金屬表面UHFRFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

0 引言
RFID(無線射頻識別)系統(tǒng)主要由RFID讀寫器和電子標(biāo)簽組成。近年來，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。國內(nèi)RFID目前主要使用的頻段有125 kHz(低頻)、13．56 MHz(中高頻)、902～928 MHz(超高頻)，越來越多的研究機(jī)構(gòu)開始對超高頻RFID系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離、高速率、低成本等特性。作為RFID必不可少的一部分，電子標(biāo)簽以其低成本、小體積、非接觸式等特性取代了傳統(tǒng)的二維條碼，普遍應(yīng)用于身份識別、車輛管理、倉儲物流、防偽、零售等眾多領(lǐng)域。普通的超高頻電子標(biāo)簽一般采用印制偶極子天線，該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于貨物、商品、書本等采用非金屬介質(zhì)的表面，而在固定資產(chǎn)管理、集裝箱、機(jī)車、電子車牌、電力設(shè)施等許多領(lǐng)域，由于采用了金屬表面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的超高頻電子標(biāo)簽在金屬表面幾乎不能正常工作，對此本文設(shè)計(jì)了一款工作在902～928 MHz的低成本、小體積、高增益的抗金屬電子標(biāo)簽天線。

1 現(xiàn)有的金屬表面標(biāo)簽天線
目前在美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家，金屬表面標(biāo)簽技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，廣泛應(yīng)用到了物流中的各個領(lǐng)域，而我國普通的超高頻電子標(biāo)簽已經(jīng)十分普及，但可以真正用于金屬表面的電子標(biāo)簽很少。金屬表面標(biāo)簽技術(shù)仍處于起步階段，國內(nèi)許多金屬表面標(biāo)簽天線都是在傳統(tǒng)的偶極子標(biāo)簽天線上改進(jìn)的，通過增加標(biāo)簽天線與金屬表面的距離來減少金屬反射面對標(biāo)簽的影響。標(biāo)簽天線與金屬表面的距離H應(yīng)保持1 cm以上的高度，這樣雖然提高了標(biāo)簽的讀取距離，但會使整個標(biāo)簽的體積和成本增加，天線的帶寬降低，并沒有很好地解決表面金屬對標(biāo)簽天線的影響，此時標(biāo)簽天線的性能遠(yuǎn)沒有其用于非金屬表面的性能好；基于陶瓷介質(zhì)的微帶天線也可以用到金屬表面，它利用陶瓷介質(zhì)的高介電常數(shù)，使天線的體積能夠做到很小，利用金屬表面作為自己更大的反射面，使天線的性能十分穩(wěn)定，但由于陶瓷天線的造價太高，不適合電子標(biāo)簽的低成本批量生產(chǎn)；另外一種可適用金屬表面的標(biāo)簽天線方案是在天線輻射面與金屬面之間增加一層AMC(人工磁導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過AMC的高阻抗特性使電子標(biāo)簽與AMC之間產(chǎn)生的磁流方向和金屬面與 AMC之間的磁流方向相同，從而提高電子標(biāo)簽的增益與讀取距離，但這項(xiàng)技術(shù)目前研究的難度和成本都很高，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

2 印刷結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線
針對目前金屬表面用超高頻RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一款新型結(jié)構(gòu)的電子標(biāo)簽天線。該天線首先在一片平面材料(如PVC薄膜、紙等)上采用銀漿(或銅、鋁等)印刷，如圖2所示的平面結(jié)構(gòu)。標(biāo)簽芯片安裝后，將此平面貼紙標(biāo)簽沿折線粘貼于方形介質(zhì)材料上。

當(dāng)此標(biāo)簽固定在金屬表面(無論使用標(biāo)簽的哪一個面貼于金屬)使用時，標(biāo)簽天線可以等效成PIFA天線模型(如圖3所示)。此時金屬平面作為天線的反射面，對天線的性能將產(chǎn)生有益的影響。圖3中尺寸結(jié)構(gòu)：w=45 mm，l=95 mm，h=5 mm，w1=31 mm。

3 理論分析與仿真
標(biāo)簽天線貼于介質(zhì)表面時等效為PIFA結(jié)構(gòu)，所以該標(biāo)簽天線也滿足λ／4諧振條件，其諧振頻率fr主要與貼片的長度l和寬度w有關(guān)。它們之間的關(guān)系可近似表示為：fr=c／[4(l+w)]，其中c表示光速。
3．1 天線的阻抗分析
常用標(biāo)簽的芯片阻抗通常不是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω，芯片阻抗一般呈容性，為實(shí)現(xiàn)芯片與天線的阻抗匹配，通過射頻仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)中采用的標(biāo)簽芯片阻抗為24-j195 Ω，所以需要匹配的天線的目標(biāo)阻抗應(yīng)為24+j195 Ω。天線的阻抗匹配可以通過調(diào)整天線的開槽長度來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示為開槽長度w1對天線阻抗的影響。

