適用于IT設備資產(chǎn)管理的RFID標簽天線設計

歐陽國軍

摘 要： 針對用于IT設備資產(chǎn)管理的RFID系統(tǒng)存在讀取率低、讀取范圍小、易受干擾的問題，設計了一種具有抗金屬、抗移動通信終端干擾、高增益的雙頻微帶天線。HFSS仿真結果顯示，標簽天線在CDMA800和GSM的UHF頻段[S11]值大于-10 dB， 天線最大增益為7.28 dBi，標簽最大讀取距離理論估值為17.66 m。設計的RFID標簽天線適應IT設備資產(chǎn)管理環(huán)境特殊要求。

關鍵詞： IT設備管理； RFID； 標簽天線； 雙頻微帶天線； 抗干擾

中圖分類號： TN802?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0090?05

Design of RFID tag antenna applied to IT asset management

OUYANG Guo?jun

（Department of Computer， Guangdong AIB Polytechnic College， Guangzhou 510507， China）

Abstract： A dual?band microstrip antenna with the characteristics of resistant metal， anti mobile communication terminal interference and high gain was designed to overcome low reading rate， small read range and vulnerable to interference shortco?mings existing in the RFID system applied to IT asset management. The HFSS simulation results show that， in CDMA 800 and GSM UHF bands， the S11 value of tag antenna is greater than -10 dB， the antenna maximum gain is 7.28 dBi and the theoretical estimation value of label maximum read distance is 17.66 m. RFID tag antenna design can meet the special requirements of IT asset management.

Keywords： IT equipment management； RFID； tag antenna； dual?band microstrip antenna； anti?interference

0 引 言

針對傳統(tǒng)資產(chǎn)管理中要人工進行登記，無法實時檢測設備狀態(tài)，賬、卡、物不符，資產(chǎn)清查強度高、效率低，費時費力，設備數(shù)目不清致使重復購置或閑置等問題，學者們提出了基于RFID標簽技術的解決方案[1]，許多公司開發(fā)了RFID固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)[2]。但在應用過程中，由于RFID標簽還存在讀取率低、讀取范圍小、易受干擾等問題，導致推廣和普及困難，建好的系統(tǒng)故障也較多，嚴重影響正常使用。

通過對RFID資產(chǎn)管理系統(tǒng)應用情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)RFID標簽天線性能的合理選擇對項目成功起至關重要的作用。運行良好的系統(tǒng)，RFID標簽天線大部分是根據(jù)應用現(xiàn)場環(huán)境進行專門化設計或篩選，考慮了RFID系統(tǒng)所處環(huán)境中出現(xiàn)的反射、折射、衍射、吸收或衰減等情況。

IT資產(chǎn)一般是指放置在辦公室、實驗室的計算機和網(wǎng)絡設備。IT設備外殼一般為金屬，管理周期長達5年以上，使用地點分散、流動性強，工作場所人、物眾多、移動通信終端普及。用于IT資產(chǎn)管理的RFID系統(tǒng)應用中遇到最嚴重問題是金屬的反射、人體對電磁波的吸收、UHF頻段移動通信系統(tǒng)的電磁雜散干擾。金屬上產(chǎn)生的反射波、人體的強吸收可導致標簽不能工作[3]，移動通信系統(tǒng)引發(fā)的電磁雜散干擾減少讀寫器讀取距離和降低標簽芯片輸入端信躁比[4] 。因此，用于IT設備資產(chǎn)管理的RFID標簽天線的設計與選用必須消除金屬的破壞性干擾，引入積極干擾；要考慮人體的吸收影響，有足夠大的增益，但又不能傷害人。此外，為了能通過物聯(lián)網(wǎng)絡隨時進行遠程資產(chǎn)管理操作，RFID系統(tǒng)一般采用固定式閱讀器，從辦公室、實驗室的空間大小分析，閱讀器與標簽的距離一般大于8 m?；谝陨弦蛩兀糜贗T設備資產(chǎn)管理的RFID標簽天線的設計應滿足如下要求：標簽為無源、超高頻（UHF）；標簽具有較好的抗金屬能力，不受金屬邊界條件的影響；標簽的方向性好，最好在金屬表面上半球具有全向特性；標簽具備抗移動通信系統(tǒng)干擾的能力；標簽增益大，具有較遠的讀取距離；標簽的成本低廉，加工工藝簡單，易于批量生產(chǎn)。

