無源超高頻抗金屬標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法綜述*

章國慶，蔣開明，特木爾朝魯

(上海海事大學(xué) 文理學(xué)院，上海201306)

1 引 言

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、交通運(yùn)輸控制管理等領(lǐng)域。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、讀寫器、通信與接口中間層以及進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、交換和管理的應(yīng)用管理系統(tǒng)組成［1］。應(yīng)用于集裝箱、汽車、武器裝備等一系列金屬表面的標(biāo)簽天線，由于牽涉到商品適用性以及環(huán)境適應(yīng)性等復(fù)雜問題，已成為標(biāo)簽天線研究與設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。首先，閱讀器發(fā)射的電磁波會(huì)使金屬物體內(nèi)部形成渦流，渦流產(chǎn)生感生磁場，其磁力線方向與入射電磁波方向相反，因而它不僅削弱了入射電磁場，而且在識(shí)別區(qū)也造成一定的干擾;其次，金屬邊界條件導(dǎo)致金屬表面的磁力線分布趨于平緩，近似平行于金屬表面，當(dāng)標(biāo)簽被貼附于(或靠近)金屬表面時(shí)，天線無法通過“切割”磁力線使標(biāo)簽獲得足夠的電磁能量［2］;第三，當(dāng)天線與金屬板距離很近時(shí)，鏡像電流會(huì)與天線上的電流相互抵消，從而導(dǎo)致天線的阻抗性能急劇變化;第四，金屬表面對天線加感的影響會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小，輻射效率降低。此外，無源標(biāo)簽的芯片與天線直接相連，它們的輸入阻抗都是頻率的函數(shù)，兩者的共軛匹配程度將直接影響標(biāo)簽的性能。當(dāng)普通標(biāo)簽直接應(yīng)用于金屬表面時(shí)，上述原因?qū)?dǎo)致天線的讀寫距離大幅度縮短，方向性、輻射特性及增益等都受到很大的影響。因此，如何根據(jù)實(shí)際情況，從天線外部環(huán)境或者天線自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合天線原理，設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)越的超高頻(Ultra－ High Frequency，UHF)RFID 抗金屬標(biāo)簽天線就成為RFID 技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2 抗金屬標(biāo)簽天線的發(fā)展背景

1999年，F(xiàn)oster 等人［3］發(fā)現(xiàn)金屬物體對射頻、微波波段的RFID 標(biāo)簽的阻抗匹配和輻射模式的影響最為顯著。2005年，Dobkin 等人［4］研究了幾種類型的標(biāo)簽天線在靠近不同物體時(shí)天線的阻抗、方向圖、輻射效率發(fā)生的變化，并指出標(biāo)簽靠近金屬表面時(shí)閱讀距離下降的主要原因在于垂直于入射方向的電場減弱，且需要滿足金屬邊界條件。2006年，Griffin［5］采用無線鏈路預(yù)算(Radio Link Budgets)的方法測得折疊偶極子標(biāo)簽天線在金屬鋁板表面的衰減達(dá)到了10 dB以上。2007年，Aroor 等人［6］用實(shí)驗(yàn)的方法研究了無源UHF RFID 標(biāo)簽天線在靠近金屬物體時(shí)性能的變化，表明UHF 近場標(biāo)簽天線并不能解決標(biāo)簽天線的金屬問題。2013年，Xi 等人［7］通過理論和全波仿真研究了基板厚度對抗金屬標(biāo)簽的影響。

在天線設(shè)計(jì)方面，許多學(xué)者也提出了可行的方法。

(1)1999年，Sievenpiper［8］提出將高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)運(yùn)用到標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中，高阻抗表面是從基板的設(shè)計(jì)入手，通過限制表面波的傳播來提高天線的增益，減小天線的尺寸。隨后，電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)結(jié)構(gòu)［9］和人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)結(jié)構(gòu)［10］在天線基板中逐漸得到應(yīng)用。

(2)類偶極子天線很早就應(yīng)用于RFID 中。2007年，Sim 等人［11］利用EBG 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款偶極子型抗金屬標(biāo)簽。2013年，李榮強(qiáng)等人［12］利用兩個(gè)彎折偶極子天線實(shí)現(xiàn)了寬頻帶。

(3)2004年，Hirvonen 等人［13］就提出將PIFA應(yīng)用到RFID 中。此后，許多學(xué)者［14－16］接連發(fā)明了各種PIFA。

