小型RFID偶极子天线设计与优化*

张亚平，陶 波，陈显才，吴光华

(华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验，湖北 武汉430074)

射频识别 RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，被广泛应用于物流、防伪等领域。

RFID系统通常由读写器、标签和服务器组成。标签分有源标签和无源标签，无源标签由天线和芯片构成，结构简单，成本低。在超高频频段，标签天线常采用半波偶极子天线[1]。偶极子天线具有结构简单、效率高、制造成本低等优点。

1 偶极子天线设计

1.1 天线结构设计

由半波偶极子天线的定义，天线的总长度为工作频率下电磁波波长的1/2。结合电磁波在电介质中传播的波长公式，半波偶极子天线的长度La为：

其中，εr为电介质的相对介电常数，c为电磁波的传播速度，f为工作频率。

在实际RFID标签应用中,天线通常制作在PET等电介质基板表面，式(1)中电介质的相对介电常数 εr须用有效相对介电常数εeff来表示[2]：

其中，εr为基板材料的相对介电常数，εr_air为空气相对介电常数(约等于1)。α、β是由基板厚度等因素决定的权重因数，需通过仿真确定。

为了缩减标签尺寸，本文采用弯折偶极子天线。由于弯折偶极子天线的弯折线之间相互耦合影响，导致用式(1)计算的天线长度有较大误差。在设计中，本文先用式(1)估算天线长度，再通过仿真分析进行优化计算。

常用超高频 RFID标签芯片的阻抗为复数，并具有较大的虚部。为使标签的功率传输系数τ达到最优值，要求设计天线的阻抗与芯片阻抗共轭匹配。为此，需要在偶极子天线上加入阻抗匹配的结构，本文使用T型阻抗匹配的方法[3]。

本文设计的标签采用Impinj Monza 4芯片，其阻抗为 11-j143 Ω，读取的门限功率为-17.4 dBm。文中采用矩量法仿真，仿真软件为Zeland IE3D。通过初步的计算和仿真，得到如图1所示的偶极子天线。天线材料为铝(电导率 σ=38 MS/m)，厚度为 0.01 mm；基板材料为 PET(相对介电常数εr=3.5)，厚度为 0.05 mm。该天线的基本结构尺寸如表1所示,仿真得到其阻抗为1.98+j144.3 Ω，共轭匹配增益为-3.17 dBi。

1.2 天线结构优化

RFID标签的性能通常以读写距离d为判断依据，d可用自由空间的 Friis公式估算[4-5]：

表1 尺寸数值

其中，c为电磁波的传播速度，f为系统工作频率，Pr为读写器的发射功率，Gr为读写器天线的增益，Gt为标签天线的增益，p为读写器天线与标签天线之间的极化损失，Pth为标签芯片的门限功率，τ为标签天线与芯片之间的功率传输系数，表征天线与芯片之间的能量传输。其定义如下：

其中，Za=Ra+jXa，Zc=Rc+jXc分别为天线和芯片的阻抗。当天线与芯片阻抗匹配，即Za=时，τ取最大值1。

本文使用的读写器为圆极化天线，而偶极子为线极化，所以p=0.5。芯片的门限功率Pth由芯片的设计和制造工艺决定，芯片一经选定，Pth即确定，因而标签的天线设计是决定标签性能的关键。在读写器参数确定的情况下，当标签天线增益Gt和功率传输系数τ达到最大值时，标签的读写距离最大。

标签天线设计的目的是在标签尺寸等限制条件下，使得标签天线的增益Gt和功率传输系数τ最大。

在图1所示天线的基本结构中天线由弯折线和臂L1、L2组成，以达到所要求的长度。由天线长度的计算公式(1)可知，调节天线的总长度能够调节天线本身的谐振频率和阻抗。图2为其他参数不变，改变L1、L2的长度时所得到的阻抗曲线。由图可见,增大L1和L2的长度，阻抗曲线整体向左移，天线谐振频率减小，阻抗实部最大值增大，虚部最大值减小。

