適用于多標(biāo)準(zhǔn)的超高頻寬帶RFID標(biāo)簽天線*

褚慶昕 曾銳華

(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州510640)

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是源于20世紀(jì)30年代誕生的雷達(dá)設(shè)備，并在90年代開始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［1］.它是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象的技術(shù)，識(shí)別過程無(wú)須人工干預(yù)［2-3］.RFID技術(shù)具有防水、防磁、耐高溫、無(wú)機(jī)械磨損、壽命長(zhǎng)、讀取距離大、讀寫速度快、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點(diǎn).近年來(lái)，RFID技術(shù)快速發(fā)展，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如第二代身份證、門禁控制、后勤物流、貨倉(cāng)管理、動(dòng)物跟蹤、交通收費(fèi)管理系統(tǒng)等［4-5］.一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)通常包括讀寫器和應(yīng)答器(標(biāo)簽)兩部分.標(biāo)簽部分由一塊集成電路芯片和天線組成.目前，RFID在全世界獲得了廣泛應(yīng)用，為了更好地利用有限的頻率資源，各國(guó)劃分了不同的頻段供RFID使用，例如在歐洲是866～869 MHz，在美洲是902～928MHz，在中國(guó)則是840～845MHz和920～925 MHz，在日本是 950 ～956 MHz.總的來(lái)說(shuō)，全球超高頻(UHF)RFID頻率范圍是840～956MHz［6］.由此可見，設(shè)計(jì)出全球通用并兼容多種標(biāo)準(zhǔn)的寬帶RFID標(biāo)簽天線對(duì)于減少重復(fù)設(shè)計(jì)和降低成本都是十分有意義的.此外，出于低成本和簡(jiǎn)化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的需要，標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線一般是直接連接，其間沒有任何匹配電路.這就要求天線的阻抗設(shè)計(jì)要與芯片阻抗相匹配，以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸.而芯片的阻抗與傳統(tǒng)的50Ω不同，典型值一般是實(shí)部較小，而虛部較大(－400～－100Ω)的復(fù)阻抗.要匹配這樣一個(gè)復(fù)阻抗，會(huì)使天線的帶寬變窄，因此寬帶RFID標(biāo)簽天線成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn).迄今為止，有關(guān)UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很多，但能全球通用并兼容多種標(biāo)準(zhǔn)的寬帶RFID標(biāo)簽天線卻不多.文獻(xiàn)［7］提出了一種基于變型雙T匹配結(jié)構(gòu)的近似全向標(biāo)簽天線，該天線的帶寬是從848 MHz到926 MHz.顯然不足以覆蓋全球的RFID頻率范圍.文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了一種圓形彎折標(biāo)簽天線，它具有近似全向的方向圖，它的帶寬足以覆蓋整個(gè)UHF RFID頻段，但是在該天線結(jié)構(gòu)中使用圓形彎折線不僅增加了天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，也提高了加工難度和成本.而文獻(xiàn)［9］提出的電容耦合結(jié)構(gòu)則相對(duì)簡(jiǎn)單，但是帶寬只有65MHz.同樣的窄帶寬問題存在于文獻(xiàn)［10］所報(bào)道的天線，該天線結(jié)構(gòu)分為兩層，并通過短路片連接.該天線的整體尺寸(106.0 mm×44.0mm×4.6mm)較大;對(duì)于一些要求薄標(biāo)簽的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，厚度(4.6mm)也過厚了.

本研究基于兩個(gè)變型彎折偶極子天線，通過引入電感耦合饋電結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行饋電，使天線的帶寬得以拓寬，足以覆蓋全球多標(biāo)準(zhǔn)UHF RFID頻率范圍;并基于電磁仿真軟件Ansoft HFSS的仿真分析，設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)實(shí)物天線.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性.

1 天線原理與設(shè)計(jì)

文中提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示.該天線結(jié)構(gòu)分為矩形饋電環(huán)和變型彎折偶極子輻射體兩部分.芯片貼在矩形饋電環(huán)的開口處進(jìn)行激勵(lì)，通過電感耦合將能量送至輻射體上.輻射體由兩個(gè)中間部分連接在一起的變型彎折偶極子構(gòu)成.這兩個(gè)彎折偶極子的長(zhǎng)度是有差異的，并不完全相等，通過統(tǒng)一饋電，可以形成兩個(gè)比較靠近的諧振頻率，從而拓展天線的帶寬.階梯狀彎折的偶極子可以縮短天線的整體長(zhǎng)度，使得天線結(jié)構(gòu)緊湊.天線輻射體與矩形饋電環(huán)之間的耦合強(qiáng)度主要受到兩方面因素的影響:一方面可以由它們之間的間隙(D)來(lái)控制耦合強(qiáng)度大小，間隙越窄，耦合越強(qiáng);間隙越寬，耦合越弱;另一方面，矩形饋電環(huán)的尺寸大小也會(huì)影響它們之間的耦合強(qiáng)度.耦合強(qiáng)度的大小對(duì)天線的影響可以由天線的輸入阻抗來(lái)反映［11］.

