RFID標簽天線的設(shè)計與測量

1引言

RFID標簽是RFID應(yīng)用技術(shù)的主要組成部分，RFID標簽的性能通常決定整個應(yīng)用技術(shù)方案的有效性和實施性，因此RFID技術(shù)的實施中大多 以解決RFID標簽性能為主導。標簽的組成可分為芯片和天線兩大組成部分，標簽的性能及其性能分析也是從這兩個組成部分展開。然而在芯片型號定型后，天線 的性能及與芯片的匹配性也就決定了標簽的性能，因此天線的設(shè)計為標簽設(shè)計主題部分。

目前關(guān)于RFID標簽天線的設(shè)計已有較多的文獻，但很少關(guān)于標簽實際應(yīng)用中復雜材料環(huán)境下的設(shè)計與測量的文獻。本文著重介紹了復雜材料環(huán)境條件下進行天線的設(shè)計與測量方法，并結(jié)合工程實施例加以說明。

2 RFID標簽天線設(shè)計理論

RFID標簽天線的設(shè)計通常指在給定天線工藝條件下，針對具體應(yīng)用要求，在規(guī)定尺寸范圍內(nèi)進行設(shè)計與芯片相匹配的天線。在實際設(shè)計工程中主要解 決規(guī)定的尺寸范圍及工作環(huán)境件下天線的輸入阻抗與芯片在工作頻段達到共軛匹配。除了天線阻抗匹配設(shè)計外，還要關(guān)注天線輻射效率、極化方向及輻射方向圖等參 數(shù)。

2.1天線的基礎(chǔ)知識

天線是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，即把導行波與空間輻射波相互轉(zhuǎn)換的裝置。天線周圍的場強分布一般都是離開天線距離和角坐標的函數(shù)，通常根據(jù)離開天線距離的不同，將天線周圍的場區(qū)劃分為感應(yīng)場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。

圖2.1天線周圍的場區(qū)

圖2.1(a)所示電尺寸小的偶極子天線其感應(yīng)場區(qū)的外邊界是λ/2π。這里，λ是指工作波長。圖2.1(b)所示電尺寸大的孔徑天線的輻射場區(qū)又分為近場區(qū)和遠場區(qū)。

天線一般都有兩方面的特性：電路特性(輸入阻抗、效率、頻帶寬度、匹配程度等)和輻射特性(方向圖、增益、極化、相位等)。天線的測量就是用實驗方法測定和檢驗天線這些參數(shù)特性。

2.2標簽天線設(shè)計的一般步驟

根據(jù)設(shè)計要求(標簽尺寸、工作頻帶、 匹配芯片、應(yīng)用條件等由要求提出)，確定設(shè)計方案及目標參數(shù)，建立天線模型，并對天線模型進行仿真計算。再根據(jù)仿真計算結(jié)果進行調(diào)整設(shè)計模型，以達到預期 目標參數(shù)。天線的設(shè)計通常是條件確定的，即各類材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)分布均為已知，否則設(shè)計無從入手。RFID標簽應(yīng)用范圍廣，通常材料的介電常數(shù)等不能確定， 天線在此環(huán)境下的輸入阻抗及其他參數(shù)成為未知，這就需要通過測試確定其參數(shù)。

2.3標簽天線的等效測量

從標簽天線的一般設(shè)計方法可見，設(shè)計之關(guān)鍵是測試。 RFID標簽天線分為HF和UHF，HF的天線通?？珊雎越殡娪绊懀芍苯油ㄟ^電橋或阻抗分析儀測量其電感及分布電容。UHF標簽天線的精確測量較難實 現(xiàn)，通常以等效測量方式以實現(xiàn)。下面就介紹兩種適用于UHF RFID標簽設(shè)計的測量方法：

2.3.1.諧振法測量等效介電常數(shù)

UHF標簽天線輸入阻抗對材料比較敏感，當貼附在不同材料上時，其阻抗變化量通常存在較大差異。等效介電常數(shù)是指把復合材料等效成一均質(zhì)材料，把復合材料對天線的綜合影響等效成均質(zhì)材料影響。