1 標簽天線模型結構選型

工程上常用的抗金屬RFID標簽天線結構有微帶天線和平面倒F天線（PIFA）。微帶天線將金屬表面作為其接地平面，從而可以用來實現(xiàn)抗金屬標簽天線設計，微帶天線一般要求天線的有效長度為使用頻率波長的[12。]平面倒F天線（PIFA）自帶金屬接地平面實現(xiàn)抗金屬功能，天線的尺寸較小巧，有效長度為使用頻率波長的[14。]文獻[5]在微帶結構上增加2個耦合的寄生貼片來激發(fā)新的諧振波模，使帶寬達148 MHz，覆蓋了所有的超高頻RFID系統(tǒng)的頻段，天線的讀寫距離在4 m左右。文獻[6]采用平衡雙饋電結構的微帶天線，使標簽工作性能在不同物質(zhì)環(huán)境中表現(xiàn)出較為滿意的一致性，3 dB帶寬為8.2 MHz，不能覆蓋800 MHz/900 MHz頻段，讀寫距離10 m左右。文獻[7]利用PIFA結構進行設計，讀寫距離在3 m以內(nèi)。從上述分析可知，微帶天線的面積比PIFA大，在讀寫距離方面的性能要優(yōu)于PIFA。由于計算機和網(wǎng)絡設備的表面積絕大多數(shù)都滿足：[LGND≥L+6h，][WGND≥W+6h]（[LGND]為設備表面長度，[WGND]為設備表面寬度，[L]為標簽長度，[W]為標簽寬度，[h]為介質(zhì)層厚度），因此，用于IT資產(chǎn)管理的RFID標簽對尺寸要求不高，采用微帶天線比較合適。

由于天線輸入阻抗不等于通常的50 Ω傳輸線阻抗，所以需要匹配，匹配可由適當饋電位置來做到。微帶天線有微帶線饋電、同軸線饋電、耦合饋電和縫隙饋電等多種方式，最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電。饋電方式和饋電位置也影響輻射特性[8]。微帶饋電制作簡單，但饋線本身有輻射，會干擾天線方向圖，降低增益。同軸線饋電饋電點可選在貼片內(nèi)任何位置，避免了對天線輻射的影響，但會引入感抗，對天線的輸入阻抗有影響。

綜合考慮，本設計采用同軸饋電微帶天線結構作為原型進行設計。

標簽天線的基本結構包括三個部分：輻射貼片、介質(zhì)基片、同軸饋線，如圖1所示。其中，介質(zhì)基片作為反射面，輻射貼片是與參考地平面平行的金屬片，饋線用于信號傳輸，通過合理設置同軸饋電點位置實現(xiàn)雙頻。

2 標簽天線設計指標

本文設計的RFID標簽天線遵循《信息技術射頻識別800 MHz/900 MHz空中接口協(xié)議》（GB/T 29768?2013）標準，其設計指標為：

（1） 工作中心頻率為842.5 MHz和922.5 MHz；

（2） 標簽天線的抗干擾性能：本系統(tǒng)反射系數(shù)[S11≤-20 dB（VSWR≤2.0），]異系統(tǒng)反射系數(shù)[S11≥-10 dB（VSWR≤2.0）；]

（3） 最大增益[Gant≥6 ]dB；

（4） 最大理論距離[rmax≥10 ]m。

圖1 標簽天線結構

3 標簽天線設計分析

3.1 抗移動通信終端干擾設計

《信息技術射頻識別800 MHz/900 MHz空中接口協(xié)議》（GB/T 29768?2013）規(guī)定了我國的UHF RFID的頻段為840～845 MHz和920～925 MHz，與移動通信UHF頻段的CDMA800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）等距離較近，如圖2所示，UHF頻段的移動通信系統(tǒng)會對RFID系統(tǒng)產(chǎn)生雜散干擾。當標簽天線感應移動通信系統(tǒng)發(fā)射的電磁波時，如果標簽天線的頻率選擇性能不理想時，會產(chǎn)生信號耦合至標簽芯片中，導致標簽芯片的輸入端信躁比降低，RFID標簽的解調(diào)誤碼率增加。在標簽設計時，通過提高頻率選擇性、阻抗匹配性等措施提高標簽抗干擾能力[6]。

