超高频短路环偶极子抗金属标签的设计与分析*

杨俊义， 张 琨， 丛 滨， 张 磊

(1.河北工业大学 控制科学与工程学院，天津300130；2.中石油吉林天然气管道有限责任公司，吉林 松原138000)

射频识别 RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一种可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的通信技术。常用的RFID技术有低频(125 kHz～134.2 kHz)、高频(13.56 MHz)、超高频等。其中超高频以其读取距离大、传送数据速度快、存储数据量大、灵活性强、适应高速运动等诸多优点得到了迅猛发展。

最基本的 RFID系统[2]由标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)三部分组成。RFID系统应用中，标签是影响其整体性能的关键因素之一。实际应用中，标签多附着于金属环境表面使用。然而，金属环境对标签的干扰大大缩小了RFID标签的应用范围。因此，针对特定环境设计具有抗金属性的标签十分必要。此外，对电子标签设计而言，标签的有效读取距离是衡量标签性能的一个关键指标，提高标签的阻抗匹配度有助于优化标签的有效读取距离。所以，对所设计的标签进行阻抗匹配优化非常重要。

1 标签结构设计

1.1 金属环境对标签的影响

标签主要由标签芯片和内置天线组成，其中天线主要起到接收和发送电磁波的作用，其目的是传输尽可能大的能量进出标签芯片，为标签提供工作能量。

根据电磁场原理，场强对金属比较敏感，容易对标签造成影响。其影响主要来自以下两方面：(1)金属靠近天线时，由于电磁感应作用会在其内部产生涡流，同时吸收射频能量转换成自身的电场能，从而减少了射频原有的能量；(2)金属环境产生的涡流也会产生感应磁场，且由其产生的磁力线垂直于金属环境表面，与射频场强相反。由金属环境产生的磁场对原磁场造成干扰，导致金属表面的磁力线趋于变形，在离金属很近的区域甚至平行于金属表面，该区域内根本没有射频场，因此直接附着于金属物体表面的标签根本无法通过切割磁力线获得能量，不能正常工作。

1.2 抗金属标签结构设计

标签的有效读取距离[3]r是衡量标签性能的一个重要指标，可以通过式(1)计算得出：

式(1)中λ为工作波长，Pt为阅读器发射功率，Gt为阅读器发射天线增益，Gr为标签接收天线增益，Pth为标签芯片灵敏度(最低启动功率)，τ为匹配系数。匹配系数可以通过式(2)计算得出：

式(3)中Zc为标签芯片输入阻抗值，式(4)中Za为标签天线输入阻抗值。由式(1)和式(2)可知，影响标签有效读取距离的一个主要性能参数为匹配系数，而匹配系数的大小与标签天线和标签芯片的阻抗匹配程度密切相关。两者共轭匹配时，匹配系数最大。一种容易进行标签阻抗匹配的方法是在设计中采用可作为并联电感使用的短路环结构，本文在传统弯折偶极子天线[4](如图1)的基础上加入短路环结构[5]，使阻抗匹配更容易达到要求。

图1 传统弯折偶极子天线

为了进一步对标签设计进行优化，在短路环偶极子天线[6]的基础上引入阻抗臂结构。短路环结构对天线输入阻抗的调节主要与环的长度、宽度、激励两端环的长度和组成环的金属宽度有关系，因此在设计中引入阻抗臂，通过调节阻抗臂的长度和宽度间接调节短路环的参数，从而影响天线的阻抗匹配，更容易对设计进行适应性调节。

设计出的短路环偶极子抗金属标签天线主要由弯折天线臂 (辐射主体部分)、短路环和阻抗臂三部分组成。标签芯片采用美国英频杰(IMPING)公司的Monza4，并将其贴在短路环结构的开口处进行激励。将设计出的天线制作于介电常数εr=4.4，材质为FR-4，厚度约为5 mm，尺寸约为95 mm×10 mm的基板上，如图2所示。其中L1为阻抗臂长度，约为36 mm;L2为阻抗臂宽度，约为0.75 mm。标签天线材质为铜，厚0.01 mm，尺寸约为79 mm×6 mm。将设计的标签放在面积为 228 mm×80 mm的金属板表面进行仿真测试，其各方面性能均符合设计及实际应用要求。

图2 闭环偶极子抗金属电子标签

2 标签天线性能分析

2.1 天线输入阻抗图

对所设计天线采用Ansoft HFSS软件进行仿真，可得到天线的输入阻抗图[7]如图3所示。

图3 天线输入阻抗图

图中两条曲线分别为所设计标签天线电阻值及电抗值随频率的变化曲线。从图中可以看出天线谐振频率为922.625 MHz处的输入阻抗为 11.23+138.55 Ω，标签电阻值匹配率为91.82%，电抗值匹配率为97.91%，整体阻抗匹配率达到了90%以上，匹配状态良好。且在900 MHz～960 MHz频率范围内变化平缓，表明标签天线和芯片的阻抗匹频带较宽，具有较强的鲁棒性。

