UHF频段金属型标签天线的研究与设计

刘玉伟，张爱军，杨如军

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

UHF频段金属型标签天线的研究与设计

刘玉伟，张爱军，杨如军

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

随着天线技术的发展，对UHF RFID可用于金属物体的标签天线的研究成为了热点和难点。根据当前标签天线的设计特点和设计原则，设计出一种适用于845～960MHz的宽频带可用于金属物体的新型标签天线，并通过仿真分析与计算确定了天线的一些重要参量，实现了标签天线输入阻抗能在较大范围内与更多阻抗不同的标签芯片进行匹配。实测结果与仿真结果基本一致，抗金属性能稳定，天线尺寸较小，通信距离较远。

RFID系统；UHF RFID天线；宽频带标签天线；金属物体

射频识别(Radio Frequency Identification)技术起源于第二次世界大战期间的敌我识别系统，是一种基于射频通信原理和雷达原理实现的非接触式自动识别技术。由于其具有读写速度快、抗干扰能力强、可识别移动目标、无需人工干扰等特点，已经广泛应用于交通运输、物流控制系统、便携式数据采集系统、定位系统等诸多领域，射频识别技术广阔的应用前景促使大量资源投入到该技术的研究，促进了该技术的快速发展[1]。

在射频识别系统中，天线性能设计的优劣直接决定了整个射频识别系统性能的好坏，包括系统的读取距离、成本、抗干扰性、鲁棒性等。目前在低频和高频段的射频识别天线技术已经较为成熟，随着超高频（UHF）和微波（MW）频段 RFID技术的应用需求不断扩大，对天线的设计要求在不断提高，涉及天线的方向图特性、带宽特性、极化特性、尺寸大小、结构形状、体积重量、实现方式等因素。本文依据目前对天线设计提出的新要求，设计一款在能够符合多方面要求、实用性更强并能应用于金属物体表面的UHF频段标签天线。

1 RFID标签天线研究现状

射频识别天线，包括标签天线和读写器天线。对于标签部分，如图1，标签天线的形式主要有线圈天线，微带天线，偶极子天线及其变形结构等，线圈天线是目前理论研究和应用都比较成熟的一种天线，其理论和加工工艺也较为成熟，但是由于其本身的限制，只适用于近距离射频识别系统，很难应用于远距离、大信息量、高频率的场合；微带贴片天线做标签天线增益高，读写距离远，标签安装要求较高，但是其加工工艺复杂，方向性不强，适用于识别方向不变的远距离射频识别系统；偶极子天线及其变形机构的辐射能力强，易于实现辐射方向图的全向性，制作工艺简单，且成本较低，常用于远距离UHF或MW的射频识别系统中，但不适合用在金属物体场合。

目前大多数的UHF频段RFID标签天线都是偶极子结构天线及其变形[2]，但是在某些场合却不适用，偶极子天线却不能满足要求，比如，在金属物体能发生反射作用，导致偶极子天线的阻抗，方向性，增益等各项性能都会发生较大的变化，因此天线阻抗与芯片阻抗无法达到最优匹配，标签就不能正常工作。为了避免这种情况，通常会增加标签与金属物体的距离，但这样就需要增加天线的通信距离，标签性能也不稳定，同时增加了加工和安装的难度。因此可用于金属物体的UHF RFID标签天线设计一直是RFID标签天线研究的热点和难点。

图1 标签组成的等效电路Fig. 1 Equivalent Circuit of tag's Composition

2 标签天线的设计特点

标签天线的首要任务是传输功率给标签芯片以激励其工作[3]。在此过程中，标签天线与标签芯片之间的阻抗匹配设计至关重要，标签芯片的输入阻抗通常为复阻抗，已不是常见的50 Ω和75 Ω。为了节约成本，标签天线与标签芯片之间最好不借助阻抗匹配电路，应设计特殊结构的标签天线使其输入阻抗与标签芯片实现一定程度的共扼匹配，并且这两者之间的匹配情况能够直接影响到标签电路能否正常运转和芯片能否得到足够的能量进行反向散射通讯，从而影响识别距离远近。由于标签要要能够粘贴到被识别的物体上，因此需要标签足够小，标签天线也就要求尺寸小，并且具有半球辐射性或全向性。一般情况下，标签需要批量生产，这就要求标签天线成本低，加工简单。

作为UHF频段射频标签的天线，必须具备如下性质:体积足够小，能够被嵌入到体积本来就小的射频标签上；传输功率足够大，并为射频标签提供能量；有半球覆盖的方向性或全向性；无论标签处于什么方向，天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配；作为损耗件的一部分，天线要价格低廉。

3 金属型标签天线的设计

UHF频段可用于金属物体的标签天线的设计主要有以下3种方法：一是，基于微带天线改进的结构[4]。二是，基于电磁带隙结构(EBG)。三是，采用人工磁导体结构(AMC)。采用EBG结构基板的天线，表面阻抗足够大，能够很好的抑制表面泄漏波，并且在禁带隙处反射波也发生偏转，受金属物体表面反射波影响很小，但是这种基板结构加工复杂，成本较高。AMC结构适用于缝藕合微带天线，天线背瓣降低，增益上升，采用这种结构制作的天线受反射波的影响较大，天线性能也不稳定。而采用微带天线的形式改进的结构体积小、重量轻、成本低，加工方便，易于实现线极化、圆极化、多频段工作，因而此方法更适合在实际中应用。这里就介绍一种宽带的基于微带天线的可用于金属物体的标签天线设计。

