UHF頻段RFID多應(yīng)用天線設(shè)計(jì)

電子科技大學(xué)鄧向東 王亞非 王占平

0 引 言

RFID是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，它包括電子標(biāo)簽(tag)和讀寫器(reader)兩個(gè)主要部分，附有編碼的標(biāo)簽和讀寫器通過天線進(jìn)行無接觸數(shù)據(jù)傳輸，以完成一定距離的自動識別過程。RFID標(biāo)簽具有體積小，壽命長，能穿透非導(dǎo)電性材料等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、定位及長期跟蹤管理。RFID技術(shù)在物流與供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領(lǐng)域，可以大幅提高管理和運(yùn)作效率，降低成本，具有重大的應(yīng)用潛力。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善和成熟，RFID產(chǎn)業(yè)將成為一個(gè)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。因此，研究RFID技術(shù)，發(fā)展RFID產(chǎn)業(yè)，對提升社會信息化水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，提高人民生活質(zhì)量，增強(qiáng)公共安全及國防安全等方面將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。具有戰(zhàn)略性的重大意義。RFID標(biāo)簽天線作為RFID系統(tǒng)的重要組成部分，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起著關(guān)鍵性作用，因此天線設(shè)計(jì)是整個(gè)RFlD系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。

典型的RFID標(biāo)簽天線包括微帶貼片天線和偶極子天線。RFID標(biāo)簽的性能容易受到環(huán)境介質(zhì)的影響，尤其是微帶偶極子天線，當(dāng)它粘貼在一般的絕緣介質(zhì)(如玻璃、塑料箱等)表面，會影響天線的電感量和降低諧振頻點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)；當(dāng)它粘附在金屬上時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，會吸收射頻能量而轉(zhuǎn)換成自身的電場能，因此減弱了原有射頻場強(qiáng)的總能量，同時(shí)也會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，磁力線垂直于金屬表面，使得射頻場強(qiáng)的分布在金屬表面發(fā)生變形，磁力曲線趨于平緩。因此，當(dāng)標(biāo)簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時(shí)，該空間內(nèi)實(shí)際并無射頻場強(qiáng)分布，標(biāo)簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場能量，因而標(biāo)簽無法正常工作。

1 微帶RFID貼片天線

微帶貼片天線通常是在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電，如圖1所示。因?yàn)槲зN片天線自身有一個(gè)金屬的地板，當(dāng)其粘附在各種物體上時(shí)，天線背面的電磁場不會受到太大影響，故可以在多種環(huán)境下正常讀取。





利用傳輸線模型分析微帶天線是較有效的方法。該方法的基本假設(shè)如下：微帶貼片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波，場在傳輸方向是駐波分布。而在其垂直方向是常數(shù)；傳輸線的兩個(gè)開口端(始端和末端)等效為兩個(gè)輻射縫口徑場，即為傳輸線開口端場強(qiáng)，如圖2所示。



圖3是按照傳輸線法建立的微帶天線等效電路。Ys為縫輻射導(dǎo)納；Y0為微帶貼片的特性導(dǎo)納。



2 E型RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

對于一般的微帶貼片天線，它的輻射激勵(lì)可以等效成一個(gè)諧振回路。在矩形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，采取E型結(jié)構(gòu)，即沿天線的匹配方向?qū)⒔饘儋N片開兩條平行寬縫 (見圖4)。由于貼片上存在兩個(gè)縫隙的作用，促使天線的諧振特性受到了影響，即原來的一個(gè)諧振回路變成了兩個(gè)諧振回路，當(dāng)這兩個(gè)諧振回路的諧振頻點(diǎn)靠得比較近時(shí)，就達(dá)到了擴(kuò)展頻帶的目的。



本文在E型背饋天線的基礎(chǔ)上，提出了一種變形的側(cè)饋天線方案，如圖5所示。天線主體由一個(gè)矩形貼片開縫構(gòu)成，頂部切去了兩個(gè)角。由一個(gè)功分器和一段微帶線作為饋線與芯片匹配，而芯片的另一段通過微帶線接地。

由于高介電常數(shù)的介質(zhì)能有效地減小天線的尺寸，所以基片選用尺寸為84 mm×54 mm×1．4mm的陶瓷氧化鋁．介電常數(shù)為9～10。微帶標(biāo)簽天線的物理尺寸為：L1=47．6 mm，L2=4 mm，L3=18 mm，L4=3．5 mm，W1=1 2．6 mm，W2=10 mm，W3=6 mm，W4=2 mm，S=3 mm。



該天線采用的芯片在915 MHz時(shí)的阻抗為34．5一j815，呈現(xiàn)明顯的容抗。采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10．O對天線進(jìn)行仿真。經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化，得到天線的S11曲線，如圖6所示。該天線分別在905 MHz和920 MHz有兩個(gè)諧振頻率。在905 MHz時(shí)，S11為一28 dB；在920 MHz時(shí)，S11為一37 dB，這兩個(gè)諧振頻率都比較窄，通過調(diào)整天線，使兩個(gè)諧振頻率靠近915 MHz，以達(dá)到增加帶寬的目的。該天線增益在915 MHz時(shí)仿真結(jié)果為0．34 dBi(見圖7)，滿足RFID系統(tǒng)讀取的要求。



將RFID標(biāo)簽天線分別粘附在裝水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金屬面、塑料制品上或直接放在空氣中，讀寫器在902～928 MHz中設(shè)置廣譜跳頻，RF功率設(shè)置為36 dBm，讀寫器天線增益為12 dBi。測試讀取距離如表1所示。該RFID標(biāo)簽的工作性能在不同物質(zhì)環(huán)境中表現(xiàn)出較為滿意的一致性。



3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種UHF頻段RFID標(biāo)簽天線。在微帶矩形天線理論基礎(chǔ)上，改進(jìn)了E型開槽天線的結(jié)構(gòu)，用微帶線側(cè)饋代替了背饋方式，使天線與芯片能良好地匹配，并通過獲得雙諧振頻率擴(kuò)大了帶寬。實(shí)驗(yàn)測量表明，該天線在金屬表面讀取距離為11．5m，在不同物質(zhì)表面讀取距離基本不變，且性能穩(wěn)定。