金屬表面UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

　　3 理論分析與仿真

　　標(biāo)簽天線貼于介質(zhì)表面時(shí)等效為PIFA結(jié)構(gòu)，所以該標(biāo)簽天線也滿(mǎn)足λ/4諧振條件，其諧振頻率fr主要與貼片的長(zhǎng)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(guò)射頻仿真軟件HFSS對(duì)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(guò)調(diào)整天線的開(kāi)槽長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示為開(kāi)槽長(zhǎng)度w1對(duì)天線阻抗的影響。

　　通過(guò)對(duì)天線阻抗特性進(jìn)行參數(shù)掃描分析可知，w1的變化對(duì)天線的阻抗影響較大，當(dāng)開(kāi)槽長(zhǎng)度w1<34 mm時(shí)，阻抗變化比較平緩，整個(gè)天線呈感性;當(dāng)開(kāi)槽長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，天線的實(shí)部阻抗會(huì)急劇增加，天線表現(xiàn)為容性。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)槽長(zhǎng)度 w1=31mm時(shí)，阻抗為11+j19 4Ω，此時(shí)與標(biāo)簽芯片的阻抗?jié)M足共軛匹配。

　　3.2 金屬面大小對(duì)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(shí)還要考慮接地面的大小對(duì)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(shí)，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(huì)有所增強(qiáng)，但天線的增益也并不是無(wú)限增大的。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在金屬表面面積增加到一定大小時(shí)，天線的輻射方向會(huì)發(fā)生畸變，使得垂直于輻射面的輻射場(chǎng)減弱，此時(shí)天線的增益會(huì)有所下降。

　　3.3 介質(zhì)厚度對(duì)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(gè)重要指標(biāo)，頻帶越寬，天線的效率越高。通過(guò)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(shí)，會(huì)使天線的帶寬變寬，天線的效率提高，但增加天線的高度會(huì)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(guò)仿真分析，在介質(zhì)高度為h=5 mm時(shí)，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(duì)天線的影響

　　設(shè)計(jì)中分析了兩種常用介質(zhì)對(duì)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(shí)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。