小型化低剖面UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

唐旭陽，張博涵，張經(jīng)緯，何大平，吳志鵬，劉成國(guó)

1. 武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；3. 湖北省射頻微波應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引言

超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)技術(shù)是一種通過射頻信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)，并以其較遠(yuǎn)的閱讀距離、較快的數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于物流、醫(yī)療、零售等領(lǐng)域。隨著RFID技術(shù)的廣泛使用，UHF RFID標(biāo)簽應(yīng)用于各種金屬環(huán)境。普通的偶極子UHF RFID標(biāo)簽天線在用于金屬表面時(shí)，鏡像電流的存在會(huì)極大地影響標(biāo)簽天線的輸入阻抗、諧振頻率和輻射性能，導(dǎo)致標(biāo)簽天線無法正常工作[1]。目前主要有3種實(shí)現(xiàn)抗金屬RFID標(biāo)簽的方法[2]：

1) 增大標(biāo)簽與金屬之間的距離至1/4波長(zhǎng)[3]。

2) 在標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)中加入電磁帶隙(EBG)或人工磁導(dǎo)體(AMC)[4-5]。

3) 以微帶天線或平面倒F天線為原型,設(shè)計(jì)抗金屬RFID標(biāo)簽天線[6-7]。

前兩種方法會(huì)導(dǎo)致天線體積過大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微帶天線或平面倒F天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)小型化和低剖面特性，自身的接地板可以將輻射貼片與金屬隔開，從而實(shí)現(xiàn)抗金屬特性。

本文提出了一種帶有嵌入式饋電結(jié)構(gòu)和矩形開槽的貼片天線，調(diào)整嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬及矩形開槽的寬可有效地調(diào)整標(biāo)簽天線輸入阻抗，使天線阻抗與標(biāo)簽芯片阻抗達(dá)到共軛匹配，最終實(shí)現(xiàn)良好的效果。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的抗金屬RFID標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線使用金屬鋁作為輻射體，輻射體由左、右兩部分不對(duì)稱貼片組成，貼片中間連接RFID芯片，兩側(cè)貼片通過短路壁與金屬接地板相連，形成貼片、短路壁與地之間的環(huán)形電流回路，使貼片天線形成類磁偶極子天線結(jié)構(gòu)，可以較好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的電場(chǎng)變化[8]。右側(cè)貼片包含嵌入式饋電結(jié)構(gòu)與矩形開槽結(jié)構(gòu)，嵌入式饋電結(jié)構(gòu)便于進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié)，矩形開槽結(jié)構(gòu)能增大貼片中電流路徑，從而使標(biāo)簽天線小型化。標(biāo)簽天線使用相對(duì)介電常數(shù)為2.7，損耗角正切為0.03,厚為0.9 mm的尼龍材料作為基板，使標(biāo)簽天線具有低剖面特性。圖1中,l0、w0、h0分別為抗金屬標(biāo)簽天線的長(zhǎng)、寬和高，l1、w1、l5分別為嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬及其相對(duì)左側(cè)貼片的距離，l2、w2、l3分別對(duì)應(yīng)矩形開槽的長(zhǎng)、寬及其距離標(biāo)簽天線右側(cè)邊緣的距離，l4、l6、w3分別對(duì)應(yīng)右側(cè)貼片長(zhǎng)度、左側(cè)貼片長(zhǎng)度及左、右兩貼片寬度。通過調(diào)節(jié)嵌入式饋電結(jié)構(gòu)和矩形開槽尺寸參數(shù)可以使標(biāo)簽天線輸入阻抗與芯片阻抗在目標(biāo)頻點(diǎn)達(dá)到近似的共軛匹配，從而使RFID標(biāo)簽在金屬表面能夠正常工作。

圖1 抗金屬RFID標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 閱讀距離和功率傳輸系數(shù)分析

本設(shè)計(jì)中采用的RFID芯片為Impinj公司生產(chǎn)的Monza R6芯片，915 MHz時(shí)的芯片阻抗為Zc=Rc+jXc=12- j119.6(Ω)，其閱讀靈敏度為-20 dBm。對(duì)于RFID標(biāo)簽而言，閱讀距離是其最重要的性能指標(biāo)之一。RFID芯片的閾值激活功率為Pth(即芯片的閱讀靈敏度)，當(dāng)芯片接收到的功率達(dá)到Pth時(shí)，芯片被激活，RFID標(biāo)簽開始工作。RFID標(biāo)簽閱讀距離(r)可由Friis公式[9]得到：

