UHF 频段RFID 标签天线的小型化设计

傅 舟，罗国清

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，杭州310018)

当前，无线通信技术被广泛地应用在各类信息传播中，如文本、图片、语音、视频等信息的通信传播，产生了大量使用无线通信技术的系统，其中非常重要的一种就是射频识别系统(RFID)。RFID 是一种非接触的自动识别技术，它将信息在电子标签上进行编码，再将此标签黏贴到需要识别和被追踪的物体上，实现对物体的移动追踪［1-2］。与传统条形码相比，RFID 技术具有识别距离远、读写速度快、易与互联网、无线通信网络相结合等优点。

近几年RFID 技术飞速发展，对RFID 的各项技术提出了更高的要求，RFID 标签的小型化就是其中的一项热点研究领域。国内外专家对偶极子天线小型化的研究方法主要集中为采用弯折线的方式［3-5］。对于天线高度和宽度有尺寸限定的情况通过改变弯折角、弯折次数以及弯折深度是降低天线谐振频率是实现天线小型化行之有效的途径［6-9］。

针对UHF 频段，本文提出了一种较紧凑的弯折偶极子结构无源标签天线，引入了利于小型化设计的T 型阻抗匹配环。T 型阻抗匹配环结构的一大优点就是对天线尺寸几乎没有太大影响，并且能通过优化环结构的参数到达良好的阻抗匹配效果［10］。标签天线与芯片的共轭阻抗匹配是天线能否获得足够大增益的关键指标，较大的增益能实现良好的远场通信效果，直接决定了天线的有效读取距离和识别率。对偶极子结构的优化主要集中在设计更为紧凑的弯折臂，在尽可能不影响标签带宽和阻抗匹配效果的前提下，优化偶极子两臂的弯折走向、弯折次数和弯折深度以达到小型化设计目的，最终设计完成的标签天线尺寸为20 mm×60 mm，较之常见的20 mm×80 mm 形式的弯折偶极子结构标签天线缩减了25%的尺寸，并且获得了较为理想的带宽和增益。

1 天线设计

标签天线印制在FR-4 介质基板，介质高度h=1.6 mm，介电常数εr=4.4。采用FR-4 介质的好处就是成本低廉，便于PCB 制造，并且具有良好的辐射特性，便于大规模制造使用。如图1 所示，天线的总体结构由弯折结构的偶极子和一个T 型阻抗匹配馈电环组成。偶极子通过对弯折臂结构的优化，来缩减标签天线的尺寸。馈电环用来完成标签天线与标签芯片间的共轭阻抗匹配，达到最优的馈电效率，从而保证天线的有效读取距离和识别成功率。

图1 标签天线结构图

可以把图1 中的T 型阻抗馈电环的激励源分解为等效的两个等效电压源，分别置于m1和m3两臂的中心，这样分解可以把天线激励相应视作两种模式之和，普通模式和差分模式，如图2 和图3 所示。在普通模式中，m1和m3两臂端口的电压源具有相同的振幅和相位，两臂上的电流成正比关系:

图2 普通模式

图3 差分模式

普通模式下的阻抗为:

在差分模式中，m1和m2两臂端口的电压源具有相同的振幅，但相位相差π，因而两臂上的电流反向。两臂端口电压成正比关系:

差分模式下的阻抗为:

假设把对称偶极子的两臂平行放置，组成天线的传输线模型，传输线臂长l0。可计算出输入阻抗:

k 是自由空间的波数，Z0是传输线模型的特征阻抗。

图4 给出了天线的等效电路图。图中，Za为弯折偶极子的输入阻抗，Zt为激励端口至T 型匹配环与偶极子连接点之间的输入阻抗，两端之间的为特性阻抗Z0，M 为电路两部分的耦合系数，其值由上述对激励源两种等效模式的讨论可得M=(1+α)2。因此，天线的输入阻抗可采用如下公式计算［11］:

其中，u=m1/m3，v=m2/m1，对于ZD中臂长l0的计算，需要考虑天线工作频率下的有效臂长，一般对于半波对称偶机子而言，天线的有效臂长约为实际臂长的2/3，半波对称偶极子天线的实际臂长设计为天线工作波长的1/2，在915 MHz 工作频率下，约为160 mm。

