卷煙包裝用UHF RFID抗金屬標簽天線的設計

趙文婧++楊蓉++厲丹++吳雙江

摘 要： 為了對內含鋁箔的卷煙包裝進行防偽識別，設計了一種無源超高頻射頻識別（UHF RFID）抗金屬標簽天線。該天線結構簡單，可印刷于煙盒表面，并能與包裝的金屬拉線結構一體化，增強標簽的防偽性能。采用Ansoft HFSS軟件建模仿真，分析了主要結構參數的變化對標簽天線輸入阻抗的影響。優化后的結果表明，該天線具有較高的增益、較遠的讀取距離、良好的方向性和阻抗匹配特性，且帶寬能夠覆蓋915 MHz UHF RFID頻段范圍。制作標簽樣品并進行實際測試，結果表明：實測與仿真結果較吻合，讀取距離可達8 m，能夠滿足實際應用的需求。

關鍵詞： 超高頻； 射頻識別； 抗金屬標簽天線； 阻抗匹配； 卷煙包裝

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0072?06

Design of UHF RFID anti?metal tag antenna for cigarette package

ZHAO Wenjing1， YANG Rong2， LI Dan1， WU Shuangjiang3

（1. School of Information and Electrical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221000， China；

2. Shanghai ZTE Software Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China； 3. Department of Flight Support Command， Air Force Logistics University， Xuzhou 221000， China）

Abstract： A passive UHF RFID anti?metal tag antenna was designed for anti?counterfeit identification of the cigarette pa?ckage containing aluminum foil. The antenna has simple structure， and can be printed on the surface of the cigarette package and integrated with the package′s metal wire structure to enhance the anti?counterfeiting performance of the tag. The Ansoft HFSS software is used for modeling and simulation. The influences of the main structure parameters on input impedance of the tag antenna are analyzed. The optimal results show that the antenna has high gain， far read range， good directivity and impedance matching characteristics， and the bandwidth of the tag antenna can cover the UHF RFID frequency band range of 915 MHz. A tag sample was produced and tested practically. The results show that the actual measurement result is match to the simulation result， the read range can reach up to 8 m， and the antenna can meet the requirement of the practical application.

Keywords： UHF； RFID； anti?metal tag antenna； impedance matching； cigarette package

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種非接觸式自動識別技術，其中，超高頻射頻識別（UHF RFID）技術因具有較遠的讀取距離被廣泛應用于交通、物流、防偽等各種領域。在UHF RFID系統中，電子標簽一般為無源被動式標簽，僅由天線和芯片組成，標簽芯片正常工作所需的能量是通過天線接收讀/寫器發射的射頻信號獲得的，因此，標簽天線在保證系統效率和可靠性方面扮演著極為重要的角色。

在很多實際應用中，RFID標簽需要貼附于金屬物體表面，或直接印刷并集成于金屬物品的包裝介質上。但是，普通UHF RFID標簽應用于金屬表面時，由于金屬的邊界條件，標簽的讀取距離會迅速縮短，甚至不能被讀取，標簽天線的輻射效率、輸入阻抗、增益、方向圖等都會受到很大的影響，導致標簽的整體性能下降[1]。因此，抗金屬UHF RFID標簽天線的設計已成為國內外各相關企業、高校和科研院所研究的熱點。文獻[2?3]提出通過調整標簽天線與金屬表面的距離來減小金屬邊界的影響，但這種處理方法使得天線的體積大大增加，不方便固定在物體表面上，只適用于對標簽厚度要求不嚴格的應用環境中。文獻[4?5]提出在微帶貼片天線的接地面使用周期性的EBG（Electromagnetic Band Gap，電磁場帶隙）結構以抑制特定頻帶的電磁波傳播，從而減少旁瓣電平，提高增益，改善天線的性能，但其缺點在于制作過于復雜，生產實現困難。文獻[6?8]提出的PIFA天線（Planar Inverted?F Antenna，平面倒F天線）可以將金屬表面作為其接地板，并將接地板與貼片連接在一起，成為輻射天線的一部分，從而達到抗金屬的效果，克服了微帶天線在某些領域無法滿足小型化的缺點，但其性能取決于被貼附物體的特性，比如電導率和物體尺寸，并且有些PIFA天線利用陶瓷作為介質層，成本相對較高。

