一種UHF頻段寬帶電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)分析

　1 引 言 　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是近年來興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由讀碼系統(tǒng)和標(biāo)簽系統(tǒng)組成，通過無線射頻信號(hào)傳遞信息，天線性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的讀寫距離和識(shí)別率。RFID標(biāo)簽芯片阻抗一般具有電阻較小而容抗較大的特點(diǎn)，且每個(gè)芯片都有其特定阻抗，因此必須針對(duì)特定芯片設(shè)計(jì)與之匹配的標(biāo)簽天線。 　　目前，RFID沒有全球統(tǒng)一的頻率劃分規(guī)范，在UHF頻段，主要有歐洲的866～869 MHz及美國的902～928 MHz。中國剛剛公布的頻率標(biāo)準(zhǔn)為840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段。2005年9月，Cho，C等提出一種雙支彎折偶極子加雙T形饋電網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，帶寬達(dá)到65 MHz(S11<-10 dB)，實(shí)現(xiàn)了在867 MHz及915 MHz雙頻諧振，但是此天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、阻抗匹配調(diào)整不便。H.Choo等提出另一種實(shí)現(xiàn)寬頻的較簡單的天線結(jié)構(gòu)，即電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，但是天線結(jié)構(gòu)仍然較復(fù)雜，參數(shù)較多，阻抗調(diào)整不易。Li Yang等的文章中提出一種增益很高的雙輻射邊天線，但是全向性不好，標(biāo)簽使用范圍受限制。 　　本文同樣采用電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，針對(duì)Philips公司的SL3S3001 FTT芯片設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單，阻抗匹配方便，在867 MHz和915 MHz均出現(xiàn)頻率諧振點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值的標(biāo)簽天線。設(shè)計(jì)時(shí)采用Zeland公司的IE3D軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，介質(zhì)板采用工業(yè)上最常用、價(jià)格又低廉的FR4敷銅板，其厚度為1.6 mm，敷銅厚0.03 mm，介電常數(shù)4.7。 　　2 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì) 　　標(biāo)簽芯片的阻抗一般呈現(xiàn)大的容性電抗和小的電阻，這樣高Q值的芯片阻抗，使得匹配天線的設(shè)計(jì)變得很困難，并且限制了天線的阻抗帶寬。但是由于成本和制造的要求，標(biāo)簽天線必須直接與芯片匹配。 　　以前常用的各種變形偶極子標(biāo)簽天線為了實(shí)現(xiàn)同芯片的阻抗匹配，其諧振頻率與匹配的頻率之間存在差異，致使阻抗帶寬呈窄帶特性。文獻(xiàn)[3]中提出的電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)模型較好地解決了這個(gè)問題。此結(jié)構(gòu)由一個(gè)獨(dú)立的輻射主體和一個(gè)與之耦合的環(huán)形線圈組成，由文獻(xiàn)[3]中的等效電路可知，在諧振頻率處，天線的輸入阻抗Z0各分量為：

其中Rrb,0為輻射主體在諧振頻率附近的輻射電阻，M為輻射主體和饋電環(huán)之間的互感系數(shù)，Lloop為饋電環(huán)的自感系數(shù)。可見R0與X0可獨(dú)立調(diào)整，便于實(shí)現(xiàn)天線電阻與任意芯片阻抗的匹配。利用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出如下對(duì)稱結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線。其結(jié)構(gòu)和阻抗變換特性如圖1～圖3所示。

　仿真結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)天線的諧振頻率主要由輻射主體的有效電長度決定。由圖2可見，輻射主體與耦合環(huán)的大小均不變，兩者間距d增加時(shí)，輸入阻抗的實(shí)部減小，虛部負(fù)斜率部分逐漸減弱消失，耦合減弱，但諧振頻率基本不變。其他值保持不變，W1變化時(shí)天線輸入阻抗變化規(guī)律與圖3相似，可見輻射主體大小不變，輻射主體與耦合環(huán)間距也不變，耦合環(huán)的長度L1或?qū)挾萕1增加時(shí)，輸入阻抗的實(shí)部和虛部均增加，耦合強(qiáng)度不變，諧振頻率略為降低。

