UHF频段抗金属标签天线的分析与设计

张　桥，周永刚，彭江露

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210000)



UHF频段抗金属标签天线的分析与设计

张桥，周永刚，彭江露

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210000)

抗金属标签天线设计是 RFID研究的热点及难点，文中设计并研究了一种UHF频段陶瓷基片抗金属标签天线，对天线的回波损耗和阻抗进行了测量，在905～925 MHz内,S11<-20 dB，在良好匹配的同时还具有全向性辐射的特性，与仿真结果相吻合，而且陶瓷基片保证了良好的耐热性，这意味着天线在恶劣环境下仍能保持良好的性能。

RFID；标签天线；抗金属

射频识别 (Radio Frequency Identification，RFID) 技术起源于第二次世界大战期间的敌我识别系统，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，广阔的应用前景促使大量资源投入到该技术的研究，促进了其快速发展[1]。

在RFID系统中，天线性能直接影响整个系统性能，包括读取距离、成本、抗干扰性、鲁棒性等。目前在低频和高频段的RFID天线技术已较为成熟，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。

目前多数的 UHF 频段 RFID 标签天线都是偶极子结构天线及其变形[2-4]，但在某些场合并不适用，比如，在金属物体表面会发生反射，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。为避免这种情况，通常会增加标签与金属物体的距离，但这样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。因此抗金属[5-6]UHF RFID 标签天线设计一直是 RFID 标签天线研究的热点和难点。

微带贴片天线[7]本身具有抗金属特性，且成本低，适合用作标签天线。考虑到标签天线的恶劣的工作环境，可使用陶瓷材料作为基板。相比传统 FR-4 等衬底材料，Al2O3陶瓷原材料来源丰富、成本低、 机械强度和硬度高、 电绝缘、 抗热震性好、耐化学腐蚀、尺寸精度高，与金属有良好的附着力，是整体性能更好的衬底材料[8-9]。根据UHF RFID 天线的新要求，本文设计并研究了一款性能良好的抗金属标签天线。

1　RFID标签天线设计

1.1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。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，且这两者之间的匹配情况能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。如果芯片的最低开启功率为Pth，读写距离R可表示为

(1)

其中，λ为自由空间波长；Pt为阅读器天线发射功率；Gt、Gr分别为阅读器天线和标签天线的增益；τ为功率传输系数，若芯片的阻抗为Zc=Rc+jXc；标签天线的阻抗为Za=Ra+jXa，则τ可表示为

(2)

1.2抗金属标签天线的设计过程

设计工具为HFSSv13，使用Alien公司的Higgs-3芯片[10]，在中心频率915 MHz处，芯片的阻抗约为27-j201 Ω。介质基板采用氧化铝陶瓷，相对介电常数εr=9.8，损耗角正切tanD=0，厚度h=1.0 mm。

图1　抗金属标签天线结构

天线的拓扑结构如图1所示。橙色部分为金属，实际制作时为铝箔；黑色方块为H-3芯片。天线实物如图2所示。

图2　标签天线实物照片

对工作频率为f的矩形微带天线，可根据式(3)来确定天线宽度W1

(3)

天线长度一般取值为λe/2, 即波导波长的1/2

(4)

考虑到边缘短路效应，L1实际取值应为

(5)

其中，εe为等效介电常数；ΔL为等效辐射缝隙长度，取值分别由如下公式确定

(6)

(7)

通过改变天线宽度W1来调节谐振频率，改变凹槽的深度L3，馈线长度L2和L4来调节天线阻抗的实部和虚部以达到共轭匹配。最终确定的各尺寸如表1所示。

表1　天线尺寸表

2　仿真与测试结果

天线的仿真结果如图2和图3所示。图2为天线的实部和虚部随频率变化的曲线，图3为天线在915 MHz处的方向图。可以看出，天线具有良好的全向性辐射特性, 最大增益约为0.7 dB，中心频率915 MHz处的阻抗为37.7+j193.5 Ω，此时功率传输系数τ=0.96 。

图3　天线增益方向图

图4　天线阻抗仿真结果

标签天线的阻抗与功率传输系数密切相关，采取的测试方法为等效二端口网络法[11]。测试使用Agilent公司的矢量网络分析仪N5230C，一个自制同轴巴伦。由于抗金属标签天线自身带有地平面，天线的性能对测试环境不敏感，为方便起见，测试场景如图5所示。

图5　标签天线测试场景图

测试时，将巴伦的两端分别焊接在芯片两端，读取二端口S参数，然后在ADS2009中转化为单端口S参数。将测试得到的数据与仿真对比，测试结果与仿真结果具有良好的一致性，如图6所示。

图6　仿真&测试结果对比

3　结束语

本文根据微带天线原理，设计了一款加载开路枝节线的抗金属标签天线，在UHF频段内具有良好的阻抗匹配，并具有全向性辐射特性，可用于近距离目标检测等应用场合。

[1]Bhadrachalam L,Chalasni S.Impact of RFID technology and economic order quantity models[C].Vancouver: 3rd Annual IEEE International Systems Conference,2009.

[2]Shao Shuai,Kiourti A,Burkholder R J. Broadband textile-based passive UHF RFID tag antenna for elastic material[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2015(14):1385-1388.

[3]Tae-Wan Koo,Dongsu Kim,Jong-In Ryu. Design of a label-typed UHF RFID tag antenna for metallic objects[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2011(10):1010-1014.

[4]Hong-Kyun Ryu,Gichul Jung,Dea-Keun Ju. An electrically small spherical UHF RFID tag antenna with quasi-isotropic patterns for wireless sensor networks[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2010(9):60-62.

[5]He Yejun,Pan Zhengzheng.Design of UHF RFID broadband anti-metal tag antenna applied on surface of metallic objects[C].Shanghai:Wireless Communications and Networking Conference (WCNC),2013.

[6]Ding Xumin,Liu Shengying,Zhang Kuang. A broadband anti-metal RFID tag with AMC ground[C].Singapore: Antennas and Propagation, Asia-Pacific Conference,2014.

[7]Milligan T. Microstrip antennas[M].New Orleans: Modern Antenna Design,2005.

[8]Zhang Zhaosheng,Lu Zhenya,Chen Zhiwu.Research progress in ceramic substrate material for electronic packaging[J]. Materials Review,2008,22(11):16-20.

[9]Yang Huijuan,Wang Zhifa,Wang Haishan,et al.Present status and progress in study of Electronic packaging materials[J].Materials Review, 2004,18(6):86-88.

[10] Atien Technology.Higgs-3 datasheet[M].Novak:Alien Technology,2009.

[11] Zhou Yijun,Chen Chichih,Volakis J L.Dual band proximity-fed stacked patch antenna for tri-band GPS applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007,55(3):220-223.

Investigation and Design of UHF Anti-metal Tag Antenna

ZHANG Qiao, ZHOU Yonggang, PENG Jianglu

(School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210000, China)

The design of anti-metal tag antenna has been a hot spot in RFID research. In this paper, a UHF anti-metal RFID tag antenna on ceramic substrate is designed and investigated. The results shows good impedance matching of S11<-20 dB of the tag antenna at 905～925 MHz, as well as an omnidirectional radiation pattern, which is in agreement with simulation. Besides, the ceramic substrate ensures a high temperature resistance, which implies that the tag can work under tough circumstances while maintaining proper performance.

radiofrequency; identification; tag antenna; anti-metal

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.002

2015-11-20

国家自然科学基金资助项目(61471193)

张桥(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：天线与微波电路。

TN820.1; TP391.45

A

1007-7820(2016)08-004-03