适应多环境的小型化超高频RFID标签天线设计

赵志强， 马润波， 鲁志红， 韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 03006)

0 引 言

射频识别(RFID)技术源于20世纪30年代的雷达技术， 是在20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术[1]. 射频识别技术通过空间耦合实现无接触自动识别目标对象， 识别过程无须人工干预[2-3]. 超高频(UHF)射频识别(RFID)技术具有读取速率快、 读写距离长、 非接触识别、 多目标识别等优点， 被公认为21 世纪最有发展前途的信息技术之一[4]. 近年来， 随着物联网概念的提出和深入， 超高频射频识别技术也得到了迅速发展， 特别是在物流和供应链管理方面.

在UHF RFID系统中， 标签天线的设计是非常重要的组成部分. 许多标签天线要安装在金属或其它介质表面， 这些外部环境对天线的近场存在显著的影响， 从而引起标签天线的方向特性、 阻抗特性以及谐振频率的显著改变. 特别当标签靠近金属表面时， 由于标签天线辐射电阻的下降， 天线和芯片之间会产生严重的阻抗失配， 从而导致标签天线实际增益的迅速衰减. 到目前为止， 关于UHF RFID标签天线的文献有很多， 但适用于多环境的小型化标签天线的文献并不多. 文献[5]提出了一种用于金属环境的带宽增强的平面倒E天线， 它的天线带宽是857-980MHz， 足以覆盖整个UHF RFID频段， 但是天线整体尺寸较大(75 mm×22 mm)， 不适合一些安装平面较小的场合； 文献[6]提出了一种新型小型化的双层PIFA 天线， 它采用接近式耦合馈电， 天线的尺寸相对较小(26 mm×14 mm×2.4 mm)， 但天线带宽是917-933MHz， 只能覆盖一小部分UHF RFID频段， 而且天线需要许多金属过孔， 加工较复杂； 文献[7]利用中层寄生金属条带将顶层天线辐射体与地板隔离， 减小地板对天线的影响， 从而实现抗金属性能. 但天线尺寸较大(31×103×7.6 mm3)， 而且需要很多金属过孔， 加工复杂； 文献[8]提出了一种安装在金属表面的带有两对T型缝隙的紧凑型贴片标签天线， 可以实现圆极化， 天线尺寸为60×60×1.6 mm3， 天线带宽为886～952 MHz； 文献[9]提出一种用于金属环境的可穿戴锯齿型折叠贴片标签天线， 天线尺寸为30×30×3 mm3， 在金属环境下， 最大阅读距离可达到7.1 m； 文献[10]利用人工磁导体(AMC)地板实现双频带远程的标签天线设计， 但是一般使用AMC结构会使得整个天线结构变得很大， 不适合安装在一些安装平面比较小的场合， 应用环境较局限. 对于应用环境， 文献[5-11]主要研究了金属环境下天线的性能， 并没有研究其他对天线影响较大的环境， 比如水表面等高电介质环境. 总之， 在标签天线的设计中， 大多数专家和学者主要集中在标签天线的小型化、 宽带以及抗金属性能， 相应的应用环境多为较单一的特定环境.

本文针对标签天线的应用环境， 研究标签天线在多种环境下的适应性. 本设计通过外层贴片的折叠使得天线尺寸变得更小， 并引入中层U型贴片以产生两个相邻谐振模式. 设计中还采用了包含T型匹配网络的接近式耦合结构进行馈电， 使天线带宽得以拓宽而且使天线调谐更加方便.

1 天线结构

天线的结构如图 1 所示， 由图1(a)横截面可见： 天线包含由厚度为t1的空气层隔开的上下两层介质基板， 基板厚度均为h. 顶层基板两面都附着金属层， 称为顶层金属和中层金属； 底层基板仅有底面附着金属层， 称为底层金属. 为减小环境对天线的影响， 底层金属层完全覆盖介质底面， 通过两侧金属壁连接顶层和底层金属， 形成外层辐射体. 顶层金属结构如图1(b)所示， 由对称放置的L型金属贴片和T型匹配网络构成， 馈电口处嵌入标签芯片. 中层金属结构如图1(c)所示， 由一个U型贴片构成， 其上刻蚀有两个对称的矩形缝隙. 设计采用两层介质板厚度h=0.8 mm的低成本FR4， 其相对介电常数为4.4， 损耗角正切为0.025.

