基于介質諧振器的小型化高增益抗金屬標簽天線

文/黃瀚熙 李謨超 周正軒

本文基于介質諧振器提出一款工作在RFID 中國頻段（920MHz-925MHz）應用于無人倉等金屬環境下的抗金屬標簽天線。選擇介電常數為90 的高介電常數陶瓷作為介質諧振器的材料。仿真結果顯示：增益可以保持0dB以上，最高增益可達到4dB，實現了抗金屬標簽天線的小型化與高增益。

1 標簽天線設計

1.1 抗金屬標簽天線設計思路

在天線理論的分析中，將普通標簽天線放置在金屬物體表面，金屬會改變天線的邊界條件，影響標簽天線的輸入阻抗、增益、諧振頻率等參數，使標簽性能變差，甚至不工作。目前常用解決金屬環境干擾的方案有：

（1）利用增大標簽與金屬距離或者使用吸波材料等方法降低金屬的影響；

（2）天線設計時將金屬影響考慮進去，如PIFA 天線等。

基于無人倉等RFID 應用環境的要求，被標簽物品往往是金屬盒子等，需要標簽天線安裝在金屬表面。因此本文中，設計時將介質諧振器置于金屬表面，利用介質諧振器諧振模式，利用金屬地板的鏡像原理，降低介質諧振器尺寸，同時提高介質諧振器介電常數，提高天線增益。

1.2 金屬環境下的介質諧振器

本文選用圓柱形介質諧振器作為標簽天線的輻射體。HEM11δ模式作為圓柱形介質諧振器的基礎模，是圓柱形介質諧振器在應用和設計中的最常用的模式。根據以往的工程經驗，介質諧振器在HEM11δ模式時，其工作頻率和品質因數與介質諧振器的尺寸以及材料的介電常數有關，具體工程公式可以表示為：

由公式可以看出，當介質諧振器高度越高時，諧振頻率越小。因此通過調節諧振器介電常數、高度、半徑來調節介質諧振器諧振頻率，使標簽天線中心工作頻率工作在所需頻率中。因此，諧振器尺寸可以確定為直徑25.5mm，高度9mm 的圓柱體。

1.3 標簽設計與阻抗匹配

本文中芯片選用型號為NXP UCODE G2iM+芯片，該芯片在工作頻率上的阻抗為21.2-j199.7 Ohm。標簽天線使用金屬圓環結構與芯片電氣連接，可以收集空間能量激活標簽芯片。通過調節圓環尺寸調整標簽天線輸入阻抗，以達到與芯片共軛匹配，圖1為抗金屬標簽天線結構示意圖。圓環放置于標簽天線頂端，金屬圓環留有一個開口，用于安裝芯片。金屬圓環尺寸可調節，厚度為3.25mm。

為了實現標簽天線于芯片的共軛匹配，對金屬圓環的尺寸與標簽天線的阻抗關系進行了電磁仿真。通過仿真中，將匹配的實部和虛部與芯片共軛的實部與虛部比對。仿真可得，在圓環直徑mr 取21.2-21.7mm 時候，標簽天線的實部變化穩定，匹配較好，而虛部剛好在RFID 中國頻段內工作，接近共軛匹配。

因此，由上文設計與仿真可得，標簽天線選擇高度h=9mm，介質諧振器半徑選擇dr=25.5mm，金屬圓環安裝于介質諧振器上表面，半徑mr=21.7mm，線寬3.25mm。

2 仿真結果

為驗證設計的標簽天線的抗金屬性能，將地面金屬板設置為正方形，其邊長W 和L 從100mm 起，每隔50mm 為一個梯度，從100 mm 取到300 mm，將確定尺寸的標簽天線置于金屬板正中心。天線增益隨著頻率變化的仿真結果圖如圖2所示。可以看出，根據上文的尺寸設計，天線選擇的中心工作頻點是922 MHz 附近，覆蓋了工作頻段的920 MHz-925 MHz，在地板面積大于100 mm 的時候標簽天線的增益可以在工作頻段內滿足0dB 以上，隨著金屬地板尺寸增大，標簽天線的諧振頻率基本保持不變，標簽天線的|S11|參數略有增大，增益也有所波動。但是隨著金屬地板尺寸變大，標簽天線的工作性能趨于穩定，并未受到金屬環境改變而影響，而且在工作頻段內，每個尺寸都能保持增益大于0dB。

3 結論

圖1：抗金屬標簽天線的示意圖

圖2：標簽在不同金屬尺寸下的增益

本文介紹了一種基于介質諧振器的抗金屬標簽天線的設計方法，重點分析了介質諧振器諧振模式和抗金屬原理，通過仿真實現與芯片匹配以及驗證了標簽天線的抗金屬性。同時兼顧了標簽天線的小型化抗金屬以及高增益的目的，從仿真結果來看實現了應用的需求。