圖2 UHF頻段頻率分類圖

設RFID天線頻段寬度為[frfid，]CDMA、GSM的UHF頻段離RFID最近的頻率距離為[fmin，]因為當駐波比[VSWR≤2]即回波損耗參數(shù)[S11≤-10 ]dB天線才能工作，所以在設計時天線絕對頻帶寬度BW可取為：

[BW=frfid+2fmin] （1）

由于：

[BW=VSWR-1QTVSWR] （2）

天線總的品質(zhì)因素[QT]可表示為：

[1QT=1Qr+1Qd+1Qc]

式中：[Qr，][Qd，][Qc]分別為輻射、介質(zhì)和導體損耗[Q]值。由于實際的[Qd]和[Qc]遠大于[Qr，]文獻[9]給出[QT]的近似計算式：

[QT?Qr=cεre4frh] （3）

式中：c為光速；[εre]為有效介電常數(shù)；[fr]為諧振頻率；[h]為介質(zhì)基板厚度。由式（1）～式（3）可求得：

[h=c（frfid+2fmin）εreVSWR4fr（VSWR-1）] （4）

介質(zhì)基板相對介電常數(shù)[εr]要求要穩(wěn)定。當頻段范圍確定時，選用[εr]較大的基板材料，可減小貼片尺寸。損耗正切[tanδ]值越大，饋電損耗越大。

合理選取[εr]值，按式（4）計算[h]值，完成介質(zhì)基板材料的選取，則可保證移動通信系統(tǒng)發(fā)射的電磁波在天線上的回波損耗[S11]將大于-10 dB，不能觸發(fā)天線工作，天線具備了良好的抗移動通信終端干擾的性能。

3.2 輻射貼片參數(shù)計算

輻射貼片寬度[W]取得適當大些對頻帶寬度、輻射效率及阻抗匹配有利，但當尺寸大于式（5）給出的值時將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。

[W=c2frεr+12-12] （5）

確定[εr，][h，][W]后，可計算出有效介電常數(shù)[εre：]

[εre=εr+12+εr-121+12hW-12] （6）

介質(zhì)內(nèi)波長：

[λg=cfrεre] （7）

輻射貼片長度[L]在理論上取[λg2，]由于邊緣場的影響，在設計[L]的尺寸時應從[λg2]中減去[2ΔL，]于是：

[ΔL=0.412h（εre+0.3）（Wh+0.264）（εre-0.258）（Wh+0.8）] （8）

[L=c2frεre-2ΔL=0.5λg-2ΔL] （9）

3.3 基板尺寸確定

基板大小對輻射場的分布沒有明顯影響，從減少天線重量、安裝面積和降低成本出發(fā)，[Lg，][Wg]應盡可能小。

介質(zhì)板長度：

[Lg=L+0.2λg] （10）

介質(zhì)板寬度：

[Wg=W+0.2λg] （11）

3.4 同軸饋線位置參數(shù)計算

微帶天線實現(xiàn)雙頻工作方式的設計主要有多層金屬貼片、集總元件加載（包括短路針）、縫隙加載和多模正交。多層金屬貼片、集總元件加載會使天線的結構變得復雜，縫隙加載實現(xiàn)雙頻相對簡單，但會影響頻帶寬度和輻射效率。多模正交方法不用改變天線結構，主要通過改變饋電位置激勵起工作在不同頻率相互正交的諧振模，從而實現(xiàn)雙頻工作方式。本文采用多模正交方法實現(xiàn)雙頻。

對于矩形微帶輻射貼片，饋電點位于[x]軸上，可以激發(fā)[TM10]模式，此時由于饋電點位于輻射貼片[y]方向的中心線上，不會激發(fā)[TM0n（n=1，3，5，…）]模式。同樣，當饋電點位于[y]軸上，可以激發(fā)[TM01]模式，不會激發(fā)[TMm0（m=1，3，5，…）]模式。如果將饋電點放置在貼片的對角線附近位置（見圖1（c）），則此時可以同時激發(fā)[TM01]模式和[TM10]模式，且均可獲得50[Ω]的輸入阻抗，實現(xiàn)了天線雙頻工作。

饋電點位置計算公式如下：

[L1=L（1-1ξre（L））2] （12）

式中：[ξre（L）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hL）-12]

[W1=W（1-1ξre（W））2] （13）

式中：[ξre（W）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hW）-12。]