为实现小型化设计， 天线在XY平面的尺寸是受到限定的. 在确定XY平面尺寸以后， 对天线性能起主要影响的结构包括T型匹配网络和U型贴片. T型匹配网络可以有效地解决天线的匹配问题， 诸多文献的实验结果也证明了这一点. 在文献[12]的理论基础上对T型匹配网络结构进行改进， 通过采用接近耦合馈电结构得到如图1(b)所示的可以明显节省空间的匹配结构.

考虑到仅有外层辐射体时天线带宽比较窄， 设计了U型贴片来产生新的相邻谐振模式. 当其电长度与外层辐射体电长度相近时， 整个天线结构支持两个频率相邻的谐振模式， 从而实现拓宽带宽的目的. 由于外层辐射体内部狭小空间内的U型贴片尺寸很小， 为增加其电长度， 在U型贴片上设计了两个矩形缝隙.

图 1 天线几何结构图Fig.1 Geometry structure of the proposed antenna

当天线外层辐射体尺寸确定以后， 可以仅通过调整匹配结构和U型贴片的主要几何参数来调谐天线性能， 这使得天线具有稳定的外部结构.

2 天线参数分析与优化结果

本设计中的RFID标签芯片采用Alien公司Higgs3芯片， 其典型接收灵敏度为-20 dBm， 在920 MHz处的输入阻抗为27.115-j199.844 Ω[13]. 由于U型贴片和T型匹配网络的引入， 天线与芯片在多种环境下均可实现在902～928 MHz频段内良好的共轭匹配. 为了验证设计的正确性， 在CST仿真平台上对所设计的天线进行模型建立和仿真优化， 研究了天线在自由空间下的阻抗特性.

外层辐射体和中层U型贴片的参数对天线的阻抗特性具有明显的影响， 可以用来对天线进行调谐. 由于外层辐射体会产生一个基本的谐振模式， 故空气间隙厚度t2对天线的谐振频率有着显著的影响. 图 2(a) 是空气间隙厚度t2对天线输入阻抗的影响. 由图2(a)可见： 当t2增大时， 天线输入阻抗的实部在减小， 虚部更加平缓， 同时天线工作频率在向低频处移动， 原因是t2的增大会使得外层辐射体谐振模式的电流路径变长. 中层U型贴片会产生一个新的相邻谐振模式， 故贴片长度l4对天线的谐振频率有显著的影响. 图2(b) 是l4对天线输入阻抗的影响. 由图2(b)可见： 当l4增大时， 天线输入阻抗的实部在目标频带内增大， 虚部在200 Ω处波动更明显. 同时天线的工作频率向低频处移动， 原因是l4的增大会使贴片谐振模式的电流路径变长. 图 2 的结果表明： 调节t2和l4， 天线在工作频段内易于调谐.

图 2 t2和l4对天线阻抗的影响Fig.2 Antenna input impedance for different t2 and l4

T型匹配网络参数对天线的阻抗特性同样有显著影响. 本文采用T型匹配网络通过接近式耦合馈电实现天线与芯片的共轭匹配， 故其相关参数对天线匹配有着显著的影响. 图 3 给出了T型匹配网络中的4个几何参数对天线阻抗的影响： 图3(a)是T型匹配网络内臂长度w2对天线输入阻抗的影响. 当w2增大时， 天线输入阻抗的实部在逐渐减小， 虚部在逐渐增大； 图3(b)是T型匹配网络外臂宽度w6对天线输入阻抗的影响. 当w6增大时， 天线输入阻抗的实部缓慢减小， 而虚部在数值上减小， 但随频率的变化趋势基本不变； 图3(c)是天线辐射体与T型网络之间的耦合距离g1对天线输入阻抗的影响. 当g1增大时， 天线输入阻抗的实部在增大， 虚部在减小， 工作频率偏移较大； 图3(d)给出了T型匹配网络内臂和外臂之间的耦合距离g2对天线阻抗的影响. 当g2增大时， 天线阻抗实部和虚部在逐渐减小. 图 3 的结果说明调节天线T型匹配网络的相关参数， 天线易于调节匹配且天线尺寸基本不变. 因此， 所提出的天线易于在固定小尺寸下进行优化.

