金屬表面超高頻RFID標簽天線設計

　　引言

　　RFID(無線射頻識別)系統(tǒng)主要由RFID讀寫器和電子標簽組成。近年來，RFID技術已經廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。國內RFID目前主要使用的頻段有125 kHz(低頻)、13．56 MHz(中高頻)、902～928 MHz(超高頻)，越來越多的研究機構開始對超高頻RFID系統(tǒng)進行研究，以實現系統(tǒng)的遠距離、高速率、低成本等特性。作為RFID必不可少的一部分，電子標簽以其低成本、小體積、非接觸式等特性取代了傳統(tǒng)的二維條碼，普遍應用于身份識別、車輛管理、倉儲物流、防偽、零售等眾多領域。普通的超高頻電子標簽一般采用印制偶極子天線，該結構可以應用于貨物、商品、書本等采用非金屬介質的表面，而在固定資產管理、集裝箱、機車、電子車牌、電力設施等許多領域，由于采用了金屬表面結構，傳統(tǒng)的超高頻電子標簽在金屬表面幾乎不能正常工作，對此本文設計了一款工作在902～928 MHz的低成本、小體積、高增益的抗金屬電子標簽天線。

　　1 現有的金屬表面標簽天線

　　目前在美國和歐洲等發(fā)達國家，金屬表面標簽技術已經發(fā)展得較為成熟，廣泛應用到了物流中的各個領域，而我國普通的超高頻電子標簽已經十分普及，但可以真正用于金屬表面的電子標簽很少。金屬表面標簽技術仍處于起步階段，國內許多金屬表面標簽天線都是在傳統(tǒng)的偶極子標簽天線上改進的，通過增加標簽天線與金屬表面的距離來減少金屬反射面對標簽的影響。標簽天線與金屬表面的距離H應保持1 cm以上的高度，這樣雖然提高了標簽的讀取距離，但會使整個標簽的體積和成本增加，天線的帶寬降低，并沒有很好地解決表面金屬對標簽天線的影響，此時標簽天線的性能遠沒有其用于非金屬表面的性能好；基于陶瓷介質的微帶天線也可以用到金屬表面，它利用陶瓷介質的高介電常數，使天線的體積能夠做到很小，利用金屬表面作為自己更大的反射面，使天線的性能十分穩(wěn)定，但由于陶瓷天線的造價太高，不適合電子標簽的低成本批量生產；另外一種可適用金屬表面的標簽天線方案是在天線輻射面與金屬面之間增加一層AMC(人工磁導體)結構，如圖1所示。通過AMC的高阻抗特性使電子標簽與AMC之間產生的磁流方向和金屬面與 AMC之間的磁流方向相同，從而提高電子標簽的增益與讀取距離，但這項技術目前研究的難度和成本都很高，仍處于實驗室階段。

　　2 印刷結構標簽天線

　　針對目前金屬表面用超高頻RFID電子標簽的應用需求，設計了一款新型結構的電子標簽天線。該天線首先在一片平面材料(如PVC薄膜、紙等)上采用銀漿(或銅、鋁等)印刷，如圖2所示的平面結構。標簽芯片安裝后，將此平面貼紙標簽沿折線粘貼于方形介質材料上。

　　當此標簽固定在金屬表面(無論使用標簽的哪一個面貼于金屬)使用時，標簽天線可以等效成PIFA天線模型(如圖3所示)。此時金屬平面作為天線的反射面，對天線的性能將產生有益的影響。圖3中尺寸結構：w=45 mm，l=95 mm，h=5 mm，w1=31 mm。

　　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。

　　4 實物測試

　　為驗證以上設計，本文做了實物模型，并進行了相關的性能測試。如圖7所示，使用銅皮紙所蝕刻的平面天線，粘貼于泡沫介質上。標簽芯片使用NXP半導體公司的SL3ICS1202G2XL芯片，該芯片的阻抗為24-j195 Ω，測試將標簽貼于25 cm×25 cm的金屬平板中央，如圖8所示，使用MR6021型號閱讀器1 W的發(fā)射功率及6 dBi圓極化天線對標簽進行了識讀。實測識別距離大于4 m。

　　5 結語

　　金屬物體對超高頻電子標簽的干擾一直是RFID領域的一個難題，本文結合PIFA天線的基本理論以及現有的標簽技術，設計了一款UHF抗金屬標簽天線，天線采用的印刷結構使得生產工藝簡化，生產成本低廉。通過對天線大量的仿真和實測，論證了該天線具有高增益、遠距離等特點，是一款能夠真正應用于金屬表面的標簽天線。