小型RFID偶極子天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

張亞平，陶 波，陳顯才，吳光華

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，湖北 武漢430074)

射頻識(shí)別 RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于物流、防偽等領(lǐng)域。

RFID系統(tǒng)通常由讀寫器、標(biāo)簽和服務(wù)器組成。標(biāo)簽分有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽，無源標(biāo)簽由天線和芯片構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。在超高頻頻段，標(biāo)簽天線常采用半波偶極子天線[1]。偶極子天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 偶極子天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由半波偶極子天線的定義，天線的總長(zhǎng)度為工作頻率下電磁波波長(zhǎng)的1/2。結(jié)合電磁波在電介質(zhì)中傳播的波長(zhǎng)公式，半波偶極子天線的長(zhǎng)度La為：

其中，εr為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，c為電磁波的傳播速度，f為工作頻率。

在實(shí)際RFID標(biāo)簽應(yīng)用中,天線通常制作在PET等電介質(zhì)基板表面，式(1)中電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) εr須用有效相對(duì)介電常數(shù)εeff來表示[2]：

其中，εr為基板材料的相對(duì)介電常數(shù)，εr_air為空氣相對(duì)介電常數(shù)(約等于1)。α、β是由基板厚度等因素決定的權(quán)重因數(shù)，需通過仿真確定。

為了縮減標(biāo)簽尺寸，本文采用彎折偶極子天線。由于彎折偶極子天線的彎折線之間相互耦合影響，導(dǎo)致用式(1)計(jì)算的天線長(zhǎng)度有較大誤差。在設(shè)計(jì)中，本文先用式(1)估算天線長(zhǎng)度，再通過仿真分析進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

常用超高頻 RFID標(biāo)簽芯片的阻抗為復(fù)數(shù)，并具有較大的虛部。為使標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)τ達(dá)到最優(yōu)值，要求設(shè)計(jì)天線的阻抗與芯片阻抗共軛匹配。為此，需要在偶極子天線上加入阻抗匹配的結(jié)構(gòu)，本文使用T型阻抗匹配的方法[3]。

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽采用Impinj Monza 4芯片，其阻抗為 11-j143 Ω，讀取的門限功率為-17.4 dBm。文中采用矩量法仿真，仿真軟件為Zeland IE3D。通過初步的計(jì)算和仿真，得到如圖1所示的偶極子天線。天線材料為鋁(電導(dǎo)率 σ=38 MS/m)，厚度為 0.01 mm；基板材料為 PET(相對(duì)介電常數(shù)εr=3.5)，厚度為 0.05 mm。該天線的基本結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示,仿真得到其阻抗為1.98+j144.3 Ω，共軛匹配增益為-3.17 dBi。

1.2 天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

RFID標(biāo)簽的性能通常以讀寫距離d為判斷依據(jù)，d可用自由空間的 Friis公式估算[4-5]：

表1 尺寸數(shù)值

其中，c為電磁波的傳播速度，f為系統(tǒng)工作頻率，Pr為讀寫器的發(fā)射功率，Gr為讀寫器天線的增益，Gt為標(biāo)簽天線的增益，p為讀寫器天線與標(biāo)簽天線之間的極化損失，Pth為標(biāo)簽芯片的門限功率，τ為標(biāo)簽天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù)，表征天線與芯片之間的能量傳輸。其定義如下：

其中，Za=Ra+jXa，Zc=Rc+jXc分別為天線和芯片的阻抗。當(dāng)天線與芯片阻抗匹配，即Za=時(shí)，τ取最大值1。

本文使用的讀寫器為圓極化天線，而偶極子為線極化，所以p=0.5。芯片的門限功率Pth由芯片的設(shè)計(jì)和制造工藝決定，芯片一經(jīng)選定，Pth即確定，因而標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)是決定標(biāo)簽性能的關(guān)鍵。在讀寫器參數(shù)確定的情況下，當(dāng)標(biāo)簽天線增益Gt和功率傳輸系數(shù)τ達(dá)到最大值時(shí)，標(biāo)簽的讀寫距離最大。

標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的目的是在標(biāo)簽尺寸等限制條件下，使得標(biāo)簽天線的增益Gt和功率傳輸系數(shù)τ最大。

在圖1所示天線的基本結(jié)構(gòu)中天線由彎折線和臂L1、L2組成，以達(dá)到所要求的長(zhǎng)度。由天線長(zhǎng)度的計(jì)算公式(1)可知，調(diào)節(jié)天線的總長(zhǎng)度能夠調(diào)節(jié)天線本身的諧振頻率和阻抗。圖2為其他參數(shù)不變，改變L1、L2的長(zhǎng)度時(shí)所得到的阻抗曲線。由圖可見,增大L1和L2的長(zhǎng)度，阻抗曲線整體向左移，天線諧振頻率減小，阻抗實(shí)部最大值增大，虛部最大值減小。

