一種全球通用的小型超高頻標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

譚立容 王從屹 伍瑞新

（1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210093；2.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210046）

引 言

無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是利用射頻信號(hào)來自動(dòng)識(shí)別物體的一種技術(shù)。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽（包括芯片和標(biāo)簽天線）、閱讀器和電腦等組成［1］。當(dāng)前，射頻識(shí)別常用的工作頻率有低頻頻段（125kHz、134kHz）、高頻頻段（13.56MHz）、超高頻（UHF）段（840～960MHz）和2.45GHz以上的微波頻段等。超高頻段和微波頻段由于具有操作距離遠(yuǎn)、通信速度快、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，已在停車收費(fèi)、物流、公共交通和汽車安全防盜等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。

全球各國(guó)家對(duì)UHF RFID工作頻段的規(guī)定不同，例如840～845MHz（中國(guó)）、920～925MHz（中國(guó)）、868～870MHz（歐洲）、902～928MHz（北美和南美）、952～954MHz（日本），這個(gè)給射頻識(shí)別技術(shù)的全球化應(yīng)用造成了一定的困難。設(shè)計(jì)一種能覆蓋世界各國(guó)UHF RFID頻率范圍的標(biāo)簽天線，對(duì)于RFID技術(shù)的全球化應(yīng)用是極為重要的。例如，隨著物流的發(fā)展RFID標(biāo)簽常用于貨物的自動(dòng)識(shí)別中。要在全球范圍內(nèi)使貨物容易地被識(shí)別，就必須要求RFID標(biāo)簽?zāi)芄ぷ髟谝粋€(gè)很寬的頻帶內(nèi)，從而保證標(biāo)簽中的信息能在世界各地被正確地識(shí)別出來。

為了使RFID標(biāo)簽?zāi)芄ぷ髟谌騏HF RFID頻段（840～960MHz）內(nèi)，首先要求標(biāo)簽天線能工作在上述頻率范圍。為此，人們研究了展寬UHF標(biāo)簽天線工作頻帶的各種技術(shù)，常見方法有：1）采用電感耦合結(jié)構(gòu)［2］；2）采用電容耦合結(jié)構(gòu)［3］；3）通過調(diào)節(jié)T 型匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬頻帶標(biāo)簽天線［4－5］；4）采用兩個(gè)寄生貼片激發(fā)新的波模來增加帶寬［6］，這些方法所得到的UHF標(biāo)簽天線雖然達(dá)到了展寬工作頻帶的目的，但常常需要以較大的天線尺寸為代價(jià)，它不能滿足電子標(biāo)簽小型化的要求。雖然低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)［7］、彎折的微帶線［8］、引入分形縫隙環(huán)結(jié)構(gòu)［9］和采用圓環(huán)結(jié)構(gòu)［10］等方法已被用于電子標(biāo)簽小型化中，但所得標(biāo)簽天線的帶寬往往不能覆蓋全球UHF RFID頻段。到目前為止，在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道中做得較好的標(biāo)簽天線半功率帶寬從823 MHz到971MHz（其尺寸為83mm×85.5 mm）［11］。由上可見，要實(shí)現(xiàn)工作頻帶寬尺寸小的UHF標(biāo)簽天線仍然是困難的。而如何實(shí)現(xiàn)寬帶小型化的標(biāo)簽天線是RFID技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中必須要解決的問題。

針對(duì)寬頻帶標(biāo)簽天線研究中的問題，本文中提出了一個(gè)新的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，它使用了一對(duì)相互連接的開口諧振環(huán)和一個(gè)電感耦合引向線來實(shí)現(xiàn)天線的寬帶和小型化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線在VSWR＜1.22的工作頻帶達(dá)170MHz（790～960MHz），覆蓋了全球所有的UHF頻段。結(jié)合具有寬頻特性的商業(yè)標(biāo)簽芯片（RI－UHF－STRAP－08），實(shí)際制作了超高頻RFID標(biāo)簽。對(duì)該電子標(biāo)簽的實(shí)際測(cè)量表明：設(shè)計(jì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，具有較好的工作性能，能夠在多種工作環(huán)境下工作。天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于制造的優(yōu)點(diǎn)。

1 新型標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能

在電磁工程領(lǐng)域中，超常材料常常用來減小微波器件的尺寸［12－13］。開口諧振環(huán)（SRR）是一種構(gòu)建超常材料的基本單元，它已被用在許多微波器件如天線等的設(shè)計(jì)中。在電磁場(chǎng)作用下，金屬諧振環(huán)具有電感L，開口處表現(xiàn)出電容C和金屬有限電導(dǎo)率導(dǎo)致的電阻R，整個(gè)開口諧振環(huán)可以等效為一個(gè)由電容、電感和電阻串聯(lián)的諧振電路。在微波段金屬電阻的影響常可忽略，開口諧振環(huán)可看作在外加場(chǎng)感應(yīng)下的LC諧振器［14］。開口諧振環(huán)具有亞波長(zhǎng)諧振特點(diǎn)，它已被用于微波器件的小型化設(shè)計(jì)中，諧振頻率跟開口諧振環(huán)具體尺寸大小有關(guān)。