图 3 w2, w6, g1及g2对天线阻抗的影响 Fig.3 Antenna input impedance for different w2, w6, g1 and g2

为了研究所设计天线对多种环境的适应性， 分别在3种典型环境下， 即自由空间以及背面附着在水和金属环境下对天线进行建模及微调参数优化分析. 底层金属的反射作用使得天线近场主要分布天线内部和上部， 当天线背面附着在水表面或金属表面时， 天线近场受到的影响较小， 故只需通过优化T型匹配网络的参数即可实现天线对多种环境的兼容性. 最终优化得到的天线各几何参数为h=0.8 mm，l1=26 mm，l2=10.3 mm，l3=9.8 mm，l4=20.7 mm，l5=5 mm，w1=26 mm，w2=22 mm，w3=21.5 mm，w4=10 mm，w5=6 mm，w6=0.5 mm，w7=2 mm，w8=0.3 mm，g1=0.4 mm，g2=0.5 mm，t1=7 mm，t2=5.4 mm.

图 4 给出了天线在3种环境下的反射系数曲线. 天线的带宽以-3 dB带宽为标准， 由图 4 中结果可以看出： 自由空间、 水环境的阻抗带宽分别是65 MHz(884～949 MHz)及64 MHz(902～966 MHz)； 而金属环境分析了两种情况： 一种是200 mm×200 mm的有限大金属板， 其带宽是76 MHz(902～978 MHz)； 另一种是无限大金属板， 其带宽是92 MHz(891～983 MHz) . 天线的阻抗带宽尽管在不同环境下有一定差异， 不过基本可以覆盖902～928 MHz的频率范围.

图 5 给出了3种环境下的增益曲线， 天线在3种环境下的最大增益分别是-10 dB(自由空间)、 -13 dB(水环境)和-3 dB(金属环境). 由于水对电磁信号的损耗最大， 水环境下增益最小， 而金属环境下的增益最大. 与参考文献比较， 天线的抗金属性能优于同尺寸天线的性能.

图 6 给出了3种环境下天线在915 MHz处的归一化辐射方向图. 由图 6 可以看出： 天线在自由空间中呈现两个辐射方向， 在水环境和金属环境下体现出较明显的单方向性， 其中金属环境下尤为明显.

图 4 3种环境下的S11曲线Fig.4 S11 in three platforms

图 5 3种环境下的增益曲线Fig.5 Realized gains in three platforms

对本文设计天线的环境适应性进行了更多验证， 表 1 给出了在多种常见环境背景材料下此天线的带宽以及最大增益. 可以看出： 当天线安装在不同材料的平面上， 尽管带宽和增益有所差异， 但都可以满足覆盖902～928 MHz频带的工作需要， 这说明本天线在多种环境下仍然呈现良好性能.

图 6 3种环境下915 MHz的归一化辐射方向图Fig.6 Normalized radiation patterns at 915 MHz in three platforms

环境背景材料带宽/MHz最大增益/dB自由空间65(884～849)-10纸42(884～926)-9.9油46(881～927)-9皮肤45(880～925)-8.4水64(902～966)-13金属92(891～983)-3

3 结 论

本文设计并分析了一种适应多环境的新型小型化超高频RFID 标签天线. 在天线总尺寸为26 mm×26 mm×7 mm的限定下， 通过对U型贴片和T型匹配网络参数的优化分析， 实现了在多种环境下天线与芯片良好的共轭匹配， 带宽均可覆盖902～928 MHz频段. 相较自由空间， 在金属环境下天线最大增益可以达到-3 dB， 有7 dB的增量， 抗金属特性相当好； 在其它多种环境下天线也呈现出良好性能， 满足识别应用的需要. 相比较相同大小甚至更大的标签天线， 该天线是一款性能较好的选择， 比较适合应用于异构零售项目管理、 动物跟踪和车辆安全等场合.