通過對天線阻抗特性進(jìn)行參數(shù)掃描分析可知，w1的變化對天線的阻抗影響較大，當(dāng)開槽長度w134 mm時，阻抗變化比較平緩，整個天線呈感性；當(dāng)開槽長度繼續(xù)增加時，天線的實(shí)部阻抗會急劇增加，天線表現(xiàn)為容性。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在開槽長度 w1=31mm時，阻抗為11+j19 4Ω，此時與標(biāo)簽芯片的阻抗?jié)M足共軛匹配。
3．2 金屬面大小對天線的影響
由于電子標(biāo)簽貼附在有限的金屬接地面上，在研究天線的電特性參數(shù)時還要考慮接地面的大小對天線實(shí)際增益的影響，表1列出了電子標(biāo)簽分別位于金屬表面面積為 45 mm×45 mm，100 mm×100 mm，200 mm×200 mm，400 mm×400 mm天線的增益變化情況。

表1中數(shù)據(jù)顯示標(biāo)簽在45 mm×45 mm的金屬表面工作(相當(dāng)于標(biāo)簽天線單獨(dú)工作)時，天線增益較低，只有0．27 dBi。隨著金屬表面面積的增加，天線的增益也會有所增強(qiáng)，但天線的增益也并不是無限增大的。測試中發(fā)現(xiàn)，在金屬表面面積增加到一定大小時，天線的輻射方向會發(fā)生畸變，使得垂直于輻射面的輻射場減弱，此時天線的增益會有所下降。
3．3 介質(zhì)厚度對天線帶寬的影響
標(biāo)簽天線的帶寬也是衡量天線性能的一個重要指標(biāo)，頻帶越寬，天線的效率越高。通過調(diào)整介質(zhì)層的高度h可以有效地改善天線的帶寬，當(dāng)介質(zhì)層的高度增加時，會使天線的帶寬變寬，天線的效率提高，但增加天線的高度會使天線的體積增加，也破壞了天線的低剖面特性，綜合以上結(jié)論在設(shè)計(jì)中取h=5 mm。通過仿真分析，在介質(zhì)高度為h=5 mm時，天線的反射系數(shù)在-10 dB以下的帶寬為30 MHz(910～940 MHz)，該天線具有良好的頻帶特性。
3．4 介質(zhì)材料對天線的影響
設(shè)計(jì)中分析了兩種常用介質(zhì)對天線增益的影響，如圖5所示為電子標(biāo)簽貼在FR-4(εr=4．4，h=5 mm)上的方向圖，金屬反射面的大小為400 mm×400 mm，此時天線的增益為2．27 dBi。在垂直天線輻射面的方向，增益最大，圖6為標(biāo)簽貼在泡沫介質(zhì)(εr=1．1，h=5 mm)上的方向圖，天線的最大增益為3．92 dBi，但天線的最大增益方向?yàn)槠x垂直天線輻射面45°的方向。

4 實(shí)物測試
為驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)，本文做了實(shí)物模型，并進(jìn)行了相關(guān)的性能測試。如圖7所示，使用銅皮紙所蝕刻的平面天線，粘貼于泡沫介質(zhì)上。標(biāo)簽芯片使用NXP半導(dǎo)體公司的SL3ICS1202G2XL芯片，該芯片的阻抗為24-j195 Ω，測試將標(biāo)簽貼于25 cm×25 cm的金屬平板中央，如圖8所示，使用MR6021型號閱讀器1 W的發(fā)射功率及6 dBi圓極化天線對標(biāo)簽進(jìn)行了識讀。實(shí)測識別距離大于4 m。

5 結(jié)語
金屬物體對超高頻電子標(biāo)簽的干擾一直是RFID領(lǐng)域的一個難題，本文結(jié)合PIFA天線的基本理論以及現(xiàn)有的標(biāo)簽技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款UHF抗金屬標(biāo)簽天線，天線采用的印刷結(jié)構(gòu)使得生產(chǎn)工藝簡化，生產(chǎn)成本低廉。通過對天線大量的仿真和實(shí)測，論證了該天線具有高增益、遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，是一款能夠真正應(yīng)用于金屬表面的標(biāo)簽天線。