UHF頻段RFID多應用天線(xiàn)設計

電子科技大學(xué)鄧向東 王亞非 王占平

0 引 言

RFID是一種利用射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，它包括電子標簽(tag)和讀寫(xiě)器(reader)兩個(gè)主要部分，附有編碼的標簽和讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)行無(wú)接觸數據傳輸，以完成一定距離的自動(dòng)識別過(guò)程。RFID標簽具有體積小，壽命長(cháng)，能穿透非導電性材料等特點(diǎn)，可支持快速讀寫(xiě)、非可視識別、移動(dòng)識別、定位及長(cháng)期跟蹤管理。RFID技術(shù)在物流與供應鏈管理、生產(chǎn)管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領(lǐng)域，可以大幅提高管理和運作效率，降低成本，具有重大的應用潛力。隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的不斷完善和成熟，RFID產(chǎn)業(yè)將成為一個(gè)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，成為國民經(jīng)濟新的增長(cháng)點(diǎn)。因此，研究RFID技術(shù)，發(fā)展RFID產(chǎn)業(yè)，對提升社會(huì )信息化水平，促進(jìn)經(jīng)濟可持續發(fā)展，提高人民生活質(zhì)量，增強公共安全及國防安全等方面將產(chǎn)生深遠影響。具有戰略性的重大意義。RFID標簽天線(xiàn)作為RFID系統的重要組成部分，在實(shí)現數據通訊過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵性作用，因此天線(xiàn)設計是整個(gè)RFlD系統應用的關(guān)鍵。

典型的RFID標簽天線(xiàn)包括微帶貼片天線(xiàn)和偶極子天線(xiàn)。RFID標簽的性能容易受到環(huán)境介質(zhì)的影響，尤其是微帶偶極子天線(xiàn)，當它粘貼在一般的絕緣介質(zhì)(如玻璃、塑料箱等)表面，會(huì )影響天線(xiàn)的電感量和降低諧振頻點(diǎn)的品質(zhì)因數；當它粘附在金屬上時(shí)，由于電磁感應的作用，會(huì )吸收射頻能量而轉換成自身的電場(chǎng)能，因此減弱了原有射頻場(chǎng)強的總能量，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生感應磁場(chǎng)，磁力線(xiàn)垂直于金屬表面，使得射頻場(chǎng)強的分布在金屬表面發(fā)生變形，磁力曲線(xiàn)趨于平緩。因此，當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時(shí)，該空間內實(shí)際并無(wú)射頻場(chǎng)強分布，標簽天線(xiàn)無(wú)法切割磁力線(xiàn)而獲得電磁場(chǎng)能量，因而標簽無(wú)法正常工作。

1 微帶RFID貼片天線(xiàn)

微帶貼片天線(xiàn)通常是在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線(xiàn)或同軸探針對貼片饋電，如圖1所示。因為微帶貼片天線(xiàn)自身有一個(gè)金屬的地板，當其粘附在各種物體上時(shí)，天線(xiàn)背面的電磁場(chǎng)不會(huì )受到太大影響，故可以在多種環(huán)境下正常讀取。





利用傳輸線(xiàn)模型分析微帶天線(xiàn)是較有效的方法。該方法的基本假設如下：微帶貼片和接地板構成一段微帶傳輸線(xiàn)，傳輸準TEM波，場(chǎng)在傳輸方向是駐波分布。而在其垂直方向是常數；傳輸線(xiàn)的兩個(gè)開(kāi)口端(始端和末端)等效為兩個(gè)輻射縫口徑場(chǎng)，即為傳輸線(xiàn)開(kāi)口端場(chǎng)強，如圖2所示。



圖3是按照傳輸線(xiàn)法建立的微帶天線(xiàn)等效電路。Ys為縫輻射導納；Y0為微帶貼片的特性導納。



2 E型RFID標簽天線(xiàn)設計

對于一般的微帶貼片天線(xiàn)，它的輻射激勵可以等效成一個(gè)諧振回路。在矩形微帶貼片天線(xiàn)的基礎上，采取E型結構，即沿天線(xiàn)的匹配方向將金屬貼片開(kāi)兩條平行寬縫 (見(jiàn)圖4)。由于貼片上存在兩個(gè)縫隙的作用，促使天線(xiàn)的諧振特性受到了影響，即原來(lái)的一個(gè)諧振回路變成了兩個(gè)諧振回路，當這兩個(gè)諧振回路的諧振頻點(diǎn)靠得比較近時(shí)，就達到了擴展頻帶的目的。



本文在E型背饋天線(xiàn)的基礎上，提出了一種變形的側饋天線(xiàn)方案，如圖5所示。天線(xiàn)主體由一個(gè)矩形貼片開(kāi)縫構成，頂部切去了兩個(gè)角。由一個(gè)功分器和一段微帶線(xiàn)作為饋線(xiàn)與芯片匹配，而芯片的另一段通過(guò)微帶線(xiàn)接地。

由于高介電常數的介質(zhì)能有效地減小天線(xiàn)的尺寸，所以基片選用尺寸為84 mm×54 mm×1．4mm的陶瓷氧化鋁．介電常數為9～10。微帶標簽天線(xiàn)的物理尺寸為：L1=47．6 mm，L2=4 mm，L3=18 mm，L4=3．5 mm，W1=1 2．6 mm，W2=10 mm，W3=6 mm，W4=2 mm，S=3 mm。



該天線(xiàn)采用的芯片在915 MHz時(shí)的阻抗為34．5一j815，呈現明顯的容抗。采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10．O對天線(xiàn)進(jìn)行仿真。經(jīng)過(guò)調試和優(yōu)化，得到天線(xiàn)的S11曲線(xiàn)，如圖6所示。該天線(xiàn)分別在905 MHz和920 MHz有兩個(gè)諧振頻率。在905 MHz時(shí)，S11為一28 dB；在920 MHz時(shí)，S11為一37 dB，這兩個(gè)諧振頻率都比較窄，通過(guò)調整天線(xiàn)，使兩個(gè)諧振頻率靠近915 MHz，以達到增加帶寬的目的。該天線(xiàn)增益在915 MHz時(shí)仿真結果為0．34 dBi(見(jiàn)圖7)，滿(mǎn)足RFID系統讀取的要求。



將RFID標簽天線(xiàn)分別粘附在裝水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金屬面、塑料制品上或直接放在空氣中，讀寫(xiě)器在902～928 MHz中設置廣譜跳頻，RF功率設置為36 dBm，讀寫(xiě)器天線(xiàn)增益為12 dBi。測試讀取距離如表1所示。該RFID標簽的工作性能在不同物質(zhì)環(huán)境中表現出較為滿(mǎn)意的一致性。



3 結 語(yǔ)

本文設計了一種UHF頻段RFID標簽天線(xiàn)。在微帶矩形天線(xiàn)理論基礎上，改進(jìn)了E型開(kāi)槽天線(xiàn)的結構，用微帶線(xiàn)側饋代替了背饋方式，使天線(xiàn)與芯片能良好地匹配，并通過(guò)獲得雙諧振頻率擴大了帶寬。實(shí)驗測量表明，該天線(xiàn)在金屬表面讀取距離為11．5m，在不同物質(zhì)表面讀取距離基本不變，且性能穩定。