(1)

式中：λ為自由空間特定頻率的電磁波波長(zhǎng)；Ptx為RFID閱讀器的發(fā)射功率；Gtx,Grx分別為閱讀器天線和標(biāo)簽天線的增益；τ為標(biāo)簽天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù)，有:

(2)

式中Zin=Rin+jXin為RFID標(biāo)簽天線的輸入阻抗。式(1)中，PtxGtx為RFID閱讀器的有效全向輻射功率(EIRP)，則有：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)EIRP為固定值時(shí)，為了提高閱讀距離，應(yīng)使標(biāo)簽天線增益和功率傳輸系數(shù)盡可能大。由式(2)可知，當(dāng)標(biāo)簽天線輸入阻抗與芯片阻抗共軛匹配時(shí)，τ有理想的最大值(τ=1)，但實(shí)際制作時(shí)只能使標(biāo)簽天線輸入阻抗盡可能地接近芯片阻抗的共軛值，以達(dá)到近似的共軛匹配狀態(tài)。

1.3 天線優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，首先在CST MWS軟件中進(jìn)行天線模型建立和仿真分析。為了模擬實(shí)際的金屬環(huán)境對(duì)天線的影響，可以在天線模型一側(cè)放置一塊尺寸為200 mm×200 mm的薄金屬板模型，標(biāo)簽天線與薄金屬板在軟件中的模型圖如圖2所示。

圖2 天線與金屬板的仿真模型圖

為了探究嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的l1和w1的變化對(duì)標(biāo)簽天線輸入阻抗的影響，在其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)和寬進(jìn)行參數(shù)掃描分析。天線輸入阻抗和天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù)隨l1的變化如圖3所示。由圖可見，其他參數(shù)不變，當(dāng)l1分別為8 mm、9 mm和10 mm時(shí)，在對(duì)應(yīng)的超高頻RFID頻段范圍內(nèi)，隨著l1的增加，天線輸入電阻的實(shí)部和虛部都增大，RFID標(biāo)簽天線的諧振頻率變小。

圖3 天線輸入阻抗及τ隨l1變化曲線

圖4為天線輸入阻抗及τ隨w1的變化。由圖可以看出，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)w1依次取4 mm、4.8 mm和5.6 mm時(shí)，天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部會(huì)隨著w1的增大而減小，標(biāo)簽天線諧振頻率也隨之升高。

圖4 天線輸入阻抗及τ隨w1變化曲線

為了研究w2對(duì)標(biāo)簽天線輸入阻抗和τ的影響，其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)w2進(jìn)行參數(shù)掃描，分析其對(duì)于輸入阻抗和τ的影響，如圖5所示。由圖可見，w2分別取14.4 mm、14.9 mm和15.4 mm時(shí)，隨著w2的增加，標(biāo)簽天線輸入電阻的實(shí)部和虛部都會(huì)增加，標(biāo)簽天線的諧振頻率向低頻方向移動(dòng)。

圖5 天線輸入阻抗及功率傳輸系數(shù)隨w2變化曲線

通過調(diào)整幾個(gè)主要參數(shù)，可以將標(biāo)簽天線在915 MHz處的輸入阻抗調(diào)至Zin=8.08+j120(Ω)，與標(biāo)簽芯片阻抗的共軛值較接近。由式(2)可得到在天線結(jié)構(gòu)參數(shù)最終確定時(shí)的τ曲線如圖6所示。由圖可見，915 MHz處τ= 0.96，即在915 MHz處標(biāo)簽天線阻抗與芯片阻抗之間有良好的匹配。最終的標(biāo)簽天線尺寸參數(shù)如表1所示。

圖6 τ隨頻率變化曲線

表1 標(biāo)簽天線各項(xiàng)尺寸參數(shù) (單位：mm)

最終由CST MWS軟件仿真得到其增益在915 MHz為-9.88 dBi，標(biāo)簽天線阻抗與芯片阻抗匹配良好，τ較高，可以得到較大的閱讀距離。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

