無源UHF超高頻標簽天線設計與研究

2014-04-29 00:44:03賞書誠

計算機時代 2014年1期

賞書誠

摘要：無源UHF頻段RFID技術信號傳輸速度快，覆蓋距離遠，通過與互聯網、通訊等技術相結合，可實現全球范圍內物品的跟蹤與信息共享。該技術由射頻模擬前端電路、控制邏輯電路等組成的無源UHF超高頻射頻識別標簽系統，由外接天線與讀寫器完成通信，天線既要與識別標簽相匹配，又要與讀寫器較好地通信，天線決定了標簽是否能正常工作，同時也決定了信號傳輸的距離。為此，通過研究天線的匹配阻抗、形狀尺寸與大小，以及頻帶的設計，探索出了低成本、高可靠的天線設計方案。

關鍵詞：超高頻；射頻識別；標簽；天線；阻抗匹配

中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）01-07-04

0 引言

RFID射頻識別技術具有非接觸性識讀、可識別高速運動物體、信息容量大、保密性好、抗惡劣環境、準確性和安全性高、可識別多個識別對象、硬件體積小、壽命長、可重復使用等優點。RFID射頻識別技術廣泛應用于工業生產和日常生活的各個方面，如：物流運輸、商品零售、醫療系統、防偽標識、智能交通等。

1 射頻識別系統概述

射頻識別技術（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術，利用射頻信號空間傳輸特性，實現自動識別和數據交換，RFID系統由電子標簽（TAG）、射頻識別閱讀器（Reader）和計算機數據交換管理系統等三部分組成，典型RFID系統如圖1所示。

計算機通過軟件控制整個系統的工作過程，并向讀寫器發送信號，讀寫器通過天線發送出一定頻率的射頻信號給標簽，標簽識別來自讀寫器的信號后，通過天線發送相應的信號響應到該讀寫器。計算機同時接收并處理讀寫器返回的信息，進行相關控制與處理，然后發出相應的指令信號；RFID標簽進入讀寫器的工作場范圍內時，通過其天線產生感應電流，從而使RFID標簽被激活后向閱讀器發出編碼等，RFID電子標簽的數據信息從接收到的射頻脈沖信號中解調出來，并將數據發送到相關的控制邏輯系統，邏輯控制系統接收到信息指令后進行數據的存儲、發送以及其他相關操作；閱讀器接收到來自于電子標簽的相應載波信號后，對接收到的信號實施解調、解碼，然后送到計算機主機，由計算機主機進行數據處理；標簽和閱讀器之間的交互通信操作會遵從一個特定命令協議，此協議已規定了閱讀器對在其通信工作范圍內的單個電子標簽或多個電子標簽進行操作通信全過程。

其中閱讀器通過天線與電子標簽通過電磁波傳輸，傳輸過程如圖2所示。

無源超高頻射頻識別（UHF RFID）電子標簽一般由天線、射頻模擬前端電路、控制邏輯電路、數字基帶電路和存儲器等部分組成。而射頻模擬前端電路又由射頻前端電路、電源管理模塊、時鐘產生電路組成[2]。典型的RFID電子標簽系統如圖3所示。

2 無源UHF超高頻標簽天線

天線是電子標簽惟一的外接部分，它主要負責接收來自閱讀器的射頻信息能量以及閱讀器發送給電子標簽數據信號，同時通過反向散射調制處理將電子標簽的信息發送返回給閱讀器。

UHF RFID電子標簽使用的天線應具備以下特點：全向性[3]，或至少半球輻射的特性；尺寸盡量小，滿足電子標簽的面積要求，能方便地將標簽貼到物體上；能與標簽芯片阻抗能良好地匹配；具備線極化或者是雙極化的特性；滿足設計要求的增益；成本低。

