小型化低剖面UHF RFID抗金屬標簽天線設計

唐旭陽，張博涵，張經緯，何大平，吳志鵬，劉成國

1. 武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070；3. 湖北省射頻微波應用工程技術研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引言

超高頻射頻識別(UHF RFID)技術是一種通過射頻信號對目標進行自動識別的技術，并以其較遠的閱讀距離、較快的數據傳輸速率等優點而被廣泛用于物流、醫療、零售等領域。隨著RFID技術的廣泛使用，UHF RFID標簽應用于各種金屬環境。普通的偶極子UHF RFID標簽天線在用于金屬表面時，鏡像電流的存在會極大地影響標簽天線的輸入阻抗、諧振頻率和輻射性能，導致標簽天線無法正常工作[1]。目前主要有3種實現抗金屬RFID標簽的方法[2]：

1) 增大標簽與金屬之間的距離至1/4波長[3]。

2) 在標簽天線結構中加入電磁帶隙(EBG)或人工磁導體(AMC)[4-5]。

3) 以微帶天線或平面倒F天線為原型,設計抗金屬RFID標簽天線[6-7]。

前兩種方法會導致天線體積過大或結構復雜，微帶天線或平面倒F天線結構相對簡單，易于實現小型化和低剖面特性，自身的接地板可以將輻射貼片與金屬隔開，從而實現抗金屬特性。

本文提出了一種帶有嵌入式饋電結構和矩形開槽的貼片天線，調整嵌入式饋電結構的長、寬及矩形開槽的寬可有效地調整標簽天線輸入阻抗，使天線阻抗與標簽芯片阻抗達到共軛匹配，最終實現良好的效果。

1 天線設計與仿真

1.1 天線結構設計

本文提出的抗金屬RFID標簽天線結構如圖1所示。天線使用金屬鋁作為輻射體，輻射體由左、右兩部分不對稱貼片組成，貼片中間連接RFID芯片，兩側貼片通過短路壁與金屬接地板相連，形成貼片、短路壁與地之間的環形電流回路，使貼片天線形成類磁偶極子天線結構，可以較好地應對復雜環境中的電場變化[8]。右側貼片包含嵌入式饋電結構與矩形開槽結構，嵌入式饋電結構便于進行阻抗調節，矩形開槽結構能增大貼片中電流路徑，從而使標簽天線小型化。標簽天線使用相對介電常數為2.7，損耗角正切為0.03,厚為0.9 mm的尼龍材料作為基板，使標簽天線具有低剖面特性。圖1中,l0、w0、h0分別為抗金屬標簽天線的長、寬和高，l1、w1、l5分別為嵌入式饋電結構的長、寬及其相對左側貼片的距離，l2、w2、l3分別對應矩形開槽的長、寬及其距離標簽天線右側邊緣的距離，l4、l6、w3分別對應右側貼片長度、左側貼片長度及左、右兩貼片寬度。通過調節嵌入式饋電結構和矩形開槽尺寸參數可以使標簽天線輸入阻抗與芯片阻抗在目標頻點達到近似的共軛匹配，從而使RFID標簽在金屬表面能夠正常工作。

圖1 抗金屬RFID標簽天線結構示意圖

1.2 閱讀距離和功率傳輸系數分析

本設計中采用的RFID芯片為Impinj公司生產的Monza R6芯片，915 MHz時的芯片阻抗為Zc=Rc+jXc=12- j119.6(Ω)，其閱讀靈敏度為-20 dBm。對于RFID標簽而言，閱讀距離是其最重要的性能指標之一。RFID芯片的閾值激活功率為Pth(即芯片的閱讀靈敏度)，當芯片接收到的功率達到Pth時，芯片被激活，RFID標簽開始工作。RFID標簽閱讀距離(r)可由Friis公式[9]得到：

(1)

式中：λ為自由空間特定頻率的電磁波波長；Ptx為RFID閱讀器的發射功率；Gtx,Grx分別為閱讀器天線和標簽天線的增益；τ為標簽天線與芯片之間的功率傳輸系數，有:

(2)

式中Zin=Rin+jXin為RFID標簽天線的輸入阻抗。式(1)中，PtxGtx為RFID閱讀器的有效全向輻射功率(EIRP)，則有：

(3)

由式(3)可知，當EIRP為固定值時，為了提高閱讀距離，應使標簽天線增益和功率傳輸系數盡可能大。由式(2)可知，當標簽天線輸入阻抗與芯片阻抗共軛匹配時，τ有理想的最大值(τ=1)，但實際制作時只能使標簽天線輸入阻抗盡可能地接近芯片阻抗的共軛值，以達到近似的共軛匹配狀態。

1.3 天線優化設計

為了驗證本設計的可行性并進行參數調整和優化，首先在CST MWS軟件中進行天線模型建立和仿真分析。為了模擬實際的金屬環境對天線的影響，可以在天線模型一側放置一塊尺寸為200 mm×200 mm的薄金屬板模型，標簽天線與薄金屬板在軟件中的模型圖如圖2所示。

圖2 天線與金屬板的仿真模型圖

為了探究嵌入式饋電結構的l1和w1的變化對標簽天線輸入阻抗的影響，在其他參數不變時，對嵌入式饋電結構的長和寬進行參數掃描分析。天線輸入阻抗和天線與芯片之間的功率傳輸系數隨l1的變化如圖3所示。由圖可見，其他參數不變，當l1分別為8 mm、9 mm和10 mm時，在對應的超高頻RFID頻段范圍內，隨著l1的增加，天線輸入電阻的實部和虛部都增大，RFID標簽天線的諧振頻率變小。

