一種新型UHF RFID抗金屬標簽天線的設計與分析

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摘要：提出了一種用于金屬物體的超高頻射頻識別標簽天線，該天線適用于多標準超高頻射頻識別系統。采用在偶極子結構上增加環形微帶線來增大輸入阻抗，極大地提高了標簽天線的增益特性。利用電磁仿真軟件分析了天線性能，仿真與測試結果吻合良好。整個天線的面積為100 mmx40 mm，由于采用表面印刷結構，使得標簽成本低廉、易于批量生產。
關鍵詞：抗金屬；環形天線；標簽天線；超高頻射頻識別
0 引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，以達到目標識別并交換數據的技術。RFID系統一般由標簽、讀寫器和計算機通信網絡組成。標簽存儲著待識別對象的相關信息，附著在待識別對象上。通常電子標簽符合IS018000-4與18000-6標準，本身無源，通過讀寫器的射頻場獲得能源，采用負載調制方式。讀寫器利用射頻信號讀／寫標簽信息并進行處理。PC機通過RS 232接口遠程控制讀寫器。讀寫器接到命令后，通過天線發送射頻命令實現對標簽的操作，同時接收標簽返回的數據。電子標簽靠其內部天線獲得能量，并由芯片(IC)控制接收、發送數據。
國內RFID系統使用的頻段主要分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13．56 MHz)、超高頻(Ultra High Frequency，UHF)(860～960 MHz)和微波(2．4 GHz以上)等幾大類。目前越來越多的研究聚焦在了對UHF RFID系統的研究上。由于電磁波會被金屬反射導致普通電子標簽在金屬表面無法被正確識別，這一缺點嚴重限制了其在物流行業的廣泛應用，因此UHF標簽天線的抗金屬性成為了研究的熱點和攻克的難點。本文在分析了金屬對標簽天線電磁場影響作用的基礎上，提出了一種成本相對較低可用于金屬環境的超高頻RFID無源標簽天線。該天線將環形微帶與偶極子結構結合實現了在金屬環境下高增益的特性。天線面積100 mmx40 mm滿足了小尺寸金屬環境的要求，具有較高的性價比。
1 金屬對標簽天線的影響
射頻識別系統工作原理圖如圖1所示。研究金屬物體對標簽天線的影響，首先要考慮天線靠近金屬時金屬表面電磁場的特性。根據電磁感應定理，這時金屬表面附近的磁場分布會發生“畸變”，磁力線趨于平緩，在很近的區域內幾乎平行于金屬表面，使得金屬表面附近的磁場只存在切向的分量而沒有法向的分量，因此天線將無法通過切割磁力線來獲得電磁場能量，無源電子標簽則失去正常工作的能力。

另一方面，當天線靠近金屬時，其內部產生渦流的同時還會吸收射頻能量轉換成自身的電場能，使原有射頻場強的總能量急劇減弱。而上述渦流也會產生自身的感應磁場，該場的磁力線垂直于金屬表面且方向與射頻場相反并對讀寫器產生的磁場起到反作用，致使金屬表面的磁場大幅度衰減，使得標簽與讀寫器之間通信受阻。另外，金屬還會引起額外的寄生電容即金屬引起的電磁摩擦造成能源損耗，使得標簽天線與讀寫器失諧，破壞RFID系統的性能。
2 UHF抗金屬標簽天線的設計與分析
2．1 天線設計
UHF無源標簽的性能主要由兩個方面決定：標簽天線的增益大小以及天線與芯片之間的阻抗匹配。一種提高增益的方法是并聯多個折疊型偶極子結構，因為額外的偶極子的輻射阻抗能夠提高天線效率，因此本文提出在傳統偶極子天線結構(見圖2)上改造一段環形微帶線，在不增加天線面積的情況下獲得增益提高。

該天線結構由變型彎折偶極子輻射體和環形微帶線以及矩形饋電環三部分組成，將芯片貼在矩形饋電環的開口處進行激勵，利用電感耦合將能量送至兩個中間部分連在一起的彎折偶極子輻射體上。偶極子采用階梯彎折狀可以縮短天線的整體長度，使其結構緊湊面積縮小。天線結構如圖3所示。

將以上兩種天線置于72 mmx36 mm的金屬板上，采用相對介電常數為4．4，厚度為1 mm的介質板，利用HFSS軟件進行仿真，最終得到功率反射系數曲線圖，如圖4所示。從圖中可以看到，本文提出的環形天線在頻率為900 MHz時功率反射系數可達到-22 dB，其性能大大優于傳統天線。

天線增益大小和它到金屬板的距離密切相關，表1列出了傳統天線和環形天線在距金屬板距離^分別為2 mm，3 mm，5mm，10 mm時的增益值；圖5是環形天線在距金屬板距離為2 mm，3 mm，4 mm，6 mm，8 mm時功率反射系數的曲線。從表1中可以看出，在距金屬板距離相同時，本文提出的環形天線增益始終優于傳統天線，驗證了該環形天線的高性能。同時，隨著天線到金屬板距離的增加，增益值呈現出不規律的變化趨勢，因此，通過大量的仿真優化，最終觀察到該天線在距金屬板距離為3 mm時可獲得最大增益，增益值為2．06 dBi。從圖5可以看出，該環形天線工作在900 MHz時性能最好。

接地面大小是對天線性能影響的另一個因素。通過仿真研究發現，金屬面大小的變化對諧振頻率、輸入阻抗、帶寬影響較小，但對輻射效率、方向圖的影響較大。表2列出了電子標簽分別位于金屬表面面積為60 mm×36 mm，72 mmx36 mm，90 mmx36 mm時天線增益的變化情況。從表2可以看到標簽在面積為60 mm×36 mm的金屬表面工作時天線增益較低，只有1．90 dBi；隨著金屬表面面積增加到72 mm×36 mm，天線的增益增強到2．06 dBj，但隨著金屬面積的進一步增大天線的增益又有所下降，因此得出天線增益大小變化并不與金屬面大小變化成正比，原因是在金屬表面面積增加到一定程度時，天線的輻射方向會發生畸變，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。

圖6為該天線的阻抗曲線，可以看到在900 MHz時天線的阻抗為(44．24-j5．96)Ω，需要選擇阻抗值為(44．24+i5．96)Ω的芯片與天線進行共軛匹配。如果使用的芯片阻抗值不是(44．24+j5．96)Ω而是其他的容性值，可以通過調整天線的開槽長度來優化其阻抗值以達到天線與芯片之間的共軛匹配。

2．2 測試結果
本文中采用Ansoft公司的HFSS軟件和安捷倫公司的N5230A矢量分析儀進行了仿真和實測。圖7為天線的增益圖，圖8為天線的仿真與實測結果，從中可以看出實測結果與仿真結果較好吻合，驗證了該設計的實用性。該天線采用相對介電常數4．4、厚度1 mm的FR4基板進行加工，實物如圖9所示。


3 結 語
本文提出了一類結構簡單、兼容多標準的UHF抗金屬無源電子標簽天線。該天線利用環形微帶線與偶極子結構的結合實現了在金屬表面高增益的特性；同時，可以調節槽線長度來優化天線的特性阻抗，使其能夠與芯片阻抗共軛匹配從而提高無源電子標簽性能。通過實驗分析得到在金屬板面積為72 mm×36 mm、與天線距離為3 mm時，該天線可在900 MHz獲得最大增益2．06 dBi。最后基于仿真分析，加工了一個實物天線。實際測量結果與仿真結果吻合良好，驗證了該天線設計的有效性。