3.1 天线结构设计

标签芯片选用Alien公司的ALN-9338-R，采用微带天线的形式设计了如图所示的金属型标签天线。该芯片在915 MHz的表现阻抗为6.2-j126 Ω，为了节约成本，选用价格较低的环氧树脂介质作为标签天线的介质基板，价格低廉，制造简便，采用短路探针结构或通孔及短路板结构。对称的长T型槽能够集中电路流向，避免出现环流，这种结构使天线尺寸减小，同时方便调节输入阻抗。两个T型槽之间进行馈电，通过改变T型槽结构来改变馈电位置，使天线输入阻抗在一定范围内变动，与更多标签芯片匹配。

图2中，介质基板材料选用成本较低的FR-4材料，其相对介电常数为εr=4.4，基板厚度h为1.5 mm，损耗角正切为tanθ=0.02。标签天线基板尺寸为l×w×h=100 mm×30 mm×l.5 mm，a×r为T型槽的长臂尺寸，m×n为短臂尺寸，b为短臂距辐射贴片宽边的距离，c为馈点距辐射贴片宽边的距离。两个T型槽之间的间距d为5.4 mm，在两个T型槽之间进行馈电，形成一种内插式馈电结构。

图2 金属型标签天线结构图Fig. 2 Structure diagram of the metallic tag antenna

3.2 仿真分析

采用Ansoft公司的电磁场仿真HFSS对本设计标签天线进行仿真分析[5]。最终确定，当a×r=80 mm×l mm，m×n=4 mm×1 mm，b=70.8 mm，c=46.5 mm时，标签天线与标签芯片之间可实现良好的匹配状态，天线性能最佳。

图3中所示为匹配状态时标签天线的输入阻抗的实部和虚部变化。在整个UHF频段845～960 MHz内，输入阻抗的实部变化范围约为3.12～20.45 Ω，虚部变化范围约为74.68～188.26 Ω，能够满足大多数UHF频段标签芯片的匹配要求。在频率为915 MHz处，天线的输入阻抗为Za=7.28+j122.5 Ω，而标签芯片表现阻抗的共轭阻抗为6.2+j126 Ω，两者基本一致，天线与标签芯片能够实现良好的匹配[6]。

图3 匹配状态时天线的输入阻抗Fig. 3 Input impedance in matching state

图4 匹配状态时天线的回波损耗Fig. 4 Return loss measurement in matching state

由图4匹配状态时标签天线的回波损耗S11可以看出，在UHF频段内，S11均小于-10 dB，且最低点920 MHz的回波损耗达到最小值-36.62 dB，使标签天线与所用标签芯片实现了良好的共轭匹配状态。若该金属型标签天线与其他一些阻抗不同的标签芯片进行匹配，也能够在该频段内达到较好的匹配状态。

图5 匹配状态时天线的增益方向图Fig. 5 Gain pattern in matching state

图5为匹配状态时天线的增益方向图。为保证标签有较好的可读性，减小其对特定放置方向的依赖性，一般要求标签天线的辐射方向具有较好的全向性[7]。由图可看出，在phi=0 deg方向上，标签天线具有良好的全向性，满足一般标签天线的设计要求，所设计天线的最大辐射增益约为-2.05 dBi。由图1知标签天线阻抗Za=Ra+jXa,标签芯片阻抗Zc=Rc+jXc,根据自由空间FRISS传输，RFID系统的识别距离为：

其中，读写器发射功率Pt=4 W，标签芯片门限激活功率Pth通常取值-8～-20 dBm[8]，本设计取值-14 dBm，读写器天线的增益取Gt=l，极化匹配系数取0.5，τ=1·|s|2为功率传输系数，s为功率反射系数，且s=(Za-Zc*)/(Za+Zc)，将这些数据代入(1)中，得到所设计的金属型标签天线的最大理论读取距离为6.1 m。

图6中3条曲线代表此天线贴于尺寸分别为200 mm×200 mm、300 mm×300 mm、400 mm×400 mm的金属物体表面时阻抗实部和虚部变化。由图可知，虽然金属物体表面面积不同，但天线输入阻抗的实部和虚部曲线的变化基本一致，只有微小变化。可见，金属表面面积对天线输入阻抗影响不大，与标签芯片之间的阻抗匹配也不会有太大影响，若将此天线贴于不同尺寸的金属物体表面时，仍能与标签芯片实现良好的共轭阻抗匹配。并且通过分析得到天线贴于这3个尺寸金属表面时天线增益均在-4.0 dBi左右，最大通信距离分别为：5.35 m，5.28 m，5.12 m，可见最大通信距离保持在5 m以上。

