UHF 頻段RFID 標(biāo)簽天線的小型化設(shè)計

傅 舟，羅國清

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室，杭州310018)

當(dāng)前，無線通信技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在各類信息傳播中，如文本、圖片、語音、視頻等信息的通信傳播，產(chǎn)生了大量使用無線通信技術(shù)的系統(tǒng)，其中非常重要的一種就是射頻識別系統(tǒng)(RFID)。RFID 是一種非接觸的自動識別技術(shù)，它將信息在電子標(biāo)簽上進行編碼，再將此標(biāo)簽黏貼到需要識別和被追蹤的物體上，實現(xiàn)對物體的移動追蹤［1-2］。與傳統(tǒng)條形碼相比，RFID 技術(shù)具有識別距離遠、讀寫速度快、易與互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合等優(yōu)點。

近幾年RFID 技術(shù)飛速發(fā)展，對RFID 的各項技術(shù)提出了更高的要求，RFID 標(biāo)簽的小型化就是其中的一項熱點研究領(lǐng)域。國內(nèi)外專家對偶極子天線小型化的研究方法主要集中為采用彎折線的方式［3-5］。對于天線高度和寬度有尺寸限定的情況通過改變彎折角、彎折次數(shù)以及彎折深度是降低天線諧振頻率是實現(xiàn)天線小型化行之有效的途徑［6-9］。

針對UHF 頻段，本文提出了一種較緊湊的彎折偶極子結(jié)構(gòu)無源標(biāo)簽天線，引入了利于小型化設(shè)計的T 型阻抗匹配環(huán)。T 型阻抗匹配環(huán)結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點就是對天線尺寸幾乎沒有太大影響，并且能通過優(yōu)化環(huán)結(jié)構(gòu)的參數(shù)到達良好的阻抗匹配效果［10］。標(biāo)簽天線與芯片的共軛阻抗匹配是天線能否獲得足夠大增益的關(guān)鍵指標(biāo)，較大的增益能實現(xiàn)良好的遠場通信效果，直接決定了天線的有效讀取距離和識別率。對偶極子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要集中在設(shè)計更為緊湊的彎折臂，在盡可能不影響標(biāo)簽帶寬和阻抗匹配效果的前提下，優(yōu)化偶極子兩臂的彎折走向、彎折次數(shù)和彎折深度以達到小型化設(shè)計目的，最終設(shè)計完成的標(biāo)簽天線尺寸為20 mm×60 mm，較之常見的20 mm×80 mm 形式的彎折偶極子結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線縮減了25%的尺寸，并且獲得了較為理想的帶寬和增益。

1 天線設(shè)計

標(biāo)簽天線印制在FR-4 介質(zhì)基板，介質(zhì)高度h=1.6 mm，介電常數(shù)εr=4.4。采用FR-4 介質(zhì)的好處就是成本低廉，便于PCB 制造，并且具有良好的輻射特性，便于大規(guī)模制造使用。如圖1 所示，天線的總體結(jié)構(gòu)由彎折結(jié)構(gòu)的偶極子和一個T 型阻抗匹配饋電環(huán)組成。偶極子通過對彎折臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來縮減標(biāo)簽天線的尺寸。饋電環(huán)用來完成標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片間的共軛阻抗匹配，達到最優(yōu)的饋電效率，從而保證天線的有效讀取距離和識別成功率。

圖1 標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)圖

可以把圖1 中的T 型阻抗饋電環(huán)的激勵源分解為等效的兩個等效電壓源，分別置于m1和m3兩臂的中心，這樣分解可以把天線激勵相應(yīng)視作兩種模式之和，普通模式和差分模式，如圖2 和圖3 所示。在普通模式中，m1和m3兩臂端口的電壓源具有相同的振幅和相位，兩臂上的電流成正比關(guān)系:

圖2 普通模式

圖3 差分模式

普通模式下的阻抗為:

在差分模式中，m1和m2兩臂端口的電壓源具有相同的振幅，但相位相差π，因而兩臂上的電流反向。兩臂端口電壓成正比關(guān)系:

差分模式下的阻抗為:

假設(shè)把對稱偶極子的兩臂平行放置，組成天線的傳輸線模型，傳輸線臂長l0?？捎嬎愠鲚斎胱杩?

