金屬表面UHF RFID標簽天線設計

　　3 理論分析與仿真

　　標簽天線貼于介質表面時等效為PIFA結構，所以該標簽天線也滿足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。它們之間的關系可近似表示為：fr=c/[4(l+w)]，其中c表示光速。

　　3.1 天線的阻抗分析

　　常用標簽的芯片阻抗通常不是標準的50 Ω，芯片阻抗一般呈容性，為實現芯片與天線的阻抗匹配，通過射頻仿真軟件HFSS對天線進行了優(yōu)化。設計中采用的標簽芯片阻抗為24-j195 Ω，所以需要匹配的天線的目標阻抗應為24+j195 Ω。天線的阻抗匹配可以通過調整天線的開槽長度來實現，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行參數掃描分析可知，w1的變化對天線的阻抗影響較大，當開槽長度w1<34 mm時，阻抗變化比較平緩，整個天線呈感性;當開槽長度繼續(xù)增加時，天線的實部阻抗會急劇增加，天線表現為容性。通過仿真分析發(fā)現，在開槽長度 w1=31mm時，阻抗為11+j19 4Ω，此時與標簽芯片的阻抗?jié)M足共軛匹配。

　　3.2 金屬面大小對天線的影響

　　由于電子標簽貼附在有限的金屬接地面上，在研究天線的電特性參數時還要考慮接地面的大小對天線實際增益的影響，表1列出了電子標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中數據顯示標簽在45 mm×45 mm的金屬表面工作(相當于標簽天線單獨工作)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，但天線的增益也并不是無限增大的。測試中發(fā)現，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 介質厚度對天線帶寬的影響

　　標簽天線的帶寬也是衡量天線性能的一個重要指標，頻帶越寬，天線的效率越高。通過調整介質層的高度h可以有效地改善天線的帶寬，當介質層的高度增加時，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，綜合以上結論在設計中取h=5 mm。通過仿真分析，在介質高度為h=5 mm時，天線的反射系數在-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 介質材料對天線的影響

　　設計中分析了兩種常用介質對天線增益的影響，如圖5所示為電子標簽貼在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為標簽貼在泡沫介質(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為偏離垂直天線輻射面45°的方向。