《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種小型無(wú)源UHF抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
景裕文,，崔英花
北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,，北京100101
摘要： 設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于超高頻（UHF）頻段的小型無(wú)源抗金屬射頻識(shí)別（RFID）電子標(biāo)簽天線(xiàn),。在一端端口封閉式小型微帶天線(xiàn)的基礎(chǔ)上,，基板采用介電常數(shù)為22的微波介質(zhì)陶瓷可以進(jìn)一步減小天線(xiàn)尺寸，饋電方式為一端通過(guò)短路片接地的插入式饋電,，通過(guò)對(duì)輻射貼片另一端加載短路片來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻帶,。使用HFSS仿真軟件進(jìn)行天線(xiàn)設(shè)計(jì)，天線(xiàn)尺寸約為32 mm×24 mm×4 mm,，置于200 mm×200 mm的金屬板上,，在860~960 MHz的工作頻段內(nèi)，S11<-15 dB,，阻抗匹配極好，MATLAB仿真的讀取距離約為7 m,。標(biāo)簽天線(xiàn)的整體設(shè)計(jì)滿(mǎn)足小型化,、抗金屬、寬頻帶,、低成本的設(shè)計(jì)要求,。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN827+.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180563
中文引用格式： 景裕文，崔英花. 一種小型無(wú)源UHF抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018,，44(11)：13-16.
英文引用格式： Jing Yuwen，Cui Yinghua.Design of a small passive UHF anti-metal label antenna[J]. Application of Electronic Technique,，2018,，44(11)：13-16.
Design of a small passive UHF anti-metal label antenna
Jing Yuwen，Cui Yinghua
College of Computer,，Beijing Information Science & Technology University,，Beijing 100101,，China
Abstract： This paper designs a UHF band and small passive anti-metal RFID electronic tag antenna. On the basis of one end port enclosed small micro-strip antenna, the substrate uses dielectric constant in 22 of the microwave dielectric ceramic to further decrease the size of the antenna. Insert-fed is adopted，in which one end grounds through short-circuit patch,，and the other end of the radiation patch loads short-circuit patch to redize broadband. Using HFSS simulation software for antenna design, the size of the antenna is about 32 mm×24 mm×4 mm, which is placed on a 200 mm×200 mm metal plate. In the working band of 860～960 MHz, S11 is less than -15 dB, impedance matching is excellent, and the reading distance of the simulation of MATLAB is about 7 m. The overall design of the tag antenna meets the design requirements of miniaturization, anti-metal, broadband, and low cost.
Key words : radio frequency identification,；anti-metal；tag antenna,；miniaturization

0 引言

    射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,，RFID)[1]是一種非接觸的近距離自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)或電磁場(chǎng)耦合的能量傳輸特性,，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別,。RFID技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、存儲(chǔ)信息量大,、非接觸,、使用壽命長(zhǎng)、可多標(biāo)簽識(shí)別,、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),。RFID系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在公共交通、人員身份識(shí)別,、車(chē)輛管理,、自動(dòng)收費(fèi)、門(mén)禁管理等領(lǐng)域,。

    無(wú)源RFID系統(tǒng)通常分為低頻（LF）,、高頻（HF）和超高頻（UHF）系統(tǒng)，由讀寫(xiě)器,、標(biāo)簽,、天線(xiàn)3個(gè)基本要素構(gòu)成，在設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng)時(shí),，必須考慮RFID系統(tǒng)所處的背景環(huán)境,。文獻(xiàn)[2]-[4]分析了復(fù)雜環(huán)境下，無(wú)源UHF電子標(biāo)簽天線(xiàn)的讀寫(xiě)性能,，在不同環(huán)境下標(biāo)簽的讀寫(xiě)性能會(huì)受到影響,，尤其是當(dāng)標(biāo)簽貼附于金屬表面時(shí)，標(biāo)簽幾乎不被讀取,。文獻(xiàn)[5]分析了金屬對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的影響原因,，并采用墊高型標(biāo)簽來(lái)克服金屬的影響，利用金屬對(duì)電磁波的反射來(lái)加強(qiáng)標(biāo)簽的讀取性能,，但是天線(xiàn)尺寸較大,，天線(xiàn)性能不理想。文獻(xiàn)[6]采用矩形微帶貼片切角和電容耦合饋電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)的圓極化,、寬頻帶特性,。

    本文通過(guò)對(duì)端口封閉式小型微帶天線(xiàn)[7]的研究,，對(duì)輻射貼片加載短路片，并采用高性能的微波介質(zhì)陶瓷[8]作為介質(zhì)基片,，在犧牲較少增益的前提下,，可以對(duì)現(xiàn)有的抗金屬天線(xiàn)[9]進(jìn)行尺寸縮減，并獲得良好的匹配性能,。標(biāo)簽芯片采用的是EM4235型號(hào)的UHF-RFID標(biāo)簽芯片,，該芯片在中心頻率為920 MHz的阻抗為18-j178 Ω。

1 抗金屬標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

    傳統(tǒng)的矩形微帶天線(xiàn)貼片與接地板之間的場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：（1）電場(chǎng)只有Ex分量,，磁場(chǎng)只有Hx和Hy分量,，即微帶天線(xiàn)輻射沿z軸方向的TM波；（2）內(nèi)場(chǎng)不隨z坐標(biāo)變化,；（3）四周邊緣處電流無(wú)法向分量,，即邊緣處切向磁場(chǎng)為零，故空腔四周可視為磁壁,。文獻(xiàn)[7]通過(guò)將天線(xiàn)空腔的一個(gè)端口用銅箔封閉,，如圖1所示，介質(zhì)上表面覆蓋輻射貼片,，輻射貼片長(zhǎng)為L(zhǎng),，寬為W。把xoz平面的左端口用銅箔封閉,，這樣就構(gòu)成了一端口封閉的微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu),。

