo)簽天線.該款天線在傳統(tǒng)偶極子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入彎折技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天線尺寸的縮減，增加T型阻抗匹配環(huán)，以方便實(shí)現(xiàn)天線和標(biāo)簽芯片的阻抗匹配.仿真結(jié)果表明，小型化彎折偶極子標(biāo)簽天線在中心頻率915 MHz時的輸入阻抗與芯片阻抗能較好地實(shí)現(xiàn)共軛匹配，帶寬覆蓋UHF頻段.該天線具有良好的輻射性能和較高的增益，相應(yīng)的最大理論讀取距離為10 m，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，適合農(nóng)產(chǎn)品溯源RFID系統(tǒng)的應(yīng)用.