一种具有应用普适性的RFID标签天线*

熊雄　洪卫军　赵振涛　谢胜利

(1.华南理工大学 电子与信息学院, 广东 广州 510640; 2.北京邮电大学 网络体系构建与融合北京市重点实验室,北京 100876; 3.广东工业大学 自动化学院, 广东 广州 510006)



一种具有应用普适性的RFID标签天线*

熊雄1洪卫军2†赵振涛2谢胜利3

(1.华南理工大学 电子与信息学院, 广东 广州 510640; 2.北京邮电大学 网络体系构建与融合北京市重点实验室,北京 100876; 3.广东工业大学 自动化学院, 广东 广州 510006)

摘要:为使标签可以对任意材料物品进行标识,且使天线具有较高的增益,设计了一种新的具有普适性的特高频(UHF)射频识别(RFID)标签天线.该天线由一对1/4波长的矩形贴片构成类偶极子辐射体,通过悬浮于其上层的环形走线进行感性耦合馈电,实现与RFID标签芯片的共轭匹配.实验结果表明:该天线适用于全球范围的射频识别系统(840～960 MHz),贴附于不同材料表面上时均有2.0 dBi左右的增益,获得稳定的识别距离;当标签贴附于衣服、图书等介质材料上时,天线可获得全向的辐射方向图;当标签贴附于良导体表面时,天线可获得垂直于导体表面的半功率角为70°的方向性辐射方向图.

关键词：射频识别;贴片天线;标签天线

特高频(UHF)射频识别(RFID)是利用磁场耦合或电磁波传播进行非接触双向通信的自动识别技术[1].根据国际标准化组织制定的ISO/IEC 18000系列标准,当前RFID系统的工作频段涵盖低频(LF,125～134 kHz)、高频(HF,13.56 MHz)、特高频(433 MHz、860～960 MHz)以及微波(MW,2.45和5.8 GHz)频段[2].其中,860～960MHz频段无源RFID系统因具有低成本、高通信速率、多标签识别等优点而受到业界的广泛关注,是公认最具应用潜力的RFID技术,已在物流运输、服装、仓储管理、图书等资产及设备管理等领域得到广泛的应用[1,3- 5].

在RFID标签设计中,平面半波偶极子类天线是最广泛采用的标签天线设计方法,因为其设计简单,制造方便.然而,当这类标签粘贴于金属物品或者内含液体的罐装物品表面上时,标签的性能就会极大恶化,甚至无法使用[6- 7].导致性能恶化的主要原因是当标签接近金属物体表面时会在金属表面和标签天线之间引入较大的寄生电容,从而引起标签天线阻抗值和谐振频率的变化,破坏了标签上芯片与天线的共轭匹配关系,使天线无法形成有效的电磁波辐射[8].为了使RFID标签可以标识外壳为金属物体的物品,人们设计了很多具有抗金属特性的标签天线[9- 17],主要分为两类:①微带天线,如倒F天线(IFA)[9- 10]和缝隙天线[11- 12,15- 17];②基于人工电磁材料的天线地平面,如人工磁导体(AMC)[13]和电子带隙(EBG)技术[14].第1类是将方向性天线应用于RFID标签,借助其天线内部的金属地结构屏蔽金属物品对天线辐射方向图的影响;第2类是通过人工电磁材料技术特殊设计的周期结构导体做天线地平面,从而控制天线地平面反射波的相位,进一步增强天线的方向性,提升天线增益.

然而,上述抗金属标签都是方向性天线,并不适用于需要有全向识别能力要求的RFID应用场合.迄今有关既适用于介质材料标识又适用于良导体物品标识的RFID标签天线鲜有报道.为使标签可以对任意材料物品进行标识,且使天线具有较高的增益,文中提出了一种结构简单、具有普适性的RFID标签天线设计方法,根据标签粘贴于导体表面时导体背景的等效金属地效果,实现了天线在介质材料上的半波偶极子天线等效和在导体表面上的微带天线等效,使天线能根据背景材料形成全向性和方向性切换.

