超高頻短路環(huán)偶極子抗金屬標簽的設計與分析*

楊俊義， 張 琨， 叢 濱， 張 磊

(1.河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津300130；2.中石油吉林天然氣管道有限責任公司，吉林 松原138000)

射頻識別 RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一種可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸的通信技術(shù)。常用的RFID技術(shù)有低頻(125 kHz～134.2 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻等。其中超高頻以其讀取距離大、傳送數(shù)據(jù)速度快、存儲數(shù)據(jù)量大、靈活性強、適應高速運動等諸多優(yōu)點得到了迅猛發(fā)展。

最基本的 RFID系統(tǒng)[2]由標簽(Tag)、閱讀器(Reader)和天線(Antenna)三部分組成。RFID系統(tǒng)應用中，標簽是影響其整體性能的關(guān)鍵因素之一。實際應用中，標簽多附著于金屬環(huán)境表面使用。然而，金屬環(huán)境對標簽的干擾大大縮小了RFID標簽的應用范圍。因此，針對特定環(huán)境設計具有抗金屬性的標簽十分必要。此外，對電子標簽設計而言，標簽的有效讀取距離是衡量標簽性能的一個關(guān)鍵指標，提高標簽的阻抗匹配度有助于優(yōu)化標簽的有效讀取距離。所以，對所設計的標簽進行阻抗匹配優(yōu)化非常重要。

1 標簽結(jié)構(gòu)設計

1.1 金屬環(huán)境對標簽的影響

標簽主要由標簽芯片和內(nèi)置天線組成，其中天線主要起到接收和發(fā)送電磁波的作用，其目的是傳輸盡可能大的能量進出標簽芯片，為標簽提供工作能量。

根據(jù)電磁場原理，場強對金屬比較敏感，容易對標簽造成影響。其影響主要來自以下兩方面：(1)金屬靠近天線時，由于電磁感應作用會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，同時吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場能，從而減少了射頻原有的能量；(2)金屬環(huán)境產(chǎn)生的渦流也會產(chǎn)生感應磁場，且由其產(chǎn)生的磁力線垂直于金屬環(huán)境表面，與射頻場強相反。由金屬環(huán)境產(chǎn)生的磁場對原磁場造成干擾，導致金屬表面的磁力線趨于變形，在離金屬很近的區(qū)域甚至平行于金屬表面，該區(qū)域內(nèi)根本沒有射頻場，因此直接附著于金屬物體表面的標簽根本無法通過切割磁力線獲得能量，不能正常工作。

1.2 抗金屬標簽結(jié)構(gòu)設計

標簽的有效讀取距離[3]r是衡量標簽性能的一個重要指標，可以通過式(1)計算得出：

式(1)中λ為工作波長，Pt為閱讀器發(fā)射功率，Gt為閱讀器發(fā)射天線增益，Gr為標簽接收天線增益，Pth為標簽芯片靈敏度(最低啟動功率)，τ為匹配系數(shù)。匹配系數(shù)可以通過式(2)計算得出：

式(3)中Zc為標簽芯片輸入阻抗值，式(4)中Za為標簽天線輸入阻抗值。由式(1)和式(2)可知，影響標簽有效讀取距離的一個主要性能參數(shù)為匹配系數(shù)，而匹配系數(shù)的大小與標簽天線和標簽芯片的阻抗匹配程度密切相關(guān)。兩者共軛匹配時，匹配系數(shù)最大。一種容易進行標簽阻抗匹配的方法是在設計中采用可作為并聯(lián)電感使用的短路環(huán)結(jié)構(gòu)，本文在傳統(tǒng)彎折偶極子天線[4](如圖1)的基礎上加入短路環(huán)結(jié)構(gòu)[5]，使阻抗匹配更容易達到要求。

圖1 傳統(tǒng)彎折偶極子天線

為了進一步對標簽設計進行優(yōu)化，在短路環(huán)偶極子天線[6]的基礎上引入阻抗臂結(jié)構(gòu)。短路環(huán)結(jié)構(gòu)對天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)主要與環(huán)的長度、寬度、激勵兩端環(huán)的長度和組成環(huán)的金屬寬度有關(guān)系，因此在設計中引入阻抗臂，通過調(diào)節(jié)阻抗臂的長度和寬度間接調(diào)節(jié)短路環(huán)的參數(shù)，從而影響天線的阻抗匹配，更容易對設計進行適應性調(diào)節(jié)。

設計出的短路環(huán)偶極子抗金屬標簽天線主要由彎折天線臂 (輻射主體部分)、短路環(huán)和阻抗臂三部分組成。標簽芯片采用美國英頻杰(IMPING)公司的Monza4，并將其貼在短路環(huán)結(jié)構(gòu)的開口處進行激勵。將設計出的天線制作于介電常數(shù)εr=4.4，材質(zhì)為FR-4，厚度約為5 mm，尺寸約為95 mm×10 mm的基板上，如圖2所示。其中L1為阻抗臂長度，約為36 mm;L2為阻抗臂寬度，約為0.75 mm。標簽天線材質(zhì)為銅，厚0.01 mm，尺寸約為79 mm×6 mm。將設計的標簽放在面積為 228 mm×80 mm的金屬板表面進行仿真測試，其各方面性能均符合設計及實際應用要求。

圖2 閉環(huán)偶極子抗金屬電子標簽

2 標簽天線性能分析

2.1 天線輸入阻抗圖

對所設計天線采用Ansoft HFSS軟件進行仿真，可得到天線的輸入阻抗圖[7]如圖3所示。

圖3 天線輸入阻抗圖

圖中兩條曲線分別為所設計標簽天線電阻值及電抗值隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出天線諧振頻率為922.625 MHz處的輸入阻抗為 11.23+138.55 Ω，標簽電阻值匹配率為91.82%，電抗值匹配率為97.91%，整體阻抗匹配率達到了90%以上，匹配狀態(tài)良好。且在900 MHz～960 MHz頻率范圍內(nèi)變化平緩，表明標簽天線和芯片的阻抗匹頻帶較寬，具有較強的魯棒性。

