太陽能電池作為天線輻射體的RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計

馬建歡 ，李建雄 ，肖 康，張世林 ，毛陸虹

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

射頻識別（radiofrequencyidentification，RFID）技術(shù)是一種通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，從而對目標(biāo)進行識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)[1].它由于精度高、讀取距離大、讀寫速度快、存儲數(shù)據(jù)容量大、適應(yīng)能力強等許多優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注.近年來，RFID技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用于多個領(lǐng)域.一個完整的RFID系統(tǒng)包括讀寫器、電子標(biāo)簽以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3個部分.在RFID系統(tǒng)中，根據(jù)電子標(biāo)簽是否需要加裝電池及電池供電的作用，電子標(biāo)簽主要分為無源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽.無源標(biāo)簽不附帶電池，依靠閱讀器的射頻信號提供能量使其工作；半無源標(biāo)簽裝有電池，但電池僅對標(biāo)簽芯片工作所需的電壓做輔助支持，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器；有源標(biāo)簽具有外置的電池，其工作電源完全由內(nèi)部電池供給.無源標(biāo)簽有著成本低和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點，缺點是由于功耗所限，電路規(guī)模不能太大，如果附加電路功能如傳感器功能，將會使通信距離變短.有源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽因增加了外置的電池，導(dǎo)致其增加了制作工藝的復(fù)雜度；由于電池對標(biāo)簽天線的輻射特性有影響，所以要求電池與天線有足夠大的距離，從而使得標(biāo)簽整體的面積較大；并且當(dāng)普通電池能量耗盡時需更換電池，增加了使用過程中的復(fù)雜度，而且普通電池還會造成一定程度的環(huán)境污染.為了解決上述標(biāo)簽?zāi)壳八嬖诘膯栴}，本文設(shè)計了一種太陽能電池作為天線輻射體的RFID電子標(biāo)簽天線.一方面，在采用電池供電的電子標(biāo)簽中，天線和電池是標(biāo)簽芯片2個僅有的外圍元件，利用太陽能電池的射頻特性，把這2個元件合二為一，將太陽能電池作為貼片天線的輻射體，縮小了標(biāo)簽整體的面積，減少制作工藝的復(fù)雜度，降低了標(biāo)簽的制造成本；另一方面，由于太陽能電池的使用，使有源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽可以長期工作而不需要更換電池，避免了因使用普通電池造成的環(huán)境污染，提高了標(biāo)簽的使用壽命，并且增加了通信距離.

1 設(shè)計原理

1.1 微帶天線簡介

工作在超高頻（UHF）頻段的標(biāo)簽天線，通常是偶極子天線或微帶天線.微帶天線因其體積小、剖面低、易集成、造價低等特點以及良好的性能受到廣泛的關(guān)注，特別是在無線移動終端設(shè)備中更是顯現(xiàn)了其特有的優(yōu)越性.微帶天線的結(jié)構(gòu)多種多樣，但基本形式通常是由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上一片薄層電介質(zhì)表面所組成，如圖1所示.

圖1 微帶天線的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of microstrip antenna

微帶天線的饋電方式可以分為微帶線饋電、同軸線饋電和電磁耦合型饋電.20世紀(jì)80年代以來出現(xiàn)了多種電磁耦合型饋電方式，其結(jié)構(gòu)上的共同特點是貼近（非接觸）饋電，可利用饋線本身，也可通過一個口徑（縫隙）來形成饋線與天線間的電磁耦合.因此也可統(tǒng)稱為貼近式饋電.這對于多層結(jié)構(gòu)的層間連接問題，是一種有效的解決方法，并且大多能獲得寬頻帶的駐波比特性[2].縫隙耦合型饋電方式的基本結(jié)構(gòu)是:貼片印制在天線基片上，然后放置在刻蝕有微帶饋線的饋源基片上，二者之間有一個帶有縫隙的接地板，微帶線通過此縫隙來對貼片饋電.為了使太陽能電池與天線更好的融合，本設(shè)計采用縫隙耦合型饋電方式.

