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用于UHF頻段的近場RFID橢圓分段環(huán)天線
作者：楊子江，曹亮，李秀萍
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2011-03-22 06:59:37
摘要：本文設計了一款用于UHF 頻段的近場RFID 橢圓分段環(huán)天線。通過利用分段耦合結構，在其周長大于工作波長時，天線的表面電流依然保持同向；通過采用橢圓形結構，可以調整其磁場的范圍。天線印刷在FR-4 介質板上并且安置在250mm×180mm×50mm 的金屬腔體內。在860-871MHz 時，這款讀寫器天線能達到16.1cm 的讀寫距離以及8cm 的讀寫寬度，適合用于UHF 頻段的RFID 讀寫器。
引言
射頻識別技術（RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其工作原理是利用射頻信號的空間耦合特性，實現(xiàn)對靜止或移動的物品的自動識別。典型的RFID 系統(tǒng)包括標簽、讀寫器、天線和中間件四個組成部分[1]。其中，天線作為標簽和讀寫器提供射頻信號空間傳遞的設備，是影響RFID 系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關鍵部分，因而天線設計受到人們極大的重視。通常，RFID 系統(tǒng)可根據(jù)其作用距離分為兩種：近場系統(tǒng)和遠場系統(tǒng)。一般情況下，用于低頻（LF，125-134KHz）和高頻（HF，13.56MHz）的近場RFID 系統(tǒng)都是基于電感耦合來實現(xiàn)讀寫器和標簽間的能量的轉換和數(shù)據(jù)的傳輸，而用于超高頻（UHF，840-960MHz）和微波頻段（2.4GHZ 和5.8GHz）的遠場RFID 系統(tǒng)都是基于電磁場在讀寫器和標簽之間的傳播。近年來，由于RFID 在單品識別方面的應用日益受到重視，UHF 近場天線的設計技術也成為人們研究的重點[2]。
在近場識別系統(tǒng)中，一般讀寫器和標簽都采用傳統(tǒng)的金屬線環(huán)形結構，這是因為電小環(huán)形天線（直徑遠小于其工作波長）能在天線的軸向上產(chǎn)生很強的磁場。電小環(huán)天線上方的磁場強度受天線直徑的影響很大，當距離天線超過其直徑的長度時，磁場就會迅速的下降。增大環(huán)天線的直徑可以增加讀寫距離，但是由于半徑增大，磁場的范圍也會較大，同時當天線增大到周長接近其波長時，環(huán)上的電流會反向，此時天線就不能形成穩(wěn)定的磁場；此外，環(huán)天線也很難匹配到50ohm[3-5]。
針對上述問題，本文設計了一款橢圓分段環(huán)天線用于單品識別。在這個結構中，利用兩個相鄰的平行金屬線向下一段金屬線提供串聯(lián)電容，每個分段都可以看作是一段諧振線，這樣就避免了電感的積累，從而解決了匹配的難題。同時，在諧振時，在每段上的電壓都是實數(shù)，相位不會積累，所以可以在環(huán)上形成均勻同向的電流，從而在軸向形成很強的磁場。
1 天線結構介紹
橢圓分段環(huán)天線的結構如圖1（a）所示。圖中，天線的介質板為FR-4（厚度h=1.6mm，介電常數(shù)4.4，損耗角正切0.02）PCB 板。圖1（b）給出了橢圓分段環(huán)天線的整體結構圖，包括橢圓分段環(huán)，金屬腔體，匹配電路三部分。圖1（c）是天線的加工實物圖。
當減小相鄰金屬線的間距或增大交疊部分的長度時，電容值將隨之增大；通過調整適當?shù)腖(θ)和d，可使每段金屬線的電感與其感應電容在中心頻率處工作于諧振狀態(tài)，從而避免了電流相位的累積。分段環(huán)近場天線設計成橢圓形，短軸的長度是d1 = 8cm，用來控制近場天線讀取寬度；長軸的長度為d 2 = 15cm，用來控制天線的讀取距離。
在圖1（b）中，天線位于矩形金屬腔體內部，天線距離金屬腔體的底部為40mm，金屬腔體上方開口，覆以塑料蓋，大小為250×180×50mm3。金屬腔體有兩個作用：一是減少外界對天線的干擾；二是控制磁場在所需要的方向，增強磁場強度。但是金屬腔體會使天線的Q 值增大，這將會增加匹配的難度，減小天線的帶寬[6]，因而需要在天線輸入端加上一個匹配電路，在這里使用集總元件連接成一個對稱平衡的匹配電路[7]，將輸入阻抗匹配到50ohm。
圖 2（a）和圖2（b）給出了橢圓環(huán)天線和橢圓分段環(huán)天線在866MHz 的表面電流分布。從圖2（a）可以看出電流的空洞以及在頂部和底部電流的反向。圖2（b）中，平行的相鄰金屬線之間的電容和金屬線本身的電感使得這個大環(huán)天線的性能和小環(huán)天線類似，電流在橢圓分段環(huán)天線的分布依然同向并且可以形成很強的近場磁場。
天線的 S11 性能的實際測量結果如圖3 所示，-10dB 帶寬為11MHz（860-871MHz），能夠完全覆蓋歐洲標準的865-868MHz。
本文設計了一款橢圓分段環(huán)天線，用于對確定的高度和寬度的位置進行安全讀取。該天線設計的關鍵點在于使得橢圓分段環(huán)上的電流保持均勻同向，并通過對橢圓環(huán)的長軸和短軸的調整，可以使這款天線在特定的讀寫距離和寬度內產(chǎn)生很強的磁場。因而這款天線適用于RFID 近場讀寫器的應用，在860-871MHz 的工作帶寬內，具有16.1cm 的讀寫距離以及8cm的讀寫寬度。
