UHF頻段抗金屬標(biāo)簽天線的分析與設(shè)計

張　橋，周永剛，彭江露

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

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UHF頻段抗金屬標(biāo)簽天線的分析與設(shè)計

張橋，周永剛，彭江露

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

抗金屬標(biāo)簽天線設(shè)計是 RFID研究的熱點及難點，文中設(shè)計并研究了一種UHF頻段陶瓷基片抗金屬標(biāo)簽天線，對天線的回波損耗和阻抗進(jìn)行了測量，在905～925 MHz內(nèi),S11<-20 dB，在良好匹配的同時還具有全向性輻射的特性，與仿真結(jié)果相吻合，而且陶瓷基片保證了良好的耐熱性，這意味著天線在惡劣環(huán)境下仍能保持良好的性能。

RFID；標(biāo)簽天線；抗金屬

射頻識別 (Radio Frequency Identification，RFID) 技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間的敵我識別系統(tǒng)，由于其具有讀寫速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可識別移動目標(biāo)、無需人工干擾等特點，已廣泛應(yīng)用于交通運輸、物流控制系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，廣闊的應(yīng)用前景促使大量資源投入到該技術(shù)的研究，促進(jìn)了其快速發(fā)展[1]。

在RFID系統(tǒng)中，天線性能直接影響整個系統(tǒng)性能，包括讀取距離、成本、抗干擾性、魯棒性等。目前在低頻和高頻段的RFID天線技術(shù)已較為成熟，隨著超高頻(UHF)和微波(MW)頻段 RFID 技術(shù)的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，對天線的設(shè)計要求在不斷提高，涉及天線的方向圖特性、帶寬特性、極化特性、尺寸大小、結(jié)構(gòu)形狀、體積重量、實現(xiàn)方式等因素。

目前多數(shù)的 UHF 頻段 RFID 標(biāo)簽天線都是偶極子結(jié)構(gòu)天線及其變形[2-4]，但在某些場合并不適用，比如，在金屬物體表面會發(fā)生反射，導(dǎo)致偶極子天線的阻抗、方向性、增益等各項性能都會發(fā)生較大的變化，因此天線阻抗與芯片阻抗無法達(dá)到最優(yōu)匹配，標(biāo)簽就不能正常工作。為避免這種情況，通常會增加標(biāo)簽與金屬物體的距離，但這樣需要增加天線的通信距離，標(biāo)簽性能也不穩(wěn)定，同時增加了加工和安裝的難度。因此抗金屬[5-6]UHF RFID 標(biāo)簽天線設(shè)計一直是 RFID 標(biāo)簽天線研究的熱點和難點。

微帶貼片天線[7]本身具有抗金屬特性，且成本低，適合用作標(biāo)簽天線。考慮到標(biāo)簽天線的惡劣的工作環(huán)境，可使用陶瓷材料作為基板。相比傳統(tǒng) FR-4 等襯底材料，Al2O3陶瓷原材料來源豐富、成本低、 機(jī)械強(qiáng)度和硬度高、 電絕緣、 抗熱震性好、耐化學(xué)腐蝕、尺寸精度高，與金屬有良好的附著力，是整體性能更好的襯底材料[8-9]。根據(jù)UHF RFID 天線的新要求，本文設(shè)計并研究了一款性能良好的抗金屬標(biāo)簽天線。

1　RFID標(biāo)簽天線設(shè)計

1.1標(biāo)簽天線的設(shè)計特點

標(biāo)簽天線的首要任務(wù)是傳輸功率給標(biāo)簽芯片以激勵其工作[3]。在此過程中，標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配設(shè)計至關(guān)重要，標(biāo)簽芯片的輸入阻抗通常為復(fù)阻抗，已不是常見的 50 Ω 和 75 Ω。應(yīng)設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線使其輸入阻抗與標(biāo)簽芯片實現(xiàn)一定程度的共扼匹配，且這兩者之間的匹配情況能直接影響到標(biāo)簽電路能否正常運轉(zhuǎn)和芯片能否得到足夠的能量進(jìn)行反向散射通訊，從而影響識別距離遠(yuǎn)近。如果芯片的最低開啟功率為Pth，讀寫距離R可表示為