1.2 太陽能電池的射頻特性

太陽能電池有2個極板，其電學(xué)特性表現(xiàn)為一個電壓受限的電流源.已有文獻[3]提出將太陽能電池引入到平面天線中，而且經(jīng)過大量實驗證明，太陽能電池在超高頻頻段，相當(dāng)于一個面積同等大小的金屬板，圖2和圖3所示為兩者之間的復(fù)阻抗和相位角的對比圖[4].由圖2、圖3可以看出，在頻率達到100 MHz以上后，金屬板和太陽能電池的復(fù)阻抗的幅度和相位角基本相同，而本文所研究的天線為超高頻RFID標(biāo)簽天線，所設(shè)計的天線工作頻率為915 MHz，所以在此頻率下，太陽能電池可以作為微帶天線的貼片.

圖2 金屬銅板和太陽能電池的阻抗比較Fig.2 Impedance of a solar cell compared to copper patch

圖3 金屬銅板和太陽能電池的相位角比較Fig.3 Phase angle of a solar cell compared to copper patch

利用太陽能電池的射頻特性，太陽能電池可以作為標(biāo)簽天線的貼片，這樣使得太陽能電池和標(biāo)簽天線結(jié)合為一個器件.當(dāng)在有源模式即有光的情況下，太陽能電池不僅僅作為標(biāo)簽天線的貼片，而且將太陽能轉(zhuǎn)化成電能為標(biāo)簽芯片提供能量，使其激活，解決了傳統(tǒng)無源RFID標(biāo)簽因距離過遠無法激活芯片的困難.當(dāng)在無源模式下即無光的情況下，太陽能電池僅作為一個標(biāo)簽天線的貼片接收電磁波信號，使得標(biāo)簽當(dāng)作普通的無源標(biāo)簽來使用.

2 設(shè)計方案

本文的設(shè)計目標(biāo)是提出一種天線，將太陽能電池與天線合為一體，并且太陽能電池作為微帶貼片接收電磁波.本設(shè)計選擇EM公司生產(chǎn)的EM4324標(biāo)簽芯片，查閱標(biāo)簽芯片EM4324的電氣性能參數(shù)可知，芯片在915 MHz時的阻抗值為Zc=14.5-j166.5 Ω，根據(jù)共軛匹配原理，所設(shè)計的天線的阻抗值應(yīng)為Za=14.5+j166.5 Ω.

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的太陽能電池作為天線輻射體的RFID標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Geometry of proposed antenna

天線包含2層介質(zhì)板，按照自上往下的順序，第1層基板為輻射基板，上面覆有太陽能電池，2層基板中間是刻有H形縫隙的接地板，第2層基板為饋電層基板，其下表面有微帶饋線和芯片.

2.2 參數(shù)選擇

在對天線進行建模仿真優(yōu)化之前，需要確定其原始尺寸.通常的方法是根據(jù)性能參數(shù)的要求，由經(jīng)驗公式反推或者直接根據(jù)工程曲線和工程經(jīng)驗確定.

首先根據(jù)給定的工作頻率915 MHz和技術(shù)指標(biāo)選取適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)基板并確定其厚度.這是因為基板材料εr及其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標(biāo).品質(zhì)因數(shù)Q的表達式為:

式中:c為真空中光速；εr為基質(zhì)材料的相對介電常數(shù)；fr為工作頻率；h為基片厚度.

為了有效地降低微帶天線的品質(zhì)因數(shù)Q值、增大帶寬、提高增益，必須選擇低介電常數(shù)、高厚度的輻射基板.但當(dāng)基板厚度過大時，又容易在貼片表面激勵起不必要的高次模和偽輻射，從而又使天線的效率降低.因此只有適當(dāng)?shù)脑黾踊搴穸炔艜μ炀€的性能有益.

上層基質(zhì)板的參數(shù)影響天線的阻抗帶寬，介電常數(shù)越低，厚度越厚，天線頻帶就越寬，但是厚度的增加會使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強，因此在選擇上層基質(zhì)參數(shù)時需要綜合考慮這2種因素的影響，下層介質(zhì)板一般采用較薄的高介電常數(shù)介質(zhì)板，來增強介質(zhì)對場的束縛從而減小后向輻射.

