一種小型UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計*

韓 濤，ZHANG Mingjun，王紅成，李秀平

一種小型UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計*

韓 濤**1，ZHANG Mingjun2，王紅成1，李秀平1

（1.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808；2.法國國立工藝學(xué)院電子自動化與系統(tǒng)學(xué)院，法國巴黎75003）

針對射頻識別標(biāo)簽天線小型化、抗金屬環(huán)境的實際需求，提出了一種可應(yīng)用于金屬環(huán)境的超高頻射頻識別標(biāo)簽天線。通過在矩形貼片上開槽來實現(xiàn)小型化，天線總尺寸為56 mm×50 mm× 1.6 mm。通過改變槽的尺寸調(diào)節(jié)標(biāo)簽天線的輸入阻抗，結(jié)合等效電路圖分析抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計過程，從而方便地實現(xiàn)與標(biāo)簽芯片的共軛匹配。實驗結(jié)果表明，實測和仿真結(jié)果比較吻合，標(biāo)簽阻抗匹配良好，實測最大讀取距離達(dá)3.1 m。與其他標(biāo)簽天線相比，該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實現(xiàn)和讀取距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。

射頻識別；抗金屬標(biāo)簽天線；超高頻；共軛匹配

1 引 言

射頻識別（RadioFrequencYIdentification，RFID）技術(shù)既是識別技術(shù)，也是短程通信技術(shù)，還是二次雷達(dá)、電子標(biāo)簽類似雷達(dá)的應(yīng)答器。它通過射頻信號采集和識別目標(biāo)物的相關(guān)信息，以非接觸識別和識別速率快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，同時也是物聯(lián)網(wǎng)傳感層里最主要的成員。超高頻（Ultra High FrequencY，UHF）RFID技術(shù)由于具有識別距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合應(yīng)用于物流和供應(yīng)鏈管理。

物聯(lián)網(wǎng)的管理對象包羅萬象，其形狀、大小、表面材質(zhì)、應(yīng)用環(huán)境等各不相同[1]。當(dāng)RFID電子標(biāo)簽被貼于具有金屬表面的對象（如汽車車牌、油井鉆頭）時，標(biāo)簽天線的方向特性、阻抗特性以及諧振頻率都會發(fā)生改變[2]，從而導(dǎo)致標(biāo)簽天線增益的迅速衰減[3]。

對于普通超高頻標(biāo)簽，入射電磁波遇到金屬面后發(fā)生反射，且反射波與入射波之間存在180°的相位差，會嚴(yán)重衰減電磁波的強(qiáng)度，標(biāo)簽的識別距離會大大降低，標(biāo)簽天線增益會隨天線與金屬接地板之間距離的增加而改善[4]。當(dāng)兩者的距離介于0.05λ0～0.1λ0時，標(biāo)簽天線增益可恢復(fù)到可接受程度；當(dāng)兩者的距離介于0.1λ0～0.25λ0時，標(biāo)簽天線增益增勢變緩，基本趨于穩(wěn)定[4]。決定超高頻RFID系統(tǒng)讀取距離的關(guān)鍵因素主要有標(biāo)簽天線的增益、標(biāo)簽天線與芯片之間的阻抗匹配、標(biāo)簽芯片整流電路的效率以及標(biāo)簽芯片的功耗[5]?？菇饘贅?biāo)簽天線按照類型分，有微帶天線、類偶極子天線、高阻抗表面天線等[6]；按照饋電方式分，有直接饋電、容性耦合饋電和感性耦合饋電等[7]；按照極化方式分，有線極化（雙極化）、圓極化等[8]；按照工作原理分，有駐波天線和行波天線；按照單元數(shù)分，有單天線和陣列天線[9]。各種類型天線的特性不同，利弊各異，而抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計目的是在金屬表面具有較為穩(wěn)定的輸入阻抗、較寬的帶寬和較高增益的天線結(jié)構(gòu)。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

在超高頻RFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計中主要通過使用高介電常數(shù)的基板（如AMC地板）或者利用地板的反射特性設(shè)計天線（如PIFA）來抑制（或利用）金屬地板的影響[10-11]。為了增加抗金屬標(biāo)簽天線的增益，本文所提出的標(biāo)簽天線有效地利用了金屬地板的反射特性，但本文移除了PIFA天線中的短路通孔，因此降低了標(biāo)簽天線制造的復(fù)雜性。與此同時，本文采用厚度h為1.6 mm、相對介電常數(shù)εr為4.4、損耗角正切tanσ為0.01的FR4材料作為天線的基板。通過這種設(shè)置，可以在天線成本、尺寸及性能上找到一個較好的折衷。

