RFID标签天线的小型化技术研究

陈又鲜　陈玉墩

【摘 要】无线射频识别（RFID）模块主要包括应答器和阅读器，其中，天线扮演着发射和接收信号的角色，是必不可少的部件。本文结合实际课题对无线射频识别标签天线的5种小型化方法如加载短路探针、表面开槽、提高介质基片相对介电常数、附加有源网络及采用特殊结构进行了比较，论述了各自优缺点，这为天线设计及小型化提供了一定的技术参考。

【关键词】天线；射频识别技术（RFID）；电子标签；小型化

1 射频识别技术概述

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术属于无线通信技术，是一种非接触式的自动识别技术，通过交变磁场或电磁波耦合自动识别目标对象并获取相关数据[1]。射频识别主要由电子标签和读写器两部分组成，皆包含天线、射频模块、控制模块和存储器等。当标签进入读写器中天线发射出的电磁场时，接收解读器由天线发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码再进行有关数据处理[2]。其中天线完成高频信号的发射接收，是标签和读写器之间的信息桥梁，其实现方式直接关系到通信信号的后续处理以及整个射频识别的性能。因此，在设计射频识别硬件时，天线的设计采用何种方案是至关重要的。

天线的一般设计流程如图1所示，首先确定设计指标，也就是确认是否完成设计的衡量指标，然后根据设计目标如天线尺寸、方向性、读取距离等选择天线材料及类型，对天线进行仿真分析并优化参数确定设计方案，并制作天线原型进行验证并调试，得出最佳参数达到指标要求完成天线设计。

图1 天线的一般设计流程图

射频识别有高可靠性、高保密性和快速跟踪、管理对象、小巧便携等要求。而天线作为一种接收与发送信息的装置，射频识别系统的重要部件，随着RFID对天线越来越高的要求，通信设备趋于小型化发展，天线的小型化研究也是至关重要的。

2 天线的小型化

2.1 天线的小型化要求

一般RFID标签天线的特性有以下要求：（1）方向性要求具有全向或者半球覆盖，以便于读写器能在各个方向有效检测到携带电子标签的物体。（2）要求标签芯片与天线阻抗达到良好阻抗匹配，尽可能使标签天线传递最大信号给标签芯片以便于信号的读取。（3）结构尺寸要求便于嵌入到小型物件中，则需要研究紧凑的天线物理结构。（4）考虑到产品的成本问题，要求标签天线材料成本低。在设计天线时，要达到标签天线与标签芯片阻抗匹配又要综合考虑产品的成本和便携性，则天线与芯片的阻抗匹配需避免采用附加的匹配网络。天线的结构或尺寸改变会影响天线的增益、方向性、效率、频带宽度及效率等特性，所以天线的小型化设计要求在不降低天线性能的条件下达到减小天线的尺寸的目的。

2.2 天线的小型化技术

天线的小型化一般有加载短路探针、表面开槽、提高介质基片相对介电常数、附加有源网络及采用特殊结构等几种方法。标签天线可以分为线圈型天线、偶极子天线和缝隙天线三类。基于微带天线成本低、量轻、体积小、易于集成等诸多优点，目前RFID天线多采取微带天线，如吉林大学研究应用于车联网频率为2.45GHz的整流天线，采用特殊结构，通过参照微波光子晶体结构天线，设计了一款光子晶体结构改进型微带天线，使其尽量小型化，较普通天线减小了尺寸，此款天线还适用于低功耗的无线传感器网络系统以及其它低功耗用电设备[3]。

加载短路探针可以加载天线的零势面和地面，这对天线来说相当于引入了电容和电感。根据传输线理论，两条开路线的场在传输线方向上是呈驻波分布的，那么将这两条两端开路的传输线之间的零位点对地短接，就可使开路传输线形成短路驻波结构，从而使天线尺寸减小1/2。然而加载短路探针存在一定的缺点，会导致天线的带宽变窄以及增益下降。

表面开槽是在贴片尺寸不变的前提下，通过贴片开槽构成特殊形状的微带辐射贴片使其表面电流沿着槽或缝隙曲折流过，表面电流路径弯曲绕行从而增加等效路径，这样可以增加天线的有效长度，因此达到天线小型化的目的。但是，辐射贴片表面开槽是有限制的，因为表面开槽会减小天线的辐射面积从而导致天线的增益下降，而且还会增加天线垂直于主激发面电流的额外电流分布，这会导致天线交叉极化增大，天线的辐射效率变差。所以需要适当开槽，这样还可使天线实现圆极化和双频工作。本文针对应用于射频识别的微带天线采用了表面开槽方法来减小标签天线的尺寸，仿真和实验表明天线的性能指标随天线的尺寸变化而变化，在一定尺寸范围内，稍稍改变天线的尺寸对天线性能参数影响较小。也可发现尺寸变化对天线性能的影响规律，如本文实验中的一种弯折型微带贴片天线，其中一边贴片的长度在10.5mm到16.5mm变化时，贴片的长度越长，天线的谐振频率越偏低频，贴片的长度越短，天线的谐振频率越偏高频，如表1所示。

从上式也可以看出，矩形片长度L一定时，介电常数越高，谐振频率越低。本文实验表明在同一频率点不同介电常数的介质基板的天线其介电常数高的尺寸比介电常数低的尺寸小，所以采提高介质基片相对介电常数有利于实现天线的小型化。但是增大介质基板的相对介电常数会减小天线的频带宽度，而且还会降低天线的增益。而介质基板对天线的性能影响较大，且介质厚度适当的增加可以调高天线的带宽和增益，那么在设计该种标签天线之前，需在选择介质基板时对介质的介电常数和介质损耗、介质基片的厚度等综合考虑。

射频识别无源天线的尺寸缩小后会引起天线的性能变差，如降低其辐射电阻以及天线效率，针对这种情况可采用附加有源网络。有源网络对信号具有放大作用，并对天线具有阻抗补偿作用，从而缓和天线尺寸减小与性能下降的矛盾。有源天线可实现工作频带宽，其带宽高低频比值可达20到30之间。而且，有源网络可使天线的增益高达10dB以上，达到良好阻抗匹配及方向性好等优点，而对于有源天线阵单元间可能存在弱互耦。对天线引入有源网络会引入噪声和非线性失真，所以针对这些问题也需综合考虑。

3 结论

本文介绍了射频识别标签天线小型化的5种主流技术，天线的尺寸改变势必会影响天线的性能如带宽、效率及增益等，需权衡利弊找到最佳平衡值。这为天线设计及天线的小型化提供了一定的技术参考。

【参考文献】

[1]文述波.RFID系统中的天线小型化技术研究与应用[D].成都：电子科技大学 2010：1-2.

[2]宋小伟，胡圣波.轮胎嵌入式小型化UHFRFID电子标签完这天线设计[J].微波学报，2014（10）：46-48.

[3]范基春.基于车联网的RFID读写器微带天线的研究[D].长春：吉林大学 2015：33-37.