無源UHF超高頻標簽天線設計與研究

2014-04-29 00:44:03賞書誠

計算機時代 2014年1期

賞書誠

摘要：無源UHF頻段RFID技術(shù)信號傳輸速度快，覆蓋距離遠，通過與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息共享。該技術(shù)由射頻模擬前端電路、控制邏輯電路等組成的無源UHF超高頻射頻識別標簽系統(tǒng)，由外接天線與讀寫器完成通信，天線既要與識別標簽相匹配，又要與讀寫器較好地通信，天線決定了標簽是否能正常工作，同時也決定了信號傳輸?shù)木嚯x。為此，通過研究天線的匹配阻抗、形狀尺寸與大小，以及頻帶的設計，探索出了低成本、高可靠的天線設計方案。

關鍵詞：超高頻；射頻識別；標簽；天線；阻抗匹配

中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）01-07-04

0 引言

RFID射頻識別技術(shù)具有非接觸性識讀、可識別高速運動物體、信息容量大、保密性好、抗惡劣環(huán)境、準確性和安全性高、可識別多個識別對象、硬件體積小、壽命長、可重復使用等優(yōu)點。RFID射頻識別技術(shù)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個方面，如：物流運輸、商品零售、醫(yī)療系統(tǒng)、防偽標識、智能交通等。

1 射頻識別系統(tǒng)概述

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，利用射頻信號空間傳輸特性，實現(xiàn)自動識別和數(shù)據(jù)交換，RFID系統(tǒng)由電子標簽（TAG）、射頻識別閱讀器（Reader）和計算機數(shù)據(jù)交換管理系統(tǒng)等三部分組成，典型RFID系統(tǒng)如圖1所示。

計算機通過軟件控制整個系統(tǒng)的工作過程，并向讀寫器發(fā)送信號，讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號給標簽，標簽識別來自讀寫器的信號后，通過天線發(fā)送相應的信號響應到該讀寫器。計算機同時接收并處理讀寫器返回的信息，進行相關控制與處理，然后發(fā)出相應的指令信號；RFID標簽進入讀寫器的工作場范圍內(nèi)時，通過其天線產(chǎn)生感應電流，從而使RFID標簽被激活后向閱讀器發(fā)出編碼等，RFID電子標簽的數(shù)據(jù)信息從接收到的射頻脈沖信號中解調(diào)出來，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到相關的控制邏輯系統(tǒng)，邏輯控制系統(tǒng)接收到信息指令后進行數(shù)據(jù)的存儲、發(fā)送以及其他相關操作；閱讀器接收到來自于電子標簽的相應載波信號后，對接收到的信號實施解調(diào)、解碼，然后送到計算機主機，由計算機主機進行數(shù)據(jù)處理；標簽和閱讀器之間的交互通信操作會遵從一個特定命令協(xié)議，此協(xié)議已規(guī)定了閱讀器對在其通信工作范圍內(nèi)的單個電子標簽或多個電子標簽進行操作通信全過程。

其中閱讀器通過天線與電子標簽通過電磁波傳輸，傳輸過程如圖2所示。

無源超高頻射頻識別（UHF RFID）電子標簽一般由天線、射頻模擬前端電路、控制邏輯電路、數(shù)字基帶電路和存儲器等部分組成。而射頻模擬前端電路又由射頻前端電路、電源管理模塊、時鐘產(chǎn)生電路組成[2]。典型的RFID電子標簽系統(tǒng)如圖3所示。

2 無源UHF超高頻標簽天線

天線是電子標簽惟一的外接部分，它主要負責接收來自閱讀器的射頻信息能量以及閱讀器發(fā)送給電子標簽數(shù)據(jù)信號，同時通過反向散射調(diào)制處理將電子標簽的信息發(fā)送返回給閱讀器。

UHF RFID電子標簽使用的天線應具備以下特點：全向性[3]，或至少半球輻射的特性；尺寸盡量小，滿足電子標簽的面積要求，能方便地將標簽貼到物體上；能與標簽芯片阻抗能良好地匹配；具備線極化或者是雙極化的特性；滿足設計要求的增益；成本低。

