UHF頻段金屬型標簽天線的研究與設計

劉玉偉，張愛軍，楊如軍

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

UHF頻段金屬型標簽天線的研究與設計

劉玉偉，張愛軍，楊如軍

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

隨著天線技術的發展，對UHF RFID可用于金屬物體的標簽天線的研究成為了熱點和難點。根據當前標簽天線的設計特點和設計原則，設計出一種適用于845～960MHz的寬頻帶可用于金屬物體的新型標簽天線，并通過仿真分析與計算確定了天線的一些重要參量，實現了標簽天線輸入阻抗能在較大范圍內與更多阻抗不同的標簽芯片進行匹配。實測結果與仿真結果基本一致，抗金屬性能穩定，天線尺寸較小，通信距離較遠。

RFID系統；UHF RFID天線；寬頻帶標簽天線；金屬物體

射頻識別(Radio Frequency Identification)技術起源于第二次世界大戰期間的敵我識別系統，是一種基于射頻通信原理和雷達原理實現的非接觸式自動識別技術。由于其具有讀寫速度快、抗干擾能力強、可識別移動目標、無需人工干擾等特點，已經廣泛應用于交通運輸、物流控制系統、便攜式數據采集系統、定位系統等諸多領域，射頻識別技術廣闊的應用前景促使大量資源投入到該技術的研究，促進了該技術的快速發展[1]。

在射頻識別系統中，天線性能設計的優劣直接決定了整個射頻識別系統性能的好壞，包括系統的讀取距離、成本、抗干擾性、魯棒性等。目前在低頻和高頻段的射頻識別天線技術已經較為成熟，隨著超高頻（UHF）和微波（MW）頻段 RFID技術的應用需求不斷擴大，對天線的設計要求在不斷提高，涉及天線的方向圖特性、帶寬特性、極化特性、尺寸大小、結構形狀、體積重量、實現方式等因素。本文依據目前對天線設計提出的新要求，設計一款在能夠符合多方面要求、實用性更強并能應用于金屬物體表面的UHF頻段標簽天線。

1 RFID標簽天線研究現狀

射頻識別天線，包括標簽天線和讀寫器天線。對于標簽部分，如圖1，標簽天線的形式主要有線圈天線，微帶天線，偶極子天線及其變形結構等，線圈天線是目前理論研究和應用都比較成熟的一種天線，其理論和加工工藝也較為成熟，但是由于其本身的限制，只適用于近距離射頻識別系統，很難應用于遠距離、大信息量、高頻率的場合；微帶貼片天線做標簽天線增益高，讀寫距離遠，標簽安裝要求較高，但是其加工工藝復雜，方向性不強，適用于識別方向不變的遠距離射頻識別系統；偶極子天線及其變形機構的輻射能力強，易于實現輻射方向圖的全向性，制作工藝簡單，且成本較低，常用于遠距離UHF或MW的射頻識別系統中，但不適合用在金屬物體場合。

目前大多數的UHF頻段RFID標簽天線都是偶極子結構天線及其變形[2]，但是在某些場合卻不適用，偶極子天線卻不能滿足要求，比如，在金屬物體能發生反射作用，導致偶極子天線的阻抗，方向性，增益等各項性能都會發生較大的變化，因此天線阻抗與芯片阻抗無法達到最優匹配，標簽就不能正常工作。為了避免這種情況，通常會增加標簽與金屬物體的距離，但這樣就需要增加天線的通信距離，標簽性能也不穩定，同時增加了加工和安裝的難度。因此可用于金屬物體的UHF RFID標簽天線設計一直是RFID標簽天線研究的熱點和難點。

圖1 標簽組成的等效電路Fig. 1 Equivalent Circuit of tag's Composition

2 標簽天線的設計特點

標簽天線的首要任務是傳輸功率給標簽芯片以激勵其工作[3]。在此過程中，標簽天線與標簽芯片之間的阻抗匹配設計至關重要，標簽芯片的輸入阻抗通常為復阻抗，已不是常見的50 Ω和75 Ω。為了節約成本，標簽天線與標簽芯片之間最好不借助阻抗匹配電路，應設計特殊結構的標簽天線使其輸入阻抗與標簽芯片實現一定程度的共扼匹配，并且這兩者之間的匹配情況能夠直接影響到標簽電路能否正常運轉和芯片能否得到足夠的能量進行反向散射通訊，從而影響識別距離遠近。由于標簽要要能夠粘貼到被識別的物體上，因此需要標簽足夠小，標簽天線也就要求尺寸小，并且具有半球輻射性或全向性。一般情況下，標簽需要批量生產，這就要求標簽天線成本低，加工簡單。

