一種結(jié)構(gòu)簡單的兼容多標(biāo)準(zhǔn)的寬帶RFID標(biāo)簽天線設(shè)計

0 引言

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動的無線電射頻識別技術(shù)，它通過無線射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。該技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是一項利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。作為一種自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)在商業(yè)、制造業(yè)、交通運輸業(yè)、物流管理、安全檢查、票證管理、軍事裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用行業(yè)不斷擴(kuò)大，理論得到豐富、發(fā)展和完善，正在發(fā)展成為一個跨專業(yè)的獨立領(lǐng)域。許多企業(yè)紛紛投入到射頻技術(shù)的應(yīng)用與推廣中，以此來提高運營效率和效益。美軍是最早將RFID技術(shù)運用于軍事物流的國家，并在實戰(zhàn)中取得了令人矚目的軍事效益，RFID技術(shù)已逐步成為提高軍事物流供應(yīng)鏈管理水平，降低保障成本，增強(qiáng)物流保障能力的重要技術(shù)工具和手段。國內(nèi)RFID目前主要使用的頻段有125 kHz（低頻）、13．56 MHz（中高頻）、902～928 MHz（超高頻），越來越多的研究機(jī)構(gòu)開始對超高頻（UHF）REID系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離、高速率、低成本等特性。

由于UHF頻段電子標(biāo)簽具有遠(yuǎn)距離、動態(tài)下讀取信息的能力，所以已在停車收費、零售管理、公共交通和汽車安全防盜等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。天線是RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，這是因為天線的尺寸制約著標(biāo)簽小型化發(fā)展，而天線的寬頻帶對減少標(biāo)簽成本都有實際意義。出于低成本和簡化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的需要，標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線一般是直接連接，期間沒有任何匹配電路。這就要求天線的阻抗設(shè)計要與阻抗匹配，以實現(xiàn)最大功率傳輸。而芯片的阻抗與傳統(tǒng)的50 Ω不同，典型值一般是實部較小，而虛部較大的復(fù)阻抗。要匹配這樣一個復(fù)阻抗，會使天線的帶寬變窄，因此寬帶RFID標(biāo)簽天線成為當(dāng)前研究的熱點和難點。

本研究基于兩個變型彎折偶極子天線，通過引入合適的饋電結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行饋電，使天線的帶寬得以拓寬。并基于電磁仿真軟件Ansoft HFSS的仿真分析，設(shè)計并加工了一個實物天線。實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了該設(shè)計的有效性。

1 天線原理與設(shè)計

根據(jù)參考文獻(xiàn)，天線模型可以等效為如圖1所示的天線模型。當(dāng)寄生單元無限長時，圖1模型可以等效為圖2所示的等效電路模型。

圖2中，寄生單元等效為左回路的L1，R，C，其中，R等效為輻射體的自電阻。而饋電單元等效為右回路，L2等效為饋電單元的自電感。由于饋電單元的自阻抗非常小，所以在等效電路中被忽略了。

根據(jù)參考文獻(xiàn)的電路分析理論，對圖2回路列KVL方程可以得到：

從式（8）可以看出，諧振狀態(tài)的阻抗實部只與互感有關(guān)，而虛部與L2關(guān)。由于互感M與耦合距離有關(guān)，所以天線阻抗的實部與寄生單元離饋電單元的距離有關(guān)，而虛部只與饋電單元自身的形狀有關(guān)。因此，可以看到在諧振點附近耦合加載對天線實虛部可起到單獨調(diào)節(jié)的作用。

2 仿真與測試結(jié)果

本文采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 11．0對天線進(jìn)行了仿真，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。該天線結(jié)構(gòu)分為矩形饋電環(huán)和變型彎折偶極子輻射體兩部分，芯片貼在矩形饋電環(huán)的開口處進(jìn)行激勵，通過電感耦合將能量送至輻射體上。輻射體有兩個中間部分連接在一起的變型彎折偶極子構(gòu)成。這兩個彎折偶極子的長度是有差異的，并不完全相等，通過統(tǒng)一饋電，可以形成兩個比較靠近的諧振頻率，從而拓展天線的帶寬。階梯狀彎折的偶極子可以縮短天線的整體長度，使得天線結(jié)構(gòu)緊湊。

本文中采用Ansoft公司的HFSS軟件和安捷倫公司的N5230A矢量分析儀進(jìn)行了仿真和實測。圖4為天線的回波損耗，圖5為天線的增益圖。從圖1可以看出S11《-10 dB即VSWR《2的工作帶寬為115 MHz，在860～975 MHz之間。

本文在仿真設(shè)計的基礎(chǔ)上加工了一個天線實物，如圖6所示。天線的介質(zhì)板采用介質(zhì)常數(shù)為4．4，厚度為2 mm的FR4基板。實測結(jié)果如圖7所示。

3 結(jié)論

本研究提出了一個結(jié)構(gòu)簡單的兼容多標(biāo)準(zhǔn)的寬帶RFID標(biāo)簽天線。通過在天線結(jié)構(gòu)中引入兩個形狀稍有差異的變型彎折偶極子并統(tǒng)一饋電，形成兩個相似的諧振點，使得天線的阻抗，特別是虛部，在840～956 MHz的范圍內(nèi)保持平穩(wěn)，已獲得與芯片阻抗在較寬頻段內(nèi)良好的匹配，從而拓寬天線的帶寬。通過理論分析可以知道，當(dāng)天線諧振時，天線阻抗的實虛部可以單獨調(diào)節(jié)。最后基于仿真分析，加工了一個實物天線。實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了該天線設(shè)計的有效性。