小尺寸超高频RFID标签天线设计

2022-02-22淡江

物联网技术 2022年2期

关键词：虚部偶极子线宽

淡江

（杭州海康威视数字技术股份有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

超高频RFID技术是一种成本较低的物联网识别技术，如今已经在各行各业得到普遍应用。如优衣库、迪卡侬、周大福等知名企业都将超高频RFID标签嵌入到商品吊牌中，用于货品管理，大幅提高了流通效率和库存的准确性。

目前被大规模商用的超高频RFID标签天线大多采用平面弯折偶极子天线与馈电环耦合结构，如图1所示。

图1 超高频RFID标签结构

1 超高频RFID标签天线设计原理分析

平面弯折偶极子天线由常规的半波偶极子天线演化而来。半波偶极子天线的结构十分简单，由2个长度相等的辐射臂构成，总长度为0.5个波长，在两臂中心处馈电，端口阻抗为50 Ω。常规半波偶极子天线如图2所示。半波偶极子天线的辐射方向图类似于“面包圈”，辐射臂轴线处为辐射盲区，如图3所示。

图2 常规半波偶极子天线

图3 偶极子天线辐射方向图

900 MHz电磁波的波长为330 mm，工作在此频率的半波偶极子天线的长度为165 mm，该尺寸对于RFID标签而言过大。长度小于100 mm的天线更适合RFID应用。弯折偶极子天线正是为了缩减尺寸而诞生。虽然弯折偶极子天线外廓的长度缩减了，但走线的总长度依然与标准半波偶极子天线接近，端口阻抗已不再是50 Ω。弯折偶极子天线的辐射阻抗可用公式（1）近似估计：

式中：R为弯折偶极子天线的辐射阻抗，如果不考虑导体损耗，即为阻抗实部；d为弯折偶极子的外廓长度；λ为电磁波的波长。

图4中，弯折偶极子天线的轮廓长度为79 mm，频率为900 MHz时，带入公式（1）中，得到阻抗实部为14.9 Ω。

图4 平面弯折偶极子

为了将标签天线收集的能量尽可能多的传递给芯片，天线阻抗应与芯片阻抗共轭匹配，那么它们的阻抗实部应该相等。表1列举了一些常用的标签芯片的阻抗实部，前文计算出的弯折偶极子天线阻抗实部恰好位于此区间。

表1 常用RFID标签芯片的阻抗

图4中，弯折偶极子天线的仿真结果表明有较大的容性虚部阻抗，当频率为900 MHz时虚部阻抗达到了-190 Ω。而芯片阻抗虚部也为容性（负值），因此标签天线必须具有一定感性，才能与芯片阻抗共轭匹配。将弯折偶极子天线的两端设置为容性负载，利于阻抗匹配。将增加了电容负载的弯折偶极子天线进行仿真，仿真结果显示天线的阻抗虚部由-190 Ω变为-71 Ω。两端增加容性负载的弯折偶极子仿真如图5所示。

图5 两端增加容性负载的弯折偶极子仿真

增加了两端电容负载的弯折偶极子天线阻抗已经大大减小，但依然为负数，这样就需要感性极强的馈电环，使天线的阻抗最终与芯片阻抗共轭匹配。弯折偶极子天线与馈电环间属电感耦合，可与变压器原理类比。弯折偶极子天线与馈电环构成的完整RFID标签等效电路如图6所示，其仿真结果见表2所列，能够很好地与Impinj Monza4芯片进行共轭匹配。

表2 仿真结果

图6 弯折偶极子天线原理

2 小尺寸RFID标签设计方法

2.1 小尺寸标签设计难点分析

上文指出为了提高天线的感性，需要采用馈电环结构。在Ansoft HFSS中单独对馈电环进行建模，对馈电环的尺寸与感值的关系进行仿真分析，分析天线馈电环的电感与馈电环的高度A、长度B和线宽C的关系，如图7所示。

图7 仿真分析A、B、C参数与馈电环感值关系

馈电环的线宽C越小，馈电环的虚部阻抗越大，电感越大；馈电环的高度A越高，馈电环的阻抗虚部越大，电感越大；馈电环的长度B越长，馈电环的阻抗虚部越大，电感越大。目前常规铝蚀刻标签天线制造工艺的最小稳定线宽为0.3 mm，所以不能无限制的通过缩小馈电环的线宽来提高电感。

当馈电环的线宽C固定时，必须通过增大馈电环的整体轮廓尺寸来提高天线的阻抗虚部，进而达到与芯片阻抗虚部共轭的效果。如果芯片阻抗虚部的绝对值较大，所需馈电环的尺寸也就越大，这对于设计小尺寸单品级标签是不利的。图8列举了线宽C固定为0.3 mm时，常用芯片所需馈电环的尺寸，外框尺寸为25 mm×10 mm。由于EM4124芯片容性较强，所需馈电环尺寸过大，以至于缺少空间设计辐射体，所以基于该芯片设计小尺寸标签十分困难。

图8 不同芯片所需馈电环的尺寸占比

由公式（1）可知，小尺寸标签天线的辐射阻抗较小，导致阻抗实部过小，这是小尺寸标签天线设计的另一大难点。阻抗实部较小的芯片更适合用于小尺寸标签。本文不对小尺寸标签阻抗实部问题进行更多讨论。

2.2 馈电环尺寸缩减技术

对于一段圆柱形导线，其高频电感可用经验公式计算：

式中：L为电感，单位为nH；d为导线长度，单位为mm；r为导线的半径，单位为mm。

观察公式（2）可知，增加导线长度、缩小导线半径均可增加导线电感。对于平面蚀刻工艺的RFID天线，导线半径可与平面线宽比拟。该公式的计算结果与前面的仿真分析结果一致，为在有限空间内增加馈电环的电感提供了有效途径。当线宽固定为0.3 mm时，考虑通过增加线长来增大电感的方案。

馈电环可通过反复弯折的方式增加总线长，进而提高电感量，如图9所示。经过Ansoft HFSS仿真调试，图9中的馈电环900 MHz处阻抗虚部达到了257.5 Ω，可与EM4124芯片匹配，如图10所示。仿真结果见表3所列。

图9 对馈电环进行弯折增加总的线长

图10 25 mm×10 mm天线

表3 仿真结果

2.3 实际验证

前文通过理论和仿真证明了馈电环尺寸缩减方法的可行性，但仍需要通过实际测试来验证该方法的正确性。仿真与实际测试结果会存在一定偏差，天线辐射体也会对馈电环电感值产生影响。基于铝蚀刻工艺，采用10 μm厚度铝层和50 μm厚度PET基材，进行多次打样修正，最终确定图11所示天线规格。该天线配合EM4124芯片可以达到理想性能。EM4124芯片阻抗为（22-j261）Ω，激活灵敏度为-19 dBm。

图11 最终确定的天线规格

当RFID读写器EIRP为36 dBm时，测试该天线不同频率下的可读距离。在几种常见介质上，全球频段（860～960 MHz）可读距离均超过1 m；美国频段（902～928 MHz）可读距离超过1.5 m。在部分介质、部分频段可读距离超过2 m，不同频率下的可读距离如图12所示。该天线的外形尺寸仅为27 mm×10 mm，证明了该小尺寸标签天线的优秀性能。