UHF频段RFID多应用天线设计
日期：2010-3-15 9:57:56 点击：
来源：中国工控网
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0 引 言
RFID是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，它包括电子标签(tag)和读写器(reader)两个主要部分，附有编码的标签和读写器通过天线进行无接触数据传输，以完成一定距离的自动识别过程。RFID标签具有体积小，寿命长，能穿透非导电性材料等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域，可以大幅提高管理和运作效率，降低成本，具有重大的应用潜力。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点。因此，研究RFID技术，发展RFID产业，对提升社会信息化水平，促进经济可持续发展，提高人民生活质量，增强公共安全及国防安全等方面将产生深远影响。具有战略性的重大意义。RFID标签天线作为RFID系统的重要组成部分，在实现数据通讯过程中起着关键性作用，因此天线设计是整个RFlD系统应用的关键。
典型的RFID标签天线包括微带贴片天线和偶极子天线。RFID标签的性能容易受到环境介质的影响，尤其是微带偶极子天线，当它粘贴在一般的绝缘介质(如玻璃、塑料箱等)表面，会影响天线的电感量和降低谐振频点的品质因数；当它粘附在金属上时，由于电磁感应的作用，会吸收射频能量而转换成自身的电场能，因此减弱了原有射频场强的总能量，同时也会产生感应磁场，磁力线垂直于金属表面，使得射频场强的分布在金属表面发生变形，磁力曲线趋于平缓。因此，当标签贴附在金属表面或非常接近金属表面时，该空间内实际并无射频场强分布，标签天线无法切割磁力线而获得电磁场能量，因而标签无法正常工作。
1 微带RFID贴片天线
微带贴片天线通常是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电，如图1所示。因为微带贴片天线自身有一个金属的地板，当其粘附在各种物体上时，天线背面的电磁场不会受到太大影响，故可以在多种环境下正常读取。
利用传输线模型分析微带天线是较有效的方法。该方法的基本假设如下：微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，场在传输方向是驻波分布。而在其垂直方向是常数；传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝口径场，即为传输线开口端场强，如图2所示。
图3是按照传输线法建立的微带天线等效电路。Ys为缝辐射导纳；Y0为微带贴片的特性导纳。
2 E型RFID标签天线设计
对于一般的微带贴片天线，它的辐射激励可以等效成一个谐振回路。在矩形微带贴片天线的基础上，采取E型结构，即沿天线的匹配方向将金属贴片开两条平行宽缝 (见图4)。由于贴片上存在两个缝隙的作用，促使天线的谐振特性受到了影响，即原来的一个谐振回路变成了两个谐振回路，当这两个谐振回路的谐振频点靠得比较近时，就达到了扩展频带的目的。
本文在E型背馈天线的基础上，提出了一种变形的侧馈天线方案，如图5所示。天线主体由一个矩形贴片开缝构成，顶部切去了两个角。由一个功分器和一段微带线作为馈线与芯片匹配，而芯片的另一段通过微带线接地。
由于高介电常数的介质能有效地减小天线的尺寸，所以基片选用尺寸为84 mm×54 mm×1．4mm的陶瓷氧化铝．介电常数为9～10。微带标签天线的物理尺寸为：L1=47．6 mm，L2=4 mm，L3=18 mm，L4=3．5 mm，W1=1 2．6 mm，W2=10 mm，W3=6 mm，W4=2 mm，S=3 mm。
该天线采用的芯片在915 MHz时的阻抗为34．5一j815，呈现明显的容抗。采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS 10．O对天线进行仿真。经过调试和优化，得到天线的S11曲线，如图6所示。该天线分别在905 MHz和920 MHz有两个谐振频率。在905 MHz时，S11为一28 dB；在920 MHz时，S11为一37 dB，这两个谐振频率都比较窄，通过调整天线，使两个谐振频率靠近915 MHz，以达到增加带宽的目的。该天线增益在915 MHz时仿真结果为0．34 dBi(见图7)，满足RFID系统读取的要求。
将RFID标签天线分别粘附在装水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金属面、塑料制品上或直接放在空气中，读写器在902～928 MHz中设置广谱跳频，RF功率设置为36 dBm，读写器天线增益为12 dBi。测试读取距离如表1所示。该RFID标签的工作性能在不同物质环境中表现出较为满意的一致性。
3 结 语
本文设计了一种UHF频段RFID标签天线。在微带矩形天线理论基础上，改进了E型开槽天线的结构，用微带线侧馈代替了背馈方式，使天线与芯片能良好地匹配，并通过获得双谐振频率扩大了带宽。实验测量表明，该天线在金属表面读取距离为11．5m，在不同物质表面读取距离基本不变，且性能稳定。
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RFID是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，它包括电子标签(tag)和读写器(reader)两个主要部分，附有编码的标签和读写器通过天线进行无接触数据传输，以完成一定距离的自动识别过程。RFID标签具有体积小，寿命长，能穿透非导电性材料等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域，可以大幅提高管理和运作效率，降低成本，具有重大的应用潜力。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点。因此，研究RFID技术，发展RFID产业，对提升社会信息化水平，促进经济可持续发展，提高人民生活质量，增强公共安全及国防安全等方面将产生深远影响。具有战略性的重大意义。RFID标签天线作为RFID系统的重要组成部分，在实现数据通讯过程中起着关键性作用，因此天线设计是整个RFlD系统应用的关键。