k 是自由空間的波數(shù)，Z0是傳輸線模型的特征阻抗。

圖4 給出了天線的等效電路圖。圖中，Za為彎折偶極子的輸入阻抗，Zt為激勵端口至T 型匹配環(huán)與偶極子連接點之間的輸入阻抗，兩端之間的為特性阻抗Z0，M 為電路兩部分的耦合系數(shù)，其值由上述對激勵源兩種等效模式的討論可得M=(1+α)2。因此，天線的輸入阻抗可采用如下公式計算［11］:

其中，u=m1/m3，v=m2/m1，對于ZD中臂長l0的計算，需要考慮天線工作頻率下的有效臂長，一般對于半波對稱偶機子而言，天線的有效臂長約為實際臂長的2/3，半波對稱偶極子天線的實際臂長設(shè)計為天線工作波長的1/2，在915 MHz 工作頻率下，約為160 mm。

圖4 天線等效電路圖

本次設(shè)計的標(biāo)簽天線采用了較為常見的Alien Higgs2 型標(biāo)簽芯片，支持EPC global Gen2 和ISO 18000-6c，工作頻段860 MHz ～960 MHz，芯片的阻抗為7.4-j113 Ω。T 型匹配環(huán)結(jié)構(gòu)的作用等同于一個阻抗調(diào)節(jié)器，它可以把天線的輸入阻抗調(diào)整為感性阻抗，因此能很好的實現(xiàn)芯片與標(biāo)簽天線的阻抗匹配。

表1 標(biāo)簽天線各項結(jié)構(gòu)參數(shù)

天線的設(shè)計步驟為:首先，設(shè)計長度約為160 mm的半波長偶極子，確定基本的彎折結(jié)構(gòu)，使增益達到要求。然后加入饋電環(huán)，即T 型阻抗匹配饋電環(huán)結(jié)構(gòu)，通過上述公式計算，可以得到915 MHz 諧振點處實現(xiàn)共軛阻抗匹配的基本尺寸。由于偶極子的彎折結(jié)構(gòu)對天線電尺寸的影響，需要通過實際的仿真軟件計算優(yōu)化饋電環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(m1、m2、m3、w1、w2)以達到阻抗匹配的要求。對偶極子的彎折臂進行調(diào)整，是設(shè)計中最為繁瑣的工作，通過對彎折形式和彎折臂各項參數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的緊湊簡潔，達到小型化目的，同時使天線諧振于915 MHz 附近。最后再次調(diào)整饋電環(huán)結(jié)構(gòu)的尺寸，以適應(yīng)改變后的天線電尺寸對阻抗匹配的影響。表1 列出了最終設(shè)計天線的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，完整標(biāo)簽天線的尺寸為20 mm×60 mm。

2 結(jié)果討論

對標(biāo)簽天線仿真采用Ansoft HFSS V10.0。圖5為天線的輻射方向圖，我們知道當(dāng)標(biāo)簽天線的輻射方向圖為全向輻射時，標(biāo)簽就會具有比較好的識別成功率，從圖5 中可以看出，在phi=0°的方向上，標(biāo)簽天線表現(xiàn)出良好的全向性，充分發(fā)揮了偶極子結(jié)構(gòu)天線的優(yōu)點。由于彎折結(jié)構(gòu)對天線增益有一定的影響，導(dǎo)致了增益的下降，但從圖中我們看出，天線的最大增益為0.94 dBi，對比同類型的標(biāo)簽天線，基本符合設(shè)計要求。

圖5 標(biāo)簽天線的輻射方向圖

在HFSS V10.0 中，對于復(fù)數(shù)輸入阻抗天線的回波損耗S11的仿真計算公式為:

其中Zant為天線的實際輸入阻抗，Zcct為標(biāo)簽芯片的阻抗。而在K.S.Leong 的文獻［12］中提出了另一種對于復(fù)數(shù)輸入阻抗的回波損耗計算較為可靠的算法:

為了使結(jié)論更為嚴(yán)謹(jǐn)，本文提到的S11采用了后一種計算方法。

從圖6 中我們可以看到，S11小于-3 dB 的帶寬范圍為884 MHz ～958 MHz，覆蓋了國際通用UHF 頻段的RFID 帶寬范圍860 MHz ～960 MHz 的74%頻段范圍。天線在諧振點915 MHz 處回波損耗為-59.46 dB，實現(xiàn)了非常好的饋電效率。

