一種小型化UHF RFID抗金屬標簽天線的設計

摘 要： 針對射頻識別（RFID）標簽天線小型化、抗金屬環境的實際需求，利用PIFA天線的設計原理和開槽線技術，設計了一種基于微帶天線結構的抗金屬標簽天線，將原有標簽尺寸縮小近2/3，該標簽天線工作頻段為860～960 MHz，尺寸約30 mm×30 mm×4 mm，置于180 mm×180 mm的金屬板上，增益大小為3 dBi左右，頻段內駐波小于1.5，滿足了標簽小型化、抗金屬、低成本的要求。

關鍵詞： 射頻識別； 抗金屬； 標簽天線； 小型化

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0083?03

0 引 言

超高頻無源RFID技術由于其讀取距離較遠、成本較低、讀取速率較快等諸多優勢而被廣泛應用。但是，超高頻無源RFID技術在目前很多應用尚不成熟，很大程度上是因為標簽對于各類不同物品的適用性以及不同場景的適應性上存在的技術性問題造成的。尤其是金屬物體對超高頻RFID標簽性能有很大影響，超高頻無源RFID抗金屬標簽是一種專門針對金屬物體而使用的無源超高頻RFID標簽，也稱為金屬標簽[1]。

對于普通無源超高頻標簽，當其貼在金屬表面時，由于標簽天線的阻抗匹配、輻射效率、方向性都發生了變化，標簽的讀取距離迅速降低，甚至難以被讀取。因此需要對其進行特殊處理或采用特殊標簽，以適應在金屬表面使用。同時UHF頻段的標簽普遍尺寸較大，無法使用在體積較小的物體上，極大地限制了UHF頻段RFID系統的使用范圍。

本文對現有的抗金屬PCB標簽進行尺寸縮減設計，在犧牲較少增益的前提下，大大縮減了標簽天線的尺寸，滿足了小尺寸金屬環境要求，同時相比利用高介電常數材料來進行縮減尺寸的標簽，更具性價比。采用Impinj的Monza4芯片為例進行仿真設計，該芯片在中心頻率為915 MHz時的阻抗約為（11+134j）Ω。

1 現有的標簽天線結構

常見的一種抗金屬標簽，是利用傳統的微帶天線技術，文獻[2]已對該類型抗金屬標簽做了設計和分析。典型的微帶天線結構，是由矩形貼片與基板，接地平面構成了一個諧振腔，諧振長度由矩形貼片的長度L決定。貼片長邊兩端的縫隙形成的邊緣場暴露在上半空間，并產生輻射。基本厚度h遠小于波長，矩形貼片的諧振長度L略小于基板介質中的半波長。諧振長度的近似公式為：

[L=0.49λd=0.49×λεr] （1）

式中：[λ]是自由空間波長；[λd]是介質中的波長；[εr]是基本的相對介電常數。

選用介電常數為4.5，厚度為4 mm的介質板，經公式（1）計算得，微帶貼片長度L=75 mm，因此設計整個標簽天線的尺寸（包含介質板），大小約為90 mm×25 mm×4 mm，如圖1，圖2所示。

常見微帶結構標簽天線

置于金屬板的標簽仿真

將該種標簽天線置于180 mm×180 mm的金屬板上，利用HFSS軟件進行仿真，最終得到的增益圖和駐波曲線圖，

標簽天線增益

標簽天線駐波

2 PIFA結構改進的標簽天線

為了減縮尺寸，結合PIFA天線（平面倒F天線）的設計原理，PIFA天線由地板、貼片、饋線和接地線構成，可以看成在貼片長度為半波長的微帶貼片天線的基礎上，根據鏡像原理，將貼片中間接地，貼片長度縮小為[12][3]。PIFA天線的接地使得天線的諧振波長由傳統的半波長縮短為[14]波長，這是天線小型化的一個主要方法。本文利用在貼片中間位置，放置接地過孔，由此形成貼片與地板的短路，排列密集的過孔可看做短路墻（電壁）[4]，