作為UHF頻段射頻標簽的天線，必須具備如下性質:體積足夠小，能夠被嵌入到體積本來就小的射頻標簽上；傳輸功率足夠大，并為射頻標簽提供能量；有半球覆蓋的方向性或全向性；無論標簽處于什么方向，天線的極化都能與讀寫器的詢問信號相匹配；作為損耗件的一部分，天線要價格低廉。

3 金屬型標簽天線的設計

UHF頻段可用于金屬物體的標簽天線的設計主要有以下3種方法：一是，基于微帶天線改進的結構[4]。二是，基于電磁帶隙結構(EBG)。三是，采用人工磁導體結構(AMC)。采用EBG結構基板的天線，表面阻抗足夠大，能夠很好的抑制表面泄漏波，并且在禁帶隙處反射波也發生偏轉，受金屬物體表面反射波影響很小，但是這種基板結構加工復雜，成本較高。AMC結構適用于縫藕合微帶天線，天線背瓣降低，增益上升，采用這種結構制作的天線受反射波的影響較大，天線性能也不穩定。而采用微帶天線的形式改進的結構體積小、重量輕、成本低，加工方便，易于實現線極化、圓極化、多頻段工作，因而此方法更適合在實際中應用。這里就介紹一種寬帶的基于微帶天線的可用于金屬物體的標簽天線設計。

3.1 天線結構設計

標簽芯片選用Alien公司的ALN-9338-R，采用微帶天線的形式設計了如圖所示的金屬型標簽天線。該芯片在915 MHz的表現阻抗為6.2-j126 Ω，為了節約成本，選用價格較低的環氧樹脂介質作為標簽天線的介質基板，價格低廉，制造簡便，采用短路探針結構或通孔及短路板結構。對稱的長T型槽能夠集中電路流向，避免出現環流，這種結構使天線尺寸減小，同時方便調節輸入阻抗。兩個T型槽之間進行饋電，通過改變T型槽結構來改變饋電位置，使天線輸入阻抗在一定范圍內變動，與更多標簽芯片匹配。

圖2中，介質基板材料選用成本較低的FR-4材料，其相對介電常數為εr=4.4，基板厚度h為1.5 mm，損耗角正切為tanθ=0.02。標簽天線基板尺寸為l×w×h=100 mm×30 mm×l.5 mm，a×r為T型槽的長臂尺寸，m×n為短臂尺寸，b為短臂距輻射貼片寬邊的距離，c為饋點距輻射貼片寬邊的距離。兩個T型槽之間的間距d為5.4 mm，在兩個T型槽之間進行饋電，形成一種內插式饋電結構。

圖2 金屬型標簽天線結構圖Fig. 2 Structure diagram of the metallic tag antenna

3.2 仿真分析

采用Ansoft公司的電磁場仿真HFSS對本設計標簽天線進行仿真分析[5]。最終確定，當a×r=80 mm×l mm，m×n=4 mm×1 mm，b=70.8 mm，c=46.5 mm時，標簽天線與標簽芯片之間可實現良好的匹配狀態，天線性能最佳。

圖3中所示為匹配狀態時標簽天線的輸入阻抗的實部和虛部變化。在整個UHF頻段845～960 MHz內，輸入阻抗的實部變化范圍約為3.12～20.45 Ω，虛部變化范圍約為74.68～188.26 Ω，能夠滿足大多數UHF頻段標簽芯片的匹配要求。在頻率為915 MHz處，天線的輸入阻抗為Za=7.28+j122.5 Ω，而標簽芯片表現阻抗的共軛阻抗為6.2+j126 Ω，兩者基本一致，天線與標簽芯片能夠實現良好的匹配[6]。

圖3 匹配狀態時天線的輸入阻抗Fig. 3 Input impedance in matching state

圖4 匹配狀態時天線的回波損耗Fig. 4 Return loss measurement in matching state

由圖4匹配狀態時標簽天線的回波損耗S11可以看出，在UHF頻段內，S11均小于-10 dB，且最低點920 MHz的回波損耗達到最小值-36.62 dB，使標簽天線與所用標簽芯片實現了良好的共軛匹配狀態。若該金屬型標簽天線與其他一些阻抗不同的標簽芯片進行匹配，也能夠在該頻段內達到較好的匹配狀態。