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    由于理想金屬表面不存在電場(chǎng)的切向分量，從而使封閉端口所在的平面變成理想電壁,。利用空腔理論對(duì)天線(xiàn)內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行分析,，矩形微帶天線(xiàn)通常都工作于TM01模（或TM10模），可得到TMmn模的諧振頻率為：

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    本文選用介電常數(shù)為22,、厚度4 mm的微波介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)基板,。作為現(xiàn)在通信技術(shù)中關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的微波介質(zhì)陶瓷，主要應(yīng)用于UHF,、SHF（超高頻）頻段，具有以下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)介電常數(shù)高,，以便于器件小型化,；品質(zhì)因數(shù)Q值高或介質(zhì)損耗tanδ小，保證優(yōu)良的選頻特性,。

    設(shè)計(jì)的抗金屬天線(xiàn)由一端接地天線(xiàn)輻射面,、接地短截線(xiàn)、兩個(gè)短路片及接地平面構(gòu)成,。介質(zhì)基板采用微波介質(zhì)陶瓷,，厚度為4 mm,，相對(duì)介電常數(shù)為22，天線(xiàn)寬度W為20 mm,，由式（3）計(jì)算得到輻射貼片長(zhǎng)度L約為32 mm,，天線(xiàn)各參數(shù)分布如圖2所示。其中,，L為輻射貼片整體長(zhǎng)度,，W為輻射貼片整體寬度，Wg為天線(xiàn)整體寬度,，Li為插入式饋電微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度,，Wi為插入式饋電微帶線(xiàn)的寬度，Ls為接地短截線(xiàn)的長(zhǎng)度,，Ws為接地短截線(xiàn)的寬度,，L2為一端短路片長(zhǎng)度。

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2 天線(xiàn)模型理論及等效電路圖

    天線(xiàn)各參數(shù)在設(shè)計(jì)之前需要了解參數(shù)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則和參數(shù)變化對(duì)天線(xiàn)性能影響,，本文提出的天線(xiàn)模型可以用圖3所示的傳輸線(xiàn)等效電路模型來(lái)表示,。

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    天線(xiàn)的輻射面、接地短截線(xiàn)和兩個(gè)接地片分別等效為一段微帶傳輸線(xiàn),，饋電端位于傳輸線(xiàn)之間,，天線(xiàn)的輸入阻抗為這三段微帶線(xiàn)的串聯(lián)阻抗值，即：

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    由上式可知,，短截線(xiàn)電阻值近似為零,，電抗值隨短截線(xiàn)的長(zhǎng)度改變而改變，當(dāng)0<Ls<0.25λ時(shí),，其電抗值為感性,。

    根據(jù)上述分析，抗金屬天線(xiàn)的等效輸入阻抗是輻射面阻抗,、接地短截線(xiàn)阻抗和接地片阻抗的串聯(lián),。Ls的變化將引起傳輸線(xiàn)電抗值變化。當(dāng)0<Ls<0.25λ時(shí),，隨Ls的增加,，傳輸線(xiàn)的電抗值由零增加至無(wú)窮大，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)Ls的大小來(lái)調(diào)節(jié)天線(xiàn)輸入阻抗的虛部,，而其對(duì)實(shí)部的影響不大,；對(duì)于天線(xiàn)輸入阻抗實(shí)部的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)L2來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜上調(diào)整L2和Ls可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗實(shí)部和虛部的調(diào)控,，方便完成天線(xiàn)與芯片的共軛匹配,。

3 天線(xiàn)仿真及結(jié)果分析

    本文使用高頻電磁場(chǎng)仿真軟HFSS13.0作為仿真工具。利用式（1）～式（9）,，并經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化可以得到天線(xiàn)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù),，如表1所示,。

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    仿真參數(shù)的定義如下：Ls和L2是可變變量，中心頻率為920 MHz,，掃頻范圍為820 MHz~1 GHz,，步長(zhǎng)為5 MHz。金屬環(huán)境的模擬采用200 mm×200 mm的金屬板來(lái)代替,，天線(xiàn)的端口阻抗設(shè)置為芯片阻抗的共軛,，即Z=18+j178 Ω。通過(guò)調(diào)節(jié)Ls和L2,，來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)輸入阻抗與芯片的最佳共軛匹配,。

    使用HFSS仿真優(yōu)化后的結(jié)果如圖4所示，在920 MHz,，S11最小值為-31 dB,，此時(shí)天線(xiàn)的輸入阻抗為8+j178 Ω，表明與天線(xiàn)端口阻抗匹配極好,。在860 MHz~960 MHz的頻段內(nèi),，S11<-15 dB的相對(duì)帶寬為11%，表明天線(xiàn)滿(mǎn)足不同國(guó)家的頻率要求,。根據(jù)天線(xiàn)的方向圖,，通過(guò)式（10）[10]計(jì)算天線(xiàn)的讀取距離：

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4 結(jié)論

    本文對(duì)現(xiàn)有微帶結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)進(jìn)行小型化改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用端口封閉式微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)原理,，采用新型微波介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)基板,，通過(guò)加載接地片，設(shè)計(jì)了一種32.5 mm×24 mm×4 mm小尺寸抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn),，滿(mǎn)足了客戶(hù)對(duì)小尺寸,、低成本、抗金屬標(biāo)簽的要求,，同時(shí)在860~960 MHz 頻段內(nèi),，回波損耗S11<-15 dBm（相對(duì)帶寬11%），滿(mǎn)足寬頻帶要求,。置于金屬板上的增益約為-8 dBi,，滿(mǎn)足了大于1 m距離讀取標(biāo)簽的要求。

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作者信息:

景裕文，崔英花

（北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,，北京100101）

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