一種超高頻微帶八木標簽天線的研究與設計

張 煒，賈云飛，張 珊，佟 鑫，丁云廣

（1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇南京 210094；2.中國運載火箭技術研究院物資中心，北京 100076；3.空間物理重點實驗室，北京 100076）

射頻識別（RFID）是一種非接觸式的無線通信技術[1]，可以通過射頻信號讀寫目標芯片寄存器內的儲存數據，這種方式大大拓展了識別系統的應用場景。由于其所在頻段抗干擾能力較強，且能夠同時識別多個標簽[2-3]，在醫療倉儲和物流等行業得到了廣泛應用[4-8]。

無源射頻標簽不使用額外電源，其接收閱讀器天線發射的微波能量[9]。因此無源標簽設計中最為重要的部分就是標簽天線的設計，當天線的輸入阻抗與后端的射頻電路的輸出端口阻抗共軛匹配時，傳輸線損耗最小[10]。該文在諧振頻率?0為915 MHz的需求下設計出與目標芯片阻抗52Ω-479j 相匹配的微帶八木天線，為了使兩者的阻抗滿足阻抗共軛匹配的需求，設計阻抗為52Ω+479j的微帶八木天線。

1 微帶八木標簽天線的研究與設計

1.1 傳統微帶八木天線

與傳統八木天線類似，微帶八木天線主要由激勵振子、反射陣子和引向陣子三個部分組成，三者相互平行[11]。激勵振子與閱讀器天線發射的電磁波產生耦合效應，生成感應電流。反射陣子將激勵陣子后方的電磁能量反射到前方，引向陣子向前引導激勵陣子輻射的電磁能量，反射陣子和引向陣子的共同作用使得激勵陣子輻射的電磁信號在某一方向上實現了定向傳播。

微帶八木天線模型如圖1 所示。

圖1 微帶八木天線模型

圖1 中激勵陣子的長度L2為0.47λ，反射陣子的長度L1為0.5λ，引向陣子的長度L3為0.04λ，激勵陣子和反射陣子的間距G2為0.25λ，激勵陣子和引向振子的間距G1為0.2λ。其中，λ為電磁波在諧振頻率為915 MHz 時的傳輸波長。

由式（1）可得波長λ為327 mm。使用有限元分析法在HFSS 中建立仿真模型，并將對其回撥損耗和輸入阻抗進行仿真，結果如圖2、圖3 所示，由圖2可知，微帶八木天線在915 MHz 左右的回波損耗為-10 dB 左右，且在-10 dB 處的帶寬并不高。由圖3 的阻抗圖可看出，在915 MHz 的諧振頻率下，電阻值為78.4 Ω，電抗值為201.2 Ω。目標芯片Rocky100的阻抗為52Ω-479j，單純的延伸偶極子激勵陣子的臂長不僅效果不佳且會增加標簽天線所占用的面積，單純的直線型激勵陣子所組成的微帶八木天線無法匹配該低電阻高阻抗的復式阻抗。因此選擇使用T 型匹配網絡的方式調整天線阻抗，使之達到共軛匹配。

圖2 微帶八木天線S（1,1）

圖3 微帶八木天線阻抗圖

1.2 微帶八木天線的T型匹配網絡

T 型匹配網絡是天線設計常用的阻抗匹配網絡[12]。圖4 為嵌入T 型匹配網絡的微帶八木天線結構圖，圖中匹配網絡的長度為L4，寬度為W2，微帶線寬度為天線寬度W1，中間深色部分為芯片連接處。

圖4 嵌入T型匹配網絡的微帶八木天線模型

T 型匹配網絡中芯片終端處的天線的輸入阻抗為：

其中，Zt為短線阻抗，Zt=jZtankα/2；Z是間隔為b的傳輸線a和傳輸線L的特征阻抗ZA為天線無T 型匹配時的輸入阻抗；re′為短路線的等效半徑=825c；re為激勵陣子的等效半徑，re=0.5W；α為激勵陣子與T 型匹配網絡的電流分布系數，由此可知，傳輸線的長度L4、寬度W2和微帶線的寬度W1對天線輸入阻抗產生影響[13]。為使其達到適應目標阻抗的要求，改變傳輸線L2與傳輸線L4的大小，繼續測試其在915 MHz 附近頻率下的阻抗大小。圖5 為微帶八木天線的阻抗隨著T 型匹配網絡中的L4和W2的長度變化圖。

