一種全球通用的小型超高頻標簽天線設計

譚立容 王從屹 伍瑞新

（1.南京大學電子科學與工程學院，江蘇 南京210093；2.南京信息職業技術學院，江蘇 南京210046）

引 言

無線射頻識別（RFID）技術是利用射頻信號來自動識別物體的一種技術。RFID系統一般由電子標簽（包括芯片和標簽天線）、閱讀器和電腦等組成［1］。當前，射頻識別常用的工作頻率有低頻頻段（125kHz、134kHz）、高頻頻段（13.56MHz）、超高頻（UHF）段（840～960MHz）和2.45GHz以上的微波頻段等。超高頻段和微波頻段由于具有操作距離遠、通信速度快、尺寸小等優點，已在停車收費、物流、公共交通和汽車安全防盜等領域逐漸得到應用。

全球各國家對UHF RFID工作頻段的規定不同，例如840～845MHz（中國）、920～925MHz（中國）、868～870MHz（歐洲）、902～928MHz（北美和南美）、952～954MHz（日本），這個給射頻識別技術的全球化應用造成了一定的困難。設計一種能覆蓋世界各國UHF RFID頻率范圍的標簽天線，對于RFID技術的全球化應用是極為重要的。例如，隨著物流的發展RFID標簽常用于貨物的自動識別中。要在全球范圍內使貨物容易地被識別，就必須要求RFID標簽能工作在一個很寬的頻帶內，從而保證標簽中的信息能在世界各地被正確地識別出來。

為了使RFID標簽能工作在全球UHF RFID頻段（840～960MHz）內，首先要求標簽天線能工作在上述頻率范圍。為此，人們研究了展寬UHF標簽天線工作頻帶的各種技術，常見方法有：1）采用電感耦合結構［2］；2）采用電容耦合結構［3］；3）通過調節T 型匹配網絡實現寬頻帶標簽天線［4－5］；4）采用兩個寄生貼片激發新的波模來增加帶寬［6］，這些方法所得到的UHF標簽天線雖然達到了展寬工作頻帶的目的，但常常需要以較大的天線尺寸為代價，它不能滿足電子標簽小型化的要求。雖然低溫共燒陶瓷（LTCC）技術［7］、彎折的微帶線［8］、引入分形縫隙環結構［9］和采用圓環結構［10］等方法已被用于電子標簽小型化中，但所得標簽天線的帶寬往往不能覆蓋全球UHF RFID頻段。到目前為止，在國內外文獻報道中做得較好的標簽天線半功率帶寬從823 MHz到971MHz（其尺寸為83mm×85.5 mm）［11］。由上可見，要實現工作頻帶寬尺寸小的UHF標簽天線仍然是困難的。而如何實現寬帶小型化的標簽天線是RFID技術實際應用中必須要解決的問題。

針對寬頻帶標簽天線研究中的問題，本文中提出了一個新的標簽天線結構，它使用了一對相互連接的開口諧振環和一個電感耦合引向線來實現天線的寬帶和小型化。優化設計后的天線在VSWR＜1.22的工作頻帶達170MHz（790～960MHz），覆蓋了全球所有的UHF頻段。結合具有寬頻特性的商業標簽芯片（RI－UHF－STRAP－08），實際制作了超高頻RFID標簽。對該電子標簽的實際測量表明：設計仿真結果和實驗結果相一致，具有較好的工作性能，能夠在多種工作環境下工作。天線還具有結構簡單、體積小、易于制造的優點。

1 新型標簽天線結構設計與性能

在電磁工程領域中，超常材料常常用來減小微波器件的尺寸［12－13］。開口諧振環（SRR）是一種構建超常材料的基本單元，它已被用在許多微波器件如天線等的設計中。在電磁場作用下，金屬諧振環具有電感L，開口處表現出電容C和金屬有限電導率導致的電阻R，整個開口諧振環可以等效為一個由電容、電感和電阻串聯的諧振電路。在微波段金屬電阻的影響常可忽略，開口諧振環可看作在外加場感應下的LC諧振器［14］。開口諧振環具有亞波長諧振特點，它已被用于微波器件的小型化設計中，諧振頻率跟開口諧振環具體尺寸大小有關。

本設計采用將兩個大小不一樣的開口諧振環相互連接，構成相互連接的開口諧振環對。通過尺寸優化實現小尺寸SRR的諧振頻點毗鄰大尺寸SRR的諧振頻點，達到拓寬標簽天線工作頻率范圍、構造小型寬帶標簽天線的目的。圖1（a）給出了所提出的天線結構，它包括了一對相互連接的開口諧振環和一個電感耦合引向線，后者是用來獲取更好的天線輻射特性。

