太陽能電池作為天線輻射體的RFID標簽天線的設計

馬建歡 ，李建雄 ，肖 康，張世林 ，毛陸虹

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津大學電子信息工程學院，天津 300072）

射頻識別（radiofrequencyidentification，RFID）技術是一種通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，從而對目標進行識別并獲取相關數據的技術[1].它由于精度高、讀取距離大、讀寫速度快、存儲數據容量大、適應能力強等許多優點，得到了廣泛的關注.近年來，RFID技術發展迅速，應用于多個領域.一個完整的RFID系統包括讀寫器、電子標簽以及數據管理系統3個部分.在RFID系統中，根據電子標簽是否需要加裝電池及電池供電的作用，電子標簽主要分為無源標簽、半有源標簽和有源標簽.無源標簽不附帶電池，依靠閱讀器的射頻信號提供能量使其工作；半無源標簽裝有電池，但電池僅對標簽芯片工作所需的電壓做輔助支持，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器；有源標簽具有外置的電池，其工作電源完全由內部電池供給.無源標簽有著成本低和大規模生產的優點，缺點是由于功耗所限，電路規模不能太大，如果附加電路功能如傳感器功能，將會使通信距離變短.有源標簽和半有源標簽因增加了外置的電池，導致其增加了制作工藝的復雜度；由于電池對標簽天線的輻射特性有影響，所以要求電池與天線有足夠大的距離，從而使得標簽整體的面積較大；并且當普通電池能量耗盡時需更換電池，增加了使用過程中的復雜度，而且普通電池還會造成一定程度的環境污染.為了解決上述標簽目前所存在的問題，本文設計了一種太陽能電池作為天線輻射體的RFID電子標簽天線.一方面，在采用電池供電的電子標簽中，天線和電池是標簽芯片2個僅有的外圍元件，利用太陽能電池的射頻特性，把這2個元件合二為一，將太陽能電池作為貼片天線的輻射體，縮小了標簽整體的面積，減少制作工藝的復雜度，降低了標簽的制造成本；另一方面，由于太陽能電池的使用，使有源標簽和半有源標簽可以長期工作而不需要更換電池，避免了因使用普通電池造成的環境污染，提高了標簽的使用壽命，并且增加了通信距離.

1 設計原理

1.1 微帶天線簡介

工作在超高頻（UHF）頻段的標簽天線，通常是偶極子天線或微帶天線.微帶天線因其體積小、剖面低、易集成、造價低等特點以及良好的性能受到廣泛的關注，特別是在無線移動終端設備中更是顯現了其特有的優越性.微帶天線的結構多種多樣，但基本形式通常是由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上一片薄層電介質表面所組成，如圖1所示.

圖1 微帶天線的基本結構Fig.1 Basic structure of microstrip antenna

微帶天線的饋電方式可以分為微帶線饋電、同軸線饋電和電磁耦合型饋電.20世紀80年代以來出現了多種電磁耦合型饋電方式，其結構上的共同特點是貼近（非接觸）饋電，可利用饋線本身，也可通過一個口徑（縫隙）來形成饋線與天線間的電磁耦合.因此也可統稱為貼近式饋電.這對于多層結構的層間連接問題，是一種有效的解決方法，并且大多能獲得寬頻帶的駐波比特性[2].縫隙耦合型饋電方式的基本結構是:貼片印制在天線基片上，然后放置在刻蝕有微帶饋線的饋源基片上，二者之間有一個帶有縫隙的接地板，微帶線通過此縫隙來對貼片饋電.為了使太陽能電池與天線更好的融合，本設計采用縫隙耦合型饋電方式.

1.2 太陽能電池的射頻特性

太陽能電池有2個極板，其電學特性表現為一個電壓受限的電流源.已有文獻[3]提出將太陽能電池引入到平面天線中，而且經過大量實驗證明，太陽能電池在超高頻頻段，相當于一個面積同等大小的金屬板，圖2和圖3所示為兩者之間的復阻抗和相位角的對比圖[4].由圖2、圖3可以看出，在頻率達到100 MHz以上后，金屬板和太陽能電池的復阻抗的幅度和相位角基本相同，而本文所研究的天線為超高頻RFID標簽天線，所設計的天線工作頻率為915 MHz，所以在此頻率下，太陽能電池可以作為微帶天線的貼片.

