RFID標簽用縫隙天線(xiàn)分析與設計

　　1　引言

　　無(wú)線(xiàn)射頻識別(簡(jiǎn)稱(chēng)為RFID)系統由標簽、讀寫(xiě)器和后臺主機組成。RFID標簽由專(zhuān)用的IC芯片和一根連接在芯片兩端上的天線(xiàn)組成。在RFID標簽天線(xiàn)設計中，天線(xiàn)與芯片之間的阻抗匹配程度決定著(zhù)RFID系統性能指標，標簽小型化要求其天線(xiàn)小型化，標簽天線(xiàn)小型化是標簽設計者永遠追求的目標。

　　近來(lái)，有一些標簽天線(xiàn)設計的報道，例如折疊型偶極天線(xiàn)、V型偶極天線(xiàn)、倒F型天線(xiàn)、環(huán)型天線(xiàn)和分形天線(xiàn)等等[1-3]。這些天線(xiàn)的輪廓外形大都是半波振子的變形，長(cháng)度大約為波長(cháng)的一半，顯得大了點(diǎn)，阻抗匹配不容易也不方便，它們的帶寬狹窄，加工制造復雜，因此不利于RFID技術(shù)的推廣普及應用。

　　縫隙天線(xiàn)具有輪廓低、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與有源器件和電路集成為統一的組件等諸多特點(diǎn)，適合大規模生產(chǎn)，能簡(jiǎn)化整機的制作與調試，從而大大

　　降低成本。近年來(lái)雖然有一些研究縫隙天線(xiàn)的文章[4-5]，但彎折縫隙天線(xiàn)的諧振特性分析與標簽用縫隙天線(xiàn)鮮見(jiàn)報道。因此，彎折縫隙天線(xiàn)的諧振特性研究和嘗試在915MHz頻段用縫隙天線(xiàn)來(lái)設計RFID標簽天線(xiàn)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　為此，本文矩量法研究了縫隙彎折次數、高度、位置、寬度和縫隙天線(xiàn)平片大小對矩形縫隙天線(xiàn)諧振特性的影響。最后，根據給定的標簽芯片，提出了一款UHF射頻識別標簽用的縫隙天線(xiàn)，制作了相應的實(shí)物天線(xiàn)。仿真與測試結果表明，所設計的天線(xiàn)適合于RFID標簽應用。

　　2　縫隙天線(xiàn)分析

　　縫隙天線(xiàn)有平面與非平面之分。平面縫隙天線(xiàn)按照縫隙的形狀可以分為矩形縫隙和非矩形縫隙天線(xiàn)。理想平面矩形縫隙天線(xiàn)是在無(wú)限大無(wú)限薄的理想導體平板上開(kāi)矩形槽縫所構成，槽縫的寬度比其長(cháng)度小得多。對偶原理是分析縫隙天線(xiàn)輻射的基本理論?？p隙天線(xiàn)與其互補電振子具有相似的輻射場(chǎng)分布特性(方向圖)，區別是其電場(chǎng)與磁場(chǎng)的位置互換?？p隙天線(xiàn)阻抗Z1與其互補的電振子的阻抗Z2之間存在如下的互補關(guān)系:

　　縫隙天線(xiàn)的饋電激勵方式主要有電磁藕合和直接相聯(lián)的接觸式饋電。電磁藕合饋電是貼近(非接觸)饋電。直接相聯(lián)饋電是接觸式饋電?；跇撕灲Y構特點(diǎn)，宜采用接觸式饋電，即標簽用縫隙天線(xiàn)與標簽芯片直接相聯(lián)饋電，這樣不僅能簡(jiǎn)化標簽結構，便于集成化，而且還能降低成本，推廣普及RFID技術(shù)的應用。

　　彎折縫隙天線(xiàn)結構參數如圖1所示，平片大小為L(cháng)×W，縫隙彎折寬度和高度分別為s和h，縫隙離饋電中心距離為l。以下討論這些參數的改變對縫隙天線(xiàn)諧振特性的影響。

圖1　彎折縫隙天線(xiàn)結構

　　2.1　彎折次數的影響
　　圖2(a)、(b)、(c)和(d)分別為矩形長(cháng)直縫隙(沒(méi)有彎折)、2、4和6個(gè)對稱(chēng)矩形彎折的縫隙天線(xiàn)結構圖。分析條件是，L=120mm,W=100mm，h=10mm，縫隙的寬度為1mm,縫隙的水平長(cháng)度為115mm。矩量法仿真結果的反射系數S11曲線(xiàn)如圖3(a)所示。4條天線(xiàn)具有如圖3(b)所示相似的輻射方向圖。

圖2　平面垂直彎折縫隙天線(xiàn)結構

圖3　S11曲線(xiàn)和天線(xiàn)輻射方向圖

　　表1是圖2各彎折縫隙天線(xiàn)的諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、反射系數S11值、增益和效率關(guān)系表。仿真結果顯示，2個(gè)彎折的諧振頻率比沒(méi)有彎折的約小290MHz，4個(gè)彎折的諧振頻率比2個(gè)彎折的約小240MHz，6個(gè)彎折的諧振頻率比4個(gè)彎折的約小160MHz?？梢?jiàn)彎折能有效地降低縫隙天線(xiàn)的諧振頻率，可用于縮減縫隙天線(xiàn)的尺寸。同時(shí)增益隨著(zhù)彎折數目的增大逐漸下降，阻抗帶寬也隨之減小,諧振點(diǎn)阻抗變化不大。