本設(shè)計(jì)采用將兩個(gè)大小不一樣的開口諧振環(huán)相互連接，構(gòu)成相互連接的開口諧振環(huán)對(duì)。通過尺寸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)小尺寸SRR的諧振頻點(diǎn)毗鄰大尺寸SRR的諧振頻點(diǎn)，達(dá)到拓寬標(biāo)簽天線工作頻率范圍、構(gòu)造小型寬帶標(biāo)簽天線的目的。圖1（a）給出了所提出的天線結(jié)構(gòu)，它包括了一對(duì)相互連接的開口諧振環(huán)和一個(gè)電感耦合引向線，后者是用來獲取更好的天線輻射特性。

圖1

應(yīng)用射頻仿真軟件（HFSS）對(duì)該標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在厚度為1.5mm的FR4電路板上天線尺寸的最終尺寸為（單位：mm）：L3＝19.03，X3＝2，A2＝0.43，A1＝2.5，L1＝40.32，W1＝20.1，L2＝9.69，W2＝9.4，X1＝3，X2＝2.在設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮到了天線和射頻芯片之間的阻抗匹配。圖2給出了仿真得到的天線電壓駐波比，天線在790～960MHz范圍內(nèi)駐波比均小于1.22.因此，該天線可以很好地工作在全球所有的RFID UHF頻段上。圖3給出了天線輻射方向圖的仿真結(jié)果。結(jié)果顯示天線在E面表現(xiàn)出典型的偶極子天線的輻射特性；在H面上則近似全向輻射，能夠滿足在實(shí)際應(yīng)用中要求能從各個(gè)方向上讀取電子標(biāo)簽信息的需求。由仿真得到該天線在915MHz頻率的天線效率為63.8%.

作為比較在表1中列出了本文設(shè)計(jì)天線和目前國(guó)內(nèi)外其它寬帶小型UHF標(biāo)簽天線的天線尺寸和工作頻率。可以看到所提出的標(biāo)簽天線具有頻帶寬和面積小的特點(diǎn)，其綜合性能優(yōu)于大多數(shù)同類寬帶超高頻標(biāo)簽天線。

表1 UHF寬帶標(biāo)簽天線比較

2 新型電子標(biāo)簽的制備與性能測(cè)試

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線尺寸，在FR4環(huán)氧樹脂基板（εr＝4.4，tanδ＝0.002））上實(shí)際制作了RFID標(biāo)簽。電子標(biāo)簽中的射頻芯片采用了Ti公司的 RI－UHF－STRAP－08，它的工作頻率覆蓋了所需要的頻率范圍。圖1（b）給出了RFID標(biāo)簽實(shí)物照片。RFID標(biāo)簽的尺寸大小為40.32mm×25.23 mm.

為了證明制備的天線具有寬頻的特性，測(cè)量了天線的輸入阻抗。實(shí)際測(cè)量中需要將天線和信號(hào)源的同軸線端口連接。考慮到RFID標(biāo)簽天線是一種平衡式天線結(jié)構(gòu)而同軸線為不平衡饋電結(jié)構(gòu)，直接連接標(biāo)簽天線與同軸線直接影響輸入阻抗的測(cè)量精度。為此，采用在文獻(xiàn)［15］中使用的標(biāo)簽天線輸入阻抗測(cè)試方法，將標(biāo)簽天線通過一個(gè)平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器（見圖4）與測(cè)量?jī)x表矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA8363連接。通過測(cè)量同軸端口的散射參數(shù)S11＼S22＼S21＼S12，標(biāo)簽天線的輸入阻抗可以用文獻(xiàn)［15］中公式計(jì)算。

圖4 測(cè)試夾具和標(biāo)簽天線

圖5是采用上述方法得到的標(biāo)簽天線輸入阻抗實(shí)部和虛部。測(cè)試結(jié)果和HFSS軟件仿真結(jié)果相一致，標(biāo)簽天線的輸入阻抗和所用標(biāo)簽芯片阻抗基本上共軛匹配（芯片在915MHz時(shí)的阻抗為9.9－j60.53Ω）。同時(shí)在所關(guān)注頻段內(nèi)阻抗變化緩慢，從而有助于實(shí)現(xiàn)天線在全球UHF RFID頻段（840～960MHz）內(nèi)工作頻帶寬，以及較低的電壓駐波比。

圖5 標(biāo)簽天線輸入阻抗的頻率特性

在微波暗室中，采用Alien公司的 ALR－9900 RFID閱讀器和圓極化讀寫器天線測(cè)量了所制備的電子標(biāo)簽的讀取距離。圖6給出了該電子標(biāo)簽在微波暗室的讀取距離方向圖。可以看到電子標(biāo)簽的讀取距離與標(biāo)簽在空間的取向是有關(guān)系的。在E平面內(nèi)，讀取距離隨方位角的不同而不同，但是在H面內(nèi)讀取距離和方位角基本無關(guān)，其結(jié)果和仿真得到天線輻射方向圖結(jié)果基本一致。