圖1

應用射頻仿真軟件（HFSS）對該標簽天線結構尺寸進行優化設計。在厚度為1.5mm的FR4電路板上天線尺寸的最終尺寸為（單位：mm）：L3＝19.03，X3＝2，A2＝0.43，A1＝2.5，L1＝40.32，W1＝20.1，L2＝9.69，W2＝9.4，X1＝3，X2＝2.在設計中已經考慮到了天線和射頻芯片之間的阻抗匹配。圖2給出了仿真得到的天線電壓駐波比，天線在790～960MHz范圍內駐波比均小于1.22.因此，該天線可以很好地工作在全球所有的RFID UHF頻段上。圖3給出了天線輻射方向圖的仿真結果。結果顯示天線在E面表現出典型的偶極子天線的輻射特性；在H面上則近似全向輻射，能夠滿足在實際應用中要求能從各個方向上讀取電子標簽信息的需求。由仿真得到該天線在915MHz頻率的天線效率為63.8%.

作為比較在表1中列出了本文設計天線和目前國內外其它寬帶小型UHF標簽天線的天線尺寸和工作頻率。可以看到所提出的標簽天線具有頻帶寬和面積小的特點，其綜合性能優于大多數同類寬帶超高頻標簽天線。

表1 UHF寬帶標簽天線比較

2 新型電子標簽的制備與性能測試

基于上述優化設計的天線尺寸，在FR4環氧樹脂基板（εr＝4.4，tanδ＝0.002））上實際制作了RFID標簽。電子標簽中的射頻芯片采用了Ti公司的 RI－UHF－STRAP－08，它的工作頻率覆蓋了所需要的頻率范圍。圖1（b）給出了RFID標簽實物照片。RFID標簽的尺寸大小為40.32mm×25.23 mm.

為了證明制備的天線具有寬頻的特性，測量了天線的輸入阻抗。實際測量中需要將天線和信號源的同軸線端口連接。考慮到RFID標簽天線是一種平衡式天線結構而同軸線為不平衡饋電結構，直接連接標簽天線與同軸線直接影響輸入阻抗的測量精度。為此，采用在文獻［15］中使用的標簽天線輸入阻抗測試方法，將標簽天線通過一個平衡／不平衡轉換器（見圖4）與測量儀表矢量網絡分析儀PNA8363連接。通過測量同軸端口的散射參數S11＼S22＼S21＼S12，標簽天線的輸入阻抗可以用文獻［15］中公式計算。

圖4 測試夾具和標簽天線

圖5是采用上述方法得到的標簽天線輸入阻抗實部和虛部。測試結果和HFSS軟件仿真結果相一致，標簽天線的輸入阻抗和所用標簽芯片阻抗基本上共軛匹配（芯片在915MHz時的阻抗為9.9－j60.53Ω）。同時在所關注頻段內阻抗變化緩慢，從而有助于實現天線在全球UHF RFID頻段（840～960MHz）內工作頻帶寬，以及較低的電壓駐波比。

圖5 標簽天線輸入阻抗的頻率特性

在微波暗室中，采用Alien公司的 ALR－9900 RFID閱讀器和圓極化讀寫器天線測量了所制備的電子標簽的讀取距離。圖6給出了該電子標簽在微波暗室的讀取距離方向圖。可以看到電子標簽的讀取距離與標簽在空間的取向是有關系的。在E平面內，讀取距離隨方位角的不同而不同，但是在H面內讀取距離和方位角基本無關，其結果和仿真得到天線輻射方向圖結果基本一致。

讀取距離不但和天線方位角有關，而且還與標簽所處的背景材料有關。表2列出了電子標簽貼在不同材料表面時的最大讀取距離。顯然，在不同材料表面的讀寫距離是不同的，然而即使是貼在金屬表面上標簽仍能被識別。表中的讀寫距離數據表明：該電子標簽能夠滿足近距離RFID應用，如用作包裹和行李等物品的識別等。

圖6 天線讀取距離方向圖測量結果

表2 標簽天線讀取距離

3 結 論

本文設計并實現了一種新型的小型寬帶超高頻標簽天線。該標簽天線的工作頻帶（對應VSWR＜1.22）達到170MHz（790～960MHz），覆蓋了全球所有的UHF頻段。比起大多數同類寬帶標簽天線，它具有更小的尺寸和更寬的帶寬，同時結構簡單、制作方便。對實際制備的電子標簽的測試結果表明：該標簽能夠應用于不同的材料（包括金屬）物體表面，其讀寫距離能滿足從四周讀取電子標簽信息的需求，適合近距離RFID應用。

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