一種新型UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與分析

　　0 引言

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的技術(shù)。RFID系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)組成。標(biāo)簽存儲(chǔ)著待識(shí)別對(duì)象的相關(guān)信息，附著在待識(shí)別對(duì)象上。通常電子標(biāo)簽符合IS018000-4與18000-6標(biāo)準(zhǔn)，本身無(wú)源，通過讀寫器的射頻場(chǎng)獲得能源，采用負(fù)載調(diào)制方式。讀寫器利用射頻信號(hào)讀/寫標(biāo)簽信息并進(jìn)行處理。PC機(jī)通過RS 232接口遠(yuǎn)程控制讀寫器。讀寫器接到命令后，通過天線發(fā)送射頻命令實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的操作，同時(shí)接收標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽靠其內(nèi)部天線獲得能量，并由芯片(IC)控制接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　國(guó)內(nèi)RFID系統(tǒng)使用的頻段主要分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(Ultra High Frequency，UHF)(860～960 MHz)和微波(2.4 GHz以上)等幾大類。目前越來(lái)越多的研究聚焦在了對(duì)UHF RFID系統(tǒng)的研究上。由于電磁波會(huì)被金屬反射導(dǎo)致普通電子標(biāo)簽在金屬表面無(wú)法被正確識(shí)別，這一缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在物流行業(yè)的廣泛應(yīng)用，因此UHF標(biāo)簽天線的抗金屬性成為了研究的熱點(diǎn)和攻克的難點(diǎn)。本文在分析了金屬對(duì)標(biāo)簽天線電磁場(chǎng)影響作用的基礎(chǔ)上，提出了一種成本相對(duì)較低可用于金屬環(huán)境的超高頻RFID無(wú)源標(biāo)簽天線。該天線將環(huán)形微帶與偶極子結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在金屬環(huán)境下高增益的特性。天線面積100 mmx40 mm滿足了小尺寸金屬環(huán)境的要求，具有較高的性價(jià)比。

　　1 金屬對(duì)標(biāo)簽天線的影響

　　射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。研究金屬物體對(duì)標(biāo)簽天線的影響，首先要考慮天線靠近金屬時(shí)金屬表面電磁場(chǎng)的特性。根據(jù)電磁感應(yīng)定理，這時(shí)金屬表面附近的磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生“畸變”，磁力線趨于平緩，在很近的區(qū)域內(nèi)幾乎平行于金屬表面，使得金屬表面附近的磁場(chǎng)只存在切向的分量而沒有法向的分量，因此天線將無(wú)法通過切割磁力線來(lái)獲得電磁場(chǎng)能量，無(wú)源電子標(biāo)簽則失去正常工作的能力。

　　另一方面，當(dāng)天線靠近金屬時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的同時(shí)還會(huì)吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場(chǎng)能，使原有射頻場(chǎng)強(qiáng)的總能量急劇減弱。而上述渦流也會(huì)產(chǎn)生自身的感應(yīng)磁場(chǎng)，該場(chǎng)的磁力線垂直于金屬表面且方向與射頻場(chǎng)相反并對(duì)讀寫器產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到反作用，致使金屬表面的磁場(chǎng)大幅度衰減，使得標(biāo)簽與讀寫器之間通信受阻。另外，金屬還會(huì)引起額外的寄生電容即金屬引起的電磁摩擦造成能源損耗，使得標(biāo)簽天線與讀寫器失諧，破壞RFID系統(tǒng)的性能。

　　2 UHF抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與分析

　　2.1 天線設(shè)計(jì)

　　UHF無(wú)源標(biāo)簽的性能主要由兩個(gè)方面決定：標(biāo)簽天線的增益大小以及天線與芯片之間的阻抗匹配。一種提高增益的方法是并聯(lián)多個(gè)折疊型偶極子結(jié)構(gòu)，因?yàn)轭~外的偶極子的輻射阻抗能夠提高天線效率，因此本文提出在傳統(tǒng)偶極子天線結(jié)構(gòu)(見圖2)上改造一段環(huán)形微帶線，在不增加天線面積的情況下獲得增益提高。