(4)微帶天線性能優(yōu)越且具有金屬接地板，故在抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中最為常見。2005年，Ukkonen 等人［17］研究了金屬面大小與微帶貼片天線性能的關(guān)系。隨后，針對微帶天線在帶寬、阻抗匹配等方面的不足，學(xué)者們提出了許多有意義的改進(jìn)方法［18－20］。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，抗金屬標(biāo)簽天線已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，其中，微帶貼片、開路線結(jié)構(gòu)、可彎曲陶瓷聚合物基板、曲面共形、無芯片、嵌入金屬內(nèi)部等方面的標(biāo)簽，以其小體積、低成本及其大規(guī)模生產(chǎn)和特殊應(yīng)用范圍等方面的特點(diǎn)，必將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域逐步展現(xiàn)它們獨(dú)特的優(yōu)勢。RFID 技術(shù)在軍事和商業(yè)中應(yīng)用不斷增多，也對抗金屬標(biāo)簽天線提出了小型化、寬頻帶、高識(shí)別率、低成本及平臺(tái)適應(yīng)性等一系列要求。與此同時(shí)，天線各參數(shù)之間的“矛盾”，還需要進(jìn)一步深入研究。

3 抗金屬標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法

3.1 調(diào)整天線與金屬面的間距

閱讀器發(fā)出垂直于金屬表面的詢問信號(hào)，經(jīng)反射后與來波疊加形成駐波，標(biāo)簽與金屬邊界的距離為零處電場幅值最小，距離為四分之一波長處電場幅值最大。因此，當(dāng)標(biāo)簽距離金屬表面四分之一波長時(shí)，標(biāo)簽天線可獲得最大的能量，標(biāo)簽的閱讀距離將會(huì)有所提高。文獻(xiàn)［21］通過適當(dāng)選取天線和金屬板的距離，使得彎折偶極子天線能夠較好地應(yīng)用于集裝箱表面。采用泡沫等低介電常數(shù)的填充介質(zhì)將天線提高至四分之一波長處，除了能提高一定的讀寫距離［22］，還能在一定程度上改善天線的帶寬。這種方法原理簡單，但也存在兩點(diǎn)不足:一是增大天線與金屬表面的間距會(huì)增加天線的整體體積，適應(yīng)性較低，安裝不方便;二是不同標(biāo)簽天線的性能不相同，不同基材的性質(zhì)亦不相同，對每種甚至每個(gè)天線都要通過多次試驗(yàn)才能確定最佳位置，因而給實(shí)際應(yīng)用帶來了諸多不便。

3.2 采用吸波材料

當(dāng)標(biāo)簽直接貼在金屬表面時(shí)，由鏡像電流和干擾信號(hào)導(dǎo)致的天線輻射效率的降低在一定程度上可采用吸波材料來克服［23］。電磁吸波材料能阻止金屬表面的高頻反射波。將吸波材料置于標(biāo)簽和金屬板之間，當(dāng)高頻能量通過吸波材料時(shí)，會(huì)與材料中的吸波介質(zhì)發(fā)生磁環(huán)路諧振以及環(huán)路的渦流損耗，最后以熱能形式損耗掉，即共振吸收。由于沒有反射波的干擾，標(biāo)簽的性能會(huì)有一定程度的提高。吸波材料的種類很多，常見的有鐵氧體吸波材料、泡沫吸波材料等。吸波材料性能優(yōu)越，多用于航天設(shè)備和微波暗室中，但較高的成本使其很難在標(biāo)簽設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。

3.3 引入高阻抗表面基板

當(dāng)標(biāo)簽天線貼在金屬表面時(shí)，其性能的下降與表面波的存在有關(guān)。一方面，表面波將電磁能量束縛在介質(zhì)層周圍，使電磁波無法輻射，降低了天線的輻射效率;另一方面，表面波會(huì)在介質(zhì)斷截面處發(fā)生輻射與繞射，導(dǎo)致天線的方向圖產(chǎn)生波紋［8］。高阻抗表面是一種超材料結(jié)構(gòu)，在一定頻率范圍內(nèi)體現(xiàn)磁壁特性，其頻率范圍取決于結(jié)構(gòu)的基本幾何特性。高阻抗表面可以抑制貼片天線中表面波的傳播，進(jìn)而提高標(biāo)簽天線的定向增益，減小后向輻射和旁瓣電平，在一定程度上使天線保持較薄的厚度。因此，高阻抗表面既可以改善天線的性能，又可以使普通標(biāo)簽天線(類偶極子天線)正常工作于金屬表面。EBG 結(jié)構(gòu)基板和AMC 結(jié)構(gòu)基板都具有高阻抗表面，因此在抗金屬標(biāo)簽天線中得到了廣泛應(yīng)用。

