一種新型UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與分析

摘 要： 提出了一種用于金屬物體的超高頻射頻識別標(biāo)簽天線，該天線適用于多標(biāo)準(zhǔn)超高頻射頻識別系統(tǒng)。采用在偶極子結(jié)構(gòu)上增加環(huán)形微帶線來增大輸入阻抗，極大地提高了標(biāo)簽天線的增益特性。利用電磁仿真軟件分析了天線性能，仿真與測試結(jié)果吻合良好。整個(gè)天線的面積為100 mm×40 mm，由于采用表面印刷結(jié)構(gòu)，使得標(biāo)簽成本低廉、易于批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 抗金屬； 環(huán)形天線； 標(biāo)簽天線； 超高頻射頻識別

中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0059?03

Design and analysis of novel UHF RFID anti?metal tag antenna

XU Chang?qing1， WANG Zhu?dan2， SHENG Zhe2， YANG Fan2

（1. Shenzhen Qihui Electric Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China； 2. Xidian University， Xi’an 710071， China）

Abstract： An ultra high frequency （UHF） radio frequency identification （RFID） tag antenna for metallic objects is presented. The antenna is applied to multi?standard UHF RFID system. The antenna is fabricated on a thin flexible PET substrate with the thickness of 1 mm. A loop microstrip line is added in the dipole antenna structure to enhance input impedance， which improved the gain characteristic of the antenna immensely. Based on simulated model， The antenna performance is analyzed with electromagnetic simulation software. The measured results are in good agreement with simulated results. The area of the whole antenna is 100 mm×40 mm. The tag obtains the advantage of low cost and can be mass?producd due to its printed structure.

Keywords： anti?metal； loop antenna； tag antenna； UHF RFID

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到目標(biāo)識別并交換數(shù)據(jù)的技術(shù)[1?4]。RFID系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)組成。標(biāo)簽存儲著待識別對象的相關(guān)信息，附著在待識別對象上。通常電子標(biāo)簽符合ISO18000?4與18000?6標(biāo)準(zhǔn)，本身無源，通過讀寫器的射頻場獲得能源，采用負(fù)載調(diào)制方式。讀寫器利用射頻信號讀/寫標(biāo)簽信息并進(jìn)行處理。PC機(jī)通過RS 232接口遠(yuǎn)程控制讀寫器。讀寫器接到命令后，通過天線發(fā)送射頻命令實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽的操作，同時(shí)接收標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽靠其內(nèi)部天線獲得能量，并由芯片（IC）控制接收、發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。

國內(nèi)RFID系統(tǒng)使用的頻段主要分為低頻（135 kHz以下）、高頻（13.56 MHz）、超高頻（Ultra High Frequency，UHF）（860～960 MHz）和微波（2.4 GHz以上）等幾大類。目前越來越多的研究聚焦在了對UHF RFID系統(tǒng)的研究上。由于電磁波會被金屬反射導(dǎo)致普通電子標(biāo)簽在金屬表面無法被正確識別，這一缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在物流行業(yè)的廣泛應(yīng)用，因此UHF標(biāo)簽天線的抗金屬性成為了研究的熱點(diǎn)和攻克的難點(diǎn)。本文在分析了金屬對標(biāo)簽天線電磁場影響作用的基礎(chǔ)上，提出了一種成本相對較低可用于金屬環(huán)境的超高頻RFID無源標(biāo)簽天線。該天線將環(huán)形微帶與偶極子結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在金屬環(huán)境下高增益的特性。天線面積100 mm×40 mm滿足了小尺寸金屬環(huán)境的要求，具有較高的性價(jià)比。

1 金屬對標(biāo)簽天線的影響[6]

射頻識別系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理圖

研究金屬物體對標(biāo)簽天線的影響，首先要考慮天線靠近金屬時(shí)金屬表面電磁場的特性。根據(jù)電磁感應(yīng)定理，這時(shí)金屬表面附近的磁場分布會發(fā)生“畸變”，磁力線趨于平緩，在很近的區(qū)域內(nèi)幾乎平行于金屬表面，使得金屬表面附近的磁場只存在切向的分量而沒有法向的分量，因此天線將無法通過切割磁力線來獲得電磁場能量，無源電子標(biāo)簽則失去正常工作的能力。

另一方面，當(dāng)天線靠近金屬時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的同時(shí)還會吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場能，使原有射頻場強(qiáng)的總能量急劇減弱。而上述渦流也會產(chǎn)生自身的感應(yīng)磁場，該場的磁力線垂直于金屬表面且方向與射頻場相反并對讀寫器產(chǎn)生的磁場起到反作用，致使金屬表面的磁場大幅度衰減，使得標(biāo)簽與讀寫器之間通信受阻。另外，金屬還會引起額外的寄生電容即金屬引起的電磁摩擦造成能源損耗，使得標(biāo)簽天線與讀寫器失諧，破壞RFID系統(tǒng)的性能。

2 UHF抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與分析

2.1 天線設(shè)計(jì)

UHF無源標(biāo)簽的性能主要由兩個(gè)方面決定：標(biāo)簽天線的增益大小以及天線與芯片之間的阻抗匹配。一種提高增益的方法是并聯(lián)多個(gè)折疊型偶極子結(jié)構(gòu)，因?yàn)轭~外的偶極子的輻射阻抗能夠提高天線效率[7]，因此本文提出在傳統(tǒng)偶極子天線結(jié)構(gòu)（見圖2）上改造一段環(huán)形微帶線，在不增加天線面積的情況下獲得增益提高。

