金屬表面UHFRFID標簽天線(xiàn)設計

0 引言
RFID(無(wú)線(xiàn)射頻識別)系統主要由RFID讀寫(xiě)器和電子標簽組成。近年來(lái)，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。國內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(lái)越多的研究機構開(kāi)始對超高頻RFID系統進(jìn)行研究，以實(shí)現系統的遠距離、高速率、低成本等特性。作為RFID必不可少的一部分，電子標簽以其低成本、小體積、非接觸式等特性取代了傳統的二維條碼，普遍應用于身份識別、車(chē)輛管理、倉儲物流、防偽、零售等眾多領(lǐng)域。普通的超高頻電子標簽一般采用印制偶極子天線(xiàn)，該結構可以應用于貨物、商品、書(shū)本等采用非金屬介質(zhì)的表面，而在固定資產(chǎn)管理、集裝箱、機車(chē)、電子車(chē)牌、電力設施等許多領(lǐng)域，由于采用了金屬表面結構，傳統的超高頻電子標簽在金屬表面幾乎不能正常工作，對此本文設計了一款工作在902～928 MHz的低成本、小體積、高增益的抗金屬電子標簽天線(xiàn)。

1 現有的金屬表面標簽天線(xiàn)
目前在美國和歐洲等發(fā)達國家，金屬表面標簽技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，廣泛應用到了物流中的各個(gè)領(lǐng)域，而我國普通的超高頻電子標簽已經(jīng)十分普及，但可以真正用于金屬表面的電子標簽很少。金屬表面標簽技術(shù)仍處于起步階段，國內許多金屬表面標簽天線(xiàn)都是在傳統的偶極子標簽天線(xiàn)上改進(jìn)的，通過(guò)增加標簽天線(xiàn)與金屬表面的距離來(lái)減少金屬反射面對標簽的影響。標簽天線(xiàn)與金屬表面的距離H應保持1 cm以上的高度，這樣雖然提高了標簽的讀取距離，但會(huì )使整個(gè)標簽的體積和成本增加，天線(xiàn)的帶寬降低，并沒(méi)有很好地解決表面金屬對標簽天線(xiàn)的影響，此時(shí)標簽天線(xiàn)的性能遠沒(méi)有其用于非金屬表面的性能好；基于陶瓷介質(zhì)的微帶天線(xiàn)也可以用到金屬表面，它利用陶瓷介質(zhì)的高介電常數，使天線(xiàn)的體積能夠做到很小，利用金屬表面作為自己更大的反射面，使天線(xiàn)的性能十分穩定，但由于陶瓷天線(xiàn)的造價(jià)太高，不適合電子標簽的低成本批量生產(chǎn)；另外一種可適用金屬表面的標簽天線(xiàn)方案是在天線(xiàn)輻射面與金屬面之間增加一層AMC(人工磁導體)結構，如圖1所示。通過(guò)AMC的高阻抗特性使電子標簽與AMC之間產(chǎn)生的磁流方向和金屬面與 AMC之間的磁流方向相同，從而提高電子標簽的增益與讀取距離，但這項技術(shù)目前研究的難度和成本都很高，仍處于實(shí)驗室階段。

2 印刷結構標簽天線(xiàn)
針對目前金屬表面用超高頻RFID電子標簽的應用需求，設計了一款新型結構的電子標簽天線(xiàn)。該天線(xiàn)首先在一片平面材料(如PVC薄膜、紙等)上采用銀漿(或銅、鋁等)印刷，如圖2所示的平面結構。標簽芯片安裝后，將此平面貼紙標簽沿折線(xiàn)粘貼于方形介質(zhì)材料上。

當此標簽固定在金屬表面(無(wú)論使用標簽的哪一個(gè)面貼于金屬)使用時(shí)，標簽天線(xiàn)可以等效成PIFA天線(xiàn)模型(如圖3所示)。此時(shí)金屬平面作為天線(xiàn)的反射面，對天線(xiàn)的性能將產(chǎn)生有益的影響。圖3中尺寸結構：w=45 mm，l=95 mm，h=5 mm，w1=31 mm。

3 理論分析與仿真
標簽天線(xiàn)貼于介質(zhì)表面時(shí)等效為PIFA結構，所以該標簽天線(xiàn)也滿(mǎn)足λ／4諧振條件，其諧振頻率fr主要與貼片的長(cháng)度l和寬度w有關(guān)。它們之間的關(guān)系可近似表示為：fr=c／[4(l+w)]，其中c表示光速。
3．1 天線(xiàn)的阻抗分析
常用標簽的芯片阻抗通常不是標準的50 Ω，芯片阻抗一般呈容性，為實(shí)現芯片與天線(xiàn)的阻抗匹配，通過(guò)射頻仿真軟件HFSS對天線(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化。設計中采用的標簽芯片阻抗為24-j195 Ω，所以需要匹配的天線(xiàn)的目標阻抗應為24+j195 Ω。天線(xiàn)的阻抗匹配可以通過(guò)調整天線(xiàn)的開(kāi)槽長(cháng)度來(lái)實(shí)現，如圖4所示為開(kāi)槽長(cháng)度w1對天線(xiàn)阻抗的影響。

