一種新型UHF RFID抗金屬標簽天線(xiàn)的設計與分析

摘要：提出了一種用于金屬物體的超高頻射頻識別標簽天線(xiàn)，該天線(xiàn)適用于多標準超高頻射頻識別系統。采用在偶極子結構上增加環(huán)形微帶線(xiàn)來(lái)增大輸入阻抗，極大地提高了標簽天線(xiàn)的增益特性。利用電磁仿真軟件分析了天線(xiàn)性能，仿真與測試結果吻合良好。整個(gè)天線(xiàn)的面積為100 mmx40 mm，由于采用表面印刷結構，使得標簽成本低廉、易于批量生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：抗金屬；環(huán)形天線(xiàn)；標簽天線(xiàn)；超高頻射頻識別

0 引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數據通信，以達到目標識別并交換數據的技術(shù)。RFID系統一般由標簽、讀寫(xiě)器和計算機通信網(wǎng)絡(luò )組成。標簽存儲著(zhù)待識別對象的相關(guān)信息，附著(zhù)在待識別對象上。通常電子標簽符合IS018000-4與18000-6標準，本身無(wú)源，通過(guò)讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)獲得能源，采用負載調制方式。讀寫(xiě)器利用射頻信號讀／寫(xiě)標簽信息并進(jìn)行處理。PC機通過(guò)RS 232接口遠程控制讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器接到命令后，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送射頻命令實(shí)現對標簽的操作，同時(shí)接收標簽返回的數據。電子標簽靠其內部天線(xiàn)獲得能量，并由芯片(IC)控制接收、發(fā)送數據。
國內RFID系統使用的頻段主要分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13．56 MHz)、超高頻(Ultra High Frequency，UHF)(860～960 MHz)和微波(2．4 GHz以上)等幾大類(lèi)。目前越來(lái)越多的研究聚焦在了對UHF RFID系統的研究上。由于電磁波會(huì )被金屬反射導致普通電子標簽在金屬表面無(wú)法被正確識別，這一缺點(diǎn)嚴重限制了其在物流行業(yè)的廣泛應用，因此UHF標簽天線(xiàn)的抗金屬性成為了研究的熱點(diǎn)和攻克的難點(diǎn)。本文在分析了金屬對標簽天線(xiàn)電磁場(chǎng)影響作用的基礎上，提出了一種成本相對較低可用于金屬環(huán)境的超高頻RFID無(wú)源標簽天線(xiàn)。該天線(xiàn)將環(huán)形微帶與偶極子結構結合實(shí)現了在金屬環(huán)境下高增益的特性。天線(xiàn)面積100 mmx40 mm滿(mǎn)足了小尺寸金屬環(huán)境的要求，具有較高的性?xún)r(jià)比。

1 金屬對標簽天線(xiàn)的影響
射頻識別系統工作原理圖如圖1所示。研究金屬物體對標簽天線(xiàn)的影響，首先要考慮天線(xiàn)靠近金屬時(shí)金屬表面電磁場(chǎng)的特性。根據電磁感應定理，這時(shí)金屬表面附近的磁場(chǎng)分布會(huì )發(fā)生“畸變”，磁力線(xiàn)趨于平緩，在很近的區域內幾乎平行于金屬表面，使得金屬表面附近的磁場(chǎng)只存在切向的分量而沒(méi)有法向的分量，因此天線(xiàn)將無(wú)法通過(guò)切割磁力線(xiàn)來(lái)獲得電磁場(chǎng)能量，無(wú)源電子標簽則失去正常工作的能力。

另一方面，當天線(xiàn)靠近金屬時(shí)，其內部產(chǎn)生渦流的同時(shí)還會(huì )吸收射頻能量轉換成自身的電場(chǎng)能，使原有射頻場(chǎng)強的總能量急劇減弱。而上述渦流也會(huì )產(chǎn)生自身的感應磁場(chǎng)，該場(chǎng)的磁力線(xiàn)垂直于金屬表面且方向與射頻場(chǎng)相反并對讀寫(xiě)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到反作用，致使金屬表面的磁場(chǎng)大幅度衰減，使得標簽與讀寫(xiě)器之間通信受阻。另外，金屬還會(huì )引起額外的寄生電容即金屬引起的電磁摩擦造成能源損耗，使得標簽天線(xiàn)與讀寫(xiě)器失諧，破壞RFID系統的性能。

2 UHF抗金屬標簽天線(xiàn)的設計與分析
2．1 天線(xiàn)設計
UHF無(wú)源標簽的性能主要由兩個(gè)方面決定：標簽天線(xiàn)的增益大小以及天線(xiàn)與芯片之間的阻抗匹配。一種提高增益的方法是并聯(lián)多個(gè)折疊型偶極子結構，因為額外的偶極子的輻射阻抗能夠提高天線(xiàn)效率，因此本文提出在傳統偶極子天線(xiàn)結構(見(jiàn)圖2)上改造一段環(huán)形微帶線(xiàn)，在不增加天線(xiàn)面積的情況下獲得增益提高。

