一種ＵＨＦ頻段寬帶電子標簽天線的設(shè)計分析

摘 要：針對射頻識別系統(tǒng)UHF頻段的歐洲標準866~869 MHz和美國標準902～928 MHz，以及中國標準840～845 MHz和920～925 MHz，設(shè)計并制作了一種電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)的標簽天線，其結(jié)構(gòu)簡單且便于調(diào)整匹配阻抗，帶寬較寬且具有雙頻諧振特性，能同時適用于以上幾種RFID標準。通過仿真和實測分析關(guān)鍵物理參數(shù)對天線特性的影響，結(jié)果表明該天線性能較佳且實用。

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關(guān)鍵詞：耦合饋電;雙頻諧振;無源標簽天線;射頻識別

中圖分類號：TN821+.4 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-150-03

Design and Analysis of UHF Broadband Tag Antenna

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ZHANG Ruina，LAI Xiaozheng，LAI Shengli

(College of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China)

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Abstract：Currently，each country has its own frequency allocation for RFID.For example，RFID UHF bands are:866~869 MHz in Europe，902~928 MHz in America，both 840~845 MHz and 920~925MHz in China.A dual-band passive tag antenna is designed，it can be used in both Europe and America.It is a couple feed structure antenna，which is broadband and easy to match the impedance of different chips.We also analyse the effect of the parameters which influnce the performance of the antenna.Simulation and test results demonstrated that the antenna is very practical.

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Keywords：couple feed;dual-band;passive tag antenna;radio frequency identification

1 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是近年來興起的一種自動識別技術(shù)^[1]。射頻識別系統(tǒng)主要由讀碼系統(tǒng)和標簽系統(tǒng)組成，通過無線射頻信號傳遞信息，天線性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的讀寫距離和識別率。RFID標簽芯片阻抗一般具有電阻較小而容抗較大的特點，且每個芯片都有其特定阻抗，因此必須針對特定芯片設(shè)計與之匹配的標簽天線。

目前，RFID沒有全球統(tǒng)一的頻率劃分規(guī)范，在UHF頻段，主要有歐洲的866～869 MHz及美國的902～928 MHz。 中國剛剛公布的頻率標準為840～845 MHz和920～925 MHz兩個頻段。2005年9月，Cho，C^[2]等提出一種雙支彎折偶極子加雙T形饋電網(wǎng)絡(luò)的標簽天線結(jié)構(gòu)，帶寬達到65 MHz（S11<－10 dB），實現(xiàn)了在867 MHz及915 MHz雙頻諧振，但是此天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、阻抗匹配調(diào)整不便。H.Choo等提出另一種實現(xiàn)寬頻的較簡單的天線結(jié)構(gòu)，即電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)^[3-5]，但是天線結(jié)構(gòu)仍然較復(fù)雜，參數(shù)較多，阻抗調(diào)整不易。 Li Yang等^[6]的文章中提出一種增益很高的雙輻射邊天線，但是全向性不好，標簽使用范圍受限制。

本文同樣采用電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，針對Philips公司的SL3S3001 FTT芯片^[7]設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，阻抗匹配方便，在867 MHz和915 MHz均出現(xiàn)頻率諧振點，具有較強的實用價值的標簽天線。設(shè)計時采用Zeland公司的IE3D軟件進行仿真實驗，介質(zhì)板采用工業(yè)上最常用、價格又低廉的FR4敷銅板，其厚度為16 mm，敷銅厚003 mm，介電常數(shù)4.7。

2 標簽天線設(shè)計

標簽芯片的阻抗一般呈現(xiàn)大的容性電抗和小的電阻，這樣高Q值的芯片阻抗，使得匹配天線的設(shè)計變得很困難，并且限制了天線的阻抗帶寬。但是由于成本和制造的要求，標簽天線必須直接與芯片匹配。

以前常用的各種變形偶極子標簽天線為了實現(xiàn)同芯片的阻抗匹配，其諧振頻率與匹配的頻率之間存在差異，致使阻抗帶寬呈窄帶特性。文獻［3］中提出的電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)模型較好地解決了這個問題。此結(jié)構(gòu)由一個獨立的輻射主體和一個與之耦合的環(huán)形線圈組成，由文獻［3］中的等效電路可知，在諧振頻率處，天線的輸入阻抗Z0各分量為：



R0=(2πf0M)2Rrb，0

（1）

X0=2πf0Lloop

（2）



其中Rrb，0為輻射主體在諧振頻率附近的輻射電阻，M為輻射主體和饋電環(huán)之間的互感系數(shù)，Lloop為饋電環(huán)的自感系數(shù)。可見R0與X0可獨立調(diào)整，便于實現(xiàn)天線電阻與任意芯片阻抗的匹配。利用此結(jié)構(gòu)設(shè)計出如下對稱結(jié)構(gòu)的標簽天線。其結(jié)構(gòu)和阻抗變換特性如圖1～圖3所示。

圖1 耦合饋電標簽結(jié)構(gòu)圖

圖2 d變化時標簽天線阻抗值 

（L=60，W=44，L1=21，W1=18，W2=5，W3=1）

圖3 L1變化時標簽天線阻抗值

（L=60，W=44，d＝7，W1=18，W2=5，W3=1）

仿真結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)天線的諧振頻率主要由輻射主體的有效電長度決定。由圖2可見，輻射主體與耦合環(huán)的大小均不變，兩者間距d增加時，輸入阻抗的實部減小，虛部負斜率部分逐漸減弱消失，耦合減弱，但諧振頻率基本不變。其他值保持不變，W1變化時天線輸入阻抗變化規(guī)律與圖3相似，可見輻射主體大小不變，輻射主體與耦合環(huán)間距也不變，耦合環(huán)的長度L1或?qū)挾萕1增加時，輸入阻抗的實部和虛部均增加，耦合強度不變，諧振頻率略為降低。

