一种小型UHF RFID抗金属标签天线的设计*

韩 涛，ZHANG Mingjun，王红成，李秀平

一种小型UHF RFID抗金属标签天线的设计*

韩 涛**1，ZHANG Mingjun2，王红成1，李秀平1

（1.东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808；2.法国国立工艺学院电子自动化与系统学院，法国巴黎75003）

针对射频识别标签天线小型化、抗金属环境的实际需求，提出了一种可应用于金属环境的超高频射频识别标签天线。通过在矩形贴片上开槽来实现小型化，天线总尺寸为56 mm×50 mm× 1.6 mm。通过改变槽的尺寸调节标签天线的输入阻抗，结合等效电路图分析抗金属标签天线的设计过程，从而方便地实现与标签芯片的共轭匹配。实验结果表明，实测和仿真结果比较吻合，标签阻抗匹配良好，实测最大读取距离达3.1 m。与其他标签天线相比，该天线具有结构简单、成本低、易于实现和读取距离远等优势。

射频识别；抗金属标签天线；超高频；共轭匹配

1 引 言

射频识别（RadioFrequencYIdentification，RFID）技术既是识别技术，也是短程通信技术，还是二次雷达、电子标签类似雷达的应答器。它通过射频信号采集和识别目标物的相关信息，以非接触识别和识别速率快等优点而被广泛应用，同时也是物联网传感层里最主要的成员。超高频（Ultra High FrequencY，UHF）RFID技术由于具有识别距离远、标签成本低等优点，因而特别适合应用于物流和供应链管理。

物联网的管理对象包罗万象，其形状、大小、表面材质、应用环境等各不相同[1]。当RFID电子标签被贴于具有金属表面的对象（如汽车车牌、油井钻头）时，标签天线的方向特性、阻抗特性以及谐振频率都会发生改变[2]，从而导致标签天线增益的迅速衰减[3]。

对于普通超高频标签，入射电磁波遇到金属面后发生反射，且反射波与入射波之间存在180°的相位差，会严重衰减电磁波的强度，标签的识别距离会大大降低，标签天线增益会随天线与金属接地板之间距离的增加而改善[4]。当两者的距离介于0.05λ0～0.1λ0时，标签天线增益可恢复到可接受程度；当两者的距离介于0.1λ0～0.25λ0时，标签天线增益增势变缓，基本趋于稳定[4]。决定超高频RFID系统读取距离的关键因素主要有标签天线的增益、标签天线与芯片之间的阻抗匹配、标签芯片整流电路的效率以及标签芯片的功耗[5]。抗金属标签天线按照类型分，有微带天线、类偶极子天线、高阻抗表面天线等[6]；按照馈电方式分，有直接馈电、容性耦合馈电和感性耦合馈电等[7]；按照极化方式分，有线极化（双极化）、圆极化等[8]；按照工作原理分，有驻波天线和行波天线；按照单元数分，有单天线和阵列天线[9]。各种类型天线的特性不同，利弊各异，而抗金属标签天线的设计目的是在金属表面具有较为稳定的输入阻抗、较宽的带宽和较高增益的天线结构。

2 天线结构设计

在超高频RFID抗金属标签天线的设计中主要通过使用高介电常数的基板（如AMC地板）或者利用地板的反射特性设计天线（如PIFA）来抑制（或利用）金属地板的影响[10-11]。为了增加抗金属标签天线的增益，本文所提出的标签天线有效地利用了金属地板的反射特性，但本文移除了PIFA天线中的短路通孔，因此降低了标签天线制造的复杂性。与此同时，本文采用厚度h为1.6 mm、相对介电常数εr为4.4、损耗角正切tanσ为0.01的FR4材料作为天线的基板。通过这种设置，可以在天线成本、尺寸及性能上找到一个较好的折衷。

所设计的抗金属标签天线如图1（a）所示，天线总尺寸（L×W×h）为56 mm×50 mm×1.6 mm。在FR4基板覆盖一个与基板尺寸相同的矩形铜贴片，在贴片的上方相距S5处分别开了U型槽，两个U型槽在其中心上通过一个长为S5、宽为S6的馈电槽相连，馈电点（标签芯片）位于该馈电槽的中心位置（矩形贴片的中心）。通过这种配置，可以增加标签天线的电流路径长度，从而有效地减少抗金属标签天线的尺寸。本文通过调节U型槽的宽度S1和槽长XL来调节天线的阻抗，最终标签天线的阻抗和芯片的阻抗共轭相近，就认为标签天线和芯片匹配。抗金属标签天线的等效电路图如图1（b）所示。抗金属标签天线结构是在矩形辐射贴片的基础上进行开缝操作，通过在贴片上开槽，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感Lslot，使得天线输入阻抗呈现较大的感性电抗，可与阻抗呈现较大容性感抗的标签芯片Ctag达到良好的共轭匹配。而且通过改变槽的尺寸，可以方便地调节天线的输入阻抗Zin，从而有利于天线跟阻抗不同的标签芯片进行匹配。馈电点选择在贴片天线中心，在天线中心对称地方进行馈电，可以确保天线方向图的对称性以及全向性，这样当辐射片处在金属板表面的时候也可以保持方向图的良好辐射。