如圖2.2(a)一款通用型UHF RFID標簽天線，其空氣介質(zhì)條件下仿真計算輸入阻抗頻率曲線如圖2.2(b)，使用磁探針實測空氣介質(zhì)條件下天線耦合功率曲線如圖2.2(C)。

　　圖2.2(a)

　　圖2.2(b)

　　圖2.2(c)

圖2.2(b)輸入阻抗曲線圖，天線輸入阻抗的實部在940MHz附近達到最大值與2.2(c)中耦合功率曲線圖940MHz附近最小值相對應(yīng)，通常我們說天線在940MHz諧振。下面就舉例通過諧振頻率法來推算標簽所貼附的復合板的等效介電常數(shù)。

　　圖2.3(a)

　　圖2.3(b)

圖2.2(a)所示標簽天線貼附于某復合板上時，實測耦合功率曲線如圖2.3(a)，可以看到耦合功率最小值飄移至780MHz附近，即天線的諧振頻率變?yōu)?80MHz。

按照復合板尺寸進行仿真計算，當復合板的介電常數(shù)設(shè)置為3.4時，天線輸入阻抗仿真計算實部最大值落在780MHz，如圖2.3(b)，復合板介電常數(shù)等效為3.4。復合板等效介電常數(shù)已確定，即可按正常設(shè)計方法進行設(shè)計標簽天線。

2.3.2.縮尺模型技術(shù)應(yīng)用與比例測量法

縮尺模型技術(shù)是指在滿足一定條件下，將天線按一定縮尺比例縮小(或放大)，其特性參數(shù)也滿足這一比例呈函數(shù)變化?？s尺模型技術(shù)通常為了便于測 試，制作適于測試的模型進行等效測試，RFID標簽天線的設(shè)計測量也可以直接采用縮尺模型技術(shù)進行等效測量。本文對縮尺模型測量技術(shù)原本用法不再展開討 論，本文從另一個角度展開縮尺模型技術(shù)的應(yīng)用。

我們由圖2.2(a)所示天線在空氣中及貼附于復合板上兩種環(huán)境下其輸入阻抗曲線形狀相同，位置及數(shù)值存在一定邏輯關(guān)系，與縮尺模型技術(shù)存在一 定的相似性。由圖2.2(b)和2.3(b)可推算出貼附于復合板材上時天線的輸入阻抗頻率乘以1.2與空氣介質(zhì)時近似。即我們可以通過測量兩種環(huán)境下的 天線的諧振頻率，得到頻率變化系數(shù)為1.2。

K=F空/F介=0.94/0.78=1.2

假設(shè)我們要設(shè)計一款尺寸與2.2(a)所示相同的標簽天線，貼附于前面所指的復合板材上，要求其特性參數(shù)與2.2(a)所示天線在空氣條件下相 近。按照要求調(diào)整天線結(jié)構(gòu)得到如圖2.4所示天線，使其空氣介質(zhì)條件下輸入輸入阻抗曲線與圖2.2(b)的1.2比例相近。圖2.5為圖2.4所示天線仿 真計算輸入阻抗，基本接近1.2比例要求。

　　圖2.4

　　圖2.5

通過比例測算法可直接確定在復雜環(huán)境下設(shè)計目標，較等效介電常數(shù)測算法更快捷，工作量減小，該方法在實際工程設(shè)計中實用性較高。

2.4標簽天線設(shè)計頻帶的確定

UHF RFID因 每個國家的頻段標準不同，因此標簽天線設(shè)計，首先要根據(jù)要求確定設(shè)計頻帶。應(yīng)用天線等效測算法進行天線設(shè)計，天線設(shè)計頻帶還要乘以比例系數(shù)K。如要求設(shè)計 一款用于美國，附著于常見藥瓶的RFID標簽。已知藥瓶通過測試計算出頻率變化比例K=1.19，因美國頻率段標準為902-928MHz，

