小尺寸超高頻RFID標簽天線設計

淡 江

（杭州海康威視數字技術股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

超高頻RFID技術是一種成本較低的物聯網識別技術，如今已經在各行各業得到普遍應用。如優衣庫、迪卡儂、周大福等知名企業都將超高頻RFID標簽嵌入到商品吊牌中，用于貨品管理，大幅提高了流通效率和庫存的準確性。

目前被大規模商用的超高頻RFID標簽天線大多采用平面彎折偶極子天線與饋電環耦合結構，如圖1所示。

圖1 超高頻RFID標簽結構

1 超高頻RFID標簽天線設計原理分析

平面彎折偶極子天線由常規的半波偶極子天線演化而來。半波偶極子天線的結構十分簡單，由2個長度相等的輻射臂構成，總長度為0.5個波長，在兩臂中心處饋電，端口阻抗為50 Ω。常規半波偶極子天線如圖2所示。半波偶極子天線的輻射方向圖類似于“面包圈”，輻射臂軸線處為輻射盲區，如圖3所示。

圖2 常規半波偶極子天線

圖3 偶極子天線輻射方向圖

900 MHz電磁波的波長為330 mm，工作在此頻率的半波偶極子天線的長度為165 mm，該尺寸對于RFID標簽而言過大。長度小于100 mm的天線更適合RFID應用。彎折偶極子天線正是為了縮減尺寸而誕生。雖然彎折偶極子天線外廓的長度縮減了，但走線的總長度依然與標準半波偶極子天線接近，端口阻抗已不再是50 Ω。彎折偶極子天線的輻射阻抗可用公式（1）近似估計：

式中：R為彎折偶極子天線的輻射阻抗，如果不考慮導體損耗，即為阻抗實部；d為彎折偶極子的外廓長度；λ為電磁波的波長。

圖4中，彎折偶極子天線的輪廓長度為79 mm，頻率為900 MHz時，帶入公式（1）中，得到阻抗實部為14.9 Ω。

圖4 平面彎折偶極子

為了將標簽天線收集的能量盡可能多的傳遞給芯片，天線阻抗應與芯片阻抗共軛匹配，那么它們的阻抗實部應該相等。表1列舉了一些常用的標簽芯片的阻抗實部，前文計算出的彎折偶極子天線阻抗實部恰好位于此區間。

表1 常用RFID標簽芯片的阻抗

圖4中，彎折偶極子天線的仿真結果表明有較大的容性虛部阻抗，當頻率為900 MHz時虛部阻抗達到了-190 Ω。而芯片阻抗虛部也為容性（負值），因此標簽天線必須具有一定感性，才能與芯片阻抗共軛匹配。將彎折偶極子天線的兩端設置為容性負載，利于阻抗匹配。將增加了電容負載的彎折偶極子天線進行仿真，仿真結果顯示天線的阻抗虛部由-190 Ω變為-71 Ω。兩端增加容性負載的彎折偶極子仿真如圖5所示。

圖5 兩端增加容性負載的彎折偶極子仿真

增加了兩端電容負載的彎折偶極子天線阻抗已經大大減小，但依然為負數，這樣就需要感性極強的饋電環，使天線的阻抗最終與芯片阻抗共軛匹配。彎折偶極子天線與饋電環間屬電感耦合，可與變壓器原理類比。彎折偶極子天線與饋電環構成的完整RFID標簽等效電路如圖6所示，其仿真結果見表2所列，能夠很好地與Impinj Monza4芯片進行共軛匹配。

表2 仿真結果

圖6 彎折偶極子天線原理

2 小尺寸RFID標簽設計方法

2.1 小尺寸標簽設計難點分析

上文指出為了提高天線的感性，需要采用饋電環結構。在Ansoft HFSS中單獨對饋電環進行建模，對饋電環的尺寸與感值的關系進行仿真分析，分析天線饋電環的電感與饋電環的高度A、長度B和線寬C的關系，如圖7所示。

