小型RFID偶極子天線設計與優化*

張亞平，陶 波，陳顯才，吳光華

(華中科技大學 數字制造裝備與技術國家重點實驗，湖北 武漢430074)

射頻識別 RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境，被廣泛應用于物流、防偽等領域。

RFID系統通常由讀寫器、標簽和服務器組成。標簽分有源標簽和無源標簽，無源標簽由天線和芯片構成，結構簡單，成本低。在超高頻頻段，標簽天線常采用半波偶極子天線[1]。偶極子天線具有結構簡單、效率高、制造成本低等優點。

1 偶極子天線設計

1.1 天線結構設計

由半波偶極子天線的定義，天線的總長度為工作頻率下電磁波波長的1/2。結合電磁波在電介質中傳播的波長公式，半波偶極子天線的長度La為：

其中，εr為電介質的相對介電常數，c為電磁波的傳播速度，f為工作頻率。

在實際RFID標簽應用中,天線通常制作在PET等電介質基板表面，式(1)中電介質的相對介電常數 εr須用有效相對介電常數εeff來表示[2]：

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

為了縮減標簽尺寸，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，導致用式(1)計算的天線長度有較大誤差。在設計中，本文先用式(1)估算天線長度，再通過仿真分析進行優化計算。

常用超高頻 RFID標簽芯片的阻抗為復數，并具有較大的虛部。為使標簽的功率傳輸系數τ達到最優值，要求設計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構，本文使用T型阻抗匹配的方法[3]。

本文設計的標簽采用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(電導率 σ=38 MS/m)，厚度為 0.01 mm；基板材料為 PET(相對介電常數εr=3.5)，厚度為 0.05 mm。該天線的基本結構尺寸如表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 天線結構優化

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

表1 尺寸數值

其中，c為電磁波的傳播速度，f為系統工作頻率，Pr為讀寫器的發射功率，Gr為讀寫器天線的增益，Gt為標簽天線的增益，p為讀寫器天線與標簽天線之間的極化損失，Pth為標簽芯片的門限功率，τ為標簽天線與芯片之間的功率傳輸系數，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。當天線與芯片阻抗匹配，即Za=時，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由芯片的設計和制造工藝決定，芯片一經選定，Pth即確定，因而標簽的天線設計是決定標簽性能的關鍵。在讀寫器參數確定的情況下，當標簽天線增益Gt和功率傳輸系數τ達到最大值時，標簽的讀寫距離最大。

標簽天線設計的目的是在標簽尺寸等限制條件下，使得標簽天線的增益Gt和功率傳輸系數τ最大。

在圖1所示天線的基本結構中天線由彎折線和臂L1、L2組成，以達到所要求的長度。由天線長度的計算公式(1)可知，調節天線的總長度能夠調節天線本身的諧振頻率和阻抗。圖2為其他參數不變，改變L1、L2的長度時所得到的阻抗曲線。由圖可見,增大L1和L2的長度，阻抗曲線整體向左移，天線諧振頻率減小，阻抗實部最大值增大，虛部最大值減小。

因此，可以通過調節天線長度來優化天線性能。圖3為L1和L2的值與標簽在915 MHz的增益的關系曲線，隨著L1和 L2增大，標簽的增益也增大。圖 4為 L1和 L2的值與標簽在915 MHz的功率傳輸系數的關系曲線，隨著L1和L2增大，功率傳輸系數先增大后減小，在L1=L2=19.8 mm時達到最大值，此時天線與芯片阻抗匹配達到最佳。圖5是根據式(3)計算的標簽讀寫距離與L1和L2的值的關系曲線，讀寫器發射功率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，標簽理論讀寫距離達到最大值2.56 m，天線的阻抗仿真值為2.83+j148.6 Ω，功率傳輸系數為0.56。

通過調整T型阻抗匹配結構，即調節w和h的大小，能夠進一步優化天線阻抗，使天線阻抗與芯片阻抗匹配得更好。按照改變天線長度的方法，可以得到改變T型阻抗匹配時天線的性能參數，并最終計算得到標簽的理論讀取距離。

圖 6為 L1=L2=19.8 mm，h=9.8 mm時，改變 w的值，得到的標簽理論讀取距離與w的關系曲線。標簽增益隨w增大而增大，功率傳輸系數在w=6.1 mm時達到最大值，理論讀取距離在w=6.1 mm時達到最大值2.68 m。

改變h的值，取得的效果與改變w值相同。圖7為L1=L2=19.8mm，w=6.1 mm時，改變 h的值，得到的標簽理論讀取距離與h的關系曲線。標簽增益隨h增大而增大，功率傳輸系數在h=9.5 mm時達到最大值，理論讀取距離在h=9.5 mm時達到最大值2.7 m。

通過上述優化過程，得到了天線結構參數的較優值，如表2所示。

表2 天線結構參數較優值

2 樣品制作與測試

根據仿真結果，制作了4款天線以作比較，4款天線的結構參數如表3所示。

表3 樣品天線尺寸 (mm)

對于樣品天線，本文使用Agilent ENA5071C矢量網絡分析儀測試了阻抗，并用Atid-570手持式讀寫器(圓極化天線，EIRP=31 dBm)測試了相應標簽的讀寫距離。考慮到制造誤差等因素的影響，每個型號的樣品天線都測試了5組數據，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試結果對比，其中理論讀取距離用式(3)計算。在讀寫距離的計算中，由于忽略了環境干擾、讀寫器內部的能量傳輸損耗以及標簽的能量損耗等因素，理論值大于實測值。阻抗測試因缺少微波暗室，得到的結果與仿真結果有偏差，其中虛部與仿真結果接近，而實部偏大。

表4 天線測試結果數據

4款樣品天線分別選自天線優化設計的不同階段，天線從773～776依次作了改進。從讀取距離的測試結果可見，773～776的讀取距離依次增加，天線776的讀取距離最遠，與仿真結果一致，可見本文所用的優化方法有效。

無源超高頻RFID標簽通常采用偶極子天線，本文采用理論分析和仿真優化相結合的方式設計了一款偶極子天線，并采用T型阻抗匹配結構實現與標簽芯片的阻抗匹配。通過調節天線長度和阻抗匹配結構的尺寸對偶極子天線進行了優化，并制作了4款小型超高頻RFID標簽樣品。測試結果表明，4款樣品標簽的性能與預期的優化結果一致,優化后的標簽讀寫距離達到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