在卷煙包裝盒中，一般采用鋁箔進行防潮，保持煙草的香味，這一金屬背景對標簽天線的影響為普通RFID標簽的讀取帶來了困難。目前設計的抗金屬標簽大多需要金屬接地板，導致標簽芯片和接地板不在包裝介質的同一個表面上，限制了標簽的應用，不易集成。事實上，金屬環境是可以被利用的，在設計某些類型天線時，需要一個金屬面作為能量反射器改變天線的輻射模式，這時金屬的存在是必要的。本文設計了一款可印刷并集成于香煙盒表面的UHF RFID抗金屬標簽天線，該天線無需金屬接地板，并能與包裝的金屬拉線一體化，拉線拆封標簽即毀，進一步增強了標簽的防偽性能。

2 仿真結果與分析

2.1 主要結構參數對天線輸入阻抗的影響

普通天線通常要求設計與[Za=9.89+j60.2 Ω]或[50 Ω]的饋線匹配，其輸入阻抗為實數。而UHF RFID標簽芯片的阻抗一般為復阻抗，由1.1節分析可知，設計標簽天線時，其輸入阻抗必須滿足與標簽芯片阻抗共軛匹配的原則，并且不同芯片的阻抗值是任意的。因此，UHF RFID標簽天線的設計比普通天線的設計更加復雜，有必要討論主要結構參數對天線輸入阻抗的影響。

（1） [W]對天線輸入阻抗的影響

標簽天線的輸入阻抗隨[W]的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，當[W]分別取77 mm，82 mm和87 mm時，天線阻抗的實部基本不變，虛部隨[W]的增加而減小。但由于受到煙盒寬度的限制，[W]僅能增加到87 mm，因此[W]對輸入阻抗的調節范圍有限，其值選取煙盒的寬度87 mm。

（2） [L]對天線輸入阻抗的影響

標簽天線的輸入阻抗隨[L]的變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，當[L]分別取128 mm，129 mm，130 mm和131 mm時，天線阻抗的實部和虛部均隨[L]的增加而增加。因此，可通過調節[L]的長度有效地將天線輸入阻抗的實部和虛部的大小向相同方向調節。

（3） [La]對天線輸入阻抗的影響

標簽天線的輸入阻抗隨[La]的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，當[La]分別取19 mm，20 mm，21 mm和22 mm時，天線阻抗的實部和虛部也均隨[La]的增加而增加，但[La]比[L]對曲線的影響幅度要小一些。因此，可通過調節[La]的長度微調天線的輸入阻抗。

（4） [Ls]對天線輸入阻抗的影響

標簽天線的輸入阻抗隨[Ls]的變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出，當[Ls]分別取19 mm，20 mm，21 mm和22 mm時，天線阻抗的實部基本不變，虛部隨[Ls]的增加而增加。因此，可通過調節[Ls]的長度單獨調節天線的電抗值。

（5） [Ld]對天線輸入阻抗的影響

標簽天線的輸入阻抗隨[Ld]的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，當[Ld]分別取20 mm，25 mm，30 mm和35 mm時，天線阻抗的實部隨著[Ld]的增加而減小，虛部隨[Ld]的增加而增加。因此，可通過調節[Ld]的長度將天線輸入阻抗的實部和虛部的大小向相反方向調節。

（6） [b]對天線輸入阻抗的影響

標簽天線的輸入阻抗隨[b]的變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，當[b]分別取2 mm，6 mm和10 mm時，天線阻抗的實部隨著[b]的增加而增加，虛部隨[b]的增加而減小，但變化幅度不大。因此，可通過調節[b]的大小配合[Ld]微調輸入阻抗。

綜上所述，可得到調節天線的輸入阻抗以達到和所選芯片阻抗共軛匹配的方法：通過調節[L]的長度將天線輸入阻抗的電阻和電抗的大小向相同方向調節，并輔以[La]進行微調；通過調節[Ld]的長度將天線輸入阻抗的電阻和電抗的大小向相反方向調節，并輔以[b]進行微調；當電阻滿足要求而電抗不滿足時，還可通過調節[Ls]的長度單獨調節天線的電抗值。

