基于寬頻帶UHF RFID標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計解析

0 引言

射頻識別技術(shù)（RFID）是一種新興的自動識別技術(shù)，其工作原理是通過無線方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，達(dá)到傳遞射頻信息的目的。一般情況下，RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器和相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)軟件等組成。其中，標(biāo)簽包括天線及芯片兩部分。由于RFID標(biāo)簽和閱讀器之間不需要接觸即可完成兩者的識別，因此RFID系統(tǒng)可以工作在各種環(huán)境中，并可以同時進(jìn)行多個運(yùn)動目標(biāo)的識別。至今，RFID系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，如：物流管理、生產(chǎn)制造、圖書管理、身份識別、道路自動收費(fèi)等領(lǐng)域。

在RFID系統(tǒng)通信過程中，閱讀器通過自身的天線發(fā)送一定頻率的射頻信號。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入此區(qū)域時，標(biāo)簽天線從此領(lǐng)域的輻射場中獲得相對應(yīng)的閱讀器的命令，經(jīng)標(biāo)簽處理，然后通過自身的天線發(fā)送出自身編碼等應(yīng)答信息。此發(fā)送的信息被閱讀器讀取，并解碼，然后傳送到對應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，從而達(dá)到自動識別物體的目的。標(biāo)簽天線作為RFID系統(tǒng)的基本元件之一，其性能將直接影響標(biāo)簽接收及其發(fā)射信號的準(zhǔn)確性，所以對其研究具有重要的意義。

1 UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計理論原則

1.1 阻抗共軛匹配

電子標(biāo)簽需從閱讀器天線上得到電磁波能量來響應(yīng)標(biāo)簽芯片，因此在電子標(biāo)簽芯片上有一小部分用來檢測標(biāo)簽天線上的感應(yīng)電動勢或者感應(yīng)電壓的電路，并通過二極管電路整流，再經(jīng)過電壓放大，最后讀取標(biāo)簽信息。天線設(shè)計無需知道芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需知道芯片封裝后的芯片阻抗值的大小，然后利用最大能量傳遞法則設(shè)計天線。標(biāo)簽芯片的輸入阻抗分為電阻分量和電抗分量兩部分，電抗部分一般為容性阻抗，為了達(dá)到最大能量傳遞，需要電子標(biāo)簽天線的輸入阻抗與標(biāo)簽芯片輸入阻抗共軛匹配。標(biāo)簽芯片的輸入阻抗為Z=R-jX的形式，為了實現(xiàn)芯片與天線的共軛匹配，我們要設(shè)計的天線的輸入阻抗形式應(yīng)為Z=R+jX。對于UHF頻段標(biāo)簽天線，就要用到能夠為標(biāo)簽天線引入感抗的共軛匹配結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線之間的匹配了。一般需要在天線上中加入環(huán)形結(jié)構(gòu)饋電額外結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)來進(jìn)行匹配。本文采用功率反射系數(shù)描述標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間的阻抗共軛匹配情況。

如圖1所示為等效電路圖。其中Za為為天線輸入阻抗，Zc是芯片輸入阻抗，Zc=Rc+jXc。

1.2 主要性能參數(shù)影響

在電子標(biāo)簽天線主要性能方面，標(biāo)簽的識別距離r為重要的指標(biāo)參數(shù)，表達(dá)式如下：

以上式中，P1為閱讀器的發(fā)射功率，GT為閱讀器天線的增益，Gr標(biāo)簽天線的增益，為反射系數(shù)，Pth為激勵標(biāo)簽芯片的門限功率。

1.3 小尺寸、低成本

由于標(biāo)簽需要粘貼到相對應(yīng)的物品上，需要電子標(biāo)簽體積足夠小，隨著RFID系統(tǒng)的不斷成熟發(fā)展，標(biāo)簽應(yīng)用也越廣泛，電子標(biāo)簽生產(chǎn)成本要求也越來越低。

2 UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計過程

首先，根據(jù)輻射特性，確定其天線大概結(jié)構(gòu)。然后，調(diào)整天線結(jié)構(gòu)，使增益達(dá)到要求。最后，調(diào)整匹配結(jié)構(gòu)，使天線與芯片阻抗匹配，主要包括以下兩方面。其一，調(diào)整匹配結(jié)構(gòu)尺寸，總結(jié)尺寸對阻抗影響。其二，其反射系數(shù)S11《-10dB在頻帶的范圍內(nèi)，我國的UHF RFID頻段：840～845MHz和920～925MHz。

3 UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計及HFSS仿真及結(jié)果分析

3.1 UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計

根據(jù)標(biāo)簽天線設(shè)計理論，芯片阻抗為20-188jΩ，工作頻率為f0=920MHz。本文所設(shè)計的天線采用厚度為0.8mm、介電常數(shù)為4.6的FR4介質(zhì)作其基板，貼片為銅皮。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，參數(shù)值如圖3所示。

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，標(biāo)簽天線采用電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，有兩部分組成，其一是獨(dú)立彎折的輻射體，其二是一饋電環(huán)。芯片從饋電環(huán)的開口地方激勵。通過標(biāo)簽天線設(shè)計理論分析，改變結(jié)構(gòu)中的參數(shù)距離d及其饋電環(huán)的尺寸來影響兩者之間的耦合度，進(jìn)而影響標(biāo)簽天線的阻抗值達(dá)到與標(biāo)簽芯片阻抗的共軛匹配。

3.2 天線仿真及結(jié)果分析

通過各參數(shù)進(jìn)行分析、仿真，對比參數(shù)不同值對天線性能的影響，從而選取最佳值，進(jìn)行優(yōu)化，最后達(dá)到的仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在頻率f0=920MHz，阻抗為20+188jΩ，反射系數(shù)S11為-28dB的情況下，完成了與標(biāo)簽芯片阻抗良好的共軛匹配。

從圖5（a）（b）看出，天線的方向性為全向性。在f0=920MHz處，標(biāo)簽天線的增益為1.9dB。天線在840MHz和925MHz附近有兩個諧振峰。電子標(biāo)簽天線在-24dB的帶寬為160MHz，為寬頻帶。頻帶不僅覆蓋840～960MHz頻帶設(shè)計的目標(biāo)，而且將上頻帶提高了40MHz。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款工作于UHF頻段的直接匹配芯片的RFID標(biāo)簽天線。通過天線的仿真結(jié)果表明，本天線與特定芯片之間具有良好的阻抗匹配特性。標(biāo)簽天線的輻射特性良好，基本可以滿足實際應(yīng)用的要求。天線的結(jié)構(gòu)簡單，且采用的制作材料大大降低了其生產(chǎn)成本。由于天線的小尺寸和薄膜特性，由此天線生產(chǎn)出的標(biāo)簽可以廣泛地粘貼在平面的物體上，可以促進(jìn)RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)等方面的廣泛應(yīng)用。大多數(shù)情況下，RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽天線需要在不同環(huán)境下工作，在很多實際應(yīng)用時，標(biāo)簽天線需要粘貼在高電導(dǎo)率物體的表面，由于高電導(dǎo)率物體邊界條件，這時標(biāo)簽識別距離、輻射效率、輸入阻抗及其增益等參數(shù)都會受到極大的影響，為了解決上述問題，人們提出了倒F天線，或者是平面倒F天線類型的天線。因為為了實現(xiàn)其功能，倒F天線、平面倒F天線自身需要有一個金屬接地板，這還需要改進(jìn)。