适用于多标准的超高频宽带RFID标签天线*

褚庆昕 曾锐华

(华南理工大学电子与信息学院，广东广州510640)

射频识别(RFID)技术是源于20世纪30年代诞生的雷达设备，并在90年代开始兴起的一种自动识别技术［1］.它是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触自动识别目标对象的技术，识别过程无须人工干预［2-3］.RFID技术具有防水、防磁、耐高温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、读写速度快、存储数据容量大等优点.近年来，RFID技术快速发展，应用于多个领域，例如第二代身份证、门禁控制、后勤物流、货仓管理、动物跟踪、交通收费管理系统等［4-5］.一个典型的RFID系统通常包括读写器和应答器(标签)两部分.标签部分由一块集成电路芯片和天线组成.目前，RFID在全世界获得了广泛应用，为了更好地利用有限的频率资源，各国划分了不同的频段供RFID使用，例如在欧洲是866～869 MHz，在美洲是902～928MHz，在中国则是840～845MHz和920～925 MHz，在日本是 950 ～956 MHz.总的来说，全球超高频(UHF)RFID频率范围是840～956MHz［6］.由此可见，设计出全球通用并兼容多种标准的宽带RFID标签天线对于减少重复设计和降低成本都是十分有意义的.此外，出于低成本和简化标签结构的需要，标签芯片与标签天线一般是直接连接，其间没有任何匹配电路.这就要求天线的阻抗设计要与芯片阻抗相匹配，以实现最大功率传输.而芯片的阻抗与传统的50Ω不同，典型值一般是实部较小，而虚部较大(－400～－100Ω)的复阻抗.要匹配这样一个复阻抗，会使天线的带宽变窄，因此宽带RFID标签天线成为当前研究的热点和难点.迄今为止，有关UHF RFID标签天线设计的文献很多，但能全球通用并兼容多种标准的宽带RFID标签天线却不多.文献［7］提出了一种基于变型双T匹配结构的近似全向标签天线，该天线的带宽是从848 MHz到926 MHz.显然不足以覆盖全球的RFID频率范围.文献［8］设计了一种圆形弯折标签天线，它具有近似全向的方向图，它的带宽足以覆盖整个UHF RFID频段，但是在该天线结构中使用圆形弯折线不仅增加了天线结构的复杂度，也提高了加工难度和成本.而文献［9］提出的电容耦合结构则相对简单，但是带宽只有65MHz.同样的窄带宽问题存在于文献［10］所报道的天线，该天线结构分为两层，并通过短路片连接.该天线的整体尺寸(106.0 mm×44.0mm×4.6mm)较大;对于一些要求薄标签的应用来说，厚度(4.6mm)也过厚了.

本研究基于两个变型弯折偶极子天线，通过引入电感耦合馈电结构同时进行馈电，使天线的带宽得以拓宽，足以覆盖全球多标准UHF RFID频率范围;并基于电磁仿真软件Ansoft HFSS的仿真分析，设计并加工了一个实物天线.实测结果与仿真结果吻合良好，验证了该设计的有效性.

1 天线原理与设计

文中提出的天线结构如图1所示.该天线结构分为矩形馈电环和变型弯折偶极子辐射体两部分.芯片贴在矩形馈电环的开口处进行激励，通过电感耦合将能量送至辐射体上.辐射体由两个中间部分连接在一起的变型弯折偶极子构成.这两个弯折偶极子的长度是有差异的，并不完全相等，通过统一馈电，可以形成两个比较靠近的谐振频率，从而拓展天线的带宽.阶梯状弯折的偶极子可以缩短天线的整体长度，使得天线结构紧凑.天线辐射体与矩形馈电环之间的耦合强度主要受到两方面因素的影响:一方面可以由它们之间的间隙(D)来控制耦合强度大小，间隙越窄，耦合越强;间隙越宽，耦合越弱;另一方面，矩形馈电环的尺寸大小也会影响它们之间的耦合强度.耦合强度的大小对天线的影响可以由天线的输入阻抗来反映［11］.

图1 天线的结构Fig.1 Geometry of the antenna

针对文中提出的天线，可以通过一个简化的电路模型(见图2)来分析.基于图2得到从天线馈电口处看进去的输入阻抗:

图2 天线的等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model of the antenna

式中:M是天线辐射体与馈电环之间的互感，表征它们之间的耦合强度;Zloop是馈电环本身的阻抗值，其值取决于馈电环本身的电感值Lloop，可以表示为ZA则是天线辐射体在去掉馈电环后所呈现的阻抗值，由辐射体自身电阻RA、电容C和电感LA构成.在其谐振频率f0附近时，ZA可以由天线的辐射电阻Rr以及与频率f有关的品质因数Q表征:

由式(1)－(3)可以得到天线输入阻抗的实部和虚部:

当天线工作在谐振点频率f0时，即f=f0，天线输入阻抗的实部和虚部则变为:

式(6)、(7)表明，天线输入阻抗的实部受到天线辐射体与馈电环之间的耦合强度以及天线辐射体本身的辐射电阻的控制，而虚部则取决于馈电环本身电感值的大小.由此可见，天线输入阻抗的实部和虚部独立可控.这样就为调节天线的阻抗提供了一种简单而有效的思路:首先选择尺寸合适的馈电环，以抵消芯片阻抗的虚部，然后调节馈电环与辐射体之间的间隙，以获得合适的实部，最终实现天线与任意芯片阻抗的共轭匹配.