　　所以確定設(shè)計頻帶為：

　　Fmin=Fmin標×K=902×1.19=1073MHz

　　Fmax=Fmax標×K=928×1.19=1104MHz

　　即設(shè)計頻帶為1073-1104MHz，只要使天線在這個頻帶的特性參數(shù)達到目標值卻可。

應(yīng)用天線等效測算法進行天線設(shè)計，可以省去較多仿真計算工作，特別是明確在簡單條件(純天線)下的頻帶，這會使原本復雜的計算簡單化。

2.5動態(tài)阻抗匹配的設(shè)計

芯片在未開啟狀態(tài)下通?？傻刃С扇葑桦娐罚措娙蓦娮璨⒙?lián)電路。如一款芯片標稱值為0.85PF，2KΩ，則其輸入阻抗為

　　Z=(jR/ωC)/( R+1/jωC)=(1-jωCR2)R/[1+(ωCR)2]

芯片輸入阻抗曲線如圖2.6。

　　圖2.6

由芯片的輸入輸阻抗曲線圖可知，芯片的輸入阻隨頻率變化而變化。當芯片綁定到天線上時，還會增加分布電容，芯片的實際輸入阻抗與標稱值還存在一 定差異。為了使標簽能夠穩(wěn)定工作，滿足較寬頻帶內(nèi)阻抗匹配，通常標簽天線設(shè)計時考慮芯片的輸入阻抗的動態(tài)變化，做動態(tài)阻抗匹配設(shè)計。通常所指的標簽天線動 態(tài)阻抗匹配設(shè)計是指天線輸入阻抗在設(shè)計頻帶內(nèi)阻抗變化趨勢與芯片輸入阻抗共軛值的變化趨勢相對應(yīng)。此外動態(tài)阻抗匹配設(shè)計還包含芯片開啟、讀、寫等各個狀態(tài) 下的輸入阻抗，為了兼顧標簽各個狀態(tài)的性能，設(shè)計上盡可能地使天線在工作頻帶內(nèi)滿足芯片在各個狀態(tài)下基本符合匹配條件。3天線設(shè)計實施例

為了更好地理理解本文RFID標簽天線設(shè)計思想，下面通過一個具體設(shè)計工程實施例簡單回顧一下整個設(shè)計過程。

3.1確立設(shè)計目標

確立設(shè)計目標是指針對應(yīng)用需求分析轉(zhuǎn)化為設(shè)計需求，從而確立設(shè)計目標。

例：開發(fā)設(shè)計一款用于美國市場藥店瓶裝藥品盤點管理的標簽，要求標簽貼于藥瓶標貼縫隙處，瓶子陳列于金屬貨架上，最大排列行數(shù)為6行，使用MOTO一款手持讀寫器要求達到1.5米穩(wěn)定盤點。

對環(huán)境介質(zhì)條件進行測試，得到設(shè)計比例系數(shù)為1.17-1.21，介質(zhì)遮擋損耗最大為6dB。確定基本設(shè)計目標：

　　1、 標簽天線尺寸4×50mm，

　　2、 設(shè)計頻帶1073-1104MHz，

　　3、 天線增益GEIRP>-2dB

　　4、 天線阻抗匹配系數(shù)>0.5

3.2建立設(shè)計模型

因標簽天線尺寸較小，根據(jù)設(shè)計目標選用圖3.1所示結(jié)構(gòu)。為了有效增加天線臂寬度，標簽天線采用對稱式的雙螺旋臂結(jié)構(gòu)。由電磁感應(yīng)定律中的楞次 定律知道，感生電流總是阻逆原生電流變化，由于天線臂螺旋結(jié)構(gòu)使流經(jīng)每個天線臂的電流環(huán)向相同，感生電流的阻逆作用產(chǎn)生疊加，相當于電流在天線臂的流速降 低，天線的諧振頻率會較曲折臂和直臂天線降低。因此對稱螺旋臂天線的長度相對傳統(tǒng)的曲折臂天線臂長短，短臂天線在給定空間內(nèi)可以增寬天線臂，使天線臂寬而 短。天線臂的長寬比越小，天線的阻入阻抗曲線越趨向平滑，與芯片的匹配帶寬增大，因而標簽的性能更穩(wěn)定。