通過(guò)對天線(xiàn)阻抗特性進(jìn)行參數掃描分析可知，w1的變化對天線(xiàn)的阻抗影響較大，當開(kāi)槽長(cháng)度w134 mm時(shí)，阻抗變化比較平緩，整個(gè)天線(xiàn)呈感性；當開(kāi)槽長(cháng)度繼續增加時(shí)，天線(xiàn)的實(shí)部阻抗會(huì )急劇增加，天線(xiàn)表現為容性。通過(guò)仿真分析發(fā)現，在開(kāi)槽長(cháng)度 w1=31mm時(shí)，阻抗為11+j19 4Ω，此時(shí)與標簽芯片的阻抗滿(mǎn)足共軛匹配。
3．2 金屬面大小對天線(xiàn)的影響
由于電子標簽貼附在有限的金屬接地面上，在研究天線(xiàn)的電特性參數時(shí)還要考慮接地面的大小對天線(xiàn)實(shí)際增益的影響，表1列出了電子標簽分別位于金屬表面面積為 45 mm×45 mm，100 mm×100 mm，200 mm×200 mm，400 mm×400 mm天線(xiàn)的增益變化情況。

表1中數據顯示標簽在45 mm×45 mm的金屬表面工作(相當于標簽天線(xiàn)單獨工作)時(shí)，天線(xiàn)增益較低，只有0．27 dBi。隨著(zhù)金屬表面面積的增加，天線(xiàn)的增益也會(huì )有所增強，但天線(xiàn)的增益也并不是無(wú)限增大的。測試中發(fā)現，在金屬表面面積增加到一定大小時(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。
3．3 介質(zhì)厚度對天線(xiàn)帶寬的影響
標簽天線(xiàn)的帶寬也是衡量天線(xiàn)性能的一個(gè)重要指標，頻帶越寬，天線(xiàn)的效率越高。通過(guò)調整介質(zhì)層的高度h可以有效地改善天線(xiàn)的帶寬，當介質(zhì)層的高度增加時(shí)，會(huì )使天線(xiàn)的帶寬變寬，天線(xiàn)的效率提高，但增加天線(xiàn)的高度會(huì )使天線(xiàn)的體積增加，也破壞了天線(xiàn)的低剖面特性，綜合以上結論在設計中取h=5 mm。通過(guò)仿真分析，在介質(zhì)高度為h=5 mm時(shí)，天線(xiàn)的反射系數在-10 dB以下的帶寬為30 MHz(910～940 MHz)，該天線(xiàn)具有良好的頻帶特性。
3．4 介質(zhì)材料對天線(xiàn)的影響
設計中分析了兩種常用介質(zhì)對天線(xiàn)增益的影響，如圖5所示為電子標簽貼在FR-4(εr=4．4，h=5 mm)上的方向圖，金屬反射面的大小為400 mm×400 mm，此時(shí)天線(xiàn)的增益為2．27 dBi。在垂直天線(xiàn)輻射面的方向，增益最大，圖6為標簽貼在泡沫介質(zhì)(εr=1．1，h=5 mm)上的方向圖，天線(xiàn)的最大增益為3．92 dBi，但天線(xiàn)的最大增益方向為偏離垂直天線(xiàn)輻射面45°的方向。

4 實(shí)物測試
為驗證以上設計，本文做了實(shí)物模型，并進(jìn)行了相關(guān)的性能測試。如圖7所示，使用銅皮紙所蝕刻的平面天線(xiàn)，粘貼于泡沫介質(zhì)上。標簽芯片使用NXP半導體公司的SL3ICS1202G2XL芯片，該芯片的阻抗為24-j195 Ω，測試將標簽貼于25 cm×25 cm的金屬平板中央，如圖8所示，使用MR6021型號閱讀器1 W的發(fā)射功率及6 dBi圓極化天線(xiàn)對標簽進(jìn)行了識讀。實(shí)測識別距離大于4 m。

5 結語(yǔ)
金屬物體對超高頻電子標簽的干擾一直是RFID領(lǐng)域的一個(gè)難題，本文結合PIFA天線(xiàn)的基本理論以及現有的標簽技術(shù)，設計了一款UHF抗金屬標簽天線(xiàn)，天線(xiàn)采用的印刷結構使得生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本低廉。通過(guò)對天線(xiàn)大量的仿真和實(shí)測，論證了該天線(xiàn)具有高增益、遠距離等特點(diǎn)，是一款能夠真正應用于金屬表面的標簽天線(xiàn)。