一種寬頻帶UHF RFID標簽天線的研究與設計

摘要：文章以寬頻帶UHF RFID標簽天線的設計為研究對象，設計并仿真了一款工作在920MHz的電子標簽天線。天線的尺寸為80mm 44mm，存反射系數(shù)-24dB的帶寬可達160MHz，方向性比較好。同時標簽天線結構簡單，采用的制作材料也很大降低了其生產成本。

關鍵詞：寬頻帶;UHF RFID;標簽天線;HFSS

0 引言

射頻識別技術(RFID)是一種新興的自動識別技術，其工作原理是通過無線方式進行雙向數(shù)據通信，達到傳遞射頻信息的目的。一般情況下，RFID系統(tǒng)由電子標簽、閱讀器和相關應用系統(tǒng)軟件等組成。其中，標簽包括天線及芯片兩部分。由于RFID標簽和閱讀器之間不需要接觸即可完成兩者的識別，因此RFID系統(tǒng)可以工作在各種環(huán)境中，并可以同時進行多個運動目標的識別。至今，RFID系統(tǒng)已廣泛應用在諸多領域，如：物流管理、生產制造、圖書管理、身份識別、道路自動收費等領域。

在RFID系統(tǒng)通信過程中，閱讀器通過自身的天線發(fā)送一定頻率的射頻信號。當標簽進入此區(qū)域時，標簽天線從此領域的輻射場中獲得相對應的閱讀器的命令，經標簽處理，然后通過自身的天線發(fā)送出自身編碼等應答信息。此發(fā)送的信息被閱讀器讀取，并解碼，然后傳送到對應的應用系統(tǒng)軟件進行處理，從而達到自動識別物體的目的。標簽天線作為RFID系統(tǒng)的基本元件之一，其性能將直接影響標簽接收及其發(fā)射信號的準確性，所以對其研究具有重要的意義。

1 UHF RFID標簽天線設計理論原則

1.1 阻抗共軛匹配

電子標簽需從閱讀器天線上得到電磁波能量來響應標簽芯片，因此在電子標簽芯片上有一小部分用來檢測標簽天線上的感應電動勢或者感應電壓的電路，并通過二極管電路整流，再經過電壓放大，最后讀取標簽信息。天線設計無需知道芯片內部結構，只需知道芯片封裝后的芯片阻抗值的大小，然后利用最大能量傳遞法則設計天線。標簽芯片的輸入阻抗分為電阻分量和電抗分量兩部分，電抗部分一般為容性阻抗，為了達到最大能量傳遞，需要電子標簽天線的輸入阻抗與標簽芯片輸入阻抗共軛匹配。標簽芯片的輸入阻抗為Z=R-jX的形式，為了實現(xiàn)芯片與天線的共軛匹配，我們要設計的天線的輸入阻抗形式應為Z=R+jX。對于UHF頻段標簽天線，就要用到能夠為標簽天線引入感抗的共軛匹配結構來實現(xiàn)標簽芯片與標簽天線之間的匹配了。一般需要在天線上中加入環(huán)形結構饋電額外結構或其他結構來進行匹配。本文采用功率反射系數(shù)描述標簽天線與標簽芯片之間的阻抗共軛匹配情況。

如圖1所示為等效電路圖。其中Za為為天線輸入阻抗，Zc是芯片輸入阻抗，Zc=Rc+jXc。

1.2 主要性能參數(shù)影響

在電子標簽天線主要性能方面，標簽的識別距離r為重要的指標參數(shù)，表達式如下：

以上式中，P1為閱讀器的發(fā)射功率，GT為閱讀器天線的增益，Gr標簽天線的增益，為反射系數(shù)，Pth為激勵標簽芯片的門限功率。

1.3 小尺寸、低成本

由于標簽需要粘貼到相對應的物品上，需要電子標簽體積足夠小，隨著RFID系統(tǒng)的不斷成熟發(fā)展，標簽應用也越廣泛，電子標簽生產成本要求也越來越低。

2 UHF RFID標簽天線設計過程

首先，根據輻射特性，確定其天線大概結構。然后，調整天線結構，使增益達到要求。最后，調整匹配結構，使天線與芯片阻抗匹配，主要包括以下兩方面。其一，調整匹配結構尺寸，總結尺寸對阻抗影響。其二，其反射系數(shù)S11-10dB在頻帶的范圍內，我國的UHF RFID頻段：840～845MHz和920～925MHz。

3 UHF RFID標簽天線設計及HFSS仿真及結果分析

3.1 UHF RFID標簽天線設計

根據標簽天線設計理論，芯片阻抗為20-188jΩ，工作頻率為f0=920MHz。本文所設計的天線采用厚度為0.8mm、介電常數(shù)為4.6的FR4介質作其基板，貼片為銅皮。天線結構如圖2所示，參數(shù)值如圖3所示。

從結構圖中可以看出，標簽天線采用電磁耦合饋電結構，有兩部分組成，其一是獨立彎折的輻射體，其二是一饋電環(huán)。芯片從饋電環(huán)的開口地方激勵。通過標簽天線設計理論分析，改變結構中的參數(shù)距離d及其饋電環(huán)的尺寸來影響兩者之間的耦合度，進而影響標簽天線的阻抗值達到與標簽芯片阻抗的共軛匹配。

3.2 天線仿真及結果分析

通過各參數(shù)進行分析、仿真，對比參數(shù)不同值對天線性能的影響，從而選取最佳值，進行優(yōu)化，最后達到的仿真結果如圖4所示。

從圖4可以看出，在頻率f0=920MHz，阻抗為20+188jΩ，反射系數(shù)S11為-28dB的情況下，完成了與標簽芯片阻抗良好的共軛匹配。

從圖5(a)(b)看出，天線的方向性為全向性。在f0=920MHz處，標簽天線的增益為1.9dB。天線在840MHz和925MHz附近有兩個諧振峰。電子標簽天線在-24dB的帶寬為160MHz，為寬頻帶。頻帶不僅覆蓋840～960MHz頻帶設計的目標，而且將上頻帶提高了40MHz。

4 結束語

本文設計了一款工作于UHF頻段的直接匹配芯片的RFID標簽天線。通過天線的仿真結果表明，本天線與特定芯片之間具有良好的阻抗匹配特性。標簽天線的輻射特性良好，基本可以滿足實際應用的要求。天線的結構簡單，且采用的制作材料大大降低了其生產成本。由于天線的小尺寸和薄膜特性，由此天線生產出的標簽可以廣泛地粘貼在平面的物體上，可以促進RFID技術在物聯(lián)網等方面的廣泛應用。大多數(shù)情況下，RFID系統(tǒng)中標簽天線需要在不同環(huán)境下工作，在很多實際應用時，標簽天線需要粘貼在高電導率物體的表面，由于高電導率物體邊界條件，這時標簽識別距離、輻射效率、輸入阻抗及其增益等參數(shù)都會受到極大的影響，為了解決上述問題，人們提出了倒F天線，或者是平面倒F天線類型的天線。因為為了實現(xiàn)其功能，倒F天線、平面倒F天線自身需要有一個金屬接地板，這還需要改進。