一种超高频微带八木标签天线的研究与设计

张 炜，贾云飞，张 珊，佟 鑫，丁云广

（1.南京理工大学 机械工程学院，江苏南京 210094；2.中国运载火箭技术研究院物资中心，北京 100076；3.空间物理重点实验室，北京 100076）

射频识别（RFID）是一种非接触式的无线通信技术[1]，可以通过射频信号读写目标芯片寄存器内的储存数据，这种方式大大拓展了识别系统的应用场景。由于其所在频段抗干扰能力较强，且能够同时识别多个标签[2-3]，在医疗仓储和物流等行业得到了广泛应用[4-8]。

无源射频标签不使用额外电源，其接收阅读器天线发射的微波能量[9]。因此无源标签设计中最为重要的部分就是标签天线的设计，当天线的输入阻抗与后端的射频电路的输出端口阻抗共轭匹配时，传输线损耗最小[10]。该文在谐振频率ƒ0为915 MHz的需求下设计出与目标芯片阻抗52Ω-479j 相匹配的微带八木天线，为了使两者的阻抗满足阻抗共轭匹配的需求，设计阻抗为52Ω+479j的微带八木天线。

1 微带八木标签天线的研究与设计

1.1 传统微带八木天线

与传统八木天线类似，微带八木天线主要由激励振子、反射阵子和引向阵子三个部分组成，三者相互平行[11]。激励振子与阅读器天线发射的电磁波产生耦合效应，生成感应电流。反射阵子将激励阵子后方的电磁能量反射到前方，引向阵子向前引导激励阵子辐射的电磁能量，反射阵子和引向阵子的共同作用使得激励阵子辐射的电磁信号在某一方向上实现了定向传播。

微带八木天线模型如图1 所示。

图1 微带八木天线模型

图1 中激励阵子的长度L2为0.47λ，反射阵子的长度L1为0.5λ，引向阵子的长度L3为0.04λ，激励阵子和反射阵子的间距G2为0.25λ，激励阵子和引向振子的间距G1为0.2λ。其中，λ为电磁波在谐振频率为915 MHz 时的传输波长。

由式（1）可得波长λ为327 mm。使用有限元分析法在HFSS 中建立仿真模型，并将对其回拨损耗和输入阻抗进行仿真，结果如图2、图3 所示，由图2可知，微带八木天线在915 MHz 左右的回波损耗为-10 dB 左右，且在-10 dB 处的带宽并不高。由图3 的阻抗图可看出，在915 MHz 的谐振频率下，电阻值为78.4 Ω，电抗值为201.2 Ω。目标芯片Rocky100的阻抗为52Ω-479j，单纯的延伸偶极子激励阵子的臂长不仅效果不佳且会增加标签天线所占用的面积，单纯的直线型激励阵子所组成的微带八木天线无法匹配该低电阻高阻抗的复式阻抗。因此选择使用T 型匹配网络的方式调整天线阻抗，使之达到共轭匹配。

图2 微带八木天线S（1,1）

图3 微带八木天线阻抗图

1.2 微带八木天线的T型匹配网络

T 型匹配网络是天线设计常用的阻抗匹配网络[12]。图4 为嵌入T 型匹配网络的微带八木天线结构图，图中匹配网络的长度为L4，宽度为W2，微带线宽度为天线宽度W1，中间深色部分为芯片连接处。

图4 嵌入T型匹配网络的微带八木天线模型

T 型匹配网络中芯片终端处的天线的输入阻抗为：

其中，Zt为短线阻抗，Zt=jZtankα/2；Z是间隔为b的传输线a和传输线L的特征阻抗ZA为天线无T 型匹配时的输入阻抗；re′为短路线的等效半径=825c；re为激励阵子的等效半径，re=0.5W；α为激励阵子与T 型匹配网络的电流分布系数，由此可知，传输线的长度L4、宽度W2和微带线的宽度W1对天线输入阻抗产生影响[13]。为使其达到适应目标阻抗的要求，改变传输线L2与传输线L4的大小，继续测试其在915 MHz 附近频率下的阻抗大小。图5 为微带八木天线的阻抗随着T 型匹配网络中的L4和W2的长度变化图。