根據(jù)這些設計要求，我們在對天線幾種設計方式的主要性能指標作詳細分析的基礎上，設計出最符合要求的UHF RFID標簽的天線。

3 偶極子天線性能指標

偶極子天線的主要性能包括：天線的輸入阻抗、增益、諧振頻率、極化方式、波瓣寬度、頻帶寬度等設計參數(shù)。

3.1 天線的輸入阻抗

經(jīng)計算后可得到半波長偶極子天線輻射電阻Rr等于73Ω，若RFID系統(tǒng)在工作頻率范圍之內(nèi)，該天線阻抗就可以與電子標簽芯片的阻抗進行極好匹配。

當阻抗不能極好地匹配時，就存在著入射波以及反射波，反射系數(shù)G是反射波的幅度同入射波的幅度比值，此時回波損耗是反射系數(shù)導數(shù)，也就是說S11=20lg（Γ），并且駐波比VSWR是波腹電壓同波節(jié)電壓的幅度之比，也就是，當反射系數(shù)G越小，回波損耗 S11的值也就越大，當VSWR駐波比的值趨近于1時，天線的匹配阻抗肯定會更好一些。

3.2 天線的增益

天線增益在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比，增益與天線方向圖的關系是方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。相同的條件下，增益越高，信號傳播能力超強，傳輸距離越遠。dBi 是相對于全向性天線的增益，dBd是相對于對稱振子天線的增益，二者之間的關系為dBi=dBd+2.15。

3.3 天線諧振頻率

天線諧振頻率為天線工作的中心頻率，UHF RFID標簽載波的中心頻率為915MHz，天線諧振頻率即為915MHz，通過矢量網(wǎng)絡分析儀掃描 S11參數(shù)來測定，S11參數(shù)越小表示反射越小，同時表明匹配性能越好，一般典型S11參數(shù)值為-10dB。

3.4 天線的極化方式

天線輻射時形成的電場強度方向，天線的極化方式分為垂直與水平極化和±45?極化兩種方式，后者性能上優(yōu)于前者，因此天線的設計一般采用±45?極化方式。

3.5 天線的波瓣寬度

波瓣寬度即為波束寬度、主瓣的寬度或者是半功率角，是在主瓣的最大輻射兩側(cè)方向，若輻射的強度降低到3dB（也就是降低一半功率密度）時的兩點之間夾角。當波瓣越窄，方向性就越好，作用距離也越遠，它的抗干擾能力也就越強。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時信號衰減越快，越容易通過調(diào)整天線傾角準確控制覆蓋范圍。

3.6 天線工作頻帶的寬度

天線工作頻帶的寬度一般有兩種定義方法：一是指駐波比VSWR≤1.5的條件下，天線工作頻帶的寬度；二是天線增益下降到3dB范圍時工作頻帶的寬度。

天線載體也就是襯底，對天線電性能也會造成影響，若考慮成本的話，RFID天線載體一般會選擇聚乙烯和聚丙烯二種材料。由此，天線襯底的材料介電常數(shù)（εr）、損耗角正切（tanδ）均會影響天線工作的性能，εr是表明電荷儲存能力，而tanδ表示的是天線能量的損失大小。由于天線輸入阻抗會隨著頻率變化，因此經(jīng)常將阻抗的帶寬稱為天線的帶寬，天線襯底的厚度影響到天線工作頻帶的寬度。

4 UHF RFID偶極子天線設計

通過電磁場三維平面仿真器對UHF RFID電子標簽的天線實施設計以及仿真，通常計算帶狀線、共面波導、微帶線等天線的電磁特性，以及天線輻射特性時使用矩量法，對于PCB板的耦合、寄生等這類效應，通過仿真均能準確地形成EM模型，結(jié)合寄生和耦合時效應，能準確地仿真出S參數(shù)以及遠區(qū)產(chǎn)生的輻射場的形狀，還有天線表面電流的分布情況。

4.1 標準的偶極子天線設計

我們設計了一款標準的偶極子天線，能較好地與所設計的 UHF RFID電子標簽芯片匹配。標準偶極子的天線使用金屬銅，采用1mm厚度、3.4的介電常數(shù)、0.018損耗角正切值的PCB 板作為底板，并將天線單臂長度設計成6.5cm，中間作為輸入饋點，其結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)仿真后測試出S11參數(shù)結(jié)果如圖5所示，天線諧振頻率阻抗結(jié)果如圖6所示，其增益與效率關系曲線如圖7所示。