经过在电磁仿真软件Ansoft HFSS里的仿真分析发现，在保持馈电环及辐射体尺寸不变，只改变它们之间的间隙的情况下，随着间隙增加，天线阻抗的实部在逐渐减小，而虚部则变化不大，结果如图3(a)所示.图3(b)所给出的结果是在保持辐射体和耦合间隙不变，只改变馈电环尺寸Lf的情况下得到的，由图3(b)可以看出，当增加馈电环尺寸时，天线阻抗的实部和虚部都在变大.原因在于改变馈电环的尺寸会同时改变其本身的电感值和其与辐射体之间的耦合强度.

图3 D和Lf对天线阻抗的影响Fig.3 Impact of D and Lfon antenna impedance

2 测量结果与分析

为验证第1节中所述理论的有效性，针对一款输出阻抗为(40－j290)Ω的RFID标签芯片，本研究先在电磁仿真软件Ansoft HFSS中进行建模设计，然后加工了一个天线实物，如图4所示.天线的介质板采用介电常数为4.4、厚度为1.6 mm的FR4基板.天线的具体尺寸参数如下:L1=50.0 mm，L2=8.5mm，L3=11.0 mm，Lf=40.0 mm，W1=5.0 mm，W2=20.0mm，W3=30.0 mm，Wf=10.0 mm，W=2.0mm，D=3.5mm，Y=3.0mm.

图4 天线照片Fig.4 Photograph of the antenna

本研究采用镜像法测量天线的阻抗.原因在于，本研究所设计的天线并非50Ω匹配的传统天线，而且是平衡对称结构.如果直接用50Ω测量设备进行测试，会带来如下问题:50 Ω同轴接头本身是一个不平衡设备，直接接到天线上会导致部分电流回流至同轴线的外导体，引起天线上的电流分布不平衡，从而影响测量的精确度.为克服电流回流的问题，通常采用四分之一波长平衡－不平衡变换器(巴伦)或者扼流圈，但要设计一个良好的宽带巴伦或者扼流圈，需要投入额外的设计工作量.而镜像法则不需要这样的设备，只需取对称天线的一半，放置在地平面上(见图5)，形成镜像;根据镜像法原理，这样测量出来的阻抗的两倍就是被测天线的阻抗.镜像法的测量精度受到地平面面积的影响，地平面面积越大，精度越高，因此只要取面积较大的地平面，就可以获得较高的精度.用镜像法测量时，地平面的面积是1m×1m.测量结果与仿真结果的比较如图6所示，两者吻合良好.由图6可见，在感兴趣的频段(840～956MHz)内，天线阻抗的虚部变化很小，保持在290Ω上下，这样平稳的阻抗特性非常有利于与芯片阻抗进行宽带共轭匹配，拓展天线带宽.将阻抗为(40－j290)Ω的RFID标签芯片与天线焊接起来，计算此时天线激励端口处的回波损耗(S11)，所得结果如图7所示.由图7可见，天线与芯片之间的阻抗匹配非常理想，在0.7～1.1 GHz频率范围内，S11都小于－10dB.这得益于天线阻抗的虚部在这一频段内保持稳定.

图5 镜像法配置图Fig.5 Configuration of imaging method

图6 天线阻抗的测量值和仿真值Fig.6 Measured and simulated impedance of the antenna

图7 天线S11的测量值和仿真值Fig.7 Measured and simulated S11of the antenna

功率反射系数反映的是源与负载之间的功率传输特性［12］，功率反射系数越小，负载获得的功率就越大.功率反射系数为

式中:Zchip是芯片的阻抗是Zin的共轭阻抗.

根据Friis空间传输公式，可得到功率反射系数与标签理论可读距离rmax之间的关系:

式中:λ是自由空间电磁波波长;Pt是RFID读写器的发射功率;Gt是RFID读写器天线的增益;Gr是标签天线的增益;Pth是标签芯片工作的最小门槛功率.通常在 840 ～956MHz频带内，Pt、Gt、Gr和 Pth都不会出现剧烈的变化，因此与频率有关的功率反射系数就成为影响标签读写距离的主要因素.根据天线阻抗的测量值和仿真值计算出来的功率反射系数如图8所示.半功率(－3dB)带宽的测量值是151MHz(从828MHz到979MHz)，比仿真值172MHz(从816MHz到988MHz)稍微窄了一些.这表明，在840～956MHz频带范围内，文中提出的天线都可以使标签获得足够的功率，保证标签的正常工作.因此，在全球UHF RFID频段范围内，文中提出的天线均能正常工作，实现了兼容多标准的目标.

图9示出了频率为900MHz时的天线归一化方向.经过仿真和实测，发现天线在 840、900和956MHz时的归一化方向图是相似的，所以文中只给出900MHz时的归一化方向图.由图9可以发现，天线方向图的形状和典型偶极子方向图是类似的，E面是8字状图形，而H面则是全向面.这是因为文中所提出的天线是基于传统偶极子设计的，所以其方向图也是相似的.

图8 天线功率反射系数的测量值和仿真值Fig.8 Measured and simulated power reflection coefficient of the antenna

图9 天线在900MHz时归一化辐射方向图的测量值和仿真值Fig.9 Measured and simulated normalized radiation pattern of the antenna at 900MHz

3 结语

本研究提出了一个结构简单的兼容多标准的宽带RFID标签天线.通过在天线结构中引入两个长度稍有差异的变型弯折偶极子并统一馈电，形成两个相近的谐振点，使得天线的阻抗，特别是虚部，在840～956 MHz的范围内保持平稳，以获得与芯片阻抗在较宽频段内良好的匹配，从而拓展天线的带宽，实现了覆盖全球UHF RFID频段和兼容多标准的目标.最后基于仿真分析，加工了一个实物天线.实际测量结果与仿真结果吻合良好，验证了该天线设计的有效性.

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