1天线设计

文中提出的天线结构如图1所示,该天线结构分为独立的馈电单元和辐射单元两个部分.辐射单元由基底材料和一对尺寸为Lp×Wp、间距为g的辐射贴片组成,基底材料选用廉价的FR4材料,厚度为h,介电常数为ε1，底面不覆铜.馈电单元由一个焊接RFID芯片的耦合环,其尺寸为WL×LL,线宽w,耦合环底部到天线边缘的距离为l,芯片粘接位置在馈电环中心对称线上,耦合环可印制在纸、聚酯纤维、泡沫等薄基底材料上,厚度为d，介电常数为ε2.整个标签天线没有金属地面,结构简单,易于制作.

图1　标签天线结构

2实现原理

2.1阻抗计算

耦合环馈电结构简单,调整灵活,便于加工制造,它通过电流环耦合作用引入了大电感成分,可以与RFID芯片的小电阻、大电抗特征阻抗形成共轭匹配,因此非常适用于RFID标签天线的馈电.

耦合环馈电结构影响输入阻抗的主要参数为其环边长尺寸、环走线宽度,以及环与辐射面间的距离[5- 6].耦合环馈电天线的等效电路如图2所示,图中Za为整个天线的输入阻抗,Lloop为耦合环的等效电感,Lrb、Crb、Rrb分别为辐射单元的等效电感、电容和电阻,M为变压器的耦合系数.

图2　感性耦合环对应的等效电路

图2所示等效电路的阻抗计算可参考文献[5],天线在芯片端的输入阻抗为

(1)

式中,Ra、Xa分别为电阻和电抗,Rrb,0为辐射体在谐振情况下的阻抗,M为耦合系数,f为频率,Qrb为辐射单元的品质因数,u=Qrb(f/f0-f0/f).

在谐振条件下,当f=f0(f0为天线的谐振频率)时,有

(2)

(3)

由天线的阻抗计算公式可见:天线电抗主要由耦合环电感决定,耦合环电感越大,天线电抗分量越大;天线电阻主要由主辐射体的电阻和变压器耦合系数决定,耦合系数越大,辐射体电阻越小,天线的电阻分量越大[5- 6].

2.2辐射原理

当标签处于自由空间或粘贴于介质材料表面上时,天线等效为一个平面半波偶极子天线,可获得如图3所示的“8”字形的E面方向图和圆形H面方向图.当标签贴附于导体表面时,天线辐射面与金属表面之间的电场分布如图4所示,天线辐射面与导体表面空间中的电场被束缚,在天线两端处形成辐射,等效为二元缝隙辐射阵,两端口辐射的电场垂直分量反相,水平分量同相,因此形成了平行于天线法线方向的方向性辐射,类似微带贴片天线.

图3　天线在介质表面等效半波偶极子的辐射场示意图

Fig.3Schematic diagram of radiation field of antenna worked as a half wave-length dipole on dielectric materials

图4天线贴附于金属物体上时天线辐射面与金属表面之间的电场分布

Fig.4Distribution of electric field between radiation plane of antenna and conductor surface when the tag is mounted on metallic objects

3实验结果与分析

3.1阻抗与带宽

文中对特征阻抗为30-j200 Ω的Alien Higgs3芯片[17]进行天线参数优化设计,其中Lp=71.0 mm,Wp=25.0 mm,g=5.0 mm,h=3.0 mm,d=0.5 mm,LL=19.0 mm,WL=16.5 mm,w=l=1.0 mm.辐射单元基底选用介电常数为4.4的FR4,馈电单元基底选用相对介电常数为1.07的泡沫.

文中分别对标签处于空气及粘贴于20 cm×30 cm×1 cm铝板表面和同样尺寸的书本(相对介电常数εr=3.0,损耗角正切tanδ=0.03)[18]上时的天线输入阻抗、功率反射系数S11、方向图进行了仿真分析,结果如图5所示.当标签处于空气中和粘贴于书本上时,其阻抗曲线很接近;当标签粘贴于铝板表面上时,其电阻部分变化不大,电抗值有所下降.整体而言,标签阻抗曲线在芯片共轭阻抗位置较为平坦,能够获得较宽的工作带宽.

