RFID標簽天線(xiàn)的設計與測量

1引言

RFID標簽是RFID應用技術(shù)的主要組成部分，RFID標簽的性能通常決定整個(gè)應用技術(shù)方案的有效性和實(shí)施性，因此RFID技術(shù)的實(shí)施中大多 以解決RFID標簽性能為主導。標簽的組成可分為芯片和天線(xiàn)兩大組成部分，標簽的性能及其性能分析也是從這兩個(gè)組成部分展開(kāi)。然而在芯片型號定型后，天線(xiàn) 的性能及與芯片的匹配性也就決定了標簽的性能，因此天線(xiàn)的設計為標簽設計主題部分。

目前關(guān)于RFID標簽天線(xiàn)的設計已有較多的文獻，但很少關(guān)于標簽實(shí)際應用中復雜材料環(huán)境下的設計與測量的文獻。本文著(zhù)重介紹了復雜材料環(huán)境條件下進(jìn)行天線(xiàn)的設計與測量方法，并結合工程實(shí)施例加以說(shuō)明。

2 RFID標簽天線(xiàn)設計理論

RFID標簽天線(xiàn)的設計通常指在給定天線(xiàn)工藝條件下，針對具體應用要求，在規定尺寸范圍內進(jìn)行設計與芯片相匹配的天線(xiàn)。在實(shí)際設計工程中主要解 決規定的尺寸范圍及工作環(huán)境件下天線(xiàn)的輸入阻抗與芯片在工作頻段達到共軛匹配。除了天線(xiàn)阻抗匹配設計外，還要關(guān)注天線(xiàn)輻射效率、極化方向及輻射方向圖等參 數。

2.1天線(xiàn)的基礎知識

天線(xiàn)是一種能量轉換裝置，即把導行波與空間輻射波相互轉換的裝置。天線(xiàn)周?chē)膱?chǎng)強分布一般都是離開(kāi)天線(xiàn)距離和角坐標的函數，通常根據離開(kāi)天線(xiàn)距離的不同，將天線(xiàn)周?chē)膱?chǎng)區劃分為感應場(chǎng)區、輻射近場(chǎng)區和輻射遠場(chǎng)區。

圖2.1天線(xiàn)周?chē)膱?chǎng)區

圖2.1(a)所示電尺寸小的偶極子天線(xiàn)其感應場(chǎng)區的外邊界是λ/2π。這里，λ是指工作波長(cháng)。圖2.1(b)所示電尺寸大的孔徑天線(xiàn)的輻射場(chǎng)區又分為近場(chǎng)區和遠場(chǎng)區。

天線(xiàn)一般都有兩方面的特性：電路特性(輸入阻抗、效率、頻帶寬度、匹配程度等)和輻射特性(方向圖、增益、極化、相位等)。天線(xiàn)的測量就是用實(shí)驗方法測定和檢驗天線(xiàn)這些參數特性。

2.2標簽天線(xiàn)設計的一般步驟

根據設計要求(標簽尺寸、工作頻帶、 匹配芯片、應用條件等由要求提出)，確定設計方案及目標參數，建立天線(xiàn)模型，并對天線(xiàn)模型進(jìn)行仿真計算。再根據仿真計算結果進(jìn)行調整設計模型，以達到預期 目標參數。天線(xiàn)的設計通常是條件確定的，即各類(lèi)材料參數、結構分布均為已知，否則設計無(wú)從入手。RFID標簽應用范圍廣，通常材料的介電常數等不能確定， 天線(xiàn)在此環(huán)境下的輸入阻抗及其他參數成為未知，這就需要通過(guò)測試確定其參數。

2.3標簽天線(xiàn)的等效測量

從標簽天線(xiàn)的一般設計方法可見(jiàn)，設計之關(guān)鍵是測試。 RFID標簽天線(xiàn)分為HF和UHF，HF的天線(xiàn)通?？珊雎越殡娪绊?，可直接通過(guò)電橋或阻抗分析儀測量其電感及分布電容。UHF標簽天線(xiàn)的精確測量較難實(shí) 現，通常以等效測量方式以實(shí)現。下面就介紹兩種適用于UHF RFID標簽設計的測量方法：

2.3.1.諧振法測量等效介電常數

UHF標簽天線(xiàn)輸入阻抗對材料比較敏感，當貼附在不同材料上時(shí)，其阻抗變化量通常存在較大差異。等效介電常數是指把復合材料等效成一均質(zhì)材料，把復合材料對天線(xiàn)的綜合影響等效成均質(zhì)材料影響。

如圖2.2(a)一款通用型UHF RFID標簽天線(xiàn)，其空氣介質(zhì)條件下仿真計算輸入阻抗頻率曲線(xiàn)如圖2.2(b)，使用磁探針實(shí)測空氣介質(zhì)條件下天線(xiàn)耦合功率曲線(xiàn)如圖2.2(C)。

　　圖2.2(a)

　　圖2.2(b)

　　圖2.2(c)