RFID標簽天線的設(shè)計與測量

1引言

RFID標簽是RFID應(yīng)用技術(shù)的主要組成部分，RFID標簽的性能通常決定整個應(yīng)用技術(shù)方案的有效性和實施性，因此RFID技術(shù)的實施中大多 以解決RFID標簽性能為主導。標簽的組成可分為芯片和天線兩大組成部分，標簽的性能及其性能分析也是從這兩個組成部分展開。然而在芯片型號定型后，天線 的性能及與芯片的匹配性也就決定了標簽的性能，因此天線的設(shè)計為標簽設(shè)計主題部分。

目前關(guān)于RFID標簽天線的設(shè)計已有較多的文獻，但很少關(guān)于標簽實際應(yīng)用中復(fù)雜材料環(huán)境下的設(shè)計與測量的文獻。本文著重介紹了復(fù)雜材料環(huán)境條件下進行天線的設(shè)計與測量方法，并結(jié)合工程實施例加以說明。

2 RFID標簽天線設(shè)計理論

RFID標簽天線的設(shè)計通常指在給定天線工藝條件下，針對具體應(yīng)用要求，在規(guī)定尺寸范圍內(nèi)進行設(shè)計與芯片相匹配的天線。在實際設(shè)計工程中主要解 決規(guī)定的尺寸范圍及工作環(huán)境件下天線的輸入阻抗與芯片在工作頻段達到共軛匹配。除了天線阻抗匹配設(shè)計外，還要關(guān)注天線輻射效率、極化方向及輻射方向圖等參 數(shù)。

2.1天線的基礎(chǔ)知識

天線是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，即把導行波與空間輻射波相互轉(zhuǎn)換的裝置。天線周圍的場強分布一般都是離開天線距離和角坐標的函數(shù)，通常根據(jù)離開天線距離的不同，將天線周圍的場區(qū)劃分為感應(yīng)場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。

圖2.1天線周圍的場區(qū)

圖2.1(a)所示電尺寸小的偶極子天線其感應(yīng)場區(qū)的外邊界是λ/2π。這里，λ是指工作波長。圖2.1(b)所示電尺寸大的孔徑天線的輻射場區(qū)又分為近場區(qū)和遠場區(qū)。

天線一般都有兩方面的特性：電路特性(輸入阻抗、效率、頻帶寬度、匹配程度等)和輻射特性(方向圖、增益、極化、相位等)。天線的測量就是用實驗方法測定和檢驗天線這些參數(shù)特性。

2.2標簽天線設(shè)計的一般步驟

根據(jù)設(shè)計要求(標簽尺寸、工作頻帶、 匹配芯片、應(yīng)用條件等由要求提出)，確定設(shè)計方案及目標參數(shù)，建立天線模型，并對天線模型進行仿真計算。再根據(jù)仿真計算結(jié)果進行調(diào)整設(shè)計模型，以達到預(yù)期 目標參數(shù)。天線的設(shè)計通常是條件確定的，即各類材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)分布均為已知，否則設(shè)計無從入手。RFID標簽應(yīng)用范圍廣，通常材料的介電常數(shù)等不能確定， 天線在此環(huán)境下的輸入阻抗及其他參數(shù)成為未知，這就需要通過測試確定其參數(shù)。

2.3標簽天線的等效測量

從標簽天線的一般設(shè)計方法可見，設(shè)計之關(guān)鍵是測試。 RFID標簽天線分為HF和UHF，HF的天線通?？珊雎越殡娪绊?，可直接通過電橋或阻抗分析儀測量其電感及分布電容。UHF標簽天線的精確測量較難實 現(xiàn)，通常以等效測量方式以實現(xiàn)。下面就介紹兩種適用于UHF RFID標簽設(shè)計的測量方法：

2.3.1.諧振法測量等效介電常數(shù)

UHF標簽天線輸入阻抗對材料比較敏感，當貼附在不同材料上時，其阻抗變化量通常存在較大差異。等效介電常數(shù)是指把復(fù)合材料等效成一均質(zhì)材料，把復(fù)合材料對天線的綜合影響等效成均質(zhì)材料影響。

如圖2.2(a)一款通用型UHF RFID標簽天線，其空氣介質(zhì)條件下仿真計算輸入阻抗頻率曲線如圖2.2(b)，使用磁探針實測空氣介質(zhì)條件下天線耦合功率曲線如圖2.2(C)。

　　圖2.2(a)

　　圖2.2(b)

　　圖2.2(c)