圖1 天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of the antenna

針對(duì)文中提出的天線，可以通過一個(gè)簡(jiǎn)化的電路模型(見圖2)來(lái)分析.基于圖2得到從天線饋電口處看進(jìn)去的輸入阻抗:

圖2 天線的等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of the antenna

式中:M是天線輻射體與饋電環(huán)之間的互感，表征它們之間的耦合強(qiáng)度;Zloop是饋電環(huán)本身的阻抗值，其值取決于饋電環(huán)本身的電感值Lloop，可以表示為ZA則是天線輻射體在去掉饋電環(huán)后所呈現(xiàn)的阻抗值，由輻射體自身電阻RA、電容C和電感LA構(gòu)成.在其諧振頻率f0附近時(shí)，ZA可以由天線的輻射電阻Rr以及與頻率f有關(guān)的品質(zhì)因數(shù)Q表征:

由式(1)－(3)可以得到天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部:

當(dāng)天線工作在諧振點(diǎn)頻率f0時(shí)，即f=f0，天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部則變?yōu)?

式(6)、(7)表明，天線輸入阻抗的實(shí)部受到天線輻射體與饋電環(huán)之間的耦合強(qiáng)度以及天線輻射體本身的輻射電阻的控制，而虛部則取決于饋電環(huán)本身電感值的大小.由此可見，天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部獨(dú)立可控.這樣就為調(diào)節(jié)天線的阻抗提供了一種簡(jiǎn)單而有效的思路:首先選擇尺寸合適的饋電環(huán)，以抵消芯片阻抗的虛部，然后調(diào)節(jié)饋電環(huán)與輻射體之間的間隙，以獲得合適的實(shí)部，最終實(shí)現(xiàn)天線與任意芯片阻抗的共軛匹配.

經(jīng)過在電磁仿真軟件Ansoft HFSS里的仿真分析發(fā)現(xiàn)，在保持饋電環(huán)及輻射體尺寸不變，只改變它們之間的間隙的情況下，隨著間隙增加，天線阻抗的實(shí)部在逐漸減小，而虛部則變化不大，結(jié)果如圖3(a)所示.圖3(b)所給出的結(jié)果是在保持輻射體和耦合間隙不變，只改變饋電環(huán)尺寸Lf的情況下得到的，由圖3(b)可以看出，當(dāng)增加饋電環(huán)尺寸時(shí)，天線阻抗的實(shí)部和虛部都在變大.原因在于改變饋電環(huán)的尺寸會(huì)同時(shí)改變其本身的電感值和其與輻射體之間的耦合強(qiáng)度.

圖3 D和Lf對(duì)天線阻抗的影響Fig.3 Impact of D and Lfon antenna impedance

2 測(cè)量結(jié)果與分析

為驗(yàn)證第1節(jié)中所述理論的有效性，針對(duì)一款輸出阻抗為(40－j290)Ω的RFID標(biāo)簽芯片，本研究先在電磁仿真軟件Ansoft HFSS中進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，然后加工了一個(gè)天線實(shí)物，如圖4所示.天線的介質(zhì)板采用介電常數(shù)為4.4、厚度為1.6 mm的FR4基板.天線的具體尺寸參數(shù)如下:L1=50.0 mm，L2=8.5mm，L3=11.0 mm，Lf=40.0 mm，W1=5.0 mm，W2=20.0mm，W3=30.0 mm，Wf=10.0 mm，W=2.0mm，D=3.5mm，Y=3.0mm.