PIFA原理改進的標簽天線

置于金屬板的標簽仿真（PIFA）

因此，利用PIFA天線的原理進行常見微帶結構標簽天線的改進設計，可以將標簽尺寸縮短一半左右，

標簽天線增益（PIFA）

3 引入十字開槽的標簽天線

同時為了進一步降低標簽天線的尺寸，利用開槽線方法進行小型化設計。在微帶貼片上開槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在等效電路中相當于引入了級聯電感[5]。隨著槽長度的增加，天線的諧振頻率也會降低，這是目前小型化技術中的主要方法，同時開槽不僅能夠降低天線的諧振頻率，而且還能夠保證一定的增益和帶寬，對天線性能的影響不大，也易于實現圓極化和雙頻雙極化特性[6]。本文利用十字開槽線，在標簽天線兩側分別對稱的開槽，最終標簽天線設

標簽天線駐波（PIFA）

十字開槽線改進的標簽天線

置于金屬板的標簽仿真（十字開槽）

同樣將改進的標簽天線置于180 mm×180 mm的金屬板上，利用HFSS軟件進行仿真，最終得到的增益圖和駐波曲線圖，

減縮尺寸后標簽的增益

對比去掉地面金屬板時，也就是標簽在非金屬環境仿真，得到的增益方向圖和駐波對比發現，抗金屬標簽在金屬環境下才具有良好的性能，因為在設計中，把金屬附著地作為標簽天線的一部分來分析設計，一般來講，背面金屬板的大小，影響了標簽天線的增益大小[7]，當沒有附著在金屬環境時，增益急劇減小，性能也會大大降低。

減縮尺寸后標簽的駐波

無金屬板時的增益

無金屬板時的駐波

標簽尺寸和增益對比

[＼尺寸＼增益（置于180 mm×180 mm金屬板） /dBi＼現有標簽天線＼90 mm×25 mm＼5.2＼PIFA結構改進＼50 mm×25 mm＼4.3＼十字開槽線＼30 mm×30 mm＼3.2＼]

4 結 論

本文對現有微帶結構的抗金屬標簽天線進行小型化改進設計，利用PIFA天線的結構原理和開槽線方法，設計了一種30 mm×30 mm×4 mm小尺寸抗金屬標簽天線，滿足了客戶對小尺寸、低成本標簽的要求，同時在860～960 MHz頻段內，駐波小于1.5，置于金屬板上的增益約3 dBi，滿足了大于1 m距離讀取標簽的要求。

參考文獻

[1] YAO Yuan， SUI Yu?jie， CHEN Xiao?dong， et al. Planar antenna for RFID tags on metal platform [C]// 2011 International Workshop on Antenna Technology （IWAT）. Hong Kong， China： IWAT， 2011： 408?411.

[2] 莫凌飛.超高頻射頻識別抗金屬標簽研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[3] TAO Xiao?hui， GENG Jun?ping， JIN Rong?hong， et al. RFID tag antenna for use on metal [C]// 2010 International Workshop on Antenna Technology （iWAT）. Lisbon： IWAT， 2010： 1?4.

[4] ZHANG Zhi?jun. Antenna design for mobile devices [M]. [S.l.]： John WileySons （Asia） Pte Ltd， 2011.

[5] UKKONEN L， SYD?NHEIMO L， KIVIKOSKI M. Novel tag design using inverted?f antenna [C]// 2004 IEEE/Sarnoff Symposium on Advances in Wired and Wireless Communication. [S.l.]： IEEE， 2004： 91?94.

[6] 龍平，葉明.UHF頻段超小型RFID無源抗金屬標簽天線設計[J].微波學報，2012，28（2）：45?48.

[7] 高浩，郭勇.金屬表面超高頻RFID印刷標簽天線設計[J].現代電子技術，2011，34（7）：97?99.