圖7 仿真分析A、B、C參數與饋電環感值關系

饋電環的線寬C越小，饋電環的虛部阻抗越大，電感越大；饋電環的高度A越高，饋電環的阻抗虛部越大，電感越大；饋電環的長度B越長，饋電環的阻抗虛部越大，電感越大。目前常規鋁蝕刻標簽天線制造工藝的最小穩定線寬為0.3 mm，所以不能無限制的通過縮小饋電環的線寬來提高電感。

當饋電環的線寬C固定時，必須通過增大饋電環的整體輪廓尺寸來提高天線的阻抗虛部，進而達到與芯片阻抗虛部共軛的效果。如果芯片阻抗虛部的絕對值較大，所需饋電環的尺寸也就越大，這對于設計小尺寸單品級標簽是不利的。圖8列舉了線寬C固定為0.3 mm時，常用芯片所需饋電環的尺寸，外框尺寸為25 mm×10 mm。由于EM4124芯片容性較強，所需饋電環尺寸過大，以至于缺少空間設計輻射體，所以基于該芯片設計小尺寸標簽十分困難。

圖8 不同芯片所需饋電環的尺寸占比

由公式（1）可知，小尺寸標簽天線的輻射阻抗較小，導致阻抗實部過小，這是小尺寸標簽天線設計的另一大難點。阻抗實部較小的芯片更適合用于小尺寸標簽。本文不對小尺寸標簽阻抗實部問題進行更多討論。

2.2 饋電環尺寸縮減技術

對于一段圓柱形導線，其高頻電感可用經驗公式計算：

式中：L為電感，單位為nH；d為導線長度，單位為mm；r為導線的半徑，單位為mm。

觀察公式（2）可知，增加導線長度、縮小導線半徑均可增加導線電感。對于平面蝕刻工藝的RFID天線，導線半徑可與平面線寬比擬。該公式的計算結果與前面的仿真分析結果一致，為在有限空間內增加饋電環的電感提供了有效途徑。當線寬固定為0.3 mm時，考慮通過增加線長來增大電感的方案。

饋電環可通過反復彎折的方式增加總線長，進而提高電感量，如圖9所示。經過Ansoft HFSS仿真調試，圖9中的饋電環900 MHz處阻抗虛部達到了257.5 Ω，可與EM4124芯片匹配，如圖10所示。仿真結果見表3所列。

圖9 對饋電環進行彎折增加總的線長

圖10 25 mm×10 mm天線

表3 仿真結果

2.3 實際驗證

前文通過理論和仿真證明了饋電環尺寸縮減方法的可行性，但仍需要通過實際測試來驗證該方法的正確性。仿真與實際測試結果會存在一定偏差，天線輻射體也會對饋電環電感值產生影響?；阡X蝕刻工藝，采用10 μm厚度鋁層和50 μm厚度PET基材，進行多次打樣修正，最終確定圖11所示天線規格。該天線配合EM4124芯片可以達到理想性能。EM4124芯片阻抗為（22-j261）Ω，激活靈敏度為-19 dBm。

圖11 最終確定的天線規格

當RFID讀寫器EIRP為36 dBm時，測試該天線不同頻率下的可讀距離。在幾種常見介質上，全球頻段（860～960 MHz）可讀距離均超過1 m；美國頻段（902～928 MHz）可讀距離超過1.5 m。在部分介質、部分頻段可讀距離超過2 m，不同頻率下的可讀距離如圖12所示。該天線的外形尺寸僅為27 mm×10 mm，證明了該小尺寸標簽天線的優秀性能。

圖12 不同頻率下的可讀距離

3 結 語

本文提出了一種超高頻RFID標簽天線饋電環尺寸縮減方法，測試結果表明，采用本方法的小尺寸標簽有著較好的可讀距離?；诒疚姆椒ǖ某哳lRFID標簽已經在某大型珠寶集團的“珠寶單品管理項目”中投入使用，在實際應用中表現出穩定的性能，累計出貨量超過1億枚。