所謂EBG 結(jié)構(gòu)，就是通過合理地選擇介質(zhì)的尺寸、材料和形狀，讓一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中排列成周期性結(jié)構(gòu)。特定的EBG 結(jié)構(gòu)不僅能抑制特定頻帶的電磁波的傳播，而且在特定頻率下能夠?qū)Ψ瓷洳ǖ南辔贿M(jìn)行特定的調(diào)制。最典型的EBG 結(jié)構(gòu)是蘑菇狀結(jié)構(gòu)［24］。用由兩層(具有金屬過孔的)金屬貼片陣列、兩層電介質(zhì)材料與一層金屬地板構(gòu)成的EBG 材料制成的接地板在915 MHz附近有一個(gè)禁帶隙，它不僅能抑制表面波的傳播，而且可以同相地反射電磁波，從而使得位于其上的偶極子天線能夠正常工作。當(dāng)電磁波垂直入射于此EBG 材料板時(shí)，其表面阻抗

式中，ω 是入射波頻率，該結(jié)構(gòu)的上層可視為等效電容C，連接下金屬地板的過孔可視為等效電感L，整個(gè)表面結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)集總回路。當(dāng)諧振時(shí)，表面阻抗無窮大，可以有效地抑制表面波的泄漏。

AMC 結(jié)構(gòu)由三部分組成，如圖1所示，底部是理想電導(dǎo)體(Perfect Electric Conductor，PEC)地板，最上層是周期性排列的金屬貼片，兩者之間填充介質(zhì)，而且金屬貼片與地板之間由一個(gè)金屬過孔相連。AMC 結(jié)構(gòu)基板除了能抑制表面波的傳播、同相位地反射垂直入射的電磁波，還可以抑制金屬表面對天線電流的短路效應(yīng)，這些優(yōu)點(diǎn)保證了天線具有良好的性能［25］。

圖1 AMC 基板示意圖Fig.1 Schematic diagram of AMC substrate

AMC 結(jié)構(gòu)的等效電路模型如圖2所示。上層金屬貼片間的等效電容為Cequ，金屬過孔及地板形成的等效電感為Lequ，它們組成了一個(gè)并聯(lián)諧振電路，其諧振頻率即為AMC 結(jié)構(gòu)的中心頻率。等效電容和等效電感可表示為

式中，L 為方形貼片的邊長，W 為AMC 結(jié)構(gòu)單元的尺寸，ε1為頻率選擇層介質(zhì)的介電常數(shù)，ε2為嵌入金屬過孔的介質(zhì)的介電常數(shù)，g 為上層貼片之間的縫隙距離，h 為上層頻率選擇性表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)和下層地板之間的介質(zhì)層的高度。于是AMC 的諧振頻率為

圖2 AMC 結(jié)構(gòu)等效電路Fig.2 The equivalent circuit of AMC structure

由EBG 材料或AMC 材料制作的基板一般具有小型化、高增益和平臺(tái)容忍性3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

(1)小型化

在AMC 結(jié)構(gòu)中，縫隙寬度變窄，等效電容會(huì)增大，則諧振頻率變小;介質(zhì)層厚度變薄，等效電感會(huì)減小，則諧振頻率增大。因此，減小縫隙寬度(即減小整個(gè)基板的表面尺寸)，同時(shí)降低介質(zhì)層的厚度，即可實(shí)現(xiàn)AMC 基板的小型化。Sharma 等人［26］通過中間金屬層和縫隙結(jié)構(gòu)來提高等效電容和等效電感，實(shí)現(xiàn)了天線尺寸的小型化。

(2)高增益

與一般的標(biāo)簽天線相比，EBG 或AMC 材料的引入使得標(biāo)簽天線的背瓣降低，從而提高了天線的輻射增益，增大了標(biāo)簽的識(shí)別距離。文獻(xiàn)［27］采用AMC 材料基板實(shí)現(xiàn)了低剖面天線，在最小敏感度為－17 dBm條件下測得識(shí)別距離達(dá)到12.2 m。

