緊湊型射頻識(shí)別標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)研究

徐燕

摘 要：由于當(dāng)前射頻技術(shù)在整個(gè)社會(huì)內(nèi)的普及，緊湊型射頻識(shí)別標(biāo)簽設(shè)計(jì)也得到了越來越多的關(guān)注。本文首先將提出緊湊型射頻識(shí)別標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的根本原理，其后展開后續(xù)設(shè)計(jì)工作。該天線主要是由U形寄生元件、T形匹配網(wǎng)絡(luò)與彎折偶極子天線等部分共同組成。當(dāng)設(shè)計(jì)工作完成后，則可以直接對(duì)其結(jié)構(gòu)展開分析，得出采用調(diào)節(jié) 與 兩項(xiàng)參數(shù)的方式能夠得到適用阻抗值的結(jié)論。望本文研究的內(nèi)容能夠幫助廣大視頻技術(shù)研究學(xué)者，進(jìn)一步拓寬在緊湊型射頻識(shí)別標(biāo)簽天線方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容，推動(dòng)相關(guān)研究的展開。

關(guān)鍵詞：緊湊型；射頻識(shí)別標(biāo)簽天線；設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：TP391.44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）04（c）-0000-00

在這幾年時(shí)間中，社會(huì)各界越來越強(qiáng)調(diào)射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，尤其是其中的UHF頻段RFID技術(shù)。該技術(shù)屬于當(dāng)前發(fā)展極為迅速的技術(shù)之一，其主要是通過射頻信號(hào)的方式來識(shí)別各種不同的物體，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也能夠使用在安全控制、身份證明以及交通運(yùn)輸管理等不同領(lǐng)域。從超高頻的角度來看，各個(gè)國(guó)家都會(huì)存在適合本國(guó)家實(shí)際情況的頻段。本文所研究的標(biāo)簽天線屬于RFID系統(tǒng)內(nèi)部最為核心的部分之一，因?yàn)槠渲饕歉鶕?jù)RFID芯片以及天線輻射單元共同組成，同時(shí)通道性能與天線特性能夠直接確定閱讀器與標(biāo)簽兩者產(chǎn)生的有效距離。

1 緊湊型射頻識(shí)別標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)原理

大多數(shù)研究者為加強(qiáng)標(biāo)簽天線對(duì)應(yīng)的距離，普遍會(huì)使用標(biāo)簽芯片以及標(biāo)簽天線達(dá)到兩者直接的匹配。因?yàn)樯虡I(yè)標(biāo)簽天線對(duì)應(yīng)的抗阻典型值并不是大家認(rèn)為的五十。其真正對(duì)應(yīng)的抗阻典型值必須通過芯片抗阻共軛值決定，如此就能夠?qū)⑵渲械拇蠊β手苯酉驑?biāo)簽芯片內(nèi)傳送。因?yàn)樵诖罅凯h(huán)境中，標(biāo)簽芯片接觸的物體相對(duì)較小，所以應(yīng)該將不降低天線本身性能作為大前提，盡可能減小天線的體積。世界上同時(shí)也有大量學(xué)者已經(jīng)開始展開相關(guān)研究。從RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)內(nèi)能夠明確知道，因?yàn)榘氩ㄩL(zhǎng)偶極子天線存在全向方向圖，所以使用的次數(shù)更為頻繁。而從UHF頻段的角度來說，半波長(zhǎng)天線的體積相對(duì)于其他天線來說更加龐大。這里可以將諧振作為例子，在915MHz諧振內(nèi)，半波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)則是164mm。相關(guān)設(shè)計(jì)者為保證天線尺寸能夠更加緊密，必須采用偶極子天線展開變形以及彎折工作，進(jìn)而降低天線本身的尺寸。

在下述文章內(nèi)，筆者將重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一種新型的偶極子標(biāo)簽天線。該天線主要是由U形寄生元件、T形匹配網(wǎng)絡(luò)與彎折偶極子天線等部分共同組成。同時(shí)采用調(diào)整矩T形匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方式能夠更好的完成阻抗匹配工作。由此最后產(chǎn)生的天線普遍帶寬更寬，并且結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2 緊湊型射頻識(shí)別標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