該天線(xiàn)結構由變型彎折偶極子輻射體和環(huán)形微帶線(xiàn)以及矩形饋電環(huán)三部分組成，將芯片貼在矩形饋電環(huán)的開(kāi)口處進(jìn)行激勵，利用電感耦合將能量送至兩個(gè)中間部分連在一起的彎折偶極子輻射體上。偶極子采用階梯彎折狀可以縮短天線(xiàn)的整體長(cháng)度，使其結構緊湊面積縮小。天線(xiàn)結構如圖3所示。

將以上兩種天線(xiàn)置于72 mmx36 mm的金屬板上，采用相對介電常數為4．4，厚度為1 mm的介質(zhì)板，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，最終得到功率反射系數曲線(xiàn)圖，如圖4所示。從圖中可以看到，本文提出的環(huán)形天線(xiàn)在頻率為900 MHz時(shí)功率反射系數可達到-22 dB，其性能大大優(yōu)于傳統天線(xiàn)。

天線(xiàn)增益大小和它到金屬板的距離密切相關(guān)，表1列出了傳統天線(xiàn)和環(huán)形天線(xiàn)在距金屬板距離^分別為2 mm，3 mm，5mm，10 mm時(shí)的增益值；圖5是環(huán)形天線(xiàn)在距金屬板距離為2 mm，3 mm，4 mm，6 mm，8 mm時(shí)功率反射系數的曲線(xiàn)。從表1中可以看出，在距金屬板距離相同時(shí)，本文提出的環(huán)形天線(xiàn)增益始終優(yōu)于傳統天線(xiàn)，驗證了該環(huán)形天線(xiàn)的高性能。同時(shí)，隨著(zhù)天線(xiàn)到金屬板距離的增加，增益值呈現出不規律的變化趨勢，因此，通過(guò)大量的仿真優(yōu)化，最終觀(guān)察到該天線(xiàn)在距金屬板距離為3 mm時(shí)可獲得最大增益，增益值為2．06 dBi。從圖5可以看出，該環(huán)形天線(xiàn)工作在900 MHz時(shí)性能最好。

接地面大小是對天線(xiàn)性能影響的另一個(gè)因素。通過(guò)仿真研究發(fā)現，金屬面大小的變化對諧振頻率、輸入阻抗、帶寬影響較小，但對輻射效率、方向圖的影響較大。表2列出了電子標簽分別位于金屬表面面積為60 mm×36 mm，72 mmx36 mm，90 mmx36 mm時(shí)天線(xiàn)增益的變化情況。從表2可以看到標簽在面積為60 mm×36 mm的金屬表面工作時(shí)天線(xiàn)增益較低，只有1．90 dBi；隨著(zhù)金屬表面面積增加到72 mm×36 mm，天線(xiàn)的增益增強到2．06 dBj，但隨著(zhù)金屬面積的進(jìn)一步增大天線(xiàn)的增益又有所下降，因此得出天線(xiàn)增益大小變化并不與金屬面大小變化成正比，原因是在金屬表面面積增加到一定程度時(shí)，天線(xiàn)的輻射方向會(huì )發(fā)生畸變，使得垂直于輻射面的輻射場(chǎng)減弱，此時(shí)天線(xiàn)的增益會(huì )有所下降。

圖6為該天線(xiàn)的阻抗曲線(xiàn)，可以看到在900 MHz時(shí)天線(xiàn)的阻抗為(44．24-j5．96)Ω，需要選擇阻抗值為(44．24+i5．96)Ω的芯片與天線(xiàn)進(jìn)行共軛匹配。如果使用的芯片阻抗值不是(44．24+j5．96)Ω而是其他的容性值，可以通過(guò)調整天線(xiàn)的開(kāi)槽長(cháng)度來(lái)優(yōu)化其阻抗值以達到天線(xiàn)與芯片之間的共軛匹配。

2．2 測試結果
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(shí)測。圖7為天線(xiàn)的增益圖，圖8為天線(xiàn)的仿真與實(shí)測結果，從中可以看出實(shí)測結果與仿真結果較好吻合，驗證了該設計的實(shí)用性。該天線(xiàn)采用相對介電常數4．4、厚度1 mm的FR4基板進(jìn)行加工，實(shí)物如圖9所示。

3 結 語(yǔ)
本文提出了一類(lèi)結構簡(jiǎn)單、兼容多標準的UHF抗金屬無(wú)源電子標簽天線(xiàn)。該天線(xiàn)利用環(huán)形微帶線(xiàn)與偶極子結構的結合實(shí)現了在金屬表面高增益的特性；同時(shí)，可以調節槽線(xiàn)長(cháng)度來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)的特性阻抗，使其能夠與芯片阻抗共軛匹配從而提高無(wú)源電子標簽性能。通過(guò)實(shí)驗分析得到在金屬板面積為72 mm×36 mm、與天線(xiàn)距離為3 mm時(shí)，該天線(xiàn)可在900 MHz獲得最大增益2．06 dBi。最后基于仿真分析，加工了一個(gè)實(shí)物天線(xiàn)。實(shí)際測量結果與仿真結果吻合良好，驗證了該天線(xiàn)設計的有效性。