因此，可以通過調(diào)節(jié)天線長(zhǎng)度來優(yōu)化天線性能。圖3為L(zhǎng)1和L2的值與標(biāo)簽在915 MHz的增益的關(guān)系曲線，隨著L1和 L2增大，標(biāo)簽的增益也增大。圖 4為 L1和 L2的值與標(biāo)簽在915 MHz的功率傳輸系數(shù)的關(guān)系曲線，隨著L1和L2增大，功率傳輸系數(shù)先增大后減小，在L1=L2=19.8 mm時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)天線與芯片阻抗匹配達(dá)到最佳。圖5是根據(jù)式(3)計(jì)算的標(biāo)簽讀寫距離與L1和L2的值的關(guān)系曲線，讀寫器發(fā)射功率Pr為28 dBm，天線為圓極化，增益 Gr為 3 dBi。

由圖5可見，L1=L2=19.8 mm時(shí)，標(biāo)簽理論讀寫距離達(dá)到最大值2.56 m，天線的阻抗仿真值為2.83+j148.6 Ω，功率傳輸系數(shù)為0.56。

通過調(diào)整T型阻抗匹配結(jié)構(gòu)，即調(diào)節(jié)w和h的大小，能夠進(jìn)一步優(yōu)化天線阻抗，使天線阻抗與芯片阻抗匹配得更好。按照改變天線長(zhǎng)度的方法，可以得到改變T型阻抗匹配時(shí)天線的性能參數(shù)，并最終計(jì)算得到標(biāo)簽的理論讀取距離。

圖 6為 L1=L2=19.8 mm，h=9.8 mm時(shí)，改變 w的值，得到的標(biāo)簽理論讀取距離與w的關(guān)系曲線。標(biāo)簽增益隨w增大而增大，功率傳輸系數(shù)在w=6.1 mm時(shí)達(dá)到最大值，理論讀取距離在w=6.1 mm時(shí)達(dá)到最大值2.68 m。

改變h的值，取得的效果與改變w值相同。圖7為L(zhǎng)1=L2=19.8mm，w=6.1 mm時(shí)，改變 h的值，得到的標(biāo)簽理論讀取距離與h的關(guān)系曲線。標(biāo)簽增益隨h增大而增大，功率傳輸系數(shù)在h=9.5 mm時(shí)達(dá)到最大值，理論讀取距離在h=9.5 mm時(shí)達(dá)到最大值2.7 m。

通過上述優(yōu)化過程，得到了天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的較優(yōu)值，如表2所示。

表2 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)較優(yōu)值

2 樣品制作與測(cè)試

根據(jù)仿真結(jié)果，制作了4款天線以作比較，4款天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 樣品天線尺寸 (mm)

對(duì)于樣品天線，本文使用Agilent ENA5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了阻抗，并用Atid-570手持式讀寫器(圓極化天線，EIRP=31 dBm)測(cè)試了相應(yīng)標(biāo)簽的讀寫距離。考慮到制造誤差等因素的影響，每個(gè)型號(hào)的樣品天線都測(cè)試了5組數(shù)據(jù)，然后取平均值。表4是樣品天線915 MHz的阻抗和讀取距離的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，其中理論讀取距離用式(3)計(jì)算。在讀寫距離的計(jì)算中，由于忽略了環(huán)境干擾、讀寫器內(nèi)部的能量傳輸損耗以及標(biāo)簽的能量損耗等因素，理論值大于實(shí)測(cè)值。阻抗測(cè)試因缺少微波暗室，得到的結(jié)果與仿真結(jié)果有偏差，其中虛部與仿真結(jié)果接近，而實(shí)部偏大。

表4 天線測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)

4款樣品天線分別選自天線優(yōu)化設(shè)計(jì)的不同階段，天線從773～776依次作了改進(jìn)。從讀取距離的測(cè)試結(jié)果可見，773～776的讀取距離依次增加，天線776的讀取距離最遠(yuǎn)，與仿真結(jié)果一致，可見本文所用的優(yōu)化方法有效。

無源超高頻RFID標(biāo)簽通常采用偶極子天線，本文采用理論分析和仿真優(yōu)化相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一款偶極子天線，并采用T型阻抗匹配結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與標(biāo)簽芯片的阻抗匹配。通過調(diào)節(jié)天線長(zhǎng)度和阻抗匹配結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)偶極子天線進(jìn)行了優(yōu)化，并制作了4款小型超高頻RFID標(biāo)簽樣品。測(cè)試結(jié)果表明，4款樣品標(biāo)簽的性能與預(yù)期的優(yōu)化結(jié)果一致,優(yōu)化后的標(biāo)簽讀寫距離達(dá)到1.59 m。

[1]FINKENZELLER K.RFID handbook:fundamentals and applications in contactless smart cards,radio frequency identification and near-field communication[M].3rd ed.Hoboken,NJ:John Wiley&Sons Ltd.,2010.

[2]DEAVOURS D.UHF RFID antennas[M].RFID Systems:Research Trends and Challenges,Bolic M,Simplot-Ryl D,Stojmenovic I,Hoboken,NJ:John Wiley&Sons,2010,57-98.

[3]MARROCCO G.The art of UHF RFID antenna design:impedance matching and size-reduction techniques[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine.2008,50(1):1-21.

[4]RAO K V S,SANDER P V N.Antenna design for UHF RFID tags:a review and a practical application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2005,53(12):3870-3876.

[5]TIKHOV Y.Comments on antenna design for UHF RFID tags a review and a practical application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2006,54(6):1906