虽然标签贴附于书本表面与铝板表面时,天线的输入阻抗与芯片特征阻抗的匹配频率有所偏移(分别为940 MHz和880 MHz),但都在RFID的频段内.从图5(b)可以看出,该天线在RFID工作频段840～960 MHz的反射系数均小于-17 dB,且在整个频带内的功率传输系数达到95%以上.

图5天线置于自由空间以及粘贴于铝板和书本上时的输入阻抗、S11和功率传输系数曲线

Fig.5Input impedance,S11and power transmission rate of antenna while it is put in free space,or mounted on aluminum plate and book

3.2增益与方向图

文中分别对标签放置于空气及粘贴在20 cm×20 cm×1 cm的图书、玻璃、铝板和铜板上时的天线增益性能进行了仿真,结果如图6所示,在860～960 MHz频段内,天线增益均大于0 dBi,尤其是在广泛使用的902～928 MHz频段内,天线增益在1～2 dBi之间波动.标签天线在θ=0°方向上的增益峰值分别为2.29、1.57、1.46、2.77和2.68 dBi.对图7(a)所示的标签原型进行测试,RFID标签天线粘贴于图书和铜板上时的归一化辐射方向图如图7(b)和7(c)所示.

图6　天线粘贴于不同材料上时的增益曲线

Fig.7Tag prototype and radiation patterns of antennas under two situations

4结论

文中设计了一种结构简单、具有抗背景材料影响的UHF频段RFID标签天线,通过分离耦合环馈电获得了天线的宽带匹配特性,通过半波长矩形辐射贴片设计实现了其在介质材料上的半波偶极子天线等效与在导体表面上的微带天线等效,使天线具有能根据背景材料的不同自动形成全向性和方向性切换的特点,且均保持了2 dBi左右的天线增益,可广泛应用于各种RFID场景.文中设计的天线实例整体尺寸为142 mm×25 mm×3.5 mm,相对于RFID标签来说还不够小巧,后续可通过镜像原理、曲流设计及开槽等技术实现天线的小型化.

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收稿日期:2015- 09- 02

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(61427801)

Foundation item:Supported by the National Natural Science Foundation of China(61427801)

作者简介:熊雄(1973-),男,博士生,主要从事RFID系统设计与无线电测试技术研究.E-mail:xxiong@gd.gov.cn †通信作者: 洪卫军(1982-),男,讲师,主要从事超材料、物联网技术和天线设计研究.E-mail:hongwj@bupt.edu.cn

文章编号:1000- 565X(2016)05- 0073- 05

中图分类号：TN821+.4

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.05.011

An RFID Tag Antenna with Application Universality

XIONGXiong1HONGWei-jun2ZHAOZhen-tao2XIESheng-li3

(1.School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.Beijing Key Laboratory of Network System Architecture and Convergence,Beijing University of Posts and Telecommunication,Beijing 100876,China;3.College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,Guangdong,China)

Abstract:In order to implement stable identification of objects with different materials,a novel UHF(Ultrahigh Frequency) RFID(Radio Frequency Identification) tag antenna with steady and high gain is proposed.The antenna consists of a pair of quarter-wavelength rectangular patch working as a radiation unit of dipole antenna and an inductive feeding loop suspending on the patch plane.Thanks to the significant induction introduced by the loop,conjugate matching to chip impedance can be achieved.Experimental results show that the proposed tag antenna covers the worldwide RFID bands in UHF range (840～960 MHz) and helps obtain a gain of about 2.0 dBi as well as a stable recognition distance for different dielectric materials.Moreover,it is found that,when the tag antenna is mounted on such dielectric materials as clothes and books,the radiation pattern shows omnidirectional;while when it is mounted on conductors with consistent gain,the radiation pattern shows directional with a half power beamwidth of 70°.

Key words:radio frequency identification;patch antenna;tag antenna