一种UHF频段宽带电子标签天线的设计分析

1 引 言  
　　射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是近年来兴起的一种自动识别技术。射频识别系统主要由读码系统和标签系统组成，通过无线射频信号传递信息，天线性能的好坏直接影响到整个系统的读写距离和识别率。RFID标签芯片阻抗一般具有电阻较小而容抗较大的特点，且每个芯片都有其特定阻抗，因此必须针对特定芯片设计与之匹配的标签天线。  
　　目前，RFID没有全球统一的频率划分规范，在UHF频段，主要有欧洲的866～869 MHz及美国的902～928 MHz。中国刚刚公布的频率标准为840～845 MHz和920～925 MHz两个频段。2005年9月，Cho，C等提出一种双支弯折偶极子加双T形馈电网络的标签天线结构，带宽达到65 MHz(S11<-10 dB)，实现了在867 MHz及915 MHz双频谐振，但是此天线结构复杂、阻抗匹配调整不便。H.Choo等提出另一种实现宽频的较简单的天线结构，即电磁耦合馈电结构，但是天线结构仍然较复杂，参数较多，阻抗调整不易。Li Yang等的文章中提出一种增益很高的双辐射边天线，但是全向性不好，标签使用范围受限制。  
　　本文同样采用电磁耦合馈电结构，针对Philips公司的SL3S3001 FTT芯片设计了一种结构简单，阻抗匹配方便，在867 MHz和915 MHz均出现频率谐振点，具有较强的实用价值的标签天线。设计时采用Zeland公司的IE3D软件进行仿真实验，介质板采用工业上最常用、价格又低廉的FR4敷铜板，其厚度为1.6 mm，敷铜厚0.03 mm，介电常数4.7。  
　　2 标签天线设计  
　　标签芯片的阻抗一般呈现大的容性电抗和小的电阻，这样高Q值的芯片阻抗，使得匹配天线的设计变得很困难，并且限制了天线的阻抗带宽。但是由于成本和制造的要求，标签天线必须直接与芯片匹配。  
　　以前常用的各种变形偶极子标签天线为了实现同芯片的阻抗匹配，其谐振频率与匹配的频率之间存在差异，致使阻抗带宽呈窄带特性。文献[3]中提出的电磁耦合馈电结构模型较好地解决了这个问题。此结构由一个独立的辐射主体和一个与之耦合的环形线圈组成，由文献[3]中的等效电路可知，在谐振频率处，天线的输入阻抗Z0各分量为：

　　其中Rrb,0为辐射主体在谐振频率附近的辐射电阻，M为辐射主体和馈电环之间的互感系数，Lloop为馈电环的自感系数。可见R0与X0可独立调整，便于实现天线电阻与任意芯片阻抗的匹配。利用此结构设计出如下对称结构的标签天线。其结构和阻抗变换特性如图1～图3所示。

　　仿真结果显示，此结构天线的谐振频率主要由辐射主体的有效电长度决定。由图2可见，辐射主体与耦合环的大小均不变，两者间距d增加时，输入阻抗的实部减小，虚部负斜率部分逐渐减弱消失，耦合减弱，但谐振频率基本不变。其他值保持不变，W1变化时天线输入阻抗变化规律与图3相似，可见辐射主体大小不变，辐射主体与耦合环间距也不变，耦合环的长度L1或宽度W1增加时，输入阻抗的实部和虚部均增加，耦合强度不变，谐振频率略为降低。  
　　可见此结构的天线输入阻抗及谐振频率的调整十分方便，通过调节设计出一种覆盖欧洲和美国两种标准频带宽度的标签天线，其尺寸如表1所示，仿真结果如图4所示。

　　由图4可见天线输入阻抗的虚部在谐振频率附近比较平坦，使得天线和芯片阻抗在一个较宽的频段内共轭匹配，阻抗带宽达到77 MHz(S11<-10 dB)。在867 MHz和915 MHz附近有两个谐振峰，天线方向图满足全向性。  
　　3 天线性能分析  
　　在实际制作天线前，我们先对仿真结果进行了评价分析。由于IE3D软件模拟分析得到的天线增益是建立在系统特征阻抗为50 Ω的系统上的，而本文所设计的标签天线是输入阻抗为与芯片阻抗共轭匹配，因此模拟分析结果需要对天线正规化才能得到正确的方向性(D0)与有效接收面积。

　　其中λ0=c/f本文天线设计主要针对阻抗做最大功率转移匹配，由式(6)标签芯片与标签天线阻抗介面的反射系数(Γta)，定义功率不匹配因数(Tag Power Mismatch Factor，TPMF)为式(7)，当阻抗为共轭匹配时，TPMF为1。

　　其中TPMF值预测了天线与芯片的阻抗匹配程度，而Aem,tag预测了天线有效接收面积。以PHILIPS公司的SL3S3001 FTT芯片的阻抗为参考，分析了上文设计的标签天线的特性，如表2所示。文献[8]中设计的四种标签天线的有效面积最大达到900多cm2，而本文设计的天线在867 MHz和915 MHz处的有效面积在1 300 cm2以上，TPMF也达到0.8左右，可见天线性能均比较理想。

4 试验测量  
　　根据所设计的标签天线尺寸，制作了如图5所示的标签天线实物。

　　标签天线的大小为60 mm×44 mm，满足一般应用对标签面积的要求，标签使用的是Philips公司的SL3S3001FTT芯片，符合ISO18000标准。应用支持该标准的AWID公司的阅读器进行测量，在辐射功率为4 W，标签天线与阅读器天线面平行的测量条件下，中心频率为867 MHz时阅读距离为1.9 m；中心频率为915 MHz时阅读距离可达2.4 m，基本达到应用要求。由于实验室制作条件所限，我们采用蚀刻技术制作的标签天线精度不到±0.1 mm，而从仿真结果可见只有保证±0.05 mm的精度，制作公差的影响才可忽略不记，因此在保证制作精度的条件下，阅读距离应该可以进一步增加。  
　　5 结语  
　　耦合馈电结构的电子标签天线具有结构简单，阻抗实部虚部可单独调节，阻抗带宽较宽等优点，本文设计的电子标签结构非常简单，针对不同芯片的阻抗匹配方便，带宽达到77 MHz，在867 MHz和915 MHz处有两个谐振频率，可同时满足欧洲和美国的UHF射频频段标准。

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