圖6 標(biāo)簽天線輻射方向圖

圖7為標(biāo)簽天線的輸入阻抗，從圖可以看出天線輸入阻抗的虛部呈現(xiàn)比較明顯的感性阻抗。在實際的仿真過程中發(fā)現(xiàn)，T 型阻抗匹配環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)m1、w1、m3對輸入阻抗的實部有比較明顯的影響，m2與w2對輸入阻抗的虛部影響較明顯，在諧振點915 MHz處，天線的輸入阻抗達到7.40+112.98 Ω，與芯片的阻抗7.40-j113.00 Ω 實現(xiàn)了非常良好的共軛阻抗匹配，這也解釋了圖6 中，915 MHz 處較低的回波損耗，回波損耗小于-10 dB 的帶寬為23 MHz。對于天線帶寬影響最大的參數(shù)是天線的線徑W，1.0 mm 的線徑基本能同時兼顧天線的帶寬要求和天線結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)計要求。也可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要，通過調(diào)整天線的線徑，來達到增大天線帶寬的目的。

圖7 標(biāo)簽天線的輸入阻抗

3 總結(jié)

文章提出了一種結(jié)構(gòu)較為緊湊的小型化標(biāo)簽天線，采用特殊彎折偶極子結(jié)合T 型阻抗匹配環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了良好的小型化設(shè)計目標(biāo)。標(biāo)簽天線的最終尺寸為20 mm×60 mm，較之常見的20 mm×80 mm類型彎折偶極子結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線，在尺寸上縮減了25%，并且實現(xiàn)了較好的阻抗匹配和方向性，在帶寬與增益等性能上符合應(yīng)用需求，具有小型化、結(jié)構(gòu)簡潔、便于PCB 技術(shù)實現(xiàn)且成本低廉等優(yōu)點。接下來的工作需要進一步拓展帶寬、優(yōu)化增益，研究兼顧小型化和高性能的標(biāo)簽天線。

［1］ Tashi，Hasan M S，Yu H.Design and Simulation of UHF RFID Tag Antennas and Performance Evaluation in Presence of a Metallic Surface ［J］. Software，Knowledge Information，Industrial Management and Applications(SKIMA)，2011 5th International Conference，2011，1-5.

［2］ Kim U，Choi J. Design of a Compact Wideband UHF RFID Tag Antenna［C］//Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2010，987-990.

［3］ Min K S，Park G D，Park C K. Design for the Miniaturized RFID Tag Antenna in 910 MHz Band［C］//TENCON 2007 ～2007 IEEE Region 10 Conference，2007，1-4.

［4］ Hu T L，Liu C F，Wang Z Y.Design and Analysis of UHF Tag Antenna Structure ［C］//2011 China-Japan Joint Microwave Conference Proceedings(CJMW)，2011，20-22.

［5］ Koo T W，Kim D，Kim J C.Desigh of a Label-Type UHF RFID Tag Antenna for Metallic Objects［J］. IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2011，10:1010-1014.

［6］ Choi W，Son H W，Choi G.RFID Tag Antenna with a Meandered Dipole and Inductively Coupled Feed［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium，2006，619-622.

［7］ Abdulhadi A E，Abhari R.Design and Experimental Evaluation of Miniaturized Monopole UHF RFID Tag Antennas［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11:248-251.

［8］ Lu J H，Hung K T.Planar UHF RFID Tag Antenna with Bandwidth Enhancement［C］//Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference，2011，1065-1067.

［9］ Zhang H L，Tian X J，Hu B J.Small UHF RFID Tag Antenna with Improved Bandwidth［C］//Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2007，1-4.

［10］ XU L，Hu B J，Wang J. UHF RFID Tag Antenna with Broadband Characteristic［J］.Electronics Letters，2008，44:79-80.

［11］ Lin W，Chu Q X.A Novel RFID Tag Antenna for Matching Complex Impedances on 915 MHz and 2.45 GHz Bands［C］//Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2010，2248-2251.

［12］ Leong K S.Antenna Positioning Analysis and Dual-Frequency Antenna Design of High Frequency Ratio for Advanced Electronic Code Responding Labels［D］. Thesis Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy，2003，123-190.