(3)平臺(tái)容忍性

不僅要求標(biāo)簽天線能抗金屬，而且需要天線降低對環(huán)境的耦合。EBG 和AMC 材料基板僅從具體結(jié)構(gòu)出發(fā)來實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線的抗金屬特性，體現(xiàn)了它對天線的容忍性。大多數(shù)抗金屬標(biāo)簽在設(shè)計(jì)之初就考慮到金屬的影響，因而造成其在一般物體表面性能有不同程度的下降，因此第二種容忍性體現(xiàn)為對環(huán)境的容忍性。Zuffanelli 等人［28］通過AMC 材料實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于光盤上的抗金屬標(biāo)簽，并證實(shí)其具有良好的平臺(tái)容忍性。

一般的高阻抗表面具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這使得加工困難，而且也增加了制造成本，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、成本低廉的EBG 或AMC 材料成為抗金屬標(biāo)簽天線領(lǐng)域中嶄新的研究方向。

3.4 采用PIFA 或微帶天線

微帶天線或PIFA 需要金屬接地板，因此可將金屬表面作為其地平面，從而達(dá)到抗金屬的效果。此外，微帶天線具有高方向性、體積小、重量輕、輪廓低、容易加工、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用微帶天線設(shè)計(jì)抗金屬標(biāo)簽天線是最常用的方法。微帶天線初始尺寸可通過以下公式確定。設(shè)基板厚度為H，介電常數(shù)為εr，天線諧振頻率為f，則等效輻射貼片寬度W 為

式中，c 為光速。天線輻射貼片的長度一般取λe/2，λe為介質(zhì)中的波長:

考慮到邊緣的短路效應(yīng)，實(shí)際的長度L 應(yīng)為

式中，εe為等效介電常數(shù)，ΔL 為等效輻射縫隙長度:

不同于研究天線的外部環(huán)境，利用微帶貼片天線來設(shè)計(jì)抗金屬標(biāo)簽天線，則更加關(guān)注于天線自身結(jié)構(gòu)對阻抗匹配、帶寬及小型化等方面的影響。

3.4.1 阻抗匹配

(1)T 型匹配網(wǎng)絡(luò)

微帶天線采用共面匹配網(wǎng)絡(luò)可以使天線保持平面結(jié)構(gòu)和低剖面。在抗金屬標(biāo)簽天線中，常用的T型匹配屬于并聯(lián)匹配類型，其結(jié)構(gòu)由輻射單元及彎折結(jié)構(gòu)組成，可看成是兩個(gè)不同尺寸、相互平行的耦合偶極子天線，如圖3所示。T 型匹配的等效電路如圖4所示，該結(jié)構(gòu)在保持天線輻射單元不變的條件下，通過改變匹配網(wǎng)絡(luò)的尺寸a、b、w 及w'來調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，即可實(shí)現(xiàn)天線與芯片之間的共軛匹配。

圖3 T 型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of T－match network

圖4 T 型匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路Fig.4 The equivalent circuit of T－match network

(2)開路或短路短截線結(jié)合嵌入式饋電

恰當(dāng)長度的開路或短路短截線能提供任意電抗或電納值，因此，在微帶天線中引入開路或短路短截線結(jié)構(gòu)可調(diào)整微帶天線的阻抗。

采用短截線結(jié)構(gòu)的微帶天線其阻抗主要靠饋電嵌入深度與短截線的長度來調(diào)節(jié)。嵌入式饋電的標(biāo)簽天線的輸入阻抗為

式中，ZA為邊緣饋電的天線阻抗值，Linset為嵌入的深度。由式(10)可知，增加嵌入的深度Linset可以降低天線的輸入阻抗，若嵌入深度過大，則會(huì)引起交叉極化，影響輻射方向圖的形狀。

短路短截線多用于匹配具有較大電抗的芯片，且其長度在小于四分之一波長時(shí)，天線輸入阻抗的虛部值會(huì)隨著其長度的增加而增加。此外，調(diào)節(jié)短路過孔與芯片之間的距離在一定程度上也可以調(diào)節(jié)標(biāo)簽天線的阻抗。

