一種UHF頻段寬帶電子標簽天線的設計分析

1 引 言 

　　射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是近年來興起的一種自動識別技術。射頻識別系統(tǒng)主要由讀碼系統(tǒng)和標簽系統(tǒng)組成，通過無線射頻信號傳遞信息，天線性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的讀寫距離和識別率。RFID標簽芯片阻抗一般具有電阻較小而容抗較大的特點，且每個芯片都有其特定阻抗，因此必須針對特定芯片設計與之匹配的標簽天線。 

　　目前，RFID沒有全球統(tǒng)一的頻率劃分規(guī)范，在UHF頻段，主要有歐洲的866～869 MHz及美國的902～928 MHz。中國剛剛公布的頻率標準為840～845 MHz和920～925 MHz兩個頻段。2005年9月，Cho，C等提出一種雙支彎折偶極子加雙T形饋電網絡的標簽天線結構，帶寬達到65 MHz(S11<-10 dB)，實現(xiàn)了在867 MHz及915 MHz雙頻諧振，但是此天線結構復雜、阻抗匹配調整不便。H.Choo等提出另一種實現(xiàn)寬頻的較簡單的天線結構，即電磁耦合饋電結構，但是天線結構仍然較復雜，參數較多，阻抗調整不易。Li Yang等的文章中提出一種增益很高的雙輻射邊天線，但是全向性不好，標簽使用范圍受限制。 

　　本文同樣采用電磁耦合饋電結構，針對Philips公司的SL3S3001 FTT芯片設計了一種結構簡單，阻抗匹配方便，在867 MHz和915 MHz均出現(xiàn)頻率諧振點，具有較強的實用價值的標簽天線。設計時采用Zeland公司的IE3D軟件進行仿真實驗，介質板采用工業(yè)上最常用、價格又低廉的FR4敷銅板，其厚度為1.6 mm，敷銅厚0.03 mm，介電常數4.7。 

　　2 標簽天線設計 

　　標簽芯片的阻抗一般呈現(xiàn)大的容性電抗和小的電阻，這樣高Q值的芯片阻抗，使得匹配天線的設計變得很困難，并且限制了天線的阻抗帶寬。但是由于成本和制造的要求，標簽天線必須直接與芯片匹配。 

　　以前常用的各種變形偶極子標簽天線為了實現(xiàn)同芯片的阻抗匹配，其諧振頻率與匹配的頻率之間存在差異，致使阻抗帶寬呈窄帶特性。文獻[3]中提出的電磁耦合饋電結構模型較好地解決了這個問題。此結構由一個獨立的輻射主體和一個與之耦合的環(huán)形線圈組成，由文獻[3]中的等效電路可知，在諧振頻率處，天線的輸入阻抗Z0各分量為：

　　其中Rrb,0為輻射主體在諧振頻率附近的輻射電阻，M為輻射主體和饋電環(huán)之間的互感系數，Lloop為饋電環(huán)的自感系數?？梢奟0與X0可獨立調整，便于實現(xiàn)天線電阻與任意芯片阻抗的匹配。利用此結構設計出如下對稱結構的標簽天線。其結構和阻抗變換特性如圖1～圖3所示。 

　　仿真結果顯示，此結構天線的諧振頻率主要由輻射主體的有效電長度決定。由圖2可見，輻射主體與耦合環(huán)的大小均不變，兩者間距d增加時，輸入阻抗的實部減小，虛部負斜率部分逐漸減弱消失，耦合減弱，但諧振頻率基本不變。其他值保持不變，W1變化時天線輸入阻抗變化規(guī)律與圖3相似，可見輻射主體大小不變，輻射主體與耦合環(huán)間距也不變，耦合環(huán)的長度L1或寬度W1增加時，輸入阻抗的實部和虛部均增加，耦合強度不變，諧振頻率略為降低。 

　　可見此結構的天線輸入阻抗及諧振頻率的調整十分方便，通過調節(jié)設計出一種覆蓋歐洲和美國兩種標準頻帶寬度的標簽天線，其尺寸如表1所示，仿真結果如圖4所示。 

　　由圖4可見天線輸入阻抗的虛部在諧振頻率附近比較平坦，使得天線和芯片阻抗在一個較寬的頻段內共軛匹配，阻抗帶寬達到77 MHz(S11<-10 dB)。在867 MHz和915 MHz附近有兩個諧振峰，天線方向圖滿足全向性。 

　　3 天線性能分析 

　　在實際制作天線前，我們先對仿真結果進行了評價分析。由于IE3D軟件模擬分析得到的天線增益是建立在系統(tǒng)特征阻抗為50 Ω的系統(tǒng)上的，而本文所設計的標簽天線是輸入阻抗為與芯片阻抗共軛匹配，因此模擬分析結果需要對天線正規(guī)化才能得到正確的方向性(D0)與有效接收面積。

　　其中λ0=c/f本文天線設計主要針對阻抗做最大功率轉移匹配，由式(6)標簽芯片與標簽天線阻抗介面的反射系數(Γta)，定義功率不匹配因數(Tag Power Mismatch Factor，TPMF)為式(7)，當阻抗為共軛匹配時，TPMF為1。 

　　其中TPMF值預測了天線與芯片的阻抗匹配程度，而Aem,tag預測了天線有效接收面積。以PHILIPS公司的SL3S3001 FTT芯片的阻抗為參考，分析了上文設計的標簽天線的特性，如表2所示。文獻[8]中設計的四種標簽天線的有效面積最大達到900多cm2，而本文設計的天線在867 MHz和915 MHz處的有效面積在1 300 cm2以上，TPMF也達到0.8左右，可見天線性能均比較理想。 

4 試驗測量 

　　根據所設計的標簽天線尺寸，制作了如圖5所示的標簽天線實物。 

　　標簽天線的大小為60 mm×44 mm，滿足一般應用對標簽面積的要求，標簽使用的是Philips公司的SL3S3001FTT芯片，符合ISO18000標準。應用支持該標準的AWID公司的閱讀器進行測量，在輻射功率為4 W，標簽天線與閱讀器天線面平行的測量條件下，中心頻率為867 MHz時閱讀距離為1.9 m；中心頻率為915 MHz時閱讀距離可達2.4 m，基本達到應用要求。由于實驗室制作條件所限，我們采用蝕刻技術制作的標簽天線精度不到±0.1 mm，而從仿真結果可見只有保證±0.05 mm的精度，制作公差的影響才可忽略不記，因此在保證制作精度的條件下，閱讀距離應該可以進一步增加。 

　　5 結語 

　　耦合饋電結構的電子標簽天線具有結構簡單，阻抗實部虛部可單獨調節(jié)，阻抗帶寬較寬等優(yōu)點，本文設計的電子標簽結構非常簡單，針對不同芯片的阻抗匹配方便，帶寬達到77 MHz，在867 MHz和915 MHz處有兩個諧振頻率，可同時滿足歐洲和美國的UHF射頻頻段標準。