　　該天線結(jié)構(gòu)由變型彎折偶極子輻射體和環(huán)形微帶線以及矩形饋電環(huán)三部分組成，將芯片貼在矩形饋電環(huán)的開口處進(jìn)行激勵(lì)，利用電感耦合將能量送至兩個(gè)中間部分連在一起的彎折偶極子輻射體上。偶極子采用階梯彎折狀可以縮短天線的整體長(zhǎng)度，使其結(jié)構(gòu)緊湊面積縮小。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　將以上兩種天線置于72 mmx36 mm的金屬板上，采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1 mm的介質(zhì)板，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，最終得到功率反射系數(shù)曲線圖，如圖4所示。從圖中可以看到，本文提出的環(huán)形天線在頻率為900 MHz時(shí)功率反射系數(shù)可達(dá)到-22 dB，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)天線。

　　天線增益大小和它到金屬板的距離密切相關(guān)，表1列出了傳統(tǒng)天線和環(huán)形天線在距金屬板距離^分別為2 mm，3 mm，5mm，10 mm時(shí)的增益值;圖5是環(huán)形天線在距金屬板距離為2 mm，3 mm，4 mm，6 mm，8 mm時(shí)功率反射系數(shù)的曲線。從表1中可以看出，在距金屬板距離相同時(shí)，本文提出的環(huán)形天線增益始終優(yōu)于傳統(tǒng)天線，驗(yàn)證了該環(huán)形天線的高性能。同時(shí)，隨著天線到金屬板距離的增加，增益值呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化趨勢(shì)，因此，通過大量的仿真優(yōu)化，最終觀察到該天線在距金屬板距離為3 mm時(shí)可獲得最大增益，增益值為2.06 dBi。從圖5可以看出，該環(huán)形天線工作在900 MHz時(shí)性能最好。

　　接地面大小是對(duì)天線性能影響的另一個(gè)因素。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，金屬面大小的變化對(duì)諧振頻率、輸入阻抗、帶寬影響較小，但對(duì)輻射效率、方向圖的影響較大。表2列出了電子標(biāo)簽分別位于金屬表面面積為60 mm×36 mm，72 mmx36 mm，90 mmx36 mm時(shí)天線增益的變化情況。從表2可以看到標(biāo)簽在面積為60 mm×36 mm的金屬表面工作時(shí)天線增益較低，只有1.90 dBi;隨著金屬表面面積增加到72 mm×36 mm，天線的增益增強(qiáng)到2.06 dBj，但隨著金屬面積的進(jìn)一步增大天線的增益又有所下降，因此得出天線增益大小變化并不與金屬面大小變化成正比，原因是在金屬表面面積增加到一定程度時(shí)，天線的輻射方向會(huì)發(fā)生畸變，使得垂直于輻射面的輻射場(chǎng)減弱，此時(shí)天線的增益會(huì)有所下降。

　　圖6為該天線的阻抗曲線，可以看到在900 MHz時(shí)天線的阻抗為(44.24-j5.96)Ω，需要選擇阻抗值為(44.24+i5.96)Ω的芯片與天線進(jìn)行共軛匹配。如果使用的芯片阻抗值不是(44.24+j5.96)Ω而是其他的容性值，可以通過調(diào)整天線的開槽長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化其阻抗值以達(dá)到天線與芯片之間的共軛匹配。

　　2.2 測(cè)試結(jié)果

　　本文中采用Ansoft公司的HFSS軟件和安捷倫公司的N5230A矢量分析儀進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)。圖7為天線的增益圖，圖8為天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果，從中可以看出實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較好吻合，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的實(shí)用性。該天線采用相對(duì)介電常數(shù)4.4、厚度1 mm的FR4基板進(jìn)行加工，實(shí)物如圖9所示。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出了一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、兼容多標(biāo)準(zhǔn)的UHF抗金屬無(wú)源電子標(biāo)簽天線。該天線利用環(huán)形微帶線與偶極子結(jié)構(gòu)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在金屬表面高增益的特性;同時(shí)，可以調(diào)節(jié)槽線長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化天線的特性阻抗，使其能夠與芯片阻抗共軛匹配從而提高無(wú)源電子標(biāo)簽性能。通過實(shí)驗(yàn)分析得到在金屬板面積為72 mm×36 mm、與天線距離為3 mm時(shí)，該天線可在900 MHz獲得最大增益2.06 dBi。最后基于仿真分析，加工了一個(gè)實(shí)物天線。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了該天線設(shè)計(jì)的有效性。