一種超高頻微帶八木標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計(jì)

張 煒，賈云飛，張 珊，佟 鑫，丁云廣

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院物資中心，北京 100076；3.空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

射頻識(shí)別（RFID）是一種非接觸式的無線通信技術(shù)[1]，可以通過射頻信號(hào)讀寫目標(biāo)芯片寄存器內(nèi)的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，這種方式大大拓展了識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。由于其所在頻段抗干擾能力較強(qiáng)，且能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽[2-3]，在醫(yī)療倉儲(chǔ)和物流等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。

無源射頻標(biāo)簽不使用額外電源，其接收閱讀器天線發(fā)射的微波能量[9]。因此無源標(biāo)簽設(shè)計(jì)中最為重要的部分就是標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，當(dāng)天線的輸入阻抗與后端的射頻電路的輸出端口阻抗共軛匹配時(shí)，傳輸線損耗最小[10]。該文在諧振頻率?0為915 MHz的需求下設(shè)計(jì)出與目標(biāo)芯片阻抗52Ω-479j 相匹配的微帶八木天線，為了使兩者的阻抗?jié)M足阻抗共軛匹配的需求，設(shè)計(jì)阻抗為52Ω+479j的微帶八木天線。

1 微帶八木標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)微帶八木天線

與傳統(tǒng)八木天線類似，微帶八木天線主要由激勵(lì)振子、反射陣子和引向陣子三個(gè)部分組成，三者相互平行[11]。激勵(lì)振子與閱讀器天線發(fā)射的電磁波產(chǎn)生耦合效應(yīng)，生成感應(yīng)電流。反射陣子將激勵(lì)陣子后方的電磁能量反射到前方，引向陣子向前引導(dǎo)激勵(lì)陣子輻射的電磁能量，反射陣子和引向陣子的共同作用使得激勵(lì)陣子輻射的電磁信號(hào)在某一方向上實(shí)現(xiàn)了定向傳播。

微帶八木天線模型如圖1 所示。

圖1 微帶八木天線模型

圖1 中激勵(lì)陣子的長度L2為0.47λ，反射陣子的長度L1為0.5λ，引向陣子的長度L3為0.04λ，激勵(lì)陣子和反射陣子的間距G2為0.25λ，激勵(lì)陣子和引向振子的間距G1為0.2λ。其中，λ為電磁波在諧振頻率為915 MHz 時(shí)的傳輸波長。

由式（1）可得波長λ為327 mm。使用有限元分析法在HFSS 中建立仿真模型，并將對(duì)其回?fù)軗p耗和輸入阻抗進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2、圖3 所示，由圖2可知，微帶八木天線在915 MHz 左右的回波損耗為-10 dB 左右，且在-10 dB 處的帶寬并不高。由圖3 的阻抗圖可看出，在915 MHz 的諧振頻率下，電阻值為78.4 Ω，電抗值為201.2 Ω。目標(biāo)芯片Rocky100的阻抗為52Ω-479j，單純的延伸偶極子激勵(lì)陣子的臂長不僅效果不佳且會(huì)增加標(biāo)簽天線所占用的面積，單純的直線型激勵(lì)陣子所組成的微帶八木天線無法匹配該低電阻高阻抗的復(fù)式阻抗。因此選擇使用T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的方式調(diào)整天線阻抗，使之達(dá)到共軛匹配。

圖2 微帶八木天線S（1,1）

圖3 微帶八木天線阻抗圖

1.2 微帶八木天線的T型匹配網(wǎng)絡(luò)

T 型匹配網(wǎng)絡(luò)是天線設(shè)計(jì)常用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[12]。圖4 為嵌入T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的微帶八木天線結(jié)構(gòu)圖，圖中匹配網(wǎng)絡(luò)的長度為L4，寬度為W2，微帶線寬度為天線寬度W1，中間深色部分為芯片連接處。

圖4 嵌入T型匹配網(wǎng)絡(luò)的微帶八木天線模型

T 型匹配網(wǎng)絡(luò)中芯片終端處的天線的輸入阻抗為：

其中，Zt為短線阻抗，Zt=jZtankα/2；Z是間隔為b的傳輸線a和傳輸線L的特征阻抗ZA為天線無T 型匹配時(shí)的輸入阻抗；re′為短路線的等效半徑=825c；re為激勵(lì)陣子的等效半徑，re=0.5W；α為激勵(lì)陣子與T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的電流分布系數(shù)，由此可知，傳輸線的長度L4、寬度W2和微帶線的寬度W1對(duì)天線輸入阻抗產(chǎn)生影響[13]。為使其達(dá)到適應(yīng)目標(biāo)阻抗的要求，改變傳輸線L2與傳輸線L4的大小，繼續(xù)測(cè)試其在915 MHz 附近頻率下的阻抗大小。圖5 為微帶八木天線的阻抗隨著T 型匹配網(wǎng)絡(luò)中的L4和W2的長度變化圖。