2.2 天线回波损耗图

图4所示为所设计短路环偶极子抗金属标签天线的回波损耗[8]曲线图。

图4 天线回波损耗图

由图可以看出所设计短路环偶极子天线的谐振频率大约在922.625 MHz附近。在谐振频率处天线的仿真驻波比 VSWR＜6，即回波损耗 S11＜-10 dB时天线的相对带宽可由(5)式计算得出：

由计算结果可知天线具有较好的回波损耗特性和良好的频带特性，性能表现良好，满足实际工程应用设计标准。

2.3 天线方向图

天线方向图[9]是方向性函数的图形表示，它形象地描绘天线辐射特性随空间方向坐标变化的关系。图5为所设计短路环偶极子抗金属标签天线的H平面(φ=0°～360°,θ=90°)方向增益图。 从图中可以看出其在 φ=0°时的最大增益为-5.82 dB。图6为所设计标签天线的E平面(φ=0°,θ=-180°～180°)方向增益图，在 θ=90°处的增益为-5.82 dB。分析图中数据可知，靠近金属环境一侧天线由于受到金属吸收电磁波的干扰，天线增益锐减，可以忽略。而金属环境的相反一侧，天线表现出了对上半球面的覆盖，增益达到了应用要求。

图5 天线H平面方向增益图

图6 天线E平面方向增益图

表1 922.625 MHz时基板厚度参数表

3 对标签基板厚度L和阻抗臂的研究

3.1 基板厚度L对天线各性能的影响

将短路环偶极子抗金属标签天线制作于介电常数εr=4.4，材质为 FR-4，尺寸约为 95 mm×10 mm，厚度为5 mm的基板上，使标签与金属表面磁场平行的区域进行隔离，标签达到了抗金属的要求。且经Ansoft HFSS软件仿真测试，标签各方面性能均达到了实际应用标准。但在实际制作电子标签时，加工5 mm厚的FR-4基板会有一定的工程误差，所以研究标签天线与金属之间的距离即基板厚度L对标签各方面性能的影响很有必要。 表1列出了基板厚度L对天线各特性参数的影响。

分析表1数据可以看出，随着标签天线与金属环境距离的减小，天线谐振频率、谐振频率处的回波损耗及输入阻抗整体呈下降趋势，而绝对带宽和相对带宽整体呈上升趋势。当基板厚度L小于4 mm时，阻抗匹配程度已小于80%，不符合实际应用需求，因此，实际加工时基板厚度应大于4 mm。

3.2 阻抗臂对标签天线输入阻抗影响

设计中引入阻抗臂用于优化标签天线芯片的阻抗匹配，研究阻抗臂的尺寸对短路环偶极子天线输入阻抗的调节作用对天线性能的优化很有必要。

如表2和表3分别列出了阻抗臂长度L1及宽度L2变化时对标签天线输入阻抗的电阻值Re和电抗值Im的影响。分析表中数据可知，当改变阻抗臂的长度L1时，天线的电阻值与阻抗臂长度L1成正相关，而电抗值相对只表现出微小的波动。可见，阻抗臂的长度L1只影响天线输出电阻值，通过调节阻抗臂L1的长度可以达到调整天线输出电阻值的目的；当改变阻抗臂的宽度L2时，天线的电阻值和电抗值都有较大的变化，且随着宽度的增加，电阻值与其长度成正相关，而电抗值与之负相关，由此分析得出阻抗臂的宽度L2能够影响天线的输出阻抗，可以用来优化天线的阻抗值。同时调节阻抗臂的长度L1和宽度L2可以对天线的电阻值和电抗值的数值大小及比例进行调节，从而优化标签天线与标签芯片的阻抗匹配，使匹配达到最佳，提高天线各方面的性能。

表2 阻抗臂长度L1对天线输入阻抗的影响

表3 阻抗臂宽度L2对天线输入阻抗的影响

本文基于短路环偶极子天线结构，设计了一款谐振频率为922.625 MHz的短路环偶极子抗金属标签。通过将天线制作于 FR-4(εr=4.4)材质基板上，使标签天线与金属表面磁场平行的区域相隔离，标签具有了抗金属性，可以应用于金属物体表面，而短路环结构的引入降低了标签阻抗匹配的难度。同时本文分析了基板厚度对标签各方面性能的影响，得出基板厚度L＞4 mm时，标签各方面性能才能达到实际应用需求；通过引入阻抗臂，可对天线的阻抗进行调节，从而优化标签阻抗匹配，使其达到最佳。所设计标签电阻值匹配率为91.82%，电抗值匹配率为97.91%，整体阻抗匹配率达到了90%以上。经过Ansoft HFSS软件仿真，并对仿真结果进行分析，天线各性能参数都符合实际设计要求。

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