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典型的RFID标签天线包括微带贴片天线和偶极子天线。RFID标签的性能容易受到环境介质的影响，尤其是微带偶极子天线，当它粘贴在一般的绝缘介质(如玻璃、塑料箱等)表面，会影响天线的电感量和降低谐振频点的品质因数；当它粘附在金属上时，由于电磁感应的作用，会吸收射频能量而转换成自身的电场能，因此减弱了原有射频场强的总能量，同时也会产生感应磁场，磁力线垂直于金属表面，使得射频场强的分布在金属表面发生变形，磁力曲线趋于平缓。因此，当标签贴附在金属表面或非常接近金属表面时，该空间内实际并无射频场强分布，标签天线无法切割磁力线而获得电磁场能量，因而标签无法正常工作。
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1 微带RFID贴片天线
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微带贴片天线通常是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电，如图1所示。因为微带贴片天线自身有一个金属的地板，当其粘附在各种物体上时，天线背面的电磁场不会受到太大影响，故可以在多种环境下正常读取。
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利用传输线模型分析微带天线是较有效的方法。该方法的基本假设如下：微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，场在传输方向是驻波分布。而在其垂直方向是常数；传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝口径场，即为传输线开口端场强，如图2所示。
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图3是按照传输线法建立的微带天线等效电路。Ys为缝辐射导纳；Y0为微带贴片的特性导纳。
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2 E型RFID标签天线设计
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对于一般的微带贴片天线，它的辐射激励可以等效成一个谐振回路。在矩形微带贴片天线的基础上，采取E型结构，即沿天线的匹配方向将金属贴片开两条平行宽缝 (见图4)。由于贴片上存在两个缝隙的作用，促使天线的谐振特性受到了影响，即原来的一个谐振回路变成了两个谐振回路，当这两个谐振回路的谐振频点靠得比较近时，就达到了扩展频带的目的。
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本文在E型背馈天线的基础上，提出了一种变形的侧馈天线方案，如图5所示。天线主体由一个矩形贴片开缝构成，顶部切去了两个角。由一个功分器和一段微带线作为馈线与芯片匹配，而芯片的另一段通过微带线接地。
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由于高介电常数的介质能有效地减小天线的尺寸，所以基片选用尺寸为84 mm×54 mm×1．4mm的陶瓷氧化铝．介电常数为9～10。微带标签天线的物理尺寸为：L1=47．6 mm，L2=4 mm，L3=18 mm，L4=3．5 mm，W1=1 2．6 mm，W2=10 mm，W3=6 mm，W4=2 mm，S=3 mm。
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该天线采用的芯片在915 MHz时的阻抗为34．5一j815，呈现明显的容抗。采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS 10．O对天线进行仿真。经过调试和优化，得到天线的S11曲线，如图6所示。该天线分别在905 MHz和920 MHz有两个谐振频率。在905 MHz时，S11为一28 dB；在920 MHz时，S11为一37 dB，这两个谐振频率都比较窄，通过调整天线，使两个谐振频率靠近915 MHz，以达到增加带宽的目的。该天线增益在915 MHz时仿真结果为0．34 dBi(见图7)，满足RFID系统读取的要求。
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将RFID标签天线分别粘附在装水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金属面、塑料制品上或直接放在空气中，读写器在902～928 MHz中设置广谱跳频，RF功率设置为36 dBm，读写器天线增益为12 dBi。测试读取距离如表1所示。该RFID标签的工作性能在不同物质环境中表现出较为满意的一致性。
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3 结 语
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本文设计了一种UHF频段RFID标签天线。在微带矩形天线理论基础上，改进了E型开槽天线的结构，用微带线侧馈代替了背馈方式，使天线与芯片能良好地匹配，并通过获得双谐振频率扩大了带宽。实验测量表明，该天线在金属表面读取距离为11．5m，在不同物质表面读取距离基本不变，且性能稳定。
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