與短路短截線相比，開路短截線阻抗調(diào)節(jié)范圍較大且適用于具有較小電抗的芯片。對于確定虛部的芯片，采用開路短截線比用短路短截線要長四分之一波長，但開路短截線可以采用彎折等方法降低天線的總體尺寸。此外，采用開路短截線設(shè)計(jì)的微帶天線是完全平面結(jié)構(gòu)，無需過孔或短路墻，用導(dǎo)電油墨加工，可大大降低成本。開路短截線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是天線帶寬較窄。

吳庭萬［29］提出了一種適用于金屬表面的、具有完全平面結(jié)構(gòu)的微帶標(biāo)簽天線，如圖5所示。通過加載感性負(fù)載，提高了天線的帶寬;采用開路線結(jié)構(gòu)，可在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻抗。天線整體結(jié)構(gòu)簡單，有效地降低了制作成本。

圖5 彎折開路線結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線Fig.5 Tag antenna with bending open－circuited stub

(3)其他饋電方式

圖6所示的臨近耦合饋電屬于電感耦合饋電方式，因此可在標(biāo)簽天線中引入電感效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)一般由輻射單元與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，標(biāo)簽芯片多位于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上。電感的強(qiáng)度(耦合度)由該結(jié)構(gòu)中環(huán)的尺寸及環(huán)長與寬的比值決定，天線輸入阻抗的虛部主要與環(huán)的尺寸有關(guān)。Ryoo 等人［30］提出了一種基于臨近耦合饋電結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線，該天線的3 dB帶寬為32.2%(799～1093 MHz)，識(shí)別距離超過10 m。

圖6 臨近耦合饋電結(jié)構(gòu)Fig.6 Proximity－coupled feed structure

縫隙耦合饋電［31］多用于平面偶極子天線和微帶貼片天線中，該方式通常是在接地板上開一定形狀的縫隙，天線的電抗值隨縫寬的減小而逐漸變小。該饋電方式最大的特點(diǎn)是隔離了輻射貼片與微帶饋線之間的輻射，使得微帶線的輻射不會(huì)對輻射貼片形成干擾。當(dāng)基板具有高介電常數(shù)時(shí)，縫隙耦合饋電方式有很強(qiáng)的共軛匹配能力。此外，合適的縫隙還可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化及多頻特性。

3.4.2 寬頻帶

EPC C1G2 規(guī)定的UHF RFID 全球頻率范圍為860～960 MHz，而世界各地使用的頻率范圍都不一樣。此外，用微帶天線或PIFA 設(shè)計(jì)的抗金屬標(biāo)簽天線的3 dB帶寬一般只有15～20 MHz，這在很大程度上限制了標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。為應(yīng)對全球物流的不斷發(fā)展，寬帶抗金屬標(biāo)簽天線是一大發(fā)展趨勢，并且較寬的頻帶能對由不同材料、加工誤差引起的天線諧振頻率漂移和阻抗變化起到一定的緩和作用。

(1)減小天線的Q 值

微帶天線屬于諧振式天線，品質(zhì)因數(shù)較高，因此增益較高，閱讀距離也較遠(yuǎn)，但高品質(zhì)因數(shù)往往導(dǎo)致微帶天線的帶寬比較窄。

降低天線的Q 值可以增加天線的帶寬。降低Q值的一般方法是增大基板厚度，或者采用相對介電常數(shù)較低的基板。這些方法雖然簡單有效，但會(huì)導(dǎo)致天線的輪廓變大。

(2)提高阻抗匹配的程度

阻抗匹配的程度直接影響帶寬，尤其當(dāng)偏離諧振頻率時(shí)，天線輸入阻抗的電抗分量的改變將導(dǎo)致阻抗失配。因此，要實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線的寬頻帶特性，就必須使標(biāo)簽天線的阻抗在一定的頻帶范圍內(nèi)保持在芯片的共軛阻抗值附近。除了前文提及的方法外，縫隙耦合寄生貼片、L 型探針饋電和T 型探針饋電都可以在實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的同時(shí)增大帶寬。

(3)開縫或開槽

微帶天線中常采用開槽的方法實(shí)現(xiàn)雙頻和增大帶寬。開槽(縫)就是在微帶天線輻射面上嵌入合適的隙縫，用以激發(fā)新的諧振頻率來展寬帶寬，一般經(jīng)開槽后，微帶天線的帶寬可以增大到原來的2～3倍，從而大大改善了微帶天線帶寬窄的缺點(diǎn)，同時(shí)還保留了微帶天線小型化及低輪廓的特征。常見的槽或縫隙有U 形、L 形和E 形等。Bashri 等人［32］利用電感耦合饋電網(wǎng)絡(luò)對兩個(gè)C 形貼片饋電，實(shí)測3 dB帶寬達(dá)到了155 MHz。Lin 等人［33］提出了一種頻率可重構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線，也可認(rèn)為是展寬頻帶的一種方法。