上述出現(xiàn)的標(biāo)簽天線普遍是由U形寄生元件、T形匹配網(wǎng)絡(luò)以及彎折偶極子天線共同組成。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程內(nèi)，使用的基板類型應(yīng)該為Rogers5880，其中涉及到的介電常數(shù)則是2.2，厚度對(duì)應(yīng)的數(shù)值為0.508mm，而損耗角正且對(duì)應(yīng)的值則是0.0009。這里提出的厚度能夠保證整個(gè)基板做到輕微彎折，由此就能夠直接運(yùn)用到存在共型標(biāo)準(zhǔn)的物體內(nèi)。圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)示意圖，其中具體的尺寸都已經(jīng)在圖中注明，而總尺寸則應(yīng)該是 。但當(dāng)處于實(shí)際的加工環(huán)境內(nèi)，設(shè)計(jì)者必須事先流出部分基片余量吧，保證后續(xù)工作的實(shí)施。在本文設(shè)計(jì)過程內(nèi)，將采用 Alien Higgs-3的標(biāo)簽芯片完成，該芯片對(duì)應(yīng)的輸入阻抗等于915MHz時(shí)，其必須得到 等式。因此最后設(shè)計(jì)得到的標(biāo)簽天線內(nèi)部對(duì)應(yīng)芯片與輸入阻抗必須做好共軛匹配。本文研究的天線可以通過Ansoft HFSS軟件作為工具，進(jìn)一步開展仿真優(yōu)化工作。

3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與后續(xù)分析

采用參數(shù)分析的方式能夠幫助相關(guān)學(xué)者更好的掌握本文設(shè)計(jì)的根本信息。這里出現(xiàn)的T形匹配網(wǎng)絡(luò)普遍都是直接作為調(diào)整RFID天線內(nèi)部阻抗匹配的重要方式。天線存在的阻抗可以采用轉(zhuǎn)換匹配對(duì)應(yīng)長(zhǎng)與寬的數(shù)值來展開進(jìn)一步的調(diào)整。整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)通過斜劃線的方式，將具體的寬制定為 ，而具體的長(zhǎng)則制定為 。在大多數(shù)環(huán)境內(nèi)，天線輸入抗阻中存在的虛部與具體實(shí)部都應(yīng)該根據(jù) 的不斷降低而降低，但其對(duì)虛部產(chǎn)生的作用要遠(yuǎn)大于對(duì)實(shí)部產(chǎn)生的作用。所以就能夠進(jìn)一步作出推論，當(dāng) 超過一個(gè)固定值時(shí)，芯片阻抗曲線與天線輸入阻抗曲線之間沒有交集，同時(shí)也表明在該環(huán)境中，芯片與天線兩者之間不能達(dá)到匹配工作的要求。同時(shí) 也會(huì)與 一樣，產(chǎn)生類似現(xiàn)象。但若做好了上述兩個(gè)參數(shù)的調(diào)整工作，就能夠得到一個(gè)更加可靠的阻抗值。

U型寄生元件主要存在于偶極子天線對(duì)應(yīng)的彎曲線內(nèi)部。本文將采用 表示偶極子天線個(gè)與寄生元件之間產(chǎn)生的距離，其中寄生元件涉及到的線寬應(yīng)該等于偶極子天線對(duì)應(yīng)的線寬，兩者數(shù)值上都等于2.5mm。在設(shè)計(jì)過程中，能夠直接調(diào)整寄生元件本身高度，進(jìn)而轉(zhuǎn)變其與偶極子天線兩者之間形成的耦合程度。在大多數(shù)環(huán)境中，天線對(duì)應(yīng)的輸入抗阻將由于 的不斷降低而降低，同時(shí)天線諧振頻率也將被 作用，兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。若 處于0.5mm到0.7mm內(nèi)，那么天線對(duì)應(yīng)的諧振頻率應(yīng)該在0.911GHz到0.922GHz的范圍內(nèi)。采用各種優(yōu)化的方式，能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)天線處于915MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入阻抗應(yīng)該滿足 等式。該數(shù)值近似使用Alien Higgs-3展開測(cè)試得到的芯片阻抗共軛值。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠進(jìn)一步針對(duì)天線展開測(cè)試工作，標(biāo)簽天線發(fā)射系統(tǒng)基于UHF頻段而產(chǎn)生的仿真測(cè)試曲線。天線-10dB寬帶目前主要覆蓋了歐洲、中國(guó)、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家頻段。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)性設(shè)計(jì)緊湊的RFID標(biāo)簽天線，在構(gòu)成上主要經(jīng)由彎折的偶極子天線、U形寄生元件以及T形匹配網(wǎng)絡(luò)共同組成，設(shè)計(jì)金屬尺寸為48×26.3平方毫米，若諧振頻率的數(shù)值為915Hz，此時(shí)的天線寬帶覆蓋面為全球范圍內(nèi)的UHF射頻識(shí)別頻段。而實(shí)際天線寬度處于較寬狀態(tài)，增益以及輻射性能都處于較為優(yōu)質(zhì)的狀態(tài)。另外需要注意的是處于自由空間的天線在實(shí)際運(yùn)用過程中，其閱讀距離可以為9m。

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