根據這些設計要求，我們在對天線幾種設計方式的主要性能指標作詳細分析的基礎上，設計出最符合要求的UHF RFID標簽的天線。

3 偶極子天線性能指標

偶極子天線的主要性能包括：天線的輸入阻抗、增益、諧振頻率、極化方式、波瓣寬度、頻帶寬度等設計參數。

3.1 天線的輸入阻抗

經計算后可得到半波長偶極子天線輻射電阻Rr等于73Ω，若RFID系統在工作頻率范圍之內，該天線阻抗就可以與電子標簽芯片的阻抗進行極好匹配。

當阻抗不能極好地匹配時，就存在著入射波以及反射波，反射系數G是反射波的幅度同入射波的幅度比值，此時回波損耗是反射系數導數，也就是說S11=20lg（Γ），并且駐波比VSWR是波腹電壓同波節電壓的幅度之比，也就是，當反射系數G越小，回波損耗 S11的值也就越大，當VSWR駐波比的值趨近于1時，天線的匹配阻抗肯定會更好一些。

3.2 天線的增益

天線增益在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比，增益與天線方向圖的關系是方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。相同的條件下，增益越高，信號傳播能力超強，傳輸距離越遠。dBi 是相對于全向性天線的增益，dBd是相對于對稱振子天線的增益，二者之間的關系為dBi=dBd+2.15。

3.3 天線諧振頻率

天線諧振頻率為天線工作的中心頻率，UHF RFID標簽載波的中心頻率為915MHz，天線諧振頻率即為915MHz，通過矢量網絡分析儀掃描 S11參數來測定，S11參數越小表示反射越小，同時表明匹配性能越好，一般典型S11參數值為-10dB。

3.4 天線的極化方式

天線輻射時形成的電場強度方向，天線的極化方式分為垂直與水平極化和±45?極化兩種方式，后者性能上優于前者，因此天線的設計一般采用±45?極化方式。

3.5 天線的波瓣寬度

波瓣寬度即為波束寬度、主瓣的寬度或者是半功率角，是在主瓣的最大輻射兩側方向，若輻射的強度降低到3dB（也就是降低一半功率密度）時的兩點之間夾角。當波瓣越窄，方向性就越好，作用距離也越遠，它的抗干擾能力也就越強。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時信號衰減越快，越容易通過調整天線傾角準確控制覆蓋范圍。

3.6 天線工作頻帶的寬度

天線工作頻帶的寬度一般有兩種定義方法：一是指駐波比VSWR≤1.5的條件下，天線工作頻帶的寬度；二是天線增益下降到3dB范圍時工作頻帶的寬度。

天線載體也就是襯底，對天線電性能也會造成影響，若考慮成本的話，RFID天線載體一般會選擇聚乙烯和聚丙烯二種材料。由此，天線襯底的材料介電常數（εr）、損耗角正切（tanδ）均會影響天線工作的性能，εr是表明電荷儲存能力，而tanδ表示的是天線能量的損失大小。由于天線輸入阻抗會隨著頻率變化，因此經常將阻抗的帶寬稱為天線的帶寬，天線襯底的厚度影響到天線工作頻帶的寬度。

4 UHF RFID偶極子天線設計

通過電磁場三維平面仿真器對UHF RFID電子標簽的天線實施設計以及仿真，通常計算帶狀線、共面波導、微帶線等天線的電磁特性，以及天線輻射特性時使用矩量法，對于PCB板的耦合、寄生等這類效應，通過仿真均能準確地形成EM模型，結合寄生和耦合時效應，能準確地仿真出S參數以及遠區產生的輻射場的形狀，還有天線表面電流的分布情況。

4.1 標準的偶極子天線設計

我們設計了一款標準的偶極子天線，能較好地與所設計的 UHF RFID電子標簽芯片匹配。標準偶極子的天線使用金屬銅，采用1mm厚度、3.4的介電常數、0.018損耗角正切值的PCB 板作為底板，并將天線單臂長度設計成6.5cm，中間作為輸入饋點，其結果如圖4所示。