　　2.2　彎折高度的影響
　　改變縫隙的高度h，l=18mm，s=17mm，L×W=120mm×100mm來(lái)分析本問(wèn)題。仿真結果的S11曲線(xiàn)如圖4所示。四條天線(xiàn)的輻射方向圖與圖3(b)相似。表2是縫隙彎折高度h與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表。
　　
　　由圖4和表2可以看出，隨著(zhù)縫隙彎折高度h的增加，諧振頻率與阻抗逐漸減小，S11值遞增和增益隨之遞減，-10db阻抗帶寬也逐漸減小。

　　2.3　彎折位置的影響
　　h=10mm，s=10mm，L×W=120mm×100mm,改變l的值來(lái)分析本問(wèn)題。仿真結果的S11曲線(xiàn)如圖5所示。4條天線(xiàn)的輻射方向圖與圖3(b)相似。

圖4　S11曲線(xiàn)

　　表3是縫隙彎折位置與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表。由圖5和表3可以看出，隨著(zhù)彎折與饋電中心距離l的增大，諧振點(diǎn)阻抗遞減，諧振點(diǎn)處的S11值逐漸增大，天線(xiàn)其它參數基本不變。

　　2.4　彎折寬度的影響
　　l=9.5mm，h=10mm，L×W=120mm×100mm，改變縫隙寬度s來(lái)分析。仿真結果的S11曲線(xiàn)如圖6所示。
　　
　　4條天線(xiàn)的輻射方向圖與圖3(b)相似。表4是縫隙彎折寬度與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表?？梢钥闯?，除諧振頻率隨彎折寬度微降外，天線(xiàn)其它參數的變化不大。

　　2.5　天線(xiàn)平片大小的影響
　　在h=l=s=10mm，L=120mm，改變W來(lái)分析本問(wèn)題。仿真結果的S11曲線(xiàn)如圖7所示。

　　4條天線(xiàn)的輻射方向圖與圖3(b)相似。表5是縫隙平片大小與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表?？梢钥闯?，天線(xiàn)諧振頻率微降，諧振點(diǎn)阻抗隨平片寬度的減小呈增大態(tài)勢，但增幅減緩，說(shuō)明天線(xiàn)對電流的阻礙增加，增益下降。以上所有天線(xiàn)的效率都較高，接近100%。

　　3　設計與測試

　　基于上述縫隙天線(xiàn)特性的分析結果，本文在FR4基板上設計了一款RFID標簽用矩形縫隙天線(xiàn)，結構如圖8所示1工作頻率為f=915MHz，與之匹配的標簽芯片(Atmel公司ATA5590)端口阻抗為Zchip=1210-j21710歐姆1金屬平片大小為8010mm×6010mm,縫隙寬為110mm,縫隙水平長(cháng)6010mm，縫隙高為2010mm1仿真顯示天線(xiàn)在915MHz處的阻抗為918+j21812歐姆，與標簽芯片端口阻抗匹配得很好，S11=-4413db，天線(xiàn)的方向系數為3157dbi，輻射效率為80113%。相應仿真結果見(jiàn)圖9和10，圖11為制作的縫隙天線(xiàn)實(shí)物圖。

　　測試條件:RF信號頻率915MHz，衰減置于10dbm，調制為AM，調制深度100%和調制信號頻率為1KHz的方波。被測試天線(xiàn)與標簽芯片的等效輸入電路相聯(lián)，接收來(lái)自發(fā)射天線(xiàn)的信號，通過(guò)測量輸入電路端口上的電壓大小來(lái)說(shuō)明被測試天線(xiàn)的性能。在相同的條件下，測量得等效輸入電路端口上的電壓越大，說(shuō)明天線(xiàn)接收性能越好。測試結果見(jiàn)表6，表中距離為發(fā)射天線(xiàn)到測試天線(xiàn)間的距離。結果說(shuō)明，該縫隙天線(xiàn)的性能比文獻[6]的好。

　　另外，使用AWID公司的MPR-3014閱讀器在天線(xiàn)輻射功率為4W，中心頻率為915MHz，并且在標簽天線(xiàn)與閱讀器天線(xiàn)良好接收條件下，測得閱讀距離為610m。根據文獻[7]報道，文中設計的標簽天線(xiàn)基本達到了應用要求。

　　4　結論

　　本文研究了平面矩形彎折縫隙天線(xiàn)結構參數對其諧振特性的影響，縫隙的彎折次數和高度能有效地降低其諧振頻率，可用于縮減天線(xiàn)尺寸。最后基于彎折對縫隙天線(xiàn)性能的影響和給定芯片，提出了一款UHF射頻識別標簽用的縫隙天線(xiàn)，制作了相應的實(shí)物天線(xiàn)。仿真與測試結果顯示，所設計的天線(xiàn)基本達到應用要求?？梢灶A計，彎折縫隙天線(xiàn)將是UHF標簽天線(xiàn)設計領(lǐng)域看好的發(fā)展方向。