圖2 金屬銅板和太陽能電池的阻抗比較Fig.2 Impedance of a solar cell compared to copper patch

圖3 金屬銅板和太陽能電池的相位角比較Fig.3 Phase angle of a solar cell compared to copper patch

利用太陽能電池的射頻特性，太陽能電池可以作為標簽天線的貼片，這樣使得太陽能電池和標簽天線結合為一個器件.當在有源模式即有光的情況下，太陽能電池不僅僅作為標簽天線的貼片，而且將太陽能轉化成電能為標簽芯片提供能量，使其激活，解決了傳統無源RFID標簽因距離過遠無法激活芯片的困難.當在無源模式下即無光的情況下，太陽能電池僅作為一個標簽天線的貼片接收電磁波信號，使得標簽當作普通的無源標簽來使用.

2 設計方案

本文的設計目標是提出一種天線，將太陽能電池與天線合為一體，并且太陽能電池作為微帶貼片接收電磁波.本設計選擇EM公司生產的EM4324標簽芯片，查閱標簽芯片EM4324的電氣性能參數可知，芯片在915 MHz時的阻抗值為Zc=14.5-j166.5 Ω，根據共軛匹配原理，所設計的天線的阻抗值應為Za=14.5+j166.5 Ω.

2.1 天線結構

本文所設計的太陽能電池作為天線輻射體的RFID標簽天線的結構如圖4所示.

圖4 天線的結構圖Fig.4 Geometry of proposed antenna

天線包含2層介質板，按照自上往下的順序，第1層基板為輻射基板，上面覆有太陽能電池，2層基板中間是刻有H形縫隙的接地板，第2層基板為饋電層基板，其下表面有微帶饋線和芯片.

2.2 參數選擇

在對天線進行建模仿真優化之前，需要確定其原始尺寸.通常的方法是根據性能參數的要求，由經驗公式反推或者直接根據工程曲線和工程經驗確定.

首先根據給定的工作頻率915 MHz和技術指標選取適當的介質基板并確定其厚度.這是因為基板材料εr及其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標.品質因數Q的表達式為:

式中:c為真空中光速；εr為基質材料的相對介電常數；fr為工作頻率；h為基片厚度.

為了有效地降低微帶天線的品質因數Q值、增大帶寬、提高增益，必須選擇低介電常數、高厚度的輻射基板.但當基板厚度過大時，又容易在貼片表面激勵起不必要的高次模和偽輻射，從而又使天線的效率降低.因此只有適當的增加基板厚度才會對天線的性能有益.

上層基質板的參數影響天線的阻抗帶寬，介電常數越低，厚度越厚，天線頻帶就越寬，但是厚度的增加會使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強，因此在選擇上層基質參數時需要綜合考慮這2種因素的影響，下層介質板一般采用較薄的高介電常數介質板，來增強介質對場的束縛從而減小后向輻射.

替代輻射貼片的太陽能電池邊長決定天線的諧振頻率，但是縫隙的耦合使其諧振長度與理論值λg/2（λg為微帶中的導波波長）有較大的偏移,因此貼片尺寸需要與縫隙尺寸一起進行設計.

本設計采用H形縫隙耦合饋電方式，H形縫隙較之其他形狀的縫隙可以獲得更大的耦合量.大量文獻表明，H形縫隙耦合饋電容易實現寬頻諧振和良好的交叉極化性能，而且由于饋線和輻射貼片被基質分開，饋線的寄生輻射對方向圖干擾很小[5].可以通過調節H形縫隙的尺寸和微帶線的長度來改善天線的阻抗匹配特性，實現寬帶諧振[6].采用縫隙長度比貼片長度稍小的矩形耦合細縫，一般可以獲得滿意的匹配效果，通常選擇長度和寬度之比為10∶1.此規律對于H形縫隙的中間部分依然適用.兩端部分長度和寬度均為中間部分的1.5倍，從而基本確定H形縫隙的尺寸.值得注意的是，縫隙中心距離貼片中心的距離對耦合性能的影響是很大的.