4.2 變形后的偶極子天線

在標準偶極子天線上進行微小的調(diào)整，減小天線的雙臂長，并且同時通過增加附屬天線臂展寬度，從而實現(xiàn)對天線的工作帶寬的調(diào)整，同時調(diào)整了天線的阻抗。具體形狀如圖8所示。

經(jīng)測試天線在920.8MHz頻率處進行諧振，該諧振點S11是-44dB，工作頻率的帶寬是73MHz，諧振點頻率處的阻抗是51.001+j6.278W，峰值增益是1dBi，效率達到90%，以上幾個指標基本上能滿足UHF RFID系統(tǒng)工作的需求。

4.3 增加天線的阻抗

為實現(xiàn)更好阻抗的匹配，增加了天線阻抗虛部，以實現(xiàn)天線與電子標簽芯片的輸入阻抗良好匹配。

經(jīng)測試，天線大約在742MHz頻率處進行諧振，在915.6MHz頻率的S11是-1.013dB，工作頻率的帶寬是42MHz，在該頻率處的天線的阻抗是73.111+j247.310W，峰值增益是1.2dBi，效率是81%，通過調(diào)整天線的阻抗，天線與電子標簽芯片的輸入阻抗能良好匹配，幾項指標基本上能滿足UHF RFID系統(tǒng)工作的需求。

5 天線其他幾種設計方案

5.1 折彎天線

在實際的應用中，天線長度有時會受到應用場合限制，如體積小、粘貼不方便等情況，因此需將偶極子天線進行折彎[6]處理，以符合工作場合的實際需要。具體形狀如圖9所示。

經(jīng)測試，工作在915MHz頻率時天線的阻抗是7.7-j98W，主要因為天線在彎折后對其諧振頻率有較大的影響，會產(chǎn)生感抗，造成了該天線與電子標簽并沒有達到阻抗匹配，因此需要對此天線進行結(jié)構(gòu)改造，改造后的阻抗匹配結(jié)構(gòu)才能滿足阻抗的匹配。一般會采用耦合法和T型性[7]來進行結(jié)構(gòu)的改造，從而完成二者阻抗的匹配。

5.2 液體底版對RFID電子標簽的影響

在實際的應用中，若RFID電子標簽貼附在藥品、農(nóng)藥、清潔劑等液體的外包裝上，由于底版的液體是電介質(zhì)，液體的介電常數(shù)遠遠大于1，液體不僅會改變標簽天線的阻抗，使其與電子標簽芯片之間阻抗完全失配，而且還會改變天線的輻射方向，使其天線的增益減小、諧振頻率減小，阻抗也隨之發(fā)生變化。因此當標簽貼附在液體物品表面時，其讀取距離必定會變得很近，有時甚至無法讀取。這時需對天線進行改進，以滿足RFID系統(tǒng)的要求。

5.3 微帶天線

在帶有導體接地介質(zhì)基板上貼加導體薄片的天線是微帶天線[8]。用同軸線或微帶線進行饋電，在接地板和金屬導體貼片之間進行激勵產(chǎn)生電磁場，并通過貼片周邊縫隙向外進行福射。具體形狀如圖10所示。

微帶天線具有的優(yōu)點是：體積小、重量輕，低剖面，并且能與載體共形；其電性能更加多樣化；能與有源器件、電路集成為一體的組件。

微帶天線也存在一些缺點，如：頻帶窄；損耗較大，造成效率低；單個微帶天線的功率容量比較小；另外就是介質(zhì)基片也對性能的影響較大。

在實際應用中，其優(yōu)點遠遠超過了缺點，通過其他的技術(shù)手段可以克服其缺點，因此，微帶天線在RFID系統(tǒng)中同樣得到了廣泛的應用。

6 結(jié)束語

通過對RFID系統(tǒng)中天線設計的基礎理論研究，再基于天線方向性、增益、效率等幾個主要性能參數(shù)的研究，重點關注天線與芯片的阻抗匹配，實現(xiàn)對電子標簽芯片的能量最大化的傳輸。本文研究并設計出幾種與芯片良好匹配的偶極子天線，所設計的天線，其增益、效率以及方向性等參數(shù)基本能滿足設計要求，通過仿真測試，對一些結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行調(diào)整，就可以設計出適應不同應用場合與條件，各種不同尺寸和形狀的標簽天線，此方法在天線設計中應用面極廣。

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