　　圖3.1

3.3模型仿真與阻抗匹配調(diào)整

芯片輸入阻抗已知在920MHz時為20-j145歐姆，則知天線設(shè)計阻抗目標為20+j145歐姆。套入天線等效測量技術(shù)則天線輸入阻抗目標為：

　　Z=(20+j145)×1.19=23.8+j172歐姆

　　對應(yīng)頻率F=920×1.19=1095MHz

調(diào)整天線臂長度及閉合環(huán)的尺寸或凹陷程度使其在1095MHz時天線輸入阻抗接近目標值，同時要考慮設(shè)計頻帶內(nèi)(1073-1104MHz)阻抗波動值，控制波動范圍。如圖3.2通過天線調(diào)整后的天線輸入阻抗曲線圖。

　　圖3.2

3.4模型制作與測試

設(shè)計定型后為了進一步確認設(shè)計符合性，可通過制作模型進行測試，確認與設(shè)計相符性。測試可分為天線模型測試和標簽模型測試，天線測試可參照 2.3.2.所述方法進行確認天線模型樣品與計算值的偏差。如圖3.3(a)和圖3.3(b)分別為空氣環(huán)境下測試耦合功率曲線和貼于藥瓶時測試耦合功率 曲線。由圖可以看到模型樣品的諧振頻與設(shè)計基本一致，貼于藥瓶時，頻率變化比例為1.19亦符合。

　　圖3.3(a)

　　圖3.3(b)

標簽性能可以通過讀標簽開啟功率掃頻法測試標簽貼于藥瓶時的讀靈敏度，進一步可推算出標簽在實際場景中應(yīng)用時的讀距。圖3.4為掃頻法測試的標 簽實際應(yīng)用中的讀靈敏度。由靈敏度曲線圖可知最佳靈敏度頻段在895-920MHz，可滿足目標頻帶應(yīng)用，且靈敏度達應(yīng)用要求。再通過模擬應(yīng)用場景進行藥 品盤點驗證確認真實應(yīng)用符合性。

　　圖3.4

4天線匹配性的測量

標簽天線會因加工工藝的偏差而產(chǎn)生參數(shù)偏差，芯片在綁定工藝中也會因綁定工藝產(chǎn)生不同的分布電容值，所以標簽天線與芯片的匹配性往往與設(shè)計存在 一定偏差。為了優(yōu)化匹配性，通常還要做匹配性測量。匹配性測量區(qū)別于標簽性能測量，雖然測量匹配性的目的是為了優(yōu)化標簽性能，同時通過測量標簽的性能也可 以反應(yīng)出天線的匹配性，但匹配性測量更具有針對性，可以通過匹配性測量指導設(shè)計及工藝優(yōu)化方向。

圖4.1

如圖4.1所示電路原理圖是用于HF標簽匹配性測量的測試選件電路，使用亥姆霍茲雙線圈測試技術(shù)，

不僅可以測量標簽諧振頻率還可以測量出磁偶極矩和Q值。圖4.2為一款HF標簽產(chǎn)品匹配性能測試照片，可清楚地反應(yīng)產(chǎn)品諧振頻率及磁偶極矩大小。

　　圖4.2

UHF標簽可使用2.3.2中所述的磁探針耦合功率測試法。磁探針耦合功率測試法不僅可以對天線進行測試，也可以用于標簽測試。可以清楚地反應(yīng)出標簽諧振頻率，可以通過諧振頻率進一步確定阻抗匹配情況及設(shè)計優(yōu)化調(diào)整。

由磁探針耦合功率測試圖譜知，標簽諧振頻率與天線芯片并聯(lián)輸入阻抗最大值相對應(yīng)。可由天線輸入阻抗、芯片輸入阻抗及并聯(lián)輸入阻抗的關(guān)系，通過推算值確定匹配系數(shù)。另外附以由靈敏度測試曲線圖，可確認匹配設(shè)計調(diào)整方向，優(yōu)化匹配值，從而提高標簽性能。

5結(jié)束語

應(yīng)用于復雜介質(zhì)環(huán)境下RFID標簽，只要掌握了適合的設(shè)計方法，不僅易于達到預期的設(shè)計目標，還會使原本復雜的工作變得簡單化，設(shè)計目標、設(shè)計 周期、設(shè)計成本透明化。不要再通過制作一大堆各種形狀天線通過性能測試或試驗，來選擇適合的天線了，因為我們已經(jīng)知道什么樣的天線才是適合的。