作者介紹：北京郵電大學電子工程學院 楊子江，曹亮，李秀萍
射頻識別技術（RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其工作原理是利用射頻信號的空間耦合特性，實現(xiàn)對靜止或移動的物品的自動識別。典型的RFID 系統(tǒng)包括標簽、讀寫器、天線和中間件四個組成部分[1]。其中，天線作為標簽和讀寫器提供射頻信號空間傳遞的設備，是影響RFID 系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關鍵部分，因而天線設計受到人們極大的重視。通常，RFID 系統(tǒng)可根據(jù)其作用距離分為兩種：近場系統(tǒng)和遠場系統(tǒng)。一般情況下，用于低頻（LF，125-134KHz）和高頻（HF，13.56MHz）的近場RFID 系統(tǒng)都是基于電感耦合來實現(xiàn)讀寫器和標簽間的能量的轉換和數(shù)據(jù)的傳輸，而用于超高頻（UHF，840-960MHz）和微波頻段（2.4GHZ 和5.8GHz）的遠場RFID 系統(tǒng)都是基于電磁場在讀寫器和標簽之間的傳播。近年來，由于RFID 在單品識別方面的應用日益受到重視，UHF 近場天線的設計技術也成為人們研究的重點[2]。
在近場識別系統(tǒng)中，一般讀寫器和標簽都采用傳統(tǒng)的金屬線環(huán)形結構，這是因為電小環(huán)形天線（直徑遠小于其工作波長）能在天線的軸向上產(chǎn)生很強的磁場。電小環(huán)天線上方的磁場強度受天線直徑的影響很大，當距離天線超過其直徑的長度時，磁場就會迅速的下降。增大環(huán)天線的直徑可以增加讀寫距離，但是由于半徑增大，磁場的范圍也會較大，同時當天線增大到周長接近其波長時，環(huán)上的電流會反向，此時天線就不能形成穩(wěn)定的磁場；此外，環(huán)天線也很難匹配到50ohm[3-5]。
針對上述問題，本文設計了一款橢圓分段環(huán)天線用于單品識別。在這個結構中，利用兩個相鄰的平行金屬線向下一段金屬線提供串聯(lián)電容，每個分段都可以看作是一段諧振線，這樣就避免了電感的積累，從而解決了匹配的難題。同時，在諧振時，在每段上的電壓都是實數(shù)，相位不會積累，所以可以在環(huán)上形成均勻同向的電流，從而在軸向形成很強的磁場。
1 天線結構介紹
橢圓分段環(huán)天線的結構如圖1（a）所示。圖中，天線的介質板為FR-4（厚度h=1.6mm，介電常數(shù)4.4，損耗角正切0.02）PCB 板。圖1（b）給出了橢圓分段環(huán)天線的整體結構圖，包括橢圓分段環(huán)，金屬腔體，匹配電路三部分。圖1（c）是天線的加工實物圖。
圖1 橢圓分段環(huán)RFID 讀寫器天線結構（a）橢圓分段環(huán)天線結構
（b）天線整體結構（c）加工實物圖
當減小相鄰金屬線的間距或增大交疊部分的長度時，電容值將隨之增大；通過調整適當?shù)腖(θ)和d，可使每段金屬線的電感與其感應電容在中心頻率處工作于諧振狀態(tài)，從而避免了電流相位的累積。分段環(huán)近場天線設計成橢圓形，短軸的長度是d1 = 8cm，用來控制近場天線讀取寬度；長軸的長度為d 2 = 15cm，用來控制天線的讀取距離。
在圖1（b）中，天線位于矩形金屬腔體內部，天線距離金屬腔體的底部為40mm，金屬腔體上方開口，覆以塑料蓋，大小為250×180×50mm3。金屬腔體有兩個作用：一是減少外界對天線的干擾；二是控制磁場在所需要的方向，增強磁場強度。但是金屬腔體會使天線的Q 值增大，這將會增加匹配的難度，減小天線的帶寬[6]，因而需要在天線輸入端加上一個匹配電路，在這里使用集總元件連接成一個對稱平衡的匹配電路[7]，將輸入阻抗匹配到50ohm。
圖 2（a）和圖2（b）給出了橢圓環(huán)天線和橢圓分段環(huán)天線在866MHz 的表面電流分布。從圖2（a）可以看出電流的空洞以及在頂部和底部電流的反向。圖2（b）中，平行的相鄰金屬線之間的電容和金屬線本身的電感使得這個大環(huán)天線的性能和小環(huán)天線類似，電流在橢圓分段環(huán)天線的分布依然同向并且可以形成很強的近場磁場。
圖 2 電流分布對比（866MHz）
天線的 S11 性能的實際測量結果如圖3 所示，-10dB 帶寬為11MHz（860-871MHz），能夠完全覆蓋歐洲標準的865-868MHz。
圖 3 橢圓分段環(huán)天線的S11 性能
圖 4 Impinj UHF Button 近場標簽
圖 5 讀取寬度測量結果
圖6 橢圓分段環(huán)天線的增益隨頻率變化曲線
圖7 XOZ，YOZ 平面上的增益圖(866MHz)
本文設計了一款橢圓分段環(huán)天線，用于對確定的高度和寬度的位置進行安全讀取。該天線設計的關鍵點在于使得橢圓分段環(huán)上的電流保持均勻同向，并通過對橢圓環(huán)的長軸和短軸的調整，可以使這款天線在特定的讀寫距離和寬度內產(chǎn)生很強的磁場。因而這款天線適用于RFID 近場讀寫器的應用，在860-871MHz 的工作帶寬內，具有16.1cm 的讀寫距離以及8cm的讀寫寬度。
作者介紹：北京郵電大學電子工程學院 楊子江，曹亮，李秀萍