3.4.3 小型化

天線的輻射效率與其電尺寸成比例，電尺寸越大則輻射效率越高。在實(shí)際的應(yīng)用中，很多環(huán)境對抗金屬標(biāo)簽的尺寸都有嚴(yán)格的要求，為提高天線的輻射效率，應(yīng)充分利用有限的設(shè)計(jì)空間。

一般要求微帶天線的有效長度為諧振波長的一半，某些領(lǐng)域無法滿足小型化的需要，因此需進(jìn)行一些必要的改進(jìn)。PIFA 尺寸小，但PIFA 的制造較為復(fù)雜，成本也高。在微帶貼片天線和PIFA 的設(shè)計(jì)中，有下面幾種方式可實(shí)現(xiàn)小型化。

(1)采用高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的介質(zhì)作為天線基板

如矩形微帶天線其諧振頻率為

結(jié)合式(8)和式(11)知，為保證天線的諧振頻率不變化，增加εr就必須相應(yīng)地減小天線尺寸，但較高的εr會(huì)導(dǎo)致天線的Q 值很大，并造成天線帶寬變窄、匹配困難等問題。因此，在高介電常數(shù)基板上設(shè)計(jì)易于匹配、寬帶和高增益的微型化標(biāo)簽天線就顯得非常重要。同樣，采用高磁導(dǎo)率的基板也有類似效果，但仍有天線帶寬變窄、表面波增強(qiáng)等缺點(diǎn)。

高介電常數(shù)基板不僅可以減小天線的尺寸，而且還能提高金屬和天線間的隔離度。陶瓷材料因具有介電常數(shù)高、損耗值低的優(yōu)點(diǎn)逐漸在抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)［34］利用了陶瓷材料和PIFA，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。

(2)曲流技術(shù)

貼片表面或接地板的槽或細(xì)縫使電流繞著槽邊曲折流過，增加了電流路徑，在天線等效電路中相當(dāng)于引入了級(jí)聯(lián)電感，降低了天線的諧振頻率。為保證天線的諧振頻率不變，必然要減小貼片的尺寸(即減小等效電容值)。

槽或縫隙不會(huì)改變天線原有的結(jié)構(gòu)，保持了天線低剖面的特點(diǎn)。此外，選擇適當(dāng)?shù)牟劭梢约?lì)極化簡并模，以實(shí)現(xiàn)雙頻工作。雖然曲流技術(shù)應(yīng)用廣泛，但槽或縫的尺寸過小會(huì)引起帶寬和增益的減小。

(3)短路加載技術(shù)

常見的短路加載有短路銷釘、短路金屬面與短路片。在天線貼片與接地面之間接短路單元，使得微帶貼片在電位零線處形成對地短路，可以使半波微帶貼片的電長度從二分之一波長縮減為四分之一波長。對于PIFA，在靠近同軸探針饋電點(diǎn)附近加載短路探針并在零電位線處對地端接，也具有同樣的效果，而且短路探針和同軸饋電探針距離很近，形成強(qiáng)耦合，等效于加載了一個(gè)電容，從而降低了天線諧振頻率，進(jìn)一步減小貼片尺寸。加載短路銷釘?shù)娜秉c(diǎn)主要有匹配困難(銷釘?shù)奈恢眉捌渑c饋電點(diǎn)的距離需要精確定位)、帶寬窄、H 面交叉極化電平相對較高、成本增加、天線輻射效率大大降低(天線的輻射邊減少了一半)。因此，短路加載技術(shù)的應(yīng)用范圍有限。

(4)采用分形結(jié)構(gòu)

分形天線具有分?jǐn)?shù)維特性和自相似性兩個(gè)顯著特點(diǎn)［35］，在天線的設(shè)計(jì)中則體現(xiàn)為尺寸縮減特性和多頻段特性。分形結(jié)構(gòu)的自相似性決定了電流分布的自相似性，因此可以提高天線的功率容量和阻抗帶寬。在有限的空間區(qū)域內(nèi)，如果天線采用分形幾何結(jié)構(gòu)，那么隨著分形維數(shù)的增加，曲線的總長度也不斷增加，就會(huì)導(dǎo)致天線具有多頻特性。文獻(xiàn)［36］利用分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗金屬標(biāo)簽天線尺寸僅為36.7 mm×18.1 mm×3.2 mm。由此可見，分形天線在減小天線尺寸方面具有很大的潛力。