圖3 天線輸入阻抗及τ隨l1變化曲線

圖4為天線輸入阻抗及τ隨w1的變化。由圖可以看出，保持其他參數不變，當w1依次取4 mm、4.8 mm和5.6 mm時，天線輸入阻抗的實部和虛部會隨著w1的增大而減小，標簽天線諧振頻率也隨之升高。

圖4 天線輸入阻抗及τ隨w1變化曲線

為了研究w2對標簽天線輸入阻抗和τ的影響，其他參數不變時，對w2進行參數掃描，分析其對于輸入阻抗和τ的影響，如圖5所示。由圖可見，w2分別取14.4 mm、14.9 mm和15.4 mm時，隨著w2的增加，標簽天線輸入電阻的實部和虛部都會增加，標簽天線的諧振頻率向低頻方向移動。

圖5 天線輸入阻抗及功率傳輸系數隨w2變化曲線

通過調整幾個主要參數，可以將標簽天線在915 MHz處的輸入阻抗調至Zin=8.08+j120(Ω)，與標簽芯片阻抗的共軛值較接近。由式(2)可得到在天線結構參數最終確定時的τ曲線如圖6所示。由圖可見，915 MHz處τ= 0.96，即在915 MHz處標簽天線阻抗與芯片阻抗之間有良好的匹配。最終的標簽天線尺寸參數如表1所示。

圖6 τ隨頻率變化曲線

表1 標簽天線各項尺寸參數 (單位：mm)

最終由CST MWS軟件仿真得到其增益在915 MHz為-9.88 dBi，標簽天線阻抗與芯片阻抗匹配良好，τ較高，可以得到較大的閱讀距離。

2 實驗結果和分析

根據天線尺寸參數制作出的抗金屬RFID標簽實物和阻抗測試夾具如圖7所示。為了得到天線實物的輸入阻抗，本文采用文獻[10]提出的基于S參數的差分探針測試法對標簽天線進行阻抗測量。采用圖7中的半剛性同軸線測試夾具將標簽天線與網絡分析儀(Agilent E5072A)相連并測量其輸入阻抗，最終的標簽天線輸入阻抗測量值與仿真值如圖8所示。由圖8可見，標簽天線輸入阻抗測量值與仿真值之間雖有微小差別，但總體趨勢一致。其微小差別是由于測試夾具連接到網絡分析儀端口后，在網絡分析儀上進行的端口延伸操作未達到理想狀態引起的。

圖7 標簽實物與阻抗測試夾具

圖8 仿真、實測天線輸入阻抗和芯片阻抗隨頻率變化曲線

為了進一步驗證本標簽天線的性能，Impinj R6芯片以倒封裝的形式通過導電膠與標簽天線相連接，最終制作出抗金屬RFID標簽。抗金屬RFID標簽被貼裝于薄金屬板表面進行測試。天線閱讀距離、實際增益采用如圖9所示的Voyantic Tagformance Pro測試系統來進行測量，其閱讀器的EIRP為3.28 W。實際增益(Gr)將各項損耗(包括歐姆損耗和阻抗失配損耗等)與天線增益結合在一起，是表征RFID標簽天線性能的重要參數之一，其計算公式為

Gr(dBi)=Pth(dBm)-Ptag(dBm)

(4)

式中Ptag為某一特定頻率下標簽從射頻信號中獲取以開啟芯片所需的最小功率，即標簽靈敏度。

圖9 Voyantic Tagformance Pro測試系統

圖10 仿真、實測實際增益和實測標簽靈敏度隨頻率變化曲線

仿真和實測的實際增益與實測的標簽靈敏度隨頻率變化曲線如圖10所示。由圖可見，仿真實際增益在915 MHz處有最大值為-10.04 dBi，實測實際增益在910 MHz處有最大值為-10.9 dBi，實測實際增益最大值比仿真實際增益最大值小0.86 dBi，所在頻點低5 MHz。其差別可能是由標簽實物制作過程中的誤差引起。

圖11為標簽實測和理論閱讀距離隨頻率變化曲線，實測閱讀距離在910 MHz處有最大值4.3 m。根據CST MWS軟件得出增益，代入式(3)可得圖中理論閱讀距離，理論閱讀距離在915 MHz處有最大值4.7 m，實測最大閱讀距離略低于理論最大閱讀距離。實測值與理論值存在一定誤差，這與測試環境和制作精度有關，但實測結果與理論值較接近，可以滿足物流、醫療、零售等領域對抗金屬RFID標簽的正常使用要求[11]。

圖11 標簽實測閱讀距離與理論閱讀距離比較

3 結束語

本文提出了一種小型化、低剖面超高頻抗金屬RFID標簽天線。該天線通過適當調整嵌入式饋電結構的長、寬和矩形開槽的寬，可將天線輸入阻抗調至與芯片阻抗基本共軛匹配的狀態以獲得較大的功率傳輸系數。實測結果表明，當應用于金屬環境時，該RFID標簽在910 MHz處有最大實際增益，且最大閱讀距離為4.3 m。該抗金屬RFID標簽天線具有小尺寸、低剖面和較遠的閱讀距離，可廣泛用于物流、醫療、零售等領域的金屬場景。