讀取距離不但和天線方位角有關(guān)，而且還與標(biāo)簽所處的背景材料有關(guān)。表2列出了電子標(biāo)簽貼在不同材料表面時(shí)的最大讀取距離。顯然，在不同材料表面的讀寫距離是不同的，然而即使是貼在金屬表面上標(biāo)簽仍能被識(shí)別。表中的讀寫距離數(shù)據(jù)表明：該電子標(biāo)簽?zāi)軌驖M足近距離RFID應(yīng)用，如用作包裹和行李等物品的識(shí)別等。

圖6 天線讀取距離方向圖測(cè)量結(jié)果

表2 標(biāo)簽天線讀取距離

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的小型寬帶超高頻標(biāo)簽天線。該標(biāo)簽天線的工作頻帶（對(duì)應(yīng)VSWR＜1.22）達(dá)到170MHz（790～960MHz），覆蓋了全球所有的UHF頻段。比起大多數(shù)同類寬帶標(biāo)簽天線，它具有更小的尺寸和更寬的帶寬，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便。對(duì)實(shí)際制備的電子標(biāo)簽的測(cè)試結(jié)果表明：該標(biāo)簽?zāi)軌驊?yīng)用于不同的材料（包括金屬）物體表面，其讀寫距離能滿足從四周讀取電子標(biāo)簽信息的需求，適合近距離RFID應(yīng)用。

［1］FINKENZELLER K.RFID Handbook：Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification［M］.London：John Wiley and Sons，2003：6－16.

［2］SON H W，PYO C S.Design of RFID tag antennas using an inductively coupled feed［J］.Electronics Letters，2005，41（18）：994－996.

［3］CHANG C C，LO Y C.Broadband RFID tag antenna with capacitively coupled structure［J］.Electronics Letters，2006，42（23）：1322－1323.

［4］CHO C，CHOO H，PARK I.Broadband RFID tag antenna with quasi－isotropic radiation pattern［J］.E－lectronics Letters，2005，41（20）：1091－1092.

［5］XU L，HU B J，WANG J.UHF RFID tag antenna with broadband characteristic［J］.Electronics Letters，2008，44（2）：79－80.

［6］賴銘銀，靳貴平，李融林.用于金屬物體的寬帶超高頻RFID標(biāo)簽天線［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，23（2）：198－201.LAI Mingyin，JIN Guiping，LI Ronglin.Broadband UHF RFID tag antenna mountable on metallic objects［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications：Science and Technology，2011，23（2）：198－201.（in Chinese）

［7］張 為，曾 燕.基于LTCC技術(shù)的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（5）：987－989.ZHANG Wei，ZENG Yan.UHF RFID antenna design based on LTCC technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（5）：987－989.（in Chinese）

［8］KIM T，KIM U，CHOI J.Design of a compact UHF RFID tag antenna using an inductively coupled parasitic element［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（2）：239－242.

［9］PADHI S K，SWIEGERS G F，BIALKOWSKI M E.A miniaturized slot ring antenna for RFID applications［C］／／ Microwaves Radar and Wireless Communications 15th International Conference，2004（1）：318－321.

［10］李 強(qiáng)，賴聲禮，朱海龍.一種小型化圓形UHF頻段RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（1）：187－190.LI Qiang，LAI Shengli，ZHU Hailong.Design of a miniature circular UHF RFID tag antenna［J］.Science Technology and Engineering，2008，8（1）：187－190.（in Chinese）

［11］LAI Mingyin，LI Ronglin.Broadband UHF RFID tag antenna with parasitic patches for metallic objects［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（7）：1467－1470.

［12］黃健全，褚慶昕，劉傳運(yùn).新型超寬帶復(fù)合左右手傳輸線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：460－465.HUANG Jianquan，CHU Qingxin，LIU Chuanyun.Design and realization of novel ultra wide band CRLH transmission line［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（3）：460－465.（in Chinese）

［13］朱 旗，韓 璐，陳 鵬，等.交指型左手微帶天線研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（5）：787－792.ZHU Qi，HAN Lu，CHEN Peng，et al.Investigation on interdigital left－h(huán)anded microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：787－792.（in Chinese）

［14］KATSARAKIS N，KOSCHNY T，KAFESAKI M，et al.Electric coupling to the magnetic resonance of split ring resonators［J］.Appl Phys Lett，2004，84（15）：2943－2945.

［15］QING X M，GOH C K，CHEN Z N.Impedance Characterization of RFID tag antennas and application in tag co－design［J］.IEEE Transactions on Microwave and Techniques，2009，57（5）：1268－1274.