图1 抗金属天线结构图和等效电路图Fig.1 GeometrY of the anti-metal tag antenna and equivalent circuit diagram

3 天线仿真分析

为了验证设计的正确性，首先在Ansoft HFSS 13.0仿真平台上对所提供的天线进行模型建立和仿真优化。将所提出的天线直接放置在一个尺寸为500 mm×500 mm的有限地板上以模拟金属环境对标签天线的影响。标签芯片采用Alien公司的Higgs3芯片，其典型接收灵敏度为-20 dBm，在922.5 MHz处的输入阻抗为24-j207 Ω。图2给出了矩形贴片上U型槽S1对标签天线输入阻抗的影响，可以看出，随着U型槽S1的增加，标签天线阻抗实部和虚部都在增加。

图2 S1对天线阻抗的影响Fig.2 ImPact of S1on antenna imPedance

图3 给出了矩形贴片上U型槽XL对标签天线输入阻抗的影响，可以看到，所提出标签天线输入阻抗的实部和虚部随着XL的增加而增大。也就是说，随着贴片上槽宽和槽长的增加，天线的谐振频率会向低频方向移动。特别地，当矩形上的U型槽S1＝4 mm及槽长XL＝13 mm时，标签天线在922.5 MHz频率处谐振，此时标签天线的S11小于-15 dB，这意味着标签天线与芯片在此频点上能够达到良好的共轭匹配。在这种情况下，抗金属标签天线的3 dB带宽达到23 MHz（913～936 MHz），能有效覆盖中国超高频规定的920～925 MHz这一频率范围。

图3 XL对天线阻抗的影响Fig.3 ImPact of XL on antenna imPedance

标签的阅读距离是系统最重要的评估指标之一，根据自由空间中电波的传播损耗，阅读距离的评估公式[12]可表示为

式中：PEIRP为阅读器天线的等效全向发射功率；PchiP为标签芯片的最小启动功率（阅读灵敏度）；ρ为标签天线与阅读器天线之间的极化匹配系数；而Greal则为标签天线的实际增益，可表示为Greal＝Gtagτ，其中Gtag为标签天线的增益，τ为标签天线与芯片之间的功率传输系数，可写为

也就是说，当极化匹配和阻抗匹配都满足时，标签芯片所接收到功率达到最大。由于识别效率的要求，一般会采用圆极化的阅读器天线，这样在标签天线与阅读器天线之间存在一个3 dB的极化损耗。

图4给出了所设计标签天线在阅读器发送3.3 W等效功率下的增益。在922.5 MHz频率处，标签天线与芯片达到良好的共轭匹配状态，标签天线的仿真增益达到其最大值-3 dBi。与此同时，利用阅读距离评估公式（1）计算得到的最大阅读距离为3.45 m。图5给出了天线在922.5 MHz的2D方向图，可以看出，在E平面，天线接近全向，而在H平面，天线具有一定的方向性，但其波瓣依然比较宽，这有助于标签在大的空间角内被迅速识别。

图4 抗金属标签天线的增益Fig.4 Gain of the anti-metal tag antenna

图5 天线的2D方向图Fig.5 2D radiation Pattern of the antenna

4 天线测试结果

根据上述优化设计的天线尺寸，在FR4环氧树脂基板上实际制作了RFID标签天线及相应的测试夹具，如图6所示。阻抗测试采用文献[2]提出的基于S参数的双端口矢量分析仪测量方法。使用矢量网络分析仪（Agilent E5071C）在暗室中对实际制作的天线进行了测试，在测试过程中把天线紧挨金属表面，用安捷伦网络分析仪进行测试，仿真和测试结果如图7所示，可见，两者吻合良好。天线在922.5 MHz的仿真和测试输入阻抗分别为18＋j196 Ω和29＋j210 Ω，Alien Higgs3芯片的阻抗为24-j207 Ω，共轭阻抗为24＋j207 Ω，这表明天线与Alien Higgs3芯片工作在922.5 MHz时的仿真和测试结果都实现了良好的共轭阻抗匹配。

