小型化低剖面UHF RFID抗金属标签天线设计

唐旭阳，张博涵，张经纬，何大平，吴志鹏，刘成国

1. 武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070；2. 武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070；3. 湖北省射频微波应用工程技术研究中心，湖北 武汉 430070)

0 引言

超高频射频识别(UHF RFID)技术是一种通过射频信号对目标进行自动识别的技术，并以其较远的阅读距离、较快的数据传输速率等优点而被广泛用于物流、医疗、零售等领域。随着RFID技术的广泛使用，UHF RFID标签应用于各种金属环境。普通的偶极子UHF RFID标签天线在用于金属表面时，镜像电流的存在会极大地影响标签天线的输入阻抗、谐振频率和辐射性能，导致标签天线无法正常工作[1]。目前主要有3种实现抗金属RFID标签的方法[2]：

1) 增大标签与金属之间的距离至1/4波长[3]。

2) 在标签天线结构中加入电磁带隙(EBG)或人工磁导体(AMC)[4-5]。

3) 以微带天线或平面倒F天线为原型,设计抗金属RFID标签天线[6-7]。

前两种方法会导致天线体积过大或结构复杂，微带天线或平面倒F天线结构相对简单，易于实现小型化和低剖面特性，自身的接地板可以将辐射贴片与金属隔开，从而实现抗金属特性。

本文提出了一种带有嵌入式馈电结构和矩形开槽的贴片天线，调整嵌入式馈电结构的长、宽及矩形开槽的宽可有效地调整标签天线输入阻抗，使天线阻抗与标签芯片阻抗达到共轭匹配，最终实现良好的效果。

1 天线设计与仿真

1.1 天线结构设计

本文提出的抗金属RFID标签天线结构如图1所示。天线使用金属铝作为辐射体，辐射体由左、右两部分不对称贴片组成，贴片中间连接RFID芯片，两侧贴片通过短路壁与金属接地板相连，形成贴片、短路壁与地之间的环形电流回路，使贴片天线形成类磁偶极子天线结构，可以较好地应对复杂环境中的电场变化[8]。右侧贴片包含嵌入式馈电结构与矩形开槽结构，嵌入式馈电结构便于进行阻抗调节，矩形开槽结构能增大贴片中电流路径，从而使标签天线小型化。标签天线使用相对介电常数为2.7，损耗角正切为0.03,厚为0.9 mm的尼龙材料作为基板，使标签天线具有低剖面特性。图1中,l0、w0、h0分别为抗金属标签天线的长、宽和高，l1、w1、l5分别为嵌入式馈电结构的长、宽及其相对左侧贴片的距离，l2、w2、l3分别对应矩形开槽的长、宽及其距离标签天线右侧边缘的距离，l4、l6、w3分别对应右侧贴片长度、左侧贴片长度及左、右两贴片宽度。通过调节嵌入式馈电结构和矩形开槽尺寸参数可以使标签天线输入阻抗与芯片阻抗在目标频点达到近似的共轭匹配，从而使RFID标签在金属表面能够正常工作。

图1 抗金属RFID标签天线结构示意图

1.2 阅读距离和功率传输系数分析

本设计中采用的RFID芯片为Impinj公司生产的Monza R6芯片，915 MHz时的芯片阻抗为Zc=Rc+jXc=12- j119.6(Ω)，其阅读灵敏度为-20 dBm。对于RFID标签而言，阅读距离是其最重要的性能指标之一。RFID芯片的阈值激活功率为Pth(即芯片的阅读灵敏度)，当芯片接收到的功率达到Pth时，芯片被激活，RFID标签开始工作。RFID标签阅读距离(r)可由Friis公式[9]得到：

(1)

式中：λ为自由空间特定频率的电磁波波长；Ptx为RFID阅读器的发射功率；Gtx,Grx分别为阅读器天线和标签天线的增益；τ为标签天线与芯片之间的功率传输系数，有:

(2)

式中Zin=Rin+jXin为RFID标签天线的输入阻抗。式(1)中，PtxGtx为RFID阅读器的有效全向辐射功率(EIRP)，则有：

(3)

由式(3)可知，当EIRP为固定值时，为了提高阅读距离，应使标签天线增益和功率传输系数尽可能大。由式(2)可知，当标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配时，τ有理想的最大值(τ=1)，但实际制作时只能使标签天线输入阻抗尽可能地接近芯片阻抗的共轭值，以达到近似的共轭匹配状态。

1.3 天线优化设计

为了验证本设计的可行性并进行参数调整和优化，首先在CST MWS软件中进行天线模型建立和仿真分析。为了模拟实际的金属环境对天线的影响，可以在天线模型一侧放置一块尺寸为200 mm×200 mm的薄金属板模型，标签天线与薄金属板在软件中的模型图如图2所示。

图2 天线与金属板的仿真模型图

为了探究嵌入式馈电结构的l1和w1的变化对标签天线输入阻抗的影响，在其他参数不变时，对嵌入式馈电结构的长和宽进行参数扫描分析。天线输入阻抗和天线与芯片之间的功率传输系数随l1的变化如图3所示。由图可见，其他参数不变，当l1分别为8 mm、9 mm和10 mm时，在对应的超高频RFID频段范围内，随着l1的增加，天线输入电阻的实部和虚部都增大，RFID标签天线的谐振频率变小。