經仿真后測試出S11參數結果如圖5所示，天線諧振頻率阻抗結果如圖6所示，其增益與效率關系曲線如圖7所示。

4.2 變形后的偶極子天線

在標準偶極子天線上進行微小的調整，減小天線的雙臂長，并且同時通過增加附屬天線臂展寬度，從而實現對天線的工作帶寬的調整，同時調整了天線的阻抗。具體形狀如圖8所示。

經測試天線在920.8MHz頻率處進行諧振，該諧振點S11是-44dB，工作頻率的帶寬是73MHz，諧振點頻率處的阻抗是51.001+j6.278W，峰值增益是1dBi，效率達到90%，以上幾個指標基本上能滿足UHF RFID系統工作的需求。

4.3 增加天線的阻抗

為實現更好阻抗的匹配，增加了天線阻抗虛部，以實現天線與電子標簽芯片的輸入阻抗良好匹配。

經測試，天線大約在742MHz頻率處進行諧振，在915.6MHz頻率的S11是-1.013dB，工作頻率的帶寬是42MHz，在該頻率處的天線的阻抗是73.111+j247.310W，峰值增益是1.2dBi，效率是81%，通過調整天線的阻抗，天線與電子標簽芯片的輸入阻抗能良好匹配，幾項指標基本上能滿足UHF RFID系統工作的需求。

5 天線其他幾種設計方案

5.1 折彎天線

在實際的應用中，天線長度有時會受到應用場合限制，如體積小、粘貼不方便等情況，因此需將偶極子天線進行折彎[6]處理，以符合工作場合的實際需要。具體形狀如圖9所示。

經測試，工作在915MHz頻率時天線的阻抗是7.7-j98W，主要因為天線在彎折后對其諧振頻率有較大的影響，會產生感抗，造成了該天線與電子標簽并沒有達到阻抗匹配，因此需要對此天線進行結構改造，改造后的阻抗匹配結構才能滿足阻抗的匹配。一般會采用耦合法和T型性[7]來進行結構的改造，從而完成二者阻抗的匹配。

5.2 液體底版對RFID電子標簽的影響

在實際的應用中，若RFID電子標簽貼附在藥品、農藥、清潔劑等液體的外包裝上，由于底版的液體是電介質，液體的介電常數遠遠大于1，液體不僅會改變標簽天線的阻抗，使其與電子標簽芯片之間阻抗完全失配，而且還會改變天線的輻射方向，使其天線的增益減小、諧振頻率減小，阻抗也隨之發生變化。因此當標簽貼附在液體物品表面時，其讀取距離必定會變得很近，有時甚至無法讀取。這時需對天線進行改進，以滿足RFID系統的要求。

5.3 微帶天線

在帶有導體接地介質基板上貼加導體薄片的天線是微帶天線[8]。用同軸線或微帶線進行饋電，在接地板和金屬導體貼片之間進行激勵產生電磁場，并通過貼片周邊縫隙向外進行福射。具體形狀如圖10所示。

微帶天線具有的優點是：體積小、重量輕，低剖面，并且能與載體共形；其電性能更加多樣化；能與有源器件、電路集成為一體的組件。

微帶天線也存在一些缺點，如：頻帶窄；損耗較大，造成效率低；單個微帶天線的功率容量比較小；另外就是介質基片也對性能的影響較大。

在實際應用中，其優點遠遠超過了缺點，通過其他的技術手段可以克服其缺點，因此，微帶天線在RFID系統中同樣得到了廣泛的應用。

6 結束語

通過對RFID系統中天線設計的基礎理論研究，再基于天線方向性、增益、效率等幾個主要性能參數的研究，重點關注天線與芯片的阻抗匹配，實現對電子標簽芯片的能量最大化的傳輸。本文研究并設計出幾種與芯片良好匹配的偶極子天線，所設計的天線，其增益、效率以及方向性等參數基本能滿足設計要求，通過仿真測試，對一些結構或參數進行調整，就可以設計出適應不同應用場合與條件，各種不同尺寸和形狀的標簽天線，此方法在天線設計中應用面極廣。

參考文獻：

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