4 標簽天線仿真優(yōu)化

4.1 建模初值

為了降低移動通信終端的影響，諧振頻率要盡量離CDMA、GSM頻段遠些。在設計時，定義諧振頻率值大的一個為第1諧振頻率，諧振頻率值小的一個為第2諧振頻率，從圖2可看出，天線的第1諧振頻率可取922.5 MHz，第2諧振頻率可取842.5 MHz，初始參數(shù)計算時參考諧振頻率[fr]取922.5 MHz，[frfid=5 ]MHz，[fmin=5]MHz?？紤]應用場合對天線安裝面積或體積重量沒有特別的限制，但對天線的增益要求較高，故取[εr=2.45，][tanδ]=0.001 8的PTFE基板材料。同軸饋線半徑0.6 mm。將數(shù)據(jù)帶入式（1）～式（13），得到天線設計初始參數(shù)見表1。

4.2 性能參數(shù)計算與優(yōu)化

根據(jù)計算獲得的天線結構參數(shù)，使用HFSS進行建模及進行參數(shù)計算。天線的回波損耗曲線如圖3所示，第1諧振頻率值為916.1 MHz，第2諧振頻率為758 MHz，可以看出第1諧振頻率值與設計指標值差距較小，第2諧振頻率離設計指標值差距較大。

圖3 [S11]分析結果（[L0=]101.1 mm，[W0=]123.8 mm）

根據(jù)前面的理論分析，[TM01]模的諧振頻率（即第1諧振頻率）主要由輻射貼片在[x]軸方向的長度[L0]決定，[TM10]模的諧振頻率（即第2諧振頻率）主要由輻射貼片在[y]軸方向的長度[W0]決定。說明按式（9）計算的[L0]值較準確；按式（5）計算出來的[W0]值偏大，從前面的分析可知，式（5）計算的是[W0]的最大值，應用時可以適當減?。〒?jù)反復實驗驗證，大約可減小10%左右）。

使用HFSS的參數(shù)掃描分析功能，分別添加輻射貼片的長度變量[L0]和寬度[W0]為參數(shù)進行掃描計算，分析天線諧振頻率與[L0、][W0]之間的關系。從圖3看出，[L0=]101.1 mm時第1諧振頻率已在922.5 MHz附近但小于922.5 MHz，所以取[L0]值的范圍為100～101.1 mm、步長0.1 mm進行掃描分析，得到[L0=]100.5 mm時，離922.5 MHz最接近的一個值923.2 MHz。在對[W0]進行掃描分析前，按照經(jīng)驗，先將[W0]值減小10%，即[W0]取111.4為中心，前后加減5%左右的數(shù)值，即掃描分析范圍取105～118 mm，步長取2 mm，進行分析，縮小范圍，再進行第2次掃描分析，此次取步長0.1 mm。最后算得當[W0=]111.0 mm時，得到離842.5 MHz最接近的一個值842.6 MHz，如圖4所示。

圖4 [S11]分析結果（[L0=]100.5 mm，[W0=]111.0 mm）

從圖4可以看出，調(diào)整[L0、][W0]的值以后，諧振頻率基本達到設計目標要求，但諧振頻率923.2 MHz處的[S11]的值為-18.87，諧振頻率842.6 MHz處的[S11]的值為-10.20，未達目標要求。

調(diào)整饋電點位置和饋電線芯徑可以改善天線性能[10]。由于調(diào)整饋電點位置和饋電線芯徑對天線性能的改變具有很強的聯(lián)動性，一個一個先后優(yōu)化很難達到目標，因此需要利用HFSS的優(yōu)化設計功能。選擇同軸饋電點到[x]軸距離[L1、]同軸饋電點到[y]軸距離[W1、]同軸饋線半徑[Rfeed]作為優(yōu)化設計變量，[L1]的變化范圍設為0～40 mm，[W1]的變化范圍設為0～45 mm，[Rfeed]的變化范圍設為0.3～0.9 mm，優(yōu)化目標設定為在922.5 MHz，842.5 MHz時[S11<-20 ]dB。優(yōu)化結果為：[L1=]16.0 mm，[W1=]16.0 mm，[Rfeed=]0.6 mm。