2.2 天線回波損耗圖

圖4所示為所設計短路環(huán)偶極子抗金屬標簽天線的回波損耗[8]曲線圖。

圖4 天線回波損耗圖

由圖可以看出所設計短路環(huán)偶極子天線的諧振頻率大約在922.625 MHz附近。在諧振頻率處天線的仿真駐波比 VSWR＜6，即回波損耗 S11＜-10 dB時天線的相對帶寬可由(5)式計算得出：

由計算結(jié)果可知天線具有較好的回波損耗特性和良好的頻帶特性，性能表現(xiàn)良好，滿足實際工程應用設計標準。

2.3 天線方向圖

天線方向圖[9]是方向性函數(shù)的圖形表示，它形象地描繪天線輻射特性隨空間方向坐標變化的關(guān)系。圖5為所設計短路環(huán)偶極子抗金屬標簽天線的H平面(φ=0°～360°,θ=90°)方向增益圖。 從圖中可以看出其在 φ=0°時的最大增益為-5.82 dB。圖6為所設計標簽天線的E平面(φ=0°,θ=-180°～180°)方向增益圖，在 θ=90°處的增益為-5.82 dB。分析圖中數(shù)據(jù)可知，靠近金屬環(huán)境一側(cè)天線由于受到金屬吸收電磁波的干擾，天線增益銳減，可以忽略。而金屬環(huán)境的相反一側(cè)，天線表現(xiàn)出了對上半球面的覆蓋，增益達到了應用要求。

圖5 天線H平面方向增益圖

圖6 天線E平面方向增益圖

表1 922.625 MHz時基板厚度參數(shù)表

3 對標簽基板厚度L和阻抗臂的研究

3.1 基板厚度L對天線各性能的影響

將短路環(huán)偶極子抗金屬標簽天線制作于介電常數(shù)εr=4.4，材質(zhì)為 FR-4，尺寸約為 95 mm×10 mm，厚度為5 mm的基板上，使標簽與金屬表面磁場平行的區(qū)域進行隔離，標簽達到了抗金屬的要求。且經(jīng)Ansoft HFSS軟件仿真測試，標簽各方面性能均達到了實際應用標準。但在實際制作電子標簽時，加工5 mm厚的FR-4基板會有一定的工程誤差，所以研究標簽天線與金屬之間的距離即基板厚度L對標簽各方面性能的影響很有必要。 表1列出了基板厚度L對天線各特性參數(shù)的影響。

分析表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著標簽天線與金屬環(huán)境距離的減小，天線諧振頻率、諧振頻率處的回波損耗及輸入阻抗整體呈下降趨勢，而絕對帶寬和相對帶寬整體呈上升趨勢。當基板厚度L小于4 mm時，阻抗匹配程度已小于80%，不符合實際應用需求，因此，實際加工時基板厚度應大于4 mm。

3.2 阻抗臂對標簽天線輸入阻抗影響

設計中引入阻抗臂用于優(yōu)化標簽天線芯片的阻抗匹配，研究阻抗臂的尺寸對短路環(huán)偶極子天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)作用對天線性能的優(yōu)化很有必要。

如表2和表3分別列出了阻抗臂長度L1及寬度L2變化時對標簽天線輸入阻抗的電阻值Re和電抗值Im的影響。分析表中數(shù)據(jù)可知，當改變阻抗臂的長度L1時，天線的電阻值與阻抗臂長度L1成正相關(guān)，而電抗值相對只表現(xiàn)出微小的波動?？梢姡杩贡鄣拈L度L1只影響天線輸出電阻值，通過調(diào)節(jié)阻抗臂L1的長度可以達到調(diào)整天線輸出電阻值的目的；當改變阻抗臂的寬度L2時，天線的電阻值和電抗值都有較大的變化，且隨著寬度的增加，電阻值與其長度成正相關(guān)，而電抗值與之負相關(guān)，由此分析得出阻抗臂的寬度L2能夠影響天線的輸出阻抗，可以用來優(yōu)化天線的阻抗值。同時調(diào)節(jié)阻抗臂的長度L1和寬度L2可以對天線的電阻值和電抗值的數(shù)值大小及比例進行調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化標簽天線與標簽芯片的阻抗匹配，使匹配達到最佳，提高天線各方面的性能。

表2 阻抗臂長度L1對天線輸入阻抗的影響

表3 阻抗臂寬度L2對天線輸入阻抗的影響

本文基于短路環(huán)偶極子天線結(jié)構(gòu)，設計了一款諧振頻率為922.625 MHz的短路環(huán)偶極子抗金屬標簽。通過將天線制作于 FR-4(εr=4.4)材質(zhì)基板上，使標簽天線與金屬表面磁場平行的區(qū)域相隔離，標簽具有了抗金屬性，可以應用于金屬物體表面，而短路環(huán)結(jié)構(gòu)的引入降低了標簽阻抗匹配的難度。同時本文分析了基板厚度對標簽各方面性能的影響，得出基板厚度L＞4 mm時，標簽各方面性能才能達到實際應用需求；通過引入阻抗臂，可對天線的阻抗進行調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化標簽阻抗匹配，使其達到最佳。所設計標簽電阻值匹配率為91.82%，電抗值匹配率為97.91%，整體阻抗匹配率達到了90%以上。經(jīng)過Ansoft HFSS軟件仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，天線各性能參數(shù)都符合實際設計要求。

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