图3 天线输入阻抗及τ随l1变化曲线

图4为天线输入阻抗及τ随w1的变化。由图可以看出，保持其他参数不变，当w1依次取4 mm、4.8 mm和5.6 mm时，天线输入阻抗的实部和虚部会随着w1的增大而减小，标签天线谐振频率也随之升高。

图4 天线输入阻抗及τ随w1变化曲线

为了研究w2对标签天线输入阻抗和τ的影响，其他参数不变时，对w2进行参数扫描，分析其对于输入阻抗和τ的影响，如图5所示。由图可见，w2分别取14.4 mm、14.9 mm和15.4 mm时，随着w2的增加，标签天线输入电阻的实部和虚部都会增加，标签天线的谐振频率向低频方向移动。

图5 天线输入阻抗及功率传输系数随w2变化曲线

通过调整几个主要参数，可以将标签天线在915 MHz处的输入阻抗调至Zin=8.08+j120(Ω)，与标签芯片阻抗的共轭值较接近。由式(2)可得到在天线结构参数最终确定时的τ曲线如图6所示。由图可见，915 MHz处τ= 0.96，即在915 MHz处标签天线阻抗与芯片阻抗之间有良好的匹配。最终的标签天线尺寸参数如表1所示。

图6 τ随频率变化曲线

表1 标签天线各项尺寸参数 (单位：mm)

最终由CST MWS软件仿真得到其增益在915 MHz为-9.88 dBi，标签天线阻抗与芯片阻抗匹配良好，τ较高，可以得到较大的阅读距离。

2 实验结果和分析

根据天线尺寸参数制作出的抗金属RFID标签实物和阻抗测试夹具如图7所示。为了得到天线实物的输入阻抗，本文采用文献[10]提出的基于S参数的差分探针测试法对标签天线进行阻抗测量。采用图7中的半刚性同轴线测试夹具将标签天线与网络分析仪(Agilent E5072A)相连并测量其输入阻抗，最终的标签天线输入阻抗测量值与仿真值如图8所示。由图8可见，标签天线输入阻抗测量值与仿真值之间虽有微小差别，但总体趋势一致。其微小差别是由于测试夹具连接到网络分析仪端口后，在网络分析仪上进行的端口延伸操作未达到理想状态引起的。

图7 标签实物与阻抗测试夹具

图8 仿真、实测天线输入阻抗和芯片阻抗随频率变化曲线

为了进一步验证本标签天线的性能，Impinj R6芯片以倒封装的形式通过导电胶与标签天线相连接，最终制作出抗金属RFID标签。抗金属RFID标签被贴装于薄金属板表面进行测试。天线阅读距离、实际增益采用如图9所示的Voyantic Tagformance Pro测试系统来进行测量，其阅读器的EIRP为3.28 W。实际增益(Gr)将各项损耗(包括欧姆损耗和阻抗失配损耗等)与天线增益结合在一起，是表征RFID标签天线性能的重要参数之一，其计算公式为

Gr(dBi)=Pth(dBm)-Ptag(dBm)

(4)

式中Ptag为某一特定频率下标签从射频信号中获取以开启芯片所需的最小功率，即标签灵敏度。

图9 Voyantic Tagformance Pro测试系统

图10 仿真、实测实际增益和实测标签灵敏度随频率变化曲线

仿真和实测的实际增益与实测的标签灵敏度随频率变化曲线如图10所示。由图可见，仿真实际增益在915 MHz处有最大值为-10.04 dBi，实测实际增益在910 MHz处有最大值为-10.9 dBi，实测实际增益最大值比仿真实际增益最大值小0.86 dBi，所在频点低5 MHz。其差别可能是由标签实物制作过程中的误差引起。

图11为标签实测和理论阅读距离随频率变化曲线，实测阅读距离在910 MHz处有最大值4.3 m。根据CST MWS软件得出增益，代入式(3)可得图中理论阅读距离，理论阅读距离在915 MHz处有最大值4.7 m，实测最大阅读距离略低于理论最大阅读距离。实测值与理论值存在一定误差，这与测试环境和制作精度有关，但实测结果与理论值较接近，可以满足物流、医疗、零售等领域对抗金属RFID标签的正常使用要求[11]。

图11 标签实测阅读距离与理论阅读距离比较

3 结束语

本文提出了一种小型化、低剖面超高频抗金属RFID标签天线。该天线通过适当调整嵌入式馈电结构的长、宽和矩形开槽的宽，可将天线输入阻抗调至与芯片阻抗基本共轭匹配的状态以获得较大的功率传输系数。实测结果表明，当应用于金属环境时，该RFID标签在910 MHz处有最大实际增益，且最大阅读距离为4.3 m。该抗金属RFID标签天线具有小尺寸、低剖面和较远的阅读距离，可广泛用于物流、医疗、零售等领域的金属场景。