根據(jù)天線尺寸參數(shù)制作出的抗金屬RFID標(biāo)簽實(shí)物和阻抗測(cè)試夾具如圖7所示。為了得到天線實(shí)物的輸入阻抗，本文采用文獻(xiàn)[10]提出的基于S參數(shù)的差分探針測(cè)試法對(duì)標(biāo)簽天線進(jìn)行阻抗測(cè)量。采用圖7中的半剛性同軸線測(cè)試夾具將標(biāo)簽天線與網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5072A)相連并測(cè)量其輸入阻抗，最終的標(biāo)簽天線輸入阻抗測(cè)量值與仿真值如圖8所示。由圖8可見，標(biāo)簽天線輸入阻抗測(cè)量值與仿真值之間雖有微小差別，但總體趨勢(shì)一致。其微小差別是由于測(cè)試夾具連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀端口后，在網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行的端口延伸操作未達(dá)到理想狀態(tài)引起的。

圖7 標(biāo)簽實(shí)物與阻抗測(cè)試夾具

圖8 仿真、實(shí)測(cè)天線輸入阻抗和芯片阻抗隨頻率變化曲線

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本標(biāo)簽天線的性能，Impinj R6芯片以倒封裝的形式通過導(dǎo)電膠與標(biāo)簽天線相連接，最終制作出抗金屬RFID標(biāo)簽。抗金屬RFID標(biāo)簽被貼裝于薄金屬板表面進(jìn)行測(cè)試。天線閱讀距離、實(shí)際增益采用如圖9所示的Voyantic Tagformance Pro測(cè)試系統(tǒng)來進(jìn)行測(cè)量，其閱讀器的EIRP為3.28 W。實(shí)際增益(Gr)將各項(xiàng)損耗(包括歐姆損耗和阻抗失配損耗等)與天線增益結(jié)合在一起，是表征RFID標(biāo)簽天線性能的重要參數(shù)之一，其計(jì)算公式為

Gr(dBi)=Pth(dBm)-Ptag(dBm)

(4)

式中Ptag為某一特定頻率下標(biāo)簽從射頻信號(hào)中獲取以開啟芯片所需的最小功率，即標(biāo)簽靈敏度。

圖9 Voyantic Tagformance Pro測(cè)試系統(tǒng)

圖10 仿真、實(shí)測(cè)實(shí)際增益和實(shí)測(cè)標(biāo)簽靈敏度隨頻率變化曲線

仿真和實(shí)測(cè)的實(shí)際增益與實(shí)測(cè)的標(biāo)簽靈敏度隨頻率變化曲線如圖10所示。由圖可見，仿真實(shí)際增益在915 MHz處有最大值為-10.04 dBi，實(shí)測(cè)實(shí)際增益在910 MHz處有最大值為-10.9 dBi，實(shí)測(cè)實(shí)際增益最大值比仿真實(shí)際增益最大值小0.86 dBi，所在頻點(diǎn)低5 MHz。其差別可能是由標(biāo)簽實(shí)物制作過程中的誤差引起。

圖11為標(biāo)簽實(shí)測(cè)和理論閱讀距離隨頻率變化曲線，實(shí)測(cè)閱讀距離在910 MHz處有最大值4.3 m。根據(jù)CST MWS軟件得出增益，代入式(3)可得圖中理論閱讀距離，理論閱讀距離在915 MHz處有最大值4.7 m，實(shí)測(cè)最大閱讀距離略低于理論最大閱讀距離。實(shí)測(cè)值與理論值存在一定誤差，這與測(cè)試環(huán)境和制作精度有關(guān)，但實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值較接近，可以滿足物流、醫(yī)療、零售等領(lǐng)域?qū)菇饘賀FID標(biāo)簽的正常使用要求[11]。

圖11 標(biāo)簽實(shí)測(cè)閱讀距離與理論閱讀距離比較

3 結(jié)束語

本文提出了一種小型化、低剖面超高頻抗金屬RFID標(biāo)簽天線。該天線通過適當(dāng)調(diào)整嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬和矩形開槽的寬，可將天線輸入阻抗調(diào)至與芯片阻抗基本共軛匹配的狀態(tài)以獲得較大的功率傳輸系數(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)用于金屬環(huán)境時(shí)，該RFID標(biāo)簽在910 MHz處有最大實(shí)際增益，且最大閱讀距離為4.3 m。該抗金屬RFID標(biāo)簽天線具有小尺寸、低剖面和較遠(yuǎn)的閱讀距離，可廣泛用于物流、醫(yī)療、零售等領(lǐng)域的金屬場(chǎng)景。