一種寬頻帶UHF RFID標簽天線(xiàn)的研究與設計

摘要：文章以寬頻帶UHF RFID標簽天線(xiàn)的設計為研究對象，設計并仿真了一款工作在920MHz的電子標簽天線(xiàn)。天線(xiàn)的尺寸為80mm 44mm，存反射系數-24dB的帶寬可達160MHz，方向性比較好。同時(shí)標簽天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單，采用的制作材料也很大降低了其生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：寬頻帶;UHF RFID;標簽天線(xiàn);HFSS

0 引言

射頻識別技術(shù)(RFID)是一種新興的自動(dòng)識別技術(shù)，其工作原理是通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行雙向數據通信，達到傳遞射頻信息的目的。一般情況下，RFID系統由電子標簽、閱讀器和相關(guān)應用系統軟件等組成。其中，標簽包括天線(xiàn)及芯片兩部分。由于RFID標簽和閱讀器之間不需要接觸即可完成兩者的識別，因此RFID系統可以工作在各種環(huán)境中，并可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)運動(dòng)目標的識別。至今，RFID系統已廣泛應用在諸多領(lǐng)域，如：物流管理、生產(chǎn)制造、圖書(shū)管理、身份識別、道路自動(dòng)收費等領(lǐng)域。

在RFID系統通信過(guò)程中，閱讀器通過(guò)自身的天線(xiàn)發(fā)送一定頻率的射頻信號。當標簽進(jìn)入此區域時(shí)，標簽天線(xiàn)從此領(lǐng)域的輻射場(chǎng)中獲得相對應的閱讀器的命令，經(jīng)標簽處理，然后通過(guò)自身的天線(xiàn)發(fā)送出自身編碼等應答信息。此發(fā)送的信息被閱讀器讀取，并解碼，然后傳送到對應的應用系統軟件進(jìn)行處理，從而達到自動(dòng)識別物體的目的。標簽天線(xiàn)作為RFID系統的基本元件之一，其性能將直接影響標簽接收及其發(fā)射信號的準確性，所以對其研究具有重要的意義。

1 UHF RFID標簽天線(xiàn)設計理論原則

1.1 阻抗共軛匹配

電子標簽需從閱讀器天線(xiàn)上得到電磁波能量來(lái)響應標簽芯片，因此在電子標簽芯片上有一小部分用來(lái)檢測標簽天線(xiàn)上的感應電動(dòng)勢或者感應電壓的電路，并通過(guò)二極管電路整流，再經(jīng)過(guò)電壓放大，最后讀取標簽信息。天線(xiàn)設計無(wú)需知道芯片內部結構，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計天線(xiàn)。標簽芯片的輸入阻抗分為電阻分量和電抗分量?jì)刹糠?，電抗部分一般為容性阻抗，為了達到最大能量傳遞，需要電子標簽天線(xiàn)的輸入阻抗與標簽芯片輸入阻抗共軛匹配。標簽芯片的輸入阻抗為Z=R-jX的形式，為了實(shí)現芯片與天線(xiàn)的共軛匹配，我們要設計的天線(xiàn)的輸入阻抗形式應為Z=R+jX。對于UHF頻段標簽天線(xiàn)，就要用到能夠為標簽天線(xiàn)引入感抗的共軛匹配結構來(lái)實(shí)現標簽芯片與標簽天線(xiàn)之間的匹配了。一般需要在天線(xiàn)上中加入環(huán)形結構饋電額外結構或其他結構來(lái)進(jìn)行匹配。本文采用功率反射系數描述標簽天線(xiàn)與標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(xiàn)輸入阻抗，Zc是芯片輸入阻抗，Zc=Rc+jXc。

1.2 主要性能參數影響

在電子標簽天線(xiàn)主要性能方面，標簽的識別距離r為重要的指標參數，表達式如下：

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

1.3 小尺寸、低成本

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

2 UHF RFID標簽天線(xiàn)設計過(guò)程

首先，根據輻射特性，確定其天線(xiàn)大概結構。然后，調整天線(xiàn)結構，使增益達到要求。最后，調整匹配結構，使天線(xiàn)與芯片阻抗匹配，主要包括以下兩方面。其一，調整匹配結構尺寸，總結尺寸對阻抗影響。其二，其反射系數S11-10dB在頻帶的范圍內，我國的UHF RFID頻段：840～845MHz和920～925MHz。

3 UHF RFID標簽天線(xiàn)設計及HFSS仿真及結果分析

3.1 UHF RFID標簽天線(xiàn)設計

根據標簽天線(xiàn)設計理論，芯片阻抗為20-188jΩ，工作頻率為f0=920MHz。本文所設計的天線(xiàn)采用厚度為0.8mm、介電常數為4.6的FR4介質(zhì)作其基板，貼片為銅皮。天線(xiàn)結構如圖2所示，參數值如圖3所示。

從結構圖中可以看出，標簽天線(xiàn)采用電磁耦合饋電結構，有兩部分組成，其一是獨立彎折的輻射體，其二是一饋電環(huán)。芯片從饋電環(huán)的開(kāi)口地方激勵。通過(guò)標簽天線(xiàn)設計理論分析，改變結構中的參數距離d及其饋電環(huán)的尺寸來(lái)影響兩者之間的耦合度，進(jìn)而影響標簽天線(xiàn)的阻抗值達到與標簽芯片阻抗的共軛匹配。

3.2 天線(xiàn)仿真及結果分析

通過(guò)各參數進(jìn)行分析、仿真，對比參數不同值對天線(xiàn)性能的影響，從而選取最佳值，進(jìn)行優(yōu)化，最后達到的仿真結果如圖4所示。

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

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

4 結束語(yǔ)

本文設計了一款工作于UHF頻段的直接匹配芯片的RFID標簽天線(xiàn)。通過(guò)天線(xiàn)的仿真結果表明，本天線(xiàn)與特定芯片之間具有良好的阻抗匹配特性。標簽天線(xiàn)的輻射特性良好，基本可以滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求。天線(xiàn)的結構簡(jiǎn)單，且采用的制作材料大大降低了其生產(chǎn)成本。由于天線(xiàn)的小尺寸和薄膜特性，由此天線(xiàn)生產(chǎn)出的標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)等方面的廣泛應用。大多數情況下，RFID系統中標簽天線(xiàn)需要在不同環(huán)境下工作，在很多實(shí)際應用時(shí)，標簽天線(xiàn)需要粘貼在高電導率物體的表面，由于高電導率物體邊界條件，這時(shí)標簽識別距離、輻射效率、輸入阻抗及其增益等參數都會(huì )受到極大的影響，為了解決上述問(wèn)題，人們提出了倒F天線(xiàn)，或者是平面倒F天線(xiàn)類(lèi)型的天線(xiàn)。因為為了實(shí)現其功能，倒F天線(xiàn)、平面倒F天線(xiàn)自身需要有一個(gè)金屬接地板，這還需要改進(jìn)。