圖2 傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)

該天線結(jié)構(gòu)由變型彎折偶極子輻射體和環(huán)形微帶線以及矩形饋電環(huán)三部分組成，將芯片貼在矩形饋電環(huán)的開口處進(jìn)行激勵，利用電感耦合將能量送至兩個(gè)中間部分連在一起的彎折偶極子輻射體上。偶極子采用階梯彎折狀可以縮短天線的整體長度，使其結(jié)構(gòu)緊湊面積縮小。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 本文提出的環(huán)形天線結(jié)構(gòu)

將以上兩種天線置于72 mm×36 mm的金屬板上，采用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1 mm的介質(zhì)板，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，最終得到功率反射系數(shù)曲線圖，如圖4所示。從圖中可以看到，本文提出的環(huán)形天線在頻率為900 MHz時(shí)功率反射系數(shù)可達(dá)到-22 dB，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)天線。

圖4 傳統(tǒng)天線和環(huán)形天線功率反射系數(shù)曲線

天線增益大小和它到金屬板的距離密切相關(guān)，表1列出了傳統(tǒng)天線和環(huán)形天線在距金屬板距離[h]分別為2 mm，3 mm，5mm，10 mm時(shí)的增益值；圖5是環(huán)形天線在距金屬板距離為2 mm，3 mm，4 mm，6 mm，8 mm時(shí)功率反射系數(shù)的曲線。從表1中可以看出，在距金屬板距離相同時(shí)，本文提出的環(huán)形天線增益始終優(yōu)于傳統(tǒng)天線，驗(yàn)證了該環(huán)形天線的高性能。同時(shí)，隨著天線到金屬板距離的增加，增益值呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化趨勢，因此，通過大量的仿真優(yōu)化，最終觀察到該天線在距金屬板距離為3 mm時(shí)可獲得最大增益，增益值為2.06 dBi。從圖5可以看出，該環(huán)形天線工作在900 MHz時(shí)性能最好。

表1 距金屬板距離大小與天線增益的關(guān)系（900 MHz）

[距金屬板距離 /mm＼傳統(tǒng)天線增益 /dBi＼環(huán)形天線增益 /dBi＼2＼-2.57＼1.73＼3＼0.92＼2.06＼5＼1.6＼1.92＼10＼1.99＼2.31＼]

圖5 天線距金屬板距離大小[h]與功率反射系數(shù)的關(guān)系

接地面大小是對天線性能影響的另一個(gè)因素。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，金屬面大小的變化對諧振頻率、輸入阻抗、帶寬影響較小，但對輻射效率、方向圖的影響較大。表2列出了電子標(biāo)簽分別位于金屬表面面積為60 mm×36 mm，72 mm×36 mm，90 mm×36 mm時(shí)天線增益的變化情況。從表2可以看到標(biāo)簽在面積為60 mm×36 mm的金屬表面工作時(shí)天線增益較低，只有1.90 dBi；隨著金屬表面面積增加到72 mm×36 mm，天線的增益增強(qiáng)到2.06 dBi，但隨著金屬面積的進(jìn)一步增大天線的增益又有所下降，因此得出天線增益大小變化并不與金屬面大小變化成正比，原因是在金屬表面面積增加到一定程度時(shí)，天線的輻射方向會發(fā)生畸變，使得垂直于輻射面的輻射場減弱，此時(shí)天線的增益會有所下降。

表2 金屬表面大小與天線增益的關(guān)系

[表面面積 /mm2＼增益 /dBi＼60×36＼1.90＼72×36＼2.06＼90×36＼1.31＼]

圖6為該天線的阻抗曲線，可以看到在900 MHz時(shí)天線的阻抗為（44.24?j5.96）Ω，需要選擇阻抗值為（44.24+j5.96）Ω的芯片與天線進(jìn)行共軛匹配。如果使用的芯片阻抗值不是（44.24+j5.96）Ω而是其他的容性值，可以通過調(diào)整天線的開槽長度來優(yōu)化其阻抗值以達(dá)到天線與芯片之間的共軛匹配。

圖6 天線輸入阻抗曲線

2.2 測試結(jié)果

本文中采用Ansoft公司的HFSS 軟件和安捷倫公司的N5230A矢量分析儀進(jìn)行了仿真和實(shí)測。圖7為天線的增益圖，圖8為天線的仿真與實(shí)測結(jié)果，從中可以看出實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果較好吻合，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的實(shí)用性。該天線采用相對介電常數(shù)4.4、厚度1 mm的FR4基板進(jìn)行加工，實(shí)物如圖9所示。

3 結(jié) 語

本文提出了一類結(jié)構(gòu)簡單、兼容多標(biāo)準(zhǔn)的UHF抗金屬無源電子標(biāo)簽天線。該天線利用環(huán)形微帶線與偶極子結(jié)構(gòu)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在金屬表面高增益的特性；同時(shí)，可以調(diào)節(jié)槽線長度來優(yōu)化天線的特性阻抗，使其能夠與芯片阻抗共軛匹配從而提高無源電子標(biāo)簽性能。通過實(shí)驗(yàn)分析得到在金屬板面積為72 mm×36 mm、與天線距離為3 mm時(shí)，該天線可在900 MHz獲得最大增益2.06 dBi。最后基于仿真分析，加工了一個(gè)實(shí)物天線。實(shí)際測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了該天線設(shè)計(jì)的有效性。

圖7 天線增益圖

圖8 天線仿真與實(shí)測功率反射系數(shù)

圖9 天線實(shí)物圖

參考文獻(xiàn)

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