圖5 微帶八木天線阻抗變化

通過圖5 可看出，T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的長度對(duì)天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部均有影響，但在常用頻段（902～928 MHz）中，T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的長度對(duì)天線輸入阻抗實(shí)部和虛部的影響均較大，微帶八木天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部隨T 型匹配網(wǎng)絡(luò)長度的增加而增加，且虛部的變化量大于實(shí)部的變化量。通過圖5 可以看出微帶八木天線輸入阻抗的實(shí)部隨T 型匹配網(wǎng)絡(luò)寬度的增加而增加，輸入阻抗的虛部隨寬度的增加而減少，且虛部的變化量小于實(shí)部的變化量。

因此由以上的規(guī)律可知，首先改變W2可以匹配天線實(shí)部，改變L4，仍無法滿足虛部匹配大小。

2 彎折微帶八木標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計(jì)

無源標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)主要有小型化和阻抗匹配兩個(gè)重要組成部分[14-15]，采用彎折天線臂的方式可以有效調(diào)整天線阻抗的虛部大小并且減少天線尺寸[16]。利用有限元分析軟件HFSS 建立模型并進(jìn)行仿真。圖6 為進(jìn)行仿真的彎折微帶八木天線的結(jié)構(gòu)圖。

圖6 彎折微帶八木天線模型

由模型可以看出在不改變微帶線線寬和彎折次數(shù)的情況下，彎折微帶八木天線的輸入阻抗主要受到彎折寬度W3和彎折短臂長度L5的影響。圖7 為微帶八木天線的阻抗隨著T 型匹配網(wǎng)絡(luò)中的L5和W3的長度變化圖。

圖7 微帶八木天線阻抗變化

由圖可知，微帶天線阻抗的實(shí)部變化不大，虛部隨W3和W5的增加而增加，通過多次仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，微帶八木天線的虛部阻抗隨L5變化的幅度小于W3，符合阻抗匹配要求。

3 仿真結(jié)果分析

使用之前仿真得到的模型尺寸數(shù)據(jù)，在HFSS 中建立天線模型，在HFSS 中進(jìn)行有限元仿真，得到結(jié)果如圖8 所示。

圖8 彎折微帶八木天線仿真結(jié)果

從圖8 中可以看出，彎折微帶八木天線的回?fù)軗p耗在諧振頻率為915 MHz 時(shí)的值為-55 dB，S（1,1）在-10 dB 下的頻段為850～950 MHz，因此頻帶寬度為100 MHz，微帶八木天線具有較良好的帶寬，電子標(biāo)簽滿足在常用頻段內(nèi)能夠接受閱讀器天線的電磁波的需求，從而正常工作。為了保證以最大功率傳輸，標(biāo)簽天線的輸入阻抗和芯片的輸出阻抗處于共軛狀態(tài)，從圖8 中可以看出在850～950 MHz 之間，天線阻抗的實(shí)部和虛部均緩慢增加，但實(shí)部的變化幅度不大，并在915 MHz 處阻抗為52Ω+479j，仿真結(jié)果基本滿足了匹配芯片阻抗的設(shè)計(jì)要求。還可以看出，在發(fā)射陣子前方大部分區(qū)域的增益較大，相對(duì)于普通的偶極子天線，具有更好的電磁波接收和發(fā)射距離，大大提高了標(biāo)簽的識(shí)別距離。

4 結(jié)束語

RFID 無源標(biāo)簽天線的阻抗匹配問題是天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，該文使用T 型匹配網(wǎng)絡(luò)和彎折偶極子臂的方法設(shè)計(jì)微帶八木天線的激勵(lì)陣子，可以較為準(zhǔn)確地調(diào)整天線阻抗的實(shí)部與虛部，使微帶八木天線的輸入阻抗與芯片的輸出阻抗共軛匹配。作為微帶八木天線的重要組成部分，該文使用偶極子天線作為微帶八木天線的激勵(lì)陣子，設(shè)計(jì)出與Rocky100 芯片阻抗共軛匹配的微帶八木天線，且阻抗達(dá)到52Ω+479j。當(dāng)天線在諧振頻率?0=915 MHz 時(shí)，天線阻抗為53Ω+484j，和Rocky100 芯片的52Ω-479j 的阻抗近似共軛匹配。通過仿真結(jié)果可以看出，彎折天線臂的方法不僅提高了天線阻抗的虛部阻抗，并且減少了標(biāo)簽面積，節(jié)省了空間。微帶八木天線在915 MHz的回波損耗為-55 dB，且在915 MHz 附近阻抗變化較為平坦，具有較好的寬帶性，能夠在復(fù)雜環(huán)境中工作，達(dá)到了天線設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。