圖5 微帶八木天線阻抗變化

通過圖5 可看出，T 型匹配網絡的長度對天線輸入阻抗的實部和虛部均有影響，但在常用頻段（902～928 MHz）中，T 型匹配網絡的長度對天線輸入阻抗實部和虛部的影響均較大，微帶八木天線輸入阻抗的實部和虛部隨T 型匹配網絡長度的增加而增加，且虛部的變化量大于實部的變化量。通過圖5 可以看出微帶八木天線輸入阻抗的實部隨T 型匹配網絡寬度的增加而增加，輸入阻抗的虛部隨寬度的增加而減少，且虛部的變化量小于實部的變化量。

因此由以上的規律可知，首先改變W2可以匹配天線實部，改變L4，仍無法滿足虛部匹配大小。

2 彎折微帶八木標簽天線的研究與設計

無源標簽天線的設計主要有小型化和阻抗匹配兩個重要組成部分[14-15]，采用彎折天線臂的方式可以有效調整天線阻抗的虛部大小并且減少天線尺寸[16]。利用有限元分析軟件HFSS 建立模型并進行仿真。圖6 為進行仿真的彎折微帶八木天線的結構圖。

圖6 彎折微帶八木天線模型

由模型可以看出在不改變微帶線線寬和彎折次數的情況下，彎折微帶八木天線的輸入阻抗主要受到彎折寬度W3和彎折短臂長度L5的影響。圖7 為微帶八木天線的阻抗隨著T 型匹配網絡中的L5和W3的長度變化圖。

圖7 微帶八木天線阻抗變化

由圖可知，微帶天線阻抗的實部變化不大，虛部隨W3和W5的增加而增加，通過多次仿真實驗可以發現，微帶八木天線的虛部阻抗隨L5變化的幅度小于W3，符合阻抗匹配要求。

3 仿真結果分析

使用之前仿真得到的模型尺寸數據，在HFSS 中建立天線模型，在HFSS 中進行有限元仿真，得到結果如圖8 所示。

圖8 彎折微帶八木天線仿真結果

從圖8 中可以看出，彎折微帶八木天線的回撥損耗在諧振頻率為915 MHz 時的值為-55 dB，S（1,1）在-10 dB 下的頻段為850～950 MHz，因此頻帶寬度為100 MHz，微帶八木天線具有較良好的帶寬，電子標簽滿足在常用頻段內能夠接受閱讀器天線的電磁波的需求，從而正常工作。為了保證以最大功率傳輸，標簽天線的輸入阻抗和芯片的輸出阻抗處于共軛狀態，從圖8 中可以看出在850～950 MHz 之間，天線阻抗的實部和虛部均緩慢增加，但實部的變化幅度不大，并在915 MHz 處阻抗為52Ω+479j，仿真結果基本滿足了匹配芯片阻抗的設計要求。還可以看出，在發射陣子前方大部分區域的增益較大，相對于普通的偶極子天線，具有更好的電磁波接收和發射距離，大大提高了標簽的識別距離。

4 結束語

RFID 無源標簽天線的阻抗匹配問題是天線設計的難點，該文使用T 型匹配網絡和彎折偶極子臂的方法設計微帶八木天線的激勵陣子，可以較為準確地調整天線阻抗的實部與虛部，使微帶八木天線的輸入阻抗與芯片的輸出阻抗共軛匹配。作為微帶八木天線的重要組成部分，該文使用偶極子天線作為微帶八木天線的激勵陣子，設計出與Rocky100 芯片阻抗共軛匹配的微帶八木天線，且阻抗達到52Ω+479j。當天線在諧振頻率?0=915 MHz 時，天線阻抗為53Ω+484j，和Rocky100 芯片的52Ω-479j 的阻抗近似共軛匹配。通過仿真結果可以看出，彎折天線臂的方法不僅提高了天線阻抗的虛部阻抗，并且減少了標簽面積，節省了空間。微帶八木天線在915 MHz的回波損耗為-55 dB，且在915 MHz 附近阻抗變化較為平坦，具有較好的寬帶性，能夠在復雜環境中工作，達到了天線設計的性能指標。