小尺寸超高頻RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

淡 江

（杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

超高頻RFID技術(shù)是一種成本較低的物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)，如今已經(jīng)在各行各業(yè)得到普遍應(yīng)用。如優(yōu)衣庫、迪卡儂、周大福等知名企業(yè)都將超高頻RFID標(biāo)簽嵌入到商品吊牌中，用于貨品管理，大幅提高了流通效率和庫存的準(zhǔn)確性。

目前被大規(guī)模商用的超高頻RFID標(biāo)簽天線大多采用平面彎折偶極子天線與饋電環(huán)耦合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 超高頻RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

1 超高頻RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)原理分析

平面彎折偶極子天線由常規(guī)的半波偶極子天線演化而來。半波偶極子天線的結(jié)構(gòu)十分簡單，由2個長度相等的輻射臂構(gòu)成，總長度為0.5個波長，在兩臂中心處饋電，端口阻抗為50 Ω。常規(guī)半波偶極子天線如圖2所示。半波偶極子天線的輻射方向圖類似于“面包圈”，輻射臂軸線處為輻射盲區(qū)，如圖3所示。

圖2 常規(guī)半波偶極子天線

圖3 偶極子天線輻射方向圖

900 MHz電磁波的波長為330 mm，工作在此頻率的半波偶極子天線的長度為165 mm，該尺寸對于RFID標(biāo)簽而言過大。長度小于100 mm的天線更適合RFID應(yīng)用。彎折偶極子天線正是為了縮減尺寸而誕生。雖然彎折偶極子天線外廓的長度縮減了，但走線的總長度依然與標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子天線接近，端口阻抗已不再是50 Ω。彎折偶極子天線的輻射阻抗可用公式（1）近似估計(jì)：

式中：R為彎折偶極子天線的輻射阻抗，如果不考慮導(dǎo)體損耗，即為阻抗實(shí)部；d為彎折偶極子的外廓長度；λ為電磁波的波長。

圖4中，彎折偶極子天線的輪廓長度為79 mm，頻率為900 MHz時，帶入公式（1）中，得到阻抗實(shí)部為14.9 Ω。

圖4 平面彎折偶極子

為了將標(biāo)簽天線收集的能量盡可能多的傳遞給芯片，天線阻抗應(yīng)與芯片阻抗共軛匹配，那么它們的阻抗實(shí)部應(yīng)該相等。表1列舉了一些常用的標(biāo)簽芯片的阻抗實(shí)部，前文計(jì)算出的彎折偶極子天線阻抗實(shí)部恰好位于此區(qū)間。

表1 常用RFID標(biāo)簽芯片的阻抗

圖4中，彎折偶極子天線的仿真結(jié)果表明有較大的容性虛部阻抗，當(dāng)頻率為900 MHz時虛部阻抗達(dá)到了-190 Ω。而芯片阻抗虛部也為容性（負(fù)值），因此標(biāo)簽天線必須具有一定感性，才能與芯片阻抗共軛匹配。將彎折偶極子天線的兩端設(shè)置為容性負(fù)載，利于阻抗匹配。將增加了電容負(fù)載的彎折偶極子天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示天線的阻抗虛部由-190 Ω變?yōu)?71 Ω。兩端增加容性負(fù)載的彎折偶極子仿真如圖5所示。

圖5 兩端增加容性負(fù)載的彎折偶極子仿真

增加了兩端電容負(fù)載的彎折偶極子天線阻抗已經(jīng)大大減小，但依然為負(fù)數(shù)，這樣就需要感性極強(qiáng)的饋電環(huán)，使天線的阻抗最終與芯片阻抗共軛匹配。彎折偶極子天線與饋電環(huán)間屬電感耦合，可與變壓器原理類比。彎折偶極子天線與饋電環(huán)構(gòu)成的完整RFID標(biāo)簽等效電路如圖6所示，其仿真結(jié)果見表2所列，能夠很好地與Impinj Monza4芯片進(jìn)行共軛匹配。

表2 仿真結(jié)果

圖6 彎折偶極子天線原理

2 小尺寸RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)方法

2.1 小尺寸標(biāo)簽設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

上文指出為了提高天線的感性，需要采用饋電環(huán)結(jié)構(gòu)。在Ansoft HFSS中單獨(dú)對饋電環(huán)進(jìn)行建模，對饋電環(huán)的尺寸與感值的關(guān)系進(jìn)行仿真分析，分析天線饋電環(huán)的電感與饋電環(huán)的高度A、長度B和線寬C的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 仿真分析A、B、C參數(shù)與饋電環(huán)感值關(guān)系