　　可見此結(jié)構(gòu)的天線輸入阻抗及諧振頻率的調(diào)整十分方便，通過調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)出一種覆蓋歐洲和美國兩種標(biāo)準(zhǔn)頻帶寬度的標(biāo)簽天線，其尺寸如表1所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見天線輸入阻抗的虛部在諧振頻率附近比較平坦，使得天線和芯片阻抗在一個(gè)較寬的頻段內(nèi)共軛匹配，阻抗帶寬達(dá)到77 MHz(S11<-10 dB)。在867 MHz和915 MHz附近有兩個(gè)諧振峰，天線方向圖滿足全向性。

　　3 天線性能分析

　　在實(shí)際制作天線前，我們先對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。由于IE3D軟件模擬分析得到的天線增益是建立在系統(tǒng)特征阻抗為50 Ω的系統(tǒng)上的，而本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線是輸入阻抗為與芯片阻抗共軛匹配，因此模擬分析結(jié)果需要對(duì)天線正規(guī)化才能得到正確的方向性(D0)與有效接收面積。

　其中λ0=c/f本文天線設(shè)計(jì)主要針對(duì)阻抗做最大功率轉(zhuǎn)移匹配，由式(6)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線阻抗介面的反射系數(shù)(Γta)，定義功率不匹配因數(shù)(Tag Power Mismatch Factor，TPMF)為式(7)，當(dāng)阻抗為共軛匹配時(shí)，TPMF為1。

　其中TPMF值預(yù)測了天線與芯片的阻抗匹配程度，而Aem,tag預(yù)測了天線有效接收面積。以PHILIPS公司的SL3S3001 FTT芯片的阻抗為參考，分析了上文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線的特性，如表2所示。文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)的四種標(biāo)簽天線的有效面積最大達(dá)到900多cm2，而本文設(shè)計(jì)的天線在867 MHz和915 MHz處的有效面積在1 300 cm2以上，TPMF也達(dá)到0.8左右，可見天線性能均比較理想。

4 試驗(yàn)測量

　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線尺寸，制作了如圖5所示的標(biāo)簽天線實(shí)物。

　標(biāo)簽天線的大小為60 mm×44 mm，滿足一般應(yīng)用對(duì)標(biāo)簽面積的要求，標(biāo)簽使用的是Philips公司的SL3S3001FTT芯片，符合ISO18000標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用支持該標(biāo)準(zhǔn)的AWID公司的閱讀器進(jìn)行測量，在輻射功率為4 W，標(biāo)簽天線與閱讀器天線面平行的測量條件下，中心頻率為867 MHz時(shí)閱讀距離為1.9 m；中心頻率為915 MHz時(shí)閱讀距離可達(dá)2.4 m，基本達(dá)到應(yīng)用要求。由于實(shí)驗(yàn)室制作條件所限，我們采用蝕刻技術(shù)制作的標(biāo)簽天線精度不到±0.1 mm，而從仿真結(jié)果可見只有保證±0.05 mm的精度，制作公差的影響才可忽略不記，因此在保證制作精度的條件下，閱讀距離應(yīng)該可以進(jìn)一步增加。

　　5 結(jié)語

　　耦合饋電結(jié)構(gòu)的電子標(biāo)簽天線具有結(jié)構(gòu)簡單，阻抗實(shí)部虛部可單獨(dú)調(diào)節(jié)，阻抗帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)非常簡單，針對(duì)不同芯片的阻抗匹配方便，帶寬達(dá)到77 MHz，在867 MHz和915 MHz處有兩個(gè)諧振頻率，可同時(shí)滿足歐洲和美國的UHF射頻頻段標(biāo)準(zhǔn)。