本设计除对上述参量进行确定之外，还考虑了其他一些重要参量对天线输入阻抗的影响，并进行了仿真与分析。包括T型槽的长臂尺寸a和r，短臂尺寸m和n，短臂与辐射宽边距离b，馈点距辐射贴片距离c。得出结论：为能够在较大范围内对天线的输入阻抗进行调节，实现与阻抗不同的标签芯片阻抗匹配，可以通过改变T型槽的长臂长a；天线输入阻抗的虚部对r较为敏感，随着r的增大不断增大，r可以结合a，通过实部与虚部结合变动实现阻抗匹配；短臂长m与b类似，随着其增大阻抗实虚部同时增大，但变化幅度较小，可以用来微调；短臂宽n的增大能够减小标签天线的输入阻抗；天线输入阻抗的实部与虚部随着馈点距辐射贴片宽边的距离c的增大均减小。

图6 标签天线输入阻抗随金属物体表面尺寸变化的曲线Fig. 6 Input impedance of tag antenna varies with the size of the metal surface

4 结束语

本文根据微带天线[9-10]原理，设计一款能用于金属表面的超高频标签天线，成本低，易制作，体积较小，频带宽，全向性较好，并根据所设计的天线，进行了加工制作。将实物贴于不同金属物体表面时，利用网络分析仪和频谱分析仪对实物输入阻抗进行了测试，测试图形和仿真图形基本一致，测试值比仿真值向高频偏移了约25 MHz，出现偏差的原因是由于天线制作误差和测试误差等引起的。但基本保证了在整个UHF频段845～960 MHz内，与标签芯片良好的匹配，S11均小于-10 dB，而且天线尺寸也较小，天线的读取距离也较长，具有较强的应用前景。

[1] Bhadrachalam L , Chalasni S. Impact of RFID technology neconomic order quantity models[C]//3rd Annual IEEE international systems conference,2009:3463-3468.

[2] 李强,赖声礼,朱海龙.一种小型化圆形UHF频段RFID标签天线的设计[J].科学技术与程,2008,8(1):187-190.

LI Qiang,LAI Sheng-li,ZHU Hai-long.Design of a miniature circular UHF RFID tag antenna[J].Science Technology and Engineering,2008,8(1):187-190.

[3] Anonymous.The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice[J].Microwave Journal,2008,51(12):22-48.

[4] Fayyaz.N,Safavi-Naeini S.Bandwidth enhancement of a rectangular patch antenna by integrated reactive loading [C].IEEE AP-S int Symp Dig,2008(2):1095-1106.

[5] 李磊,张昕,李迎松.超高频RFID读写器天线的设计与仿真[J].应用科技,2010,37(4):61-64.

LI Lei,ZHANG Xi,LI Ying-song.Design and simulation of ultrahigh frequency RFID reader antenna[J].Applied Science and Technology,2010,37(4):61-64.

[6] 杨跃胜,武岳山.一种UHF无源RFID标签芯片阻抗测试方法研究[J].电子技术应用,2011,37(4):61-63.

YANG Yue-sheng,WU Yue-shan.Research of impedance measurement for UHF passive RFID tag chips[J].Application of Electronic Technique,2011,37(4):61-63.

[7] 吴恩华.图形处理器用于通用计算的技术、现状及其挑 战[J].软件学报,2004,15(10):1493-1504.

WU En-hua.State of the art and future challenge on general purpose computation by graphics processing unit[J].Journal of Software,2004,15(10):1493-1504.

[8] Moreland K.The FFT on a GPU[C]//In SIGGRAPH/Eurographics Workshop on Graphics Hardware 2003 Pro-ceedings. California,2003,112-119.

[9] 陈钢,韩日霞,熊君瑞.一种新型宽波束圆极化微带天线的设计[J].现代电子技术,2012(19):82-84.

CHEN Gang,HAN Ri-xia,XIONG Jun-rui.A new type of wide beam circular polarization microstrip antenna design[J].Modern Electronics Technique,2012(19):82-84.

[10] 高新华,黄曙,盛喆.一种小型UHF RFID读写器天线设计[J].现代电子技术,2012(19):92-94.

GAO Xin-hua,HUANG Shu,SHENG Zhe.Design of a small UHF RFID read-write antenna[J].Modern Electronics Technique,2012(19):92-94.

Research and design of UHF RFID metallic tag antenna

LIU Yu-wei，ZHANG Ai-jun，YANG Ru-jun
（School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China）

With the development of antenna technology, the studies of UHF RFID tag antenna can be used for metallic objects have become hot and difficult problems. According to the design features and design principles of the tag antenna, the dissertation is devoted to design a new type and suitable for 845～960MHz broadband tag antennas for metallic objects, the specific parameters of the antenna are analyzed and determined through simulation analysis and calculation. It is realized the input impedance of tag antenna can match with other types of tag chips which have different impedances in a larger scope.Measured results is basically consistent with simulation results are the performance of anti-metal is stable, the size of the antenna is smaller, the communication distance of the antenna is farther.

RFID system; UHF RFID antenna; broadband tag antenna; metallic objects

TN82

A

1674-6236(2014)03-0073-04

2013–06–09 稿件编号：201306067

刘玉伟(1987—)，男，河南郑州人，硕士研究生。研究方向：无线通信技术，RFID识别技术。