饋電環(huán)的線寬C越小，饋電環(huán)的虛部阻抗越大，電感越大；饋電環(huán)的高度A越高，饋電環(huán)的阻抗虛部越大，電感越大；饋電環(huán)的長度B越長，饋電環(huán)的阻抗虛部越大，電感越大。目前常規(guī)鋁蝕刻標(biāo)簽天線制造工藝的最小穩(wěn)定線寬為0.3 mm，所以不能無限制的通過縮小饋電環(huán)的線寬來提高電感。

當(dāng)饋電環(huán)的線寬C固定時，必須通過增大饋電環(huán)的整體輪廓尺寸來提高天線的阻抗虛部，進(jìn)而達(dá)到與芯片阻抗虛部共軛的效果。如果芯片阻抗虛部的絕對值較大，所需饋電環(huán)的尺寸也就越大，這對于設(shè)計(jì)小尺寸單品級標(biāo)簽是不利的。圖8列舉了線寬C固定為0.3 mm時，常用芯片所需饋電環(huán)的尺寸，外框尺寸為25 mm×10 mm。由于EM4124芯片容性較強(qiáng)，所需饋電環(huán)尺寸過大，以至于缺少空間設(shè)計(jì)輻射體，所以基于該芯片設(shè)計(jì)小尺寸標(biāo)簽十分困難。

圖8 不同芯片所需饋電環(huán)的尺寸占比

由公式（1）可知，小尺寸標(biāo)簽天線的輻射阻抗較小，導(dǎo)致阻抗實(shí)部過小，這是小尺寸標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的另一大難點(diǎn)。阻抗實(shí)部較小的芯片更適合用于小尺寸標(biāo)簽。本文不對小尺寸標(biāo)簽阻抗實(shí)部問題進(jìn)行更多討論。

2.2 饋電環(huán)尺寸縮減技術(shù)

對于一段圓柱形導(dǎo)線，其高頻電感可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：L為電感，單位為nH；d為導(dǎo)線長度，單位為mm；r為導(dǎo)線的半徑，單位為mm。

觀察公式（2）可知，增加導(dǎo)線長度、縮小導(dǎo)線半徑均可增加導(dǎo)線電感。對于平面蝕刻工藝的RFID天線，導(dǎo)線半徑可與平面線寬比擬。該公式的計(jì)算結(jié)果與前面的仿真分析結(jié)果一致，為在有限空間內(nèi)增加饋電環(huán)的電感提供了有效途徑。當(dāng)線寬固定為0.3 mm時，考慮通過增加線長來增大電感的方案。

饋電環(huán)可通過反復(fù)彎折的方式增加總線長，進(jìn)而提高電感量，如圖9所示。經(jīng)過Ansoft HFSS仿真調(diào)試，圖9中的饋電環(huán)900 MHz處阻抗虛部達(dá)到了257.5 Ω，可與EM4124芯片匹配，如圖10所示。仿真結(jié)果見表3所列。

圖9 對饋電環(huán)進(jìn)行彎折增加總的線長

圖10 25 mm×10 mm天線

表3 仿真結(jié)果

2.3 實(shí)際驗(yàn)證

前文通過理論和仿真證明了饋電環(huán)尺寸縮減方法的可行性，但仍需要通過實(shí)際測試來驗(yàn)證該方法的正確性。仿真與實(shí)際測試結(jié)果會存在一定偏差，天線輻射體也會對饋電環(huán)電感值產(chǎn)生影響?；阡X蝕刻工藝，采用10 μm厚度鋁層和50 μm厚度PET基材，進(jìn)行多次打樣修正，最終確定圖11所示天線規(guī)格。該天線配合EM4124芯片可以達(dá)到理想性能。EM4124芯片阻抗為（22-j261）Ω，激活靈敏度為-19 dBm。

圖11 最終確定的天線規(guī)格

當(dāng)RFID讀寫器EIRP為36 dBm時，測試該天線不同頻率下的可讀距離。在幾種常見介質(zhì)上，全球頻段（860～960 MHz）可讀距離均超過1 m；美國頻段（902～928 MHz）可讀距離超過1.5 m。在部分介質(zhì)、部分頻段可讀距離超過2 m，不同頻率下的可讀距離如圖12所示。該天線的外形尺寸僅為27 mm×10 mm，證明了該小尺寸標(biāo)簽天線的優(yōu)秀性能。

圖12 不同頻率下的可讀距離

3 結(jié) 語

本文提出了一種超高頻RFID標(biāo)簽天線饋電環(huán)尺寸縮減方法，測試結(jié)果表明，采用本方法的小尺寸標(biāo)簽有著較好的可讀距離。基于本文方法的超高頻RFID標(biāo)簽已經(jīng)在某大型珠寶集團(tuán)的“珠寶單品管理項(xiàng)目”中投入使用，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，累計(jì)出貨量超過1億枚。