(1)

其中，λ為自由空間波長；Pt為閱讀器天線發(fā)射功率；Gt、Gr分別為閱讀器天線和標(biāo)簽天線的增益；τ為功率傳輸系數(shù)，若芯片的阻抗為Zc=Rc+jXc；標(biāo)簽天線的阻抗為Za=Ra+jXa，則τ可表示為

(2)

1.2抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計過程

設(shè)計工具為HFSSv13，使用Alien公司的Higgs-3芯片[10]，在中心頻率915 MHz處，芯片的阻抗約為27-j201 Ω。介質(zhì)基板采用氧化鋁陶瓷，相對介電常數(shù)εr=9.8，損耗角正切tanD=0，厚度h=1.0 mm。

圖1　抗金屬標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)

天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。橙色部分為金屬，實際制作時為鋁箔；黑色方塊為H-3芯片。天線實物如圖2所示。

圖2　標(biāo)簽天線實物照片

對工作頻率為f的矩形微帶天線，可根據(jù)式(3)來確定天線寬度W1

(3)

天線長度一般取值為λe/2, 即波導(dǎo)波長的1/2

(4)

考慮到邊緣短路效應(yīng)，L1實際取值應(yīng)為

(5)

其中，εe為等效介電常數(shù)；ΔL為等效輻射縫隙長度，取值分別由如下公式確定

(6)

(7)

通過改變天線寬度W1來調(diào)節(jié)諧振頻率，改變凹槽的深度L3，饋線長度L2和L4來調(diào)節(jié)天線阻抗的實部和虛部以達(dá)到共軛匹配。最終確定的各尺寸如表1所示。

表1　天線尺寸表

2　仿真與測試結(jié)果

天線的仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2為天線的實部和虛部隨頻率變化的曲線，圖3為天線在915 MHz處的方向圖?？梢钥闯觯炀€具有良好的全向性輻射特性, 最大增益約為0.7 dB，中心頻率915 MHz處的阻抗為37.7+j193.5 Ω，此時功率傳輸系數(shù)τ=0.96 。

圖3　天線增益方向圖

圖4　天線阻抗仿真結(jié)果

標(biāo)簽天線的阻抗與功率傳輸系數(shù)密切相關(guān)，采取的測試方法為等效二端口網(wǎng)絡(luò)法[11]。測試使用Agilent公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230C，一個自制同軸巴倫。由于抗金屬標(biāo)簽天線自身帶有地平面，天線的性能對測試環(huán)境不敏感，為方便起見，測試場景如圖5所示。

圖5　標(biāo)簽天線測試場景圖

測試時，將巴倫的兩端分別焊接在芯片兩端，讀取二端口S參數(shù)，然后在ADS2009中轉(zhuǎn)化為單端口S參數(shù)。將測試得到的數(shù)據(jù)與仿真對比，測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性，如圖6所示。

圖6　仿真&測試結(jié)果對比

3　結(jié)束語

本文根據(jù)微帶天線原理，設(shè)計了一款加載開路枝節(jié)線的抗金屬標(biāo)簽天線，在UHF頻段內(nèi)具有良好的阻抗匹配，并具有全向性輻射特性，可用于近距離目標(biāo)檢測等應(yīng)用場合。

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Investigation and Design of UHF Anti-metal Tag Antenna

ZHANG Qiao, ZHOU Yonggang, PENG Jianglu

(School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210000, China)

The design of anti-metal tag antenna has been a hot spot in RFID research. In this paper, a UHF anti-metal RFID tag antenna on ceramic substrate is designed and investigated. The results shows good impedance matching of S11<-20 dB of the tag antenna at 905～925 MHz, as well as an omnidirectional radiation pattern, which is in agreement with simulation. Besides, the ceramic substrate ensures a high temperature resistance, which implies that the tag can work under tough circumstances while maintaining proper performance.

radiofrequency; identification; tag antenna; anti-metal

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.002

2015-11-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(61471193)

張橋(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：天線與微波電路。

TN820.1; TP391.45

A

1007-7820(2016)08-004-03