金屬磁性對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽增益的影響

李柏楊 韓冬桂 劉芳 李達(dá) 燕怒

摘? 要： 金屬介質(zhì)尤其是磁性金屬對(duì)UHF射頻信號(hào)存在干擾，嚴(yán)重影響了超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）技術(shù)的有效應(yīng)用。該文采用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell分析不同金屬內(nèi)電磁損耗的差異，并運(yùn)用Ansoft HFSS軟件研究了超高頻RFID標(biāo)簽天線在磁性金屬與非磁性金屬表面工作的特性。結(jié)果顯示磁性材料金屬內(nèi)電磁損耗遠(yuǎn)大于非磁性金屬，表現(xiàn)為對(duì)電磁波的吸收作用。金屬磁性對(duì)標(biāo)簽天線輻射方向性影響不明顯，但對(duì)天線增益抑制作用較為嚴(yán)重，并隨著磁導(dǎo)率損耗正切tan μ從0增大到0.5，磁性金屬表面天線的增益從2.41 dB衰減到1.72 dB。基于理論分析及仿真分析結(jié)果，該文提出一種將陶瓷基板與添加環(huán)形微帶線相結(jié)合的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法增大輻射阻抗，提高天線增益，從而減小金屬磁性對(duì)天線工作性能的影響。

關(guān)鍵詞： 金屬磁性; 超高射頻識(shí)別; 天線增益; 電磁損耗分析; 天線設(shè)計(jì); 輻射阻抗匹配

中圖分類(lèi)號(hào)： TN123.34?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）22?0023?04

Abstract： The metal media， especially magnetic metals， interferes with UHF RF signals， which seriously affects the effective application of ultra high frequency radio frequency identification （UHF RFID） technology. In this paper， the electromagnetic simulation software Ansoft Maxwell is used to analyze the difference of electromagnetic loss in different metals， and the Ansoft HFSS software is used to research the performance of UHF RFID tag antenna working on magnetic metal and non?magnetic metal surfaces. The results show that the electromagnetic loss in the metal of the magnetic material is much larger than that of the non?magnetic metal， which is manifested as the absorption of electromagnetic waves. The metal magnetism has no obvious effect on radiation directivity of tag antenna， but it has a serious effect on antenna gain suppression. As the increase of magnetic permeability loss tangent tan μ from 0 to 0.5， the gain of magnetic metal surface antenna decreases from 2.41 dB to 1.72 dB. Based on the theoretical analysis and simulation analysis results， an antenna structure design method combing the ceramic substrate with the added circular microstrip line is proposed to increase the radiation impedance and improve the antenna gain， so as to reduce the influence of metal magnetism on the working performance of the antenna.

Keywords： metal magnetism; UHF RFID; antenna gain; electromagnetic loss analysis; antenna design; radiation impedance matching

0? 引? 言

超高頻射頻識(shí)別（Ultra High Frequency Radio Ident?

ification，UHF RFID）的電子標(biāo)簽具有數(shù)據(jù)傳輸快、讀取距離遠(yuǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物流、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、控制管理等多個(gè)領(lǐng)域及行業(yè)。RFID標(biāo)簽的工作環(huán)境中會(huì)不可避免地接觸到金屬物體，例如汽車(chē)與集裝箱之類(lèi)等，這些金屬材料具有的磁性會(huì)嚴(yán)重影響UHF標(biāo)簽的讀寫(xiě)性能[1]。因此，為了改善金屬介質(zhì)對(duì)RFID標(biāo)簽性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師開(kāi)展了眾多研究。Allison J Mercer等學(xué)者發(fā)現(xiàn)金屬環(huán)境會(huì)降低RFID系統(tǒng)整體工作性能[2];Leena Ukkonen等人通過(guò)軟件仿真和實(shí)際測(cè)量，指出金屬板的尺寸會(huì)對(duì)標(biāo)簽性能產(chǎn)生影響[3];N Ghannay等人通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出金屬表面天線的輸入阻抗，回波損耗、輻射方向圖均會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變化[4]。目前，學(xué)者們研究的內(nèi)容主要集中在金屬對(duì)RFID系統(tǒng)本身的影響和具有抗金屬性能的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。然而，金屬介質(zhì)自身電磁參數(shù)等因素的不同對(duì)標(biāo)簽工作性能的影響也存在差異[5]。UHF無(wú)源標(biāo)簽的工作性能主要取決于兩個(gè)方面：標(biāo)簽天線的增益大小和天線與芯片之間的阻抗匹配[6]。在假設(shè)天線與芯片之間阻抗共軛匹配的情況下，標(biāo)簽天線增益的大小成為判斷標(biāo)簽工作性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。因此，研究金屬的磁性對(duì)標(biāo)簽增益的影響具有重要的意義。由于電磁波會(huì)被金屬反射與吸收，金屬板內(nèi)產(chǎn)生的電磁損耗會(huì)吸收提供給標(biāo)簽工作的射頻場(chǎng)總能量，導(dǎo)致普通標(biāo)簽在金屬表面無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響了其應(yīng)用范圍。本文在分析金屬對(duì)標(biāo)簽影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，著重從金屬自身特性的不同，即材料、電磁參數(shù)對(duì)天線的增益影響程度，研究了金屬介質(zhì)對(duì)UHF標(biāo)簽天線工作性能的影響，并提出一種采用高介電常數(shù)的陶瓷基板及將環(huán)形微帶與偶極子結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了在金屬環(huán)境下高增益的優(yōu)化。