4.3 設計結果

經(jīng)過優(yōu)化后，標簽天線的參數(shù)見表2。

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結果，再次對標簽天線進行仿真運算，結果如下：

（1） 回波損耗曲線如圖5所示，諧振頻率924.2 MHz處的[S11]的值為-27.87，諧振頻率842.2 MHz處的[S11]的值為-26.52，CDMA800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）頻段的[S11]值全部大于-10 dB值。

圖5 [S11]分析結果（[L0=]100.5 mm，[W0=]111.0 mm，

[L1=]16.0 mm，[W1=]16.0 mm，[Rfeed=]0.6 mm）

（2） Smith圓圖結果和輸入阻抗如圖6所示，924.2 MHz時的歸一化阻抗為1.0767-j0.0342，即天線在924.2 MHz頻點上的輸入阻抗為（53.835-j1.71）[Ω]，約50 [Ω]；842.4 MHz時的歸一化阻抗為1.060 2-j0.083 2，即天線在842.4 MHz頻點上的輸入阻抗為（53.01-j4.16）[Ω，]約50 [Ω]。

圖6 [S11]的Smith圓圖結果

（3） 三維增益方向圖如圖7所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值7.28 dB。

圖7 三維增益方向圖

（4） 標簽最大讀取距離值理論估算[3]

假設讀寫器和標簽天線完美匹配并且在同一平面，標簽的極化損耗[θpolarization]=1.0，天線損耗[θantenna]取0.7、讀寫器功率[PbsEIRP=4W，]讀寫器損耗[θloadmatching]取0.8；芯片需要最小的讀取功率[P1]取35 μW，標簽最大讀取距離理論估算值：

[rmax=PbsEIRPGantλ2（4π）2P1θloadmatchingθpolarizationθantenna=17.66 m]

5 結 論

本文設計的標簽天線具有抗金屬、抗移動通信終端干擾、高增益、雙頻的工作特性，適應IT設備資產(chǎn)管理的環(huán)境要求，符合GB/T 29768?2013標準。提出的抗移動通信終端干擾設計方法正確、有效，仿真表明，根據(jù)推導出的[h]計算公式計算介質(zhì)基板厚度，以此為依據(jù)選擇介質(zhì)基板，能保證標簽天線頻率選擇性能良好，具備抗移動通信終端干擾的能力。由于參數(shù)選擇得當，天線增益高，[S11]值小，輸入阻抗匹配良好，很好的滿足了設計指標要求。所設計的天線結構簡單，易于批量生產(chǎn)，具有良好的應用前景。

參考文獻

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[9] 李艷.矩形微帶貼片天線的仿真研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[10] 夏繼江，曹振新.饋電同軸芯徑對微帶天線性能的影響[J].微波學報，2007，23（5）：23?25.

[rmax=PbsEIRPGantλ2（4π）2P1θloadmatchingθpolarizationθantenna=17.66 m]

5 結 論

本文設計的標簽天線具有抗金屬、抗移動通信終端干擾、高增益、雙頻的工作特性，適應IT設備資產(chǎn)管理的環(huán)境要求，符合GB/T 29768?2013標準。提出的抗移動通信終端干擾設計方法正確、有效，仿真表明，根據(jù)推導出的[h]計算公式計算介質(zhì)基板厚度，以此為依據(jù)選擇介質(zhì)基板，能保證標簽天線頻率選擇性能良好，具備抗移動通信終端干擾的能力。由于參數(shù)選擇得當，天線增益高，[S11]值小，輸入阻抗匹配良好，很好的滿足了設計指標要求。所設計的天線結構簡單，易于批量生產(chǎn)，具有良好的應用前景。

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[rmax=PbsEIRPGantλ2（4π）2P1θloadmatchingθpolarizationθantenna=17.66 m]

5 結 論

本文設計的標簽天線具有抗金屬、抗移動通信終端干擾、高增益、雙頻的工作特性，適應IT設備資產(chǎn)管理的環(huán)境要求，符合GB/T 29768?2013標準。提出的抗移動通信終端干擾設計方法正確、有效，仿真表明，根據(jù)推導出的[h]計算公式計算介質(zhì)基板厚度，以此為依據(jù)選擇介質(zhì)基板，能保證標簽天線頻率選擇性能良好，具備抗移動通信終端干擾的能力。由于參數(shù)選擇得當，天線增益高，[S11]值小，輸入阻抗匹配良好，很好的滿足了設計指標要求。所設計的天線結構簡單，易于批量生產(chǎn)，具有良好的應用前景。

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