圖5 匹配狀態時天線的增益方向圖Fig. 5 Gain pattern in matching state

圖5為匹配狀態時天線的增益方向圖。為保證標簽有較好的可讀性，減小其對特定放置方向的依賴性，一般要求標簽天線的輻射方向具有較好的全向性[7]。由圖可看出，在phi=0 deg方向上，標簽天線具有良好的全向性，滿足一般標簽天線的設計要求，所設計天線的最大輻射增益約為-2.05 dBi。由圖1知標簽天線阻抗Za=Ra+jXa,標簽芯片阻抗Zc=Rc+jXc,根據自由空間FRISS傳輸，RFID系統的識別距離為：

其中，讀寫器發射功率Pt=4 W，標簽芯片門限激活功率Pth通常取值-8～-20 dBm[8]，本設計取值-14 dBm，讀寫器天線的增益取Gt=l，極化匹配系數取0.5，τ=1·|s|2為功率傳輸系數，s為功率反射系數，且s=(Za-Zc*)/(Za+Zc)，將這些數據代入(1)中，得到所設計的金屬型標簽天線的最大理論讀取距離為6.1 m。

圖6中3條曲線代表此天線貼于尺寸分別為200 mm×200 mm、300 mm×300 mm、400 mm×400 mm的金屬物體表面時阻抗實部和虛部變化。由圖可知，雖然金屬物體表面面積不同，但天線輸入阻抗的實部和虛部曲線的變化基本一致，只有微小變化。可見，金屬表面面積對天線輸入阻抗影響不大，與標簽芯片之間的阻抗匹配也不會有太大影響，若將此天線貼于不同尺寸的金屬物體表面時，仍能與標簽芯片實現良好的共軛阻抗匹配。并且通過分析得到天線貼于這3個尺寸金屬表面時天線增益均在-4.0 dBi左右，最大通信距離分別為：5.35 m，5.28 m，5.12 m，可見最大通信距離保持在5 m以上。

本設計除對上述參量進行確定之外，還考慮了其他一些重要參量對天線輸入阻抗的影響，并進行了仿真與分析。包括T型槽的長臂尺寸a和r，短臂尺寸m和n，短臂與輻射寬邊距離b，饋點距輻射貼片距離c。得出結論：為能夠在較大范圍內對天線的輸入阻抗進行調節，實現與阻抗不同的標簽芯片阻抗匹配，可以通過改變T型槽的長臂長a；天線輸入阻抗的虛部對r較為敏感，隨著r的增大不斷增大，r可以結合a，通過實部與虛部結合變動實現阻抗匹配；短臂長m與b類似，隨著其增大阻抗實虛部同時增大，但變化幅度較小，可以用來微調；短臂寬n的增大能夠減小標簽天線的輸入阻抗；天線輸入阻抗的實部與虛部隨著饋點距輻射貼片寬邊的距離c的增大均減小。

圖6 標簽天線輸入阻抗隨金屬物體表面尺寸變化的曲線Fig. 6 Input impedance of tag antenna varies with the size of the metal surface

4 結束語

本文根據微帶天線[9-10]原理，設計一款能用于金屬表面的超高頻標簽天線，成本低，易制作，體積較小，頻帶寬，全向性較好，并根據所設計的天線，進行了加工制作。將實物貼于不同金屬物體表面時，利用網絡分析儀和頻譜分析儀對實物輸入阻抗進行了測試，測試圖形和仿真圖形基本一致，測試值比仿真值向高頻偏移了約25 MHz，出現偏差的原因是由于天線制作誤差和測試誤差等引起的。但基本保證了在整個UHF頻段845～960 MHz內，與標簽芯片良好的匹配，S11均小于-10 dB，而且天線尺寸也較小，天線的讀取距離也較長，具有較強的應用前景。

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Research and design of UHF RFID metallic tag antenna

LIU Yu-wei，ZHANG Ai-jun，YANG Ru-jun
（School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China）

With the development of antenna technology, the studies of UHF RFID tag antenna can be used for metallic objects have become hot and difficult problems. According to the design features and design principles of the tag antenna, the dissertation is devoted to design a new type and suitable for 845～960MHz broadband tag antennas for metallic objects, the specific parameters of the antenna are analyzed and determined through simulation analysis and calculation. It is realized the input impedance of tag antenna can match with other types of tag chips which have different impedances in a larger scope.Measured results is basically consistent with simulation results are the performance of anti-metal is stable, the size of the antenna is smaller, the communication distance of the antenna is farther.

RFID system; UHF RFID antenna; broadband tag antenna; metallic objects

TN82

A

1674-6236(2014)03-0073-04

2013–06–09 稿件編號：201306067

劉玉偉(1987—)，男，河南鄭州人，碩士研究生。研究方向：無線通信技術，RFID識別技術。