RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計與測量

1引言

RFID標(biāo)簽是RFID應(yīng)用技術(shù)的主要組成部分，RFID標(biāo)簽的性能通常決定整個應(yīng)用技術(shù)方案的有效性和實(shí)施性，因此RFID技術(shù)的實(shí)施中大多 以解決RFID標(biāo)簽性能為主導(dǎo)。標(biāo)簽的組成可分為芯片和天線兩大組成部分，標(biāo)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(biāo)簽的性能，因此天線的設(shè)計為標(biāo)簽設(shè)計主題部分。

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

2 RFID標(biāo)簽天線設(shè)計理論

RFID標(biāo)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(jìn)行設(shè)計與芯片相匹配的天線。在實(shí)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(dá)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(dǎo)行波與空間輻射波相互轉(zhuǎn)換的裝置。天線周圍的場強(qiáng)分布一般都是離開天線距離和角坐標(biāo)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(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)方法測定和檢驗(yàn)天線這些參數(shù)特性。

2.2標(biāo)簽天線設(shè)計的一般步驟

根據(jù)設(shè)計要求(標(biāo)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(biāo)參數(shù)，建立天線模型，并對天線模型進(jìn)行仿真計算。再根據(jù)仿真計算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整設(shè)計模型，以達(dá)到預(yù)期 目標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽天線的等效測量

從標(biāo)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(biāo)簽天線分為HF和UHF，HF的天線通?？珊雎越殡娪绊?，可直接通過電橋或阻抗分析儀測量其電感及分布電容。UHF標(biāo)簽天線的精確測量較難實(shí) 現(xiàn)，通常以等效測量方式以實(shí)現(xiàn)。下面就介紹兩種適用于UHF RFID標(biāo)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(biāo)簽天線輸入阻抗對材料比較敏感，當(dāng)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(fù)合材料等效成一均質(zhì)材料，把復(fù)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(biāo)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(shí)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(shí)部在940MHz附近達(dá)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(biāo)簽所貼附的復(fù)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(biāo)簽天線貼附于某復(fù)合板上時，實(shí)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(fù)合板尺寸進(jìn)行仿真計算，當(dāng)復(fù)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(shí)部最大值落在780MHz，如圖2.3(b)，復(fù)合板介電常數(shù)等效為3.4。復(fù)合板等效介電常數(shù)已確定，即可按正常設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計標(biāo)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(jìn)行等效測試，RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計測量也可以直接采用縮尺模型技術(shù)進(jìn)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(fù)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(fù)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(biāo)簽天線，貼附于前面所指的復(fù)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(fù)雜環(huán)境下設(shè)計目標(biāo)，較等效介電常數(shù)測算法更快捷，工作量減小，該方法在實(shí)際工程設(shè)計中實(shí)用性較高。

2.4標(biāo)簽天線設(shè)計頻帶的確定

UHF RFID因 每個國家的頻段標(biāo)準(zhǔn)不同，因此標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)為902-928MHz，

　　所以確定設(shè)計頻帶為：

　　Fmin=Fmin標(biāo)×K=902×1.19=1073MHz

　　Fmax=Fmax標(biāo)×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(dá)到目標(biāo)值卻可。

應(yīng)用天線等效測算法進(jìn)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(fù)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(biāo)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(dāng)芯片綁定到天線上時，還會增加分布電容，芯片的實(shí)際輸入阻抗與標(biāo)稱值還存在一 定差異。為了使標(biāo)簽?zāi)軌蚍€(wěn)定工作，滿足較寬頻帶內(nèi)阻抗匹配，通常標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shí)施例

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

3.1確立設(shè)計目標(biāo)

確立設(shè)計目標(biāo)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(biāo)。

例：開發(fā)設(shè)計一款用于美國市場藥店瓶裝藥品盤點(diǎn)管理的標(biāo)簽，要求標(biāo)簽貼于藥瓶標(biāo)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(dá)到1.5米穩(wěn)定盤點(diǎn)。

對環(huán)境介質(zhì)條件進(jìn)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(biāo)：

　　1、 標(biāo)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(biāo)簽天線尺寸較小，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)選用圖3.1所示結(jié)構(gòu)。為了有效增加天線臂寬度，標(biāo)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jìn)一步確認(rèn)設(shè)計符合性，可通過制作模型進(jìn)行測試，確認(rèn)與設(shè)計相符性。測試可分為天線模型測試和標(biāo)簽?zāi)Ｐ蜏y試，天線測試可參照 2.3.2.所述方法進(jìn)行確認(rèn)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(biāo)簽性能可以通過讀標(biāo)簽開啟功率掃頻法測試標(biāo)簽貼于藥瓶時的讀靈敏度，進(jìn)一步可推算出標(biāo)簽在實(shí)際場景中應(yīng)用時的讀距。圖3.4為掃頻法測試的標(biāo) 簽實(shí)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(biāo)頻帶應(yīng)用，且靈敏度達(dá)應(yīng)用要求。再通過模擬應(yīng)用場景進(jìn)行藥 品盤點(diǎn)驗(yàn)證確認(rèn)真實(shí)應(yīng)用符合性。

　　圖3.4

4天線匹配性的測量

標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽性能測量，雖然測量匹配性的目的是為了優(yōu)化標(biāo)簽性能，同時通過測量標(biāo)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(dǎo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行測試，也可以用于標(biāo)簽測試?？梢郧宄胤磻?yīng)出標(biāo)簽諧振頻率，可以通過諧振頻率進(jìn)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(biāo)簽諧振頻率與天線芯片并聯(lián)輸入阻抗最大值相對應(yīng)?？捎商炀€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(rèn)匹配設(shè)計調(diào)整方向，優(yōu)化匹配值，從而提高標(biāo)簽性能。

5結(jié)束語

應(yīng)用于復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境下RFID標(biāo)簽，只要掌握了適合的設(shè)計方法，不僅易于達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，還會使原本復(fù)雜的工作變得簡單化，設(shè)計目標(biāo)、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(yàn)，來選擇適合的天線了，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道什么樣的天線才是適合的。