因此，可以通过调节天线长度来优化天线性能。图3为L1和L2的值与标签在915 MHz的增益的关系曲线，随着L1和 L2增大，标签的增益也增大。图 4为 L1和 L2的值与标签在915 MHz的功率传输系数的关系曲线，随着L1和L2增大，功率传输系数先增大后减小，在L1=L2=19.8 mm时达到最大值，此时天线与芯片阻抗匹配达到最佳。图5是根据式(3)计算的标签读写距离与L1和L2的值的关系曲线，读写器发射功率Pr为28 dBm，天线为圆极化，增益 Gr为 3 dBi。

由图5可见，L1=L2=19.8 mm时，标签理论读写距离达到最大值2.56 m，天线的阻抗仿真值为2.83+j148.6 Ω，功率传输系数为0.56。

通过调整T型阻抗匹配结构，即调节w和h的大小，能够进一步优化天线阻抗，使天线阻抗与芯片阻抗匹配得更好。按照改变天线长度的方法，可以得到改变T型阻抗匹配时天线的性能参数，并最终计算得到标签的理论读取距离。

图 6为 L1=L2=19.8 mm，h=9.8 mm时，改变 w的值，得到的标签理论读取距离与w的关系曲线。标签增益随w增大而增大，功率传输系数在w=6.1 mm时达到最大值，理论读取距离在w=6.1 mm时达到最大值2.68 m。

改变h的值，取得的效果与改变w值相同。图7为L1=L2=19.8mm，w=6.1 mm时，改变 h的值，得到的标签理论读取距离与h的关系曲线。标签增益随h增大而增大，功率传输系数在h=9.5 mm时达到最大值，理论读取距离在h=9.5 mm时达到最大值2.7 m。

通过上述优化过程，得到了天线结构参数的较优值，如表2所示。

表2 天线结构参数较优值

2 样品制作与测试

根据仿真结果，制作了4款天线以作比较，4款天线的结构参数如表3所示。

表3 样品天线尺寸 (mm)

对于样品天线，本文使用Agilent ENA5071C矢量网络分析仪测试了阻抗，并用Atid-570手持式读写器(圆极化天线，EIRP=31 dBm)测试了相应标签的读写距离。考虑到制造误差等因素的影响，每个型号的样品天线都测试了5组数据，然后取平均值。表4是样品天线915 MHz的阻抗和读取距离的仿真与测试结果对比，其中理论读取距离用式(3)计算。在读写距离的计算中，由于忽略了环境干扰、读写器内部的能量传输损耗以及标签的能量损耗等因素，理论值大于实测值。阻抗测试因缺少微波暗室，得到的结果与仿真结果有偏差，其中虚部与仿真结果接近，而实部偏大。

表4 天线测试结果数据

4款样品天线分别选自天线优化设计的不同阶段，天线从773～776依次作了改进。从读取距离的测试结果可见，773～776的读取距离依次增加，天线776的读取距离最远，与仿真结果一致，可见本文所用的优化方法有效。

无源超高频RFID标签通常采用偶极子天线，本文采用理论分析和仿真优化相结合的方式设计了一款偶极子天线，并采用T型阻抗匹配结构实现与标签芯片的阻抗匹配。通过调节天线长度和阻抗匹配结构的尺寸对偶极子天线进行了优化，并制作了4款小型超高频RFID标签样品。测试结果表明，4款样品标签的性能与预期的优化结果一致,优化后的标签读写距离达到1.59 m。

[1]FINKENZELLER K.RFID handbook:fundamentals and applications in contactless smart cards,radio frequency identification and near-field communication[M].3rd ed.Hoboken,NJ:John Wiley&Sons Ltd.,2010.

[2]DEAVOURS D.UHF RFID antennas[M].RFID Systems:Research Trends and Challenges,Bolic M,Simplot-Ryl D,Stojmenovic I,Hoboken,NJ:John Wiley&Sons,2010,57-98.

[3]MARROCCO G.The art of UHF RFID antenna design:impedance matching and size-reduction techniques[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine.2008,50(1):1-21.

[4]RAO K V S,SANDER P V N.Antenna design for UHF RFID tags:a review and a practical application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2005,53(12):3870-3876.

[5]TIKHOV Y.Comments on antenna design for UHF RFID tags a review and a practical application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2006,54(6):1906