图5 微带八木天线阻抗变化

通过图5 可看出，T 型匹配网络的长度对天线输入阻抗的实部和虚部均有影响，但在常用频段（902～928 MHz）中，T 型匹配网络的长度对天线输入阻抗实部和虚部的影响均较大，微带八木天线输入阻抗的实部和虚部随T 型匹配网络长度的增加而增加，且虚部的变化量大于实部的变化量。通过图5 可以看出微带八木天线输入阻抗的实部随T 型匹配网络宽度的增加而增加，输入阻抗的虚部随宽度的增加而减少，且虚部的变化量小于实部的变化量。

因此由以上的规律可知，首先改变W2可以匹配天线实部，改变L4，仍无法满足虚部匹配大小。

2 弯折微带八木标签天线的研究与设计

无源标签天线的设计主要有小型化和阻抗匹配两个重要组成部分[14-15]，采用弯折天线臂的方式可以有效调整天线阻抗的虚部大小并且减少天线尺寸[16]。利用有限元分析软件HFSS 建立模型并进行仿真。图6 为进行仿真的弯折微带八木天线的结构图。

图6 弯折微带八木天线模型

由模型可以看出在不改变微带线线宽和弯折次数的情况下，弯折微带八木天线的输入阻抗主要受到弯折宽度W3和弯折短臂长度L5的影响。图7 为微带八木天线的阻抗随着T 型匹配网络中的L5和W3的长度变化图。

图7 微带八木天线阻抗变化

由图可知，微带天线阻抗的实部变化不大，虚部随W3和W5的增加而增加，通过多次仿真实验可以发现，微带八木天线的虚部阻抗随L5变化的幅度小于W3，符合阻抗匹配要求。

3 仿真结果分析

使用之前仿真得到的模型尺寸数据，在HFSS 中建立天线模型，在HFSS 中进行有限元仿真，得到结果如图8 所示。

图8 弯折微带八木天线仿真结果

从图8 中可以看出，弯折微带八木天线的回拨损耗在谐振频率为915 MHz 时的值为-55 dB，S（1,1）在-10 dB 下的频段为850～950 MHz，因此频带宽度为100 MHz，微带八木天线具有较良好的带宽，电子标签满足在常用频段内能够接受阅读器天线的电磁波的需求，从而正常工作。为了保证以最大功率传输，标签天线的输入阻抗和芯片的输出阻抗处于共轭状态，从图8 中可以看出在850～950 MHz 之间，天线阻抗的实部和虚部均缓慢增加，但实部的变化幅度不大，并在915 MHz 处阻抗为52Ω+479j，仿真结果基本满足了匹配芯片阻抗的设计要求。还可以看出，在发射阵子前方大部分区域的增益较大，相对于普通的偶极子天线，具有更好的电磁波接收和发射距离，大大提高了标签的识别距离。

4 结束语

RFID 无源标签天线的阻抗匹配问题是天线设计的难点，该文使用T 型匹配网络和弯折偶极子臂的方法设计微带八木天线的激励阵子，可以较为准确地调整天线阻抗的实部与虚部，使微带八木天线的输入阻抗与芯片的输出阻抗共轭匹配。作为微带八木天线的重要组成部分，该文使用偶极子天线作为微带八木天线的激励阵子，设计出与Rocky100 芯片阻抗共轭匹配的微带八木天线，且阻抗达到52Ω+479j。当天线在谐振频率ƒ0=915 MHz 时，天线阻抗为53Ω+484j，和Rocky100 芯片的52Ω-479j 的阻抗近似共轭匹配。通过仿真结果可以看出，弯折天线臂的方法不仅提高了天线阻抗的虚部阻抗，并且减少了标签面积，节省了空间。微带八木天线在915 MHz的回波损耗为-55 dB，且在915 MHz 附近阻抗变化较为平坦，具有较好的宽带性，能够在复杂环境中工作，达到了天线设计的性能指标。