图6 加工天线和测试用夹具照片Fig.6 PhotograPh of the fabricated antenna and fixture PrototYPe

图7 天线阻抗测试值与仿真值Fig.7 Measured and simulated imPedance of the antenna

图8 给出了该电子标签天线在微波暗室的最佳读取距离。测试设备采用跳频工作方式，使用增益为8 dBi的圆极化天线作为收发共用天线，测试设备输出功率设为27 dBm，即辐射功率为35 dBm（约为3.3 W EIRP）。按照公式（1）计算的最大读取距离为3.45 m，在暗室里测试到的最佳读取距离达到3.1 m。主要原因在于测试时使用的测试夹具是利用两条同轴馈线拼接而成，同轴馈线的阻值为50 Ω，而设计的天线不是基于50 Ω的匹配设计，因此产生较大的损耗。还有就是测试环境和阅读器的因素导致实际测试的读取距离和理论最大读取距离存在一定偏差，从而实际测试的读取距离和理论最大读取距离存在一定偏差。但是，该结果足以满足现有对超高频标签天线的技术要求。因此，与一般的抗金属标签天线相比[13]，本文所提出的抗金属标签天线在增益、成本及尺寸上具有一定的优势。

图8 天线读取范围的仿真值与实测值Fig.8 Measured and simulated reading ranges

5 结 论

本文提出了一款小型的超高频射频识别抗金属标签天线。所设计的天线在矩形贴片开了两个U型槽以实现小型化，改变槽的尺寸调节可以方便控制标签天线的输入阻抗，从而方便地实现与标签芯片的共轭匹配。该天线在922.5 MHz处获得其最大增益，实测阅读距离达到3.1 m，与其他UHF无源抗金属RFID标签相比该标签尺寸更小，仅为56 mm×50 mm×1.6 mm。本文设计的标签天线结构简单，适合应用于对阅读距离、标签成本要求较高的金属场合。

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韩 涛（1981—），男，湖北武汉人，2011年于中山大学获博士学位，现为讲师，主要研究方向为物联网通信、天线理论与设计；

HAN Tao Was born in Wuhan，Hubei Prov_ ince，in 1981.He received the Ph.D.degree from Sun Yat-Sen UniversitY in 2011.He is noW a lecturer.His research concerns Internet of Things communication，antenna theorY and design.

Email：hant@dgut.edu.cn

ZHANG Mingjun（1975—），男，法国人，博士，副教授，主要研究方向为无线传感器网络；

ZHANG Mingjun Was born in France，in 1975.He is noW an associate Professor With the Ph.D.degree.His research con_ cerns Wireless sensor netWork.

Email：ming-jun.zhang@cnam.fr

王红成（1981—），男，湖南衡阳人，博士，副教授，主要研究方向为光通信；

WANG Hongcheng Was born in HengYang，Hunan Province，in 1981.He is noW an associate Professor With the Ph.D.de_ gree.His research concerns oPtical communication.

Email：Wanghc@dgut.edu.cn

李秀平（1963—），男，贵州镇远人，博士，教授，主要研究方向为无线传感器网络。

LI XiuPing Was born in ZhenYuan，Guizhou Province，in 1963.He is noW a Professor With the Ph.D.degree.His re_ search concerns Wireless sensor netWork.

Email：lixP@dgut.edu.cn

Design of a Miniaturized UHF RFID Anti-metal Tag Antenna

HAN Tao1，ZHANG Mingjun2，WANG Hongcheng1，LI XiuPing1
（1.College of Electronic Engineering，Dongguan UniversitY of TechnologY，Dongguan 523808，China；2.Le déPartement Electronique Automatique et SYstèmes，Conservatoire National des Arts et Métiers，Pairs 75003，France）

According to the actual demand of miniaturization anti-metal environment for the radio frequencY i_ dentification（RFID）tag antenna，an ultra high frequencY（UHF）RFID tag antenna for metallic objects is Pres_ ented.BY etching slots on the rectangular Patch，the ProPosed antenna is miniaturized to a total size of 56 mm× 50 mm×1.6 mm.The inPut imPedance can be adjusted effectivelY bY changing the sizes of the slots，the equiva_ lent circuit model is given out to exPlicate hoW this antenna functions，then the imPedance match betWeen the antenna and the tag chiP can be tuned convenientlY.As an exPerimental demonstration，the measured curve of the inPut imPedance is basicallY the same as the simulated and the reading distance reaches 3.1 m.The tag an_ tenna has the advantages of simPle structure，loW cost，easY fabrication and long reading distance.

radio frequencY identification（RFID）；anti-metal tag antenna；ultra-high frequencY；imPed_ ance match

The National Natural Science Foundation of China（No.61308019）；The Natural Science Foundation of Guangdong Province（S2013010013261）

：TN823

A

1001-893X（2016）01-0071-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.013

韩涛，ZHANG Mingjun，王红成，等.一种小型UHF RFID抗金属标签天线的设计[J].电讯技术，2016，56（1）：71-75.[HAN Tao，ZHANG Mingjun，WANG Hongcheng，et al.Design of a miniaturized UHF RFID anti-metal tag antenna[J].Telecommunication Engineering，2016，56（1）：71-75.]

2015-09-29；

2015-12-30 Received date：2015-09-29；Revised date：2015-12-30

国家自然科学基金资助项目（61308019）；广东省自然科学基金资助项目（S2013010013261）

**通信作者：hant@dgut.edu.cn Corresponding author：hant@dgut.edu.cn