4 展 望

閱讀器天線一般為圓極化，標(biāo)簽天線多數(shù)為線極化，這樣有利于識(shí)別，但存在極化損失。理論上，如果標(biāo)簽天線也是圓極化的，則接受的能量可提高3 dB，最大閱讀距離可增大41%。因此，圓極化抗金屬標(biāo)簽天線發(fā)展前景良好。如圖7所示，Chen 等人［37］在方形貼片中央嵌入了一個(gè)十字形槽用以激發(fā)圓極化，同時(shí)一個(gè)L 形開路線連接到芯片的一個(gè)引腳，芯片另一端通過一個(gè)容性耦合的短路探針連接接地板，選擇合適的微帶線長度和耦合距離，可以方便實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。圓極化天線需要解決帶寬窄的缺點(diǎn)。

圖7 圓極化抗金屬標(biāo)簽天線Fig.7 Anti－metal tag antenna with circular polarization

采用單個(gè)天線是造成閱讀距離短的一個(gè)原因。陣列天線具有高方向性、高增益等優(yōu)點(diǎn)，因此陣列抗金屬標(biāo)簽天線也逐漸得到了研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)［38］將陣列天線交叉連接到芯片上，在866 MHz及915 MHz實(shí)現(xiàn)了雙頻。目前，陣列天線基本上都位于同一個(gè)平面內(nèi)，整體體積較大，與小型化相違背。

抗金屬標(biāo)簽天線多為平面結(jié)構(gòu)，難以彎曲，因此應(yīng)用于曲面的共形標(biāo)簽天線成為另一個(gè)研究熱點(diǎn)。Cho 等人［39］提出的由導(dǎo)電織物和易彎曲的聚四氟乙烯材料構(gòu)成的寬帶抗金屬標(biāo)簽天線適合用于曲面物體上，兩個(gè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)的槽不僅能夠調(diào)節(jié)天線阻抗，還能獲得84 MHz的帶寬。Jain 等人［40］研究了標(biāo)簽天線在金屬圓柱物體表面的性能，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽沿著軸線放置比圍繞圓柱表面放置性能好，尤其在半徑較小時(shí)。

無芯片標(biāo)簽早在2006年就被提出，且在節(jié)約成本方面有著巨大的潛力。表面聲波標(biāo)簽采用時(shí)域模塊編碼信息并發(fā)射信號(hào)，但區(qū)域編碼比特有限。另一類無芯片標(biāo)簽利用諧振結(jié)構(gòu)將信息編碼成頻譜，具有信息存儲(chǔ)大、識(shí)別距離遠(yuǎn)、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，但天線尺寸隨信息量的增大而劇烈增加。隨后，兩個(gè)垂直極化的天線結(jié)構(gòu)、基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的無芯片標(biāo)簽［41］相繼出現(xiàn)。Rezaiesarlak等人［42］采用space－time－frequency 防沖突方法來識(shí)別極點(diǎn)和區(qū)分處于不同位置的標(biāo)簽，為提升無芯片標(biāo)簽的性能提供了一定的依據(jù)。

抗金屬標(biāo)簽天線與算法的結(jié)合也引起了人們的研究興趣［43］。嵌入金屬內(nèi)部的標(biāo)簽［44］適用于絕密軍事裝備或高昂油井鉆頭內(nèi)部，無法拆卸和仿制，今后必將成為標(biāo)簽領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)概念的推廣、射頻識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展對標(biāo)簽天線提出了新的要求。金屬邊界使普通標(biāo)簽天線的阻抗匹配、帶寬和輻射方向圖等性能出現(xiàn)不同程度的下降。本文從外部環(huán)境和天線設(shè)計(jì)出發(fā)，詳細(xì)介紹了4 種無源超高頻抗金屬標(biāo)簽天線的原理及設(shè)計(jì)方法，在分析各方法優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí)，討論了其對標(biāo)簽天線各方面的影響，最后展望了無源超高頻抗金屬標(biāo)簽天線在今后比較具有潛力的發(fā)展方向，以期為從事此方面研究的人員提供參考。

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