2.2 優化后的天線仿真結果與分析

通過數次數值仿真和優化，圖2中定義的標簽天線的幾何結構參數分別為：[L=129] mm，[W=87] mm，[La=20] mm，[Wa=23] mm，[Ls=20] mm，[Ws=3] mm，[Ld=]25 mm，[Wd=]15 mm，[a=]2.5 mm，[b=]2 mm。

天線在915 MHz頻率處的輸入阻抗值為[Za=9.89+j60.2 Ω，]非常接近RI_UHF_00001_01芯片阻抗的共軛值，代入式（5）可得[τ≈0.999 7，]說明該天線具有良好的阻抗匹配特性。

圖9為仿真優化后得到標簽天線的回波損耗結果。從圖中可以看出，該天線諧振在915 MHz，諧振峰值[S11]為-71.13 dB。其-10 dB工作頻段范圍為902～929 MHz，帶寬為29 MHz，所設計的標簽天線能夠覆蓋北美UHF（902～928 MHz）以及我國UHF（920～925 MHz）RFID頻段范圍，滿足實際應用中的需要。

標簽天線在915 MHz處的二維及三維輻射方向圖如圖10所示，天線的最大增益可達到3.01 dB，且輻射方向具有近半球輻射特性，能夠滿足標簽天線的設計原則。

將915 MHz頻率對應的波長[λ≈0.33]m，讀寫器有效全向輻射功率[EIRP=4]W，標簽芯片靈敏度[Pth=]-13 dBm，標簽天線的增益[Gr=]3.01 dB，以及[τ≈0.999 7]代入式（2）中，可得標簽理論最大閱讀距離為[Rtag≈10 ]m。

3 標簽的制作與測試

為了驗證所設計的標簽天線的性能，作者在香煙盒上制作了測試標簽，如圖11所示。已有實驗證明，由導電油墨印刷出的天線和采用銅蝕方法刻出的天線在超高頻（860～950 MHz）發射頻率下具有同樣的性能[11]。因此，在沒有RFID標簽印刷設備的條件下，制作測試天線時使用單面導電的銅箔膠帶粘貼在香煙盒表面代替導電油墨。

采用安捷倫的矢量網絡分析儀測試所制作的標簽天線的輸入阻抗，測試時將兩根同軸電纜的一端通過SMA接頭分別接到矢網分析儀的兩根測試電纜上，將另一端的外壁焊在一起，伸出的兩個內導體分別焊接到天線饋電處的兩端。輸入阻抗實測值與仿真值的對比如圖12所示。

由圖12可知，天線輸入電阻峰值的實測值比仿真值偏小，且實測波形向低頻平移了50 MHz左右。而天線輸入電抗峰值的實測值與仿真值相近，但與仿真結果相比，實測波形向低頻有較明顯的頻移，約為100 MHz。引起這些差異的主要原因為測試所用的同軸電纜內導體與天線相連時，對天線的饋電端口有一定的拉升扭曲。此外，天線的制作精度和測試環境也是不可忽略的影響因素。但從整體上看，天線輸入阻抗的實測值和仿真值的波形基本吻合，具有較好的一致性。

采用Alien ALR?9900 RFID閱讀器測試標簽的最大閱讀距離。標簽閱讀距離測試架構如圖13所示，測試環境為室內，將標簽正面和閱讀器天線正面平行，所使用的閱讀器天線諧振中心頻率為915 MHz，當有效全向輻射功率EIRP為4 W時，測得的最大閱讀距離可達8 m，雖然與理論值相比有一定的誤差，但仍然能夠滿足應用要求。

4 結 語

本文設計了一款可印刷于內含鋁箔的香煙盒表面的UHF RFID抗金屬標簽天線，其結構簡單，能夠與金屬拉線結構有效一體化，拉線拆封標簽即毀，可進一步增強標簽的防偽性能。仿真和實測證明，該天線在915 MHz的輸入阻抗時能夠與芯片阻抗較好地實現共軛匹配，且帶寬能夠覆蓋北美和我國UHF RFID頻段。此外，該天線還具有良好的半球輻射特性、較高的增益以及較遠的讀取距離，能夠滿足實際應用的需求，設計方案具有一定的可行性。

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