底層饋線寬度過寬會增加不必要的耦合，過窄則會受到加工精度的限制，本設計選擇3mm的微帶線.在微帶線上增加了個2個開路短截線，從而增加天線帶寬.

標簽芯片的正極和負極分別與太陽能電池的正極和負極相連，標簽芯片的射頻輸入端與天線的微帶線相連.由于電池與芯片不在同一個平面，需要在2層基質上打過孔，并在下層基質上走線，完成兩者的連接.

3 仿真結果

本文在仿真軟件HFSS v12的輔助下，設計了一個工作頻率在915 MHz的太陽能電池天線.根據天線的尺寸及諧振頻率要求來選擇合理的天線板材及結構參數，此處選擇厚度h1=3 mm、介電常數εr1=3.8的材料作為輻射基板，選擇厚度h2=1 mm、介電常數εr2=4.5的材質作為饋電基板.如圖5所示，其他結構參數如下:Wj=120 mm，W=70 mm，La=30 mm，Lb=48 mm，Wa=1 mm，Wb=1 mm，L=80 mm,Wf=80.6 mm.

圖6所示為通過HFSS仿真得到的太陽能電池作為天線輻射體的RFID標簽天線的S11圖.

由圖6可見，天線在915 MHz處諧振，諧振點處的S11是-38.54 dB，且-10 dB帶寬為91 MHz.

圖7所示為阻抗仿真圖.

由圖7可知，天線在915 MHz時的阻抗值為Za=18.33+j165.58 Ω.已給出芯片在915 MHz時的阻抗值為Zc=14.5-j166.5 Ω，所以標簽天線和標簽芯片基本達到阻抗匹配.

圖5 天線的尺寸圖Fig.5 Size of antenna

圖6 S11仿真圖Fig.6 Return loss of antenna

圖7 阻抗仿真圖Fig.7 Impedance of antenna

圖8所示為太陽能電池作為天線輻射體的RFID標簽天線的增益圖.由圖8中可見，天線的峰值增益為0.378 dB，天線效率為27.4%.

圖8 天線的增益圖Fig.8 Gain of antenna

4 結論

本文利用太陽能電池的射頻特性，設計了一種太陽能電池作為天線輻射體的標簽天線，使得太陽能電池和標簽天線結合為一個器件.太陽能電池既可以為標簽芯片提供能源，又可以作為貼片天線接收電磁波信號.利用仿真軟件HFSS v12對影響天線的關鍵參數進行仿真，從仿真結果可以得出，諧振頻率在915 MHz，標簽天線與芯片阻抗匹配良好，-10 dB帶寬為91 MHz.與普通有源標簽相比，該標簽縮小了標簽整體的面積，避免了因使用普通電池造成的環境污染，并且增加了通信距離.

[1]胡汝剛.UHF頻段射頻識別系統天線研究[D].北京:北京交通大學，2008.

[2]EUNNI M B.A novel planar microstrip antenna design for UHF RFID[D].India:Madras University，2004.

[3]VACCARO S，MOSIG J R，MAAGT P D.Two advanced solar antenna"SOLANT"designs for satellite and terrestrial communications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（8）:2028-2034.

[4]NORBERT H，HENNING F，BENDEL C，et al.Planar antennas with photovoltaic solar cells for mobile communications[J].Frequenz，2005，59（3）:77-83.

[5]RATHI V，KUMAR G，RAY K.Improved coupling for aperture coupled microstrip antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1996，44（8）:1196-1198.

[6]王澤美，潘雪明，鄢澤洪，等.一種H形槽耦合的Ku波段寬頻帶微帶天線[J].雷達科學與技術，2005，3（5）:317-320.