图4 天线等效电路图

本次设计的标签天线采用了较为常见的Alien Higgs2 型标签芯片，支持EPC global Gen2 和ISO 18000-6c，工作频段860 MHz ～960 MHz，芯片的阻抗为7.4-j113 Ω。T 型匹配环结构的作用等同于一个阻抗调节器，它可以把天线的输入阻抗调整为感性阻抗，因此能很好的实现芯片与标签天线的阻抗匹配。

表1 标签天线各项结构参数

天线的设计步骤为:首先，设计长度约为160 mm的半波长偶极子，确定基本的弯折结构，使增益达到要求。然后加入馈电环，即T 型阻抗匹配馈电环结构，通过上述公式计算，可以得到915 MHz 谐振点处实现共轭阻抗匹配的基本尺寸。由于偶极子的弯折结构对天线电尺寸的影响，需要通过实际的仿真软件计算优化馈电环的结构参数(m1、m2、m3、w1、w2)以达到阻抗匹配的要求。对偶极子的弯折臂进行调整，是设计中最为繁琐的工作，通过对弯折形式和弯折臂各项参数的调整来实现整体结构的紧凑简洁，达到小型化目的，同时使天线谐振于915 MHz 附近。最后再次调整馈电环结构的尺寸，以适应改变后的天线电尺寸对阻抗匹配的影响。表1 列出了最终设计天线的各项结构参数，完整标签天线的尺寸为20 mm×60 mm。

2 结果讨论

对标签天线仿真采用Ansoft HFSS V10.0。图5为天线的辐射方向图，我们知道当标签天线的辐射方向图为全向辐射时，标签就会具有比较好的识别成功率，从图5 中可以看出，在phi=0°的方向上，标签天线表现出良好的全向性，充分发挥了偶极子结构天线的优点。由于弯折结构对天线增益有一定的影响，导致了增益的下降，但从图中我们看出，天线的最大增益为0.94 dBi，对比同类型的标签天线，基本符合设计要求。

图5 标签天线的辐射方向图

在HFSS V10.0 中，对于复数输入阻抗天线的回波损耗S11的仿真计算公式为:

其中Zant为天线的实际输入阻抗，Zcct为标签芯片的阻抗。而在K.S.Leong 的文献［12］中提出了另一种对于复数输入阻抗的回波损耗计算较为可靠的算法:

为了使结论更为严谨，本文提到的S11采用了后一种计算方法。

从图6 中我们可以看到，S11小于-3 dB 的带宽范围为884 MHz ～958 MHz，覆盖了国际通用UHF 频段的RFID 带宽范围860 MHz ～960 MHz 的74%频段范围。天线在谐振点915 MHz 处回波损耗为-59.46 dB，实现了非常好的馈电效率。

图6 标签天线辐射方向图

图7为标签天线的输入阻抗，从图可以看出天线输入阻抗的虚部呈现比较明显的感性阻抗。在实际的仿真过程中发现，T 型阻抗匹配环的结构参数m1、w1、m3对输入阻抗的实部有比较明显的影响，m2与w2对输入阻抗的虚部影响较明显，在谐振点915 MHz处，天线的输入阻抗达到7.40+112.98 Ω，与芯片的阻抗7.40-j113.00 Ω 实现了非常良好的共轭阻抗匹配，这也解释了图6 中，915 MHz 处较低的回波损耗，回波损耗小于-10 dB 的带宽为23 MHz。对于天线带宽影响最大的参数是天线的线径W，1.0 mm 的线径基本能同时兼顾天线的带宽要求和天线结构的小型化设计要求。也可以根据实际应用的需要，通过调整天线的线径，来达到增大天线带宽的目的。

图7 标签天线的输入阻抗

3 总结

文章提出了一种结构较为紧凑的小型化标签天线，采用特殊弯折偶极子结合T 型阻抗匹配环结构，实现了良好的小型化设计目标。标签天线的最终尺寸为20 mm×60 mm，较之常见的20 mm×80 mm类型弯折偶极子结构标签天线，在尺寸上缩减了25%，并且实现了较好的阻抗匹配和方向性，在带宽与增益等性能上符合应用需求，具有小型化、结构简洁、便于PCB 技术实现且成本低廉等优点。接下来的工作需要进一步拓展带宽、优化增益，研究兼顾小型化和高性能的标签天线。

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