圖4 天線照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the antenna

本研究采用鏡像法測(cè)量天線的阻抗.原因在于，本研究所設(shè)計(jì)的天線并非50Ω匹配的傳統(tǒng)天線，而且是平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu).如果直接用50Ω測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，會(huì)帶來(lái)如下問題:50 Ω同軸接頭本身是一個(gè)不平衡設(shè)備，直接接到天線上會(huì)導(dǎo)致部分電流回流至同軸線的外導(dǎo)體，引起天線上的電流分布不平衡，從而影響測(cè)量的精確度.為克服電流回流的問題，通常采用四分之一波長(zhǎng)平衡－不平衡變換器(巴倫)或者扼流圈，但要設(shè)計(jì)一個(gè)良好的寬帶巴倫或者扼流圈，需要投入額外的設(shè)計(jì)工作量.而鏡像法則不需要這樣的設(shè)備，只需取對(duì)稱天線的一半，放置在地平面上(見圖5)，形成鏡像;根據(jù)鏡像法原理，這樣測(cè)量出來(lái)的阻抗的兩倍就是被測(cè)天線的阻抗.鏡像法的測(cè)量精度受到地平面面積的影響，地平面面積越大，精度越高，因此只要取面積較大的地平面，就可以獲得較高的精度.用鏡像法測(cè)量時(shí)，地平面的面積是1m×1m.測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如圖6所示，兩者吻合良好.由圖6可見，在感興趣的頻段(840～956MHz)內(nèi)，天線阻抗的虛部變化很小，保持在290Ω上下，這樣平穩(wěn)的阻抗特性非常有利于與芯片阻抗進(jìn)行寬帶共軛匹配，拓展天線帶寬.將阻抗為(40－j290)Ω的RFID標(biāo)簽芯片與天線焊接起來(lái)，計(jì)算此時(shí)天線激勵(lì)端口處的回波損耗(S11)，所得結(jié)果如圖7所示.由圖7可見，天線與芯片之間的阻抗匹配非常理想，在0.7～1.1 GHz頻率范圍內(nèi)，S11都小于－10dB.這得益于天線阻抗的虛部在這一頻段內(nèi)保持穩(wěn)定.

圖5 鏡像法配置圖Fig.5 Configuration of imaging method

圖6 天線阻抗的測(cè)量值和仿真值Fig.6 Measured and simulated impedance of the antenna

圖7 天線S11的測(cè)量值和仿真值Fig.7 Measured and simulated S11of the antenna

功率反射系數(shù)反映的是源與負(fù)載之間的功率傳輸特性［12］，功率反射系數(shù)越小，負(fù)載獲得的功率就越大.功率反射系數(shù)為

式中:Zchip是芯片的阻抗是Zin的共軛阻抗.

根據(jù)Friis空間傳輸公式，可得到功率反射系數(shù)與標(biāo)簽理論可讀距離rmax之間的關(guān)系:

式中:λ是自由空間電磁波波長(zhǎng);Pt是RFID讀寫器的發(fā)射功率;Gt是RFID讀寫器天線的增益;Gr是標(biāo)簽天線的增益;Pth是標(biāo)簽芯片工作的最小門檻功率.通常在 840 ～956MHz頻帶內(nèi)，Pt、Gt、Gr和 Pth都不會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化，因此與頻率有關(guān)的功率反射系數(shù)就成為影響標(biāo)簽讀寫距離的主要因素.根據(jù)天線阻抗的測(cè)量值和仿真值計(jì)算出來(lái)的功率反射系數(shù)如圖8所示.半功率(－3dB)帶寬的測(cè)量值是151MHz(從828MHz到979MHz)，比仿真值172MHz(從816MHz到988MHz)稍微窄了一些.這表明，在840～956MHz頻帶范圍內(nèi)，文中提出的天線都可以使標(biāo)簽獲得足夠的功率，保證標(biāo)簽的正常工作.因此，在全球UHF RFID頻段范圍內(nèi)，文中提出的天線均能正常工作，實(shí)現(xiàn)了兼容多標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo).

圖9示出了頻率為900MHz時(shí)的天線歸一化方向.經(jīng)過仿真和實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)天線在 840、900和956MHz時(shí)的歸一化方向圖是相似的，所以文中只給出900MHz時(shí)的歸一化方向圖.由圖9可以發(fā)現(xiàn)，天線方向圖的形狀和典型偶極子方向圖是類似的，E面是8字狀圖形，而H面則是全向面.這是因?yàn)槲闹兴岢龅奶炀€是基于傳統(tǒng)偶極子設(shè)計(jì)的，所以其方向圖也是相似的.

圖8 天線功率反射系數(shù)的測(cè)量值和仿真值Fig.8 Measured and simulated power reflection coefficient of the antenna

圖9 天線在900MHz時(shí)歸一化輻射方向圖的測(cè)量值和仿真值Fig.9 Measured and simulated normalized radiation pattern of the antenna at 900MHz

3 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的兼容多標(biāo)準(zhǔn)的寬帶RFID標(biāo)簽天線.通過在天線結(jié)構(gòu)中引入兩個(gè)長(zhǎng)度稍有差異的變型彎折偶極子并統(tǒng)一饋電，形成兩個(gè)相近的諧振點(diǎn)，使得天線的阻抗，特別是虛部，在840～956 MHz的范圍內(nèi)保持平穩(wěn)，以獲得與芯片阻抗在較寬頻段內(nèi)良好的匹配，從而拓展天線的帶寬，實(shí)現(xiàn)了覆蓋全球UHF RFID頻段和兼容多標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo).最后基于仿真分析，加工了一個(gè)實(shí)物天線.實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了該天線設(shè)計(jì)的有效性.

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