替代輻射貼片的太陽能電池邊長決定天線的諧振頻率，但是縫隙的耦合使其諧振長度與理論值λg/2（λg為微帶中的導(dǎo)波波長）有較大的偏移,因此貼片尺寸需要與縫隙尺寸一起進行設(shè)計.

本設(shè)計采用H形縫隙耦合饋電方式，H形縫隙較之其他形狀的縫隙可以獲得更大的耦合量.大量文獻表明，H形縫隙耦合饋電容易實現(xiàn)寬頻諧振和良好的交叉極化性能，而且由于饋線和輻射貼片被基質(zhì)分開，饋線的寄生輻射對方向圖干擾很小[5].可以通過調(diào)節(jié)H形縫隙的尺寸和微帶線的長度來改善天線的阻抗匹配特性，實現(xiàn)寬帶諧振[6].采用縫隙長度比貼片長度稍小的矩形耦合細縫，一般可以獲得滿意的匹配效果，通常選擇長度和寬度之比為10∶1.此規(guī)律對于H形縫隙的中間部分依然適用.兩端部分長度和寬度均為中間部分的1.5倍，從而基本確定H形縫隙的尺寸.值得注意的是，縫隙中心距離貼片中心的距離對耦合性能的影響是很大的.

底層饋線寬度過寬會增加不必要的耦合，過窄則會受到加工精度的限制，本設(shè)計選擇3mm的微帶線.在微帶線上增加了個2個開路短截線，從而增加天線帶寬.

標(biāo)簽芯片的正極和負極分別與太陽能電池的正極和負極相連，標(biāo)簽芯片的射頻輸入端與天線的微帶線相連.由于電池與芯片不在同一個平面，需要在2層基質(zhì)上打過孔，并在下層基質(zhì)上走線，完成兩者的連接.

3 仿真結(jié)果

本文在仿真軟件HFSS v12的輔助下，設(shè)計了一個工作頻率在915 MHz的太陽能電池天線.根據(jù)天線的尺寸及諧振頻率要求來選擇合理的天線板材及結(jié)構(gòu)參數(shù)，此處選擇厚度h1=3 mm、介電常數(shù)εr1=3.8的材料作為輻射基板，選擇厚度h2=1 mm、介電常數(shù)εr2=4.5的材質(zhì)作為饋電基板.如圖5所示，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:Wj=120 mm，W=70 mm，La=30 mm，Lb=48 mm，Wa=1 mm，Wb=1 mm，L=80 mm,Wf=80.6 mm.

圖6所示為通過HFSS仿真得到的太陽能電池作為天線輻射體的RFID標(biāo)簽天線的S11圖.

由圖6可見，天線在915 MHz處諧振，諧振點處的S11是-38.54 dB，且-10 dB帶寬為91 MHz.

圖7所示為阻抗仿真圖.

由圖7可知，天線在915 MHz時的阻抗值為Za=18.33+j165.58 Ω.已給出芯片在915 MHz時的阻抗值為Zc=14.5-j166.5 Ω，所以標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片基本達到阻抗匹配.

圖5 天線的尺寸圖Fig.5 Size of antenna

圖6 S11仿真圖Fig.6 Return loss of antenna

圖7 阻抗仿真圖Fig.7 Impedance of antenna

圖8所示為太陽能電池作為天線輻射體的RFID標(biāo)簽天線的增益圖.由圖8中可見，天線的峰值增益為0.378 dB，天線效率為27.4%.

圖8 天線的增益圖Fig.8 Gain of antenna

4 結(jié)論

本文利用太陽能電池的射頻特性，設(shè)計了一種太陽能電池作為天線輻射體的標(biāo)簽天線，使得太陽能電池和標(biāo)簽天線結(jié)合為一個器件.太陽能電池既可以為標(biāo)簽芯片提供能源，又可以作為貼片天線接收電磁波信號.利用仿真軟件HFSS v12對影響天線的關(guān)鍵參數(shù)進行仿真，從仿真結(jié)果可以得出，諧振頻率在915 MHz，標(biāo)簽天線與芯片阻抗匹配良好，-10 dB帶寬為91 MHz.與普通有源標(biāo)簽相比，該標(biāo)簽縮小了標(biāo)簽整體的面積，避免了因使用普通電池造成的環(huán)境污染，并且增加了通信距離.

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