可見此結(jié)構(gòu)的天線輸入阻抗及諧振頻率的調(diào)整十分方便，通過調(diào)節(jié)設(shè)計出一種覆蓋歐洲和美國兩種標準頻帶寬度的標簽天線，其尺寸如表1所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 耦合饋電標簽天線尺寸 (單位:mm)

LWL1W1W2W3d

604421.418517

圖4 耦合饋電標簽天線仿真結(jié)果

由圖4可見天線輸入阻抗的虛部在諧振頻率附近比較平坦，使得天線和芯片阻抗在一個較寬的頻段內(nèi)共軛匹配，阻抗帶寬達到77 MHz（S11<－10 dB）。在867 MHz和915 MHz附近有兩個諧振峰，天線方向圖滿足全向性。

3 天線性能分析

在實際制作天線前，我們先對仿真結(jié)果進行了評價分析。 由于IE3D軟件模擬分析得到的天線增益是建立在系統(tǒng)特征阻抗為50 Ω的系統(tǒng)上的，而本文所設(shè)計的標簽天線是輸入阻抗為與芯片阻抗共軛匹配，因此模擬分析結(jié)果需要對天線正規(guī)化才能得到正確的方向性（D0）與有效接收面積。



S11，tag=Ztag－Z0Ztag+Z0Z0=50 Ω

（3）

D0，tag=PGmax，tag1－|S11，tag|2

=PGmax，tag(dBi)－(1－|S11，tag|2) (dB)

（4）

Aem，tag=λ204πD0，tag

（5）

4 試驗測量

根據(jù)所設(shè)計的標簽天線尺寸，制作了如圖5所示的標簽天線實物。

圖5 耦合饋電標簽天線實物圖

標簽天線的大小為60 mm×44 mm，滿足一般應(yīng)用對標簽面積的要求.標簽使用的是Philips公司的SL3S3001 FTT芯片，符合ISO 18000標準。應(yīng)用支持該標準的AWID公司的閱讀器進行測量，在輻射功率為4 W，標簽天線與閱讀器天線面平行的測量條件下，中心頻率為867 MHz時閱讀距離為19 m;中心頻率為915 MHz時閱讀距離可達2.4 m，基本達到應(yīng)用要求。由于實驗室制作條件所限，我們采用蝕刻技術(shù)制作的標簽天線精度不到±0.1 mm，而從仿真結(jié)果可見只有保證±0.05 mm的精度，制作公差的影響才可忽略不記，因此在保證制作精度的條件下，閱讀距離應(yīng)該可以進一步增加。

5 結(jié) 語

耦合饋電結(jié)構(gòu)的電子標簽天線具有結(jié)構(gòu)簡單，阻抗實[LL]部虛部可單獨調(diào)節(jié)，阻抗帶寬較寬等優(yōu)點，本文設(shè)計的電子標簽結(jié)構(gòu)非常簡單，針對不同芯片的阻抗匹配方便，帶寬達到77 MHz，在867 MHz和915 MHz處有兩個諧振頻率，可同時滿足歐洲和美國的UHF射頻頻段標準。

參 考 文 獻

［1］Foster P R，Burberry R A.Antenna Problems in RFID Systems.in Proc.Inst.Elect.Eng.Colloquium RFID Technology，1999:3/1-3/5.

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［2］Cho C，Choo H，Park I.Broadband RFID Tag Antenna with Quasi-isotropic Radiation Pattern，2005，41(20):1 091-1 092.

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［3］Choo H，Ling H.Design of Electrically Small Planar Antennas Using an Inductively Coupled Feed\\[J\\].Electron.Lett.，2003，39:3 080-3 081.

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［4］Chihyun Cho，Hosung Choo，Park I.Design of UHF Small Passive Tag Antennas.Antennas and Propagation Society International Symposium，2005 IEEE，2005，2B:349-352.

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［5］Son H W，Pyo C S.Design of RFID Tag Antennas Using an Inductively Coupled Feed\\[J\\].Electronics Letters，2005，41(18):994-996.

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［6］Li Yang，Serkan Basat S，Tentzeris M M.Design and Development of Novel Inductively Coupled RFID Antennas.Antenna Propagation Society International Symposium 2006，IEEE 9-14，2006:1 035-1 038.

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［7］SL3S30 01 FTT TSSOP8 Package Specification，2003.

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［8］林家平.915 MHz射頻識別天線設(shè)計［D］.中國臺灣:國立臺北科技大學(xué)電腦通訊與控制研究所，2004.

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作者簡介

張瑞娜 女，1983年出生，河南人，華南理工大學(xué)電信學(xué)院在讀研究生。主要研究方向為微波天線理論與設(shè)計。

賴曉錚 男，1979年出生，廣東人，華南理工大學(xué)電信學(xué)院博士。主要研究方向為射頻電路和天線設(shè)計。

賴聲禮 男，1939年出生，四川人，華南理工大學(xué)電信學(xué)院教授，博導(dǎo)。主要從事電磁場微波技術(shù)和RFID系統(tǒng)研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。