所設(shè)計的抗金屬標(biāo)簽天線如圖1（a）所示，天線總尺寸（L×W×h）為56 mm×50 mm×1.6 mm。在FR4基板覆蓋一個與基板尺寸相同的矩形銅貼片，在貼片的上方相距S5處分別開了U型槽，兩個U型槽在其中心上通過一個長為S5、寬為S6的饋電槽相連，饋電點(diǎn)（標(biāo)簽芯片）位于該饋電槽的中心位置（矩形貼片的中心）。通過這種配置，可以增加標(biāo)簽天線的電流路徑長度，從而有效地減少抗金屬標(biāo)簽天線的尺寸。本文通過調(diào)節(jié)U型槽的寬度S1和槽長XL來調(diào)節(jié)天線的阻抗，最終標(biāo)簽天線的阻抗和芯片的阻抗共軛相近，就認(rèn)為標(biāo)簽天線和芯片匹配?？菇饘贅?biāo)簽天線的等效電路圖如圖1（b）所示?？菇饘贅?biāo)簽天線結(jié)構(gòu)是在矩形輻射貼片的基礎(chǔ)上進(jìn)行開縫操作，通過在貼片上開槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當(dāng)于引入了級聯(lián)電感Lslot，使得天線輸入阻抗呈現(xiàn)較大的感性電抗，可與阻抗呈現(xiàn)較大容性感抗的標(biāo)簽芯片Ctag達(dá)到良好的共軛匹配。而且通過改變槽的尺寸，可以方便地調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗Zin，從而有利于天線跟阻抗不同的標(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配。饋電點(diǎn)選擇在貼片天線中心，在天線中心對稱地方進(jìn)行饋電，可以確保天線方向圖的對稱性以及全向性，這樣當(dāng)輻射片處在金屬板表面的時候也可以保持方向圖的良好輻射。

圖1 抗金屬天線結(jié)構(gòu)圖和等效電路圖Fig.1 GeometrY of the anti-metal tag antenna and equivalent circuit diagram

3 天線仿真分析

為了驗證設(shè)計的正確性，首先在Ansoft HFSS 13.0仿真平臺上對所提供的天線進(jìn)行模型建立和仿真優(yōu)化。將所提出的天線直接放置在一個尺寸為500 mm×500 mm的有限地板上以模擬金屬環(huán)境對標(biāo)簽天線的影響。標(biāo)簽芯片采用Alien公司的Higgs3芯片，其典型接收靈敏度為-20 dBm，在922.5 MHz處的輸入阻抗為24-j207 Ω。圖2給出了矩形貼片上U型槽S1對標(biāo)簽天線輸入阻抗的影響，可以看出，隨著U型槽S1的增加，標(biāo)簽天線阻抗實部和虛部都在增加。

圖2 S1對天線阻抗的影響Fig.2 ImPact of S1on antenna imPedance

圖3 給出了矩形貼片上U型槽XL對標(biāo)簽天線輸入阻抗的影響，可以看到，所提出標(biāo)簽天線輸入阻抗的實部和虛部隨著XL的增加而增大。也就是說，隨著貼片上槽寬和槽長的增加，天線的諧振頻率會向低頻方向移動。特別地，當(dāng)矩形上的U型槽S1＝4 mm及槽長XL＝13 mm時，標(biāo)簽天線在922.5 MHz頻率處諧振，此時標(biāo)簽天線的S11小于-15 dB，這意味著標(biāo)簽天線與芯片在此頻點(diǎn)上能夠達(dá)到良好的共軛匹配。在這種情況下，抗金屬標(biāo)簽天線的3 dB帶寬達(dá)到23 MHz（913～936 MHz），能有效覆蓋中國超高頻規(guī)定的920～925 MHz這一頻率范圍。

圖3 XL對天線阻抗的影響Fig.3 ImPact of XL on antenna imPedance

標(biāo)簽的閱讀距離是系統(tǒng)最重要的評估指標(biāo)之一，根據(jù)自由空間中電波的傳播損耗，閱讀距離的評估公式[12]可表示為

式中：PEIRP為閱讀器天線的等效全向發(fā)射功率；PchiP為標(biāo)簽芯片的最小啟動功率（閱讀靈敏度）；ρ為標(biāo)簽天線與閱讀器天線之間的極化匹配系數(shù)；而Greal則為標(biāo)簽天線的實際增益，可表示為Greal＝Gtagτ，其中Gtag為標(biāo)簽天線的增益，τ為標(biāo)簽天線與芯片之間的功率傳輸系數(shù)，可寫為

也就是說，當(dāng)極化匹配和阻抗匹配都滿足時，標(biāo)簽芯片所接收到功率達(dá)到最大。由于識別效率的要求，一般會采用圓極化的閱讀器天線，這樣在標(biāo)簽天線與閱讀器天線之間存在一個3 dB的極化損耗。

圖4給出了所設(shè)計標(biāo)簽天線在閱讀器發(fā)送3.3 W等效功率下的增益。在922.5 MHz頻率處，標(biāo)簽天線與芯片達(dá)到良好的共軛匹配狀態(tài)，標(biāo)簽天線的仿真增益達(dá)到其最大值-3 dBi。與此同時，利用閱讀距離評估公式（1）計算得到的最大閱讀距離為3.45 m。圖5給出了天線在922.5 MHz的2D方向圖，可以看出，在E平面，天線接近全向，而在H平面，天線具有一定的方向性，但其波瓣依然比較寬，這有助于標(biāo)簽在大的空間角內(nèi)被迅速識別。

圖4 抗金屬標(biāo)簽天線的增益Fig.4 Gain of the anti-metal tag antenna

圖5 天線的2D方向圖Fig.5 2D radiation Pattern of the antenna

4 天線測試結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計的天線尺寸，在FR4環(huán)氧樹脂基板上實際制作了RFID標(biāo)簽天線及相應(yīng)的測試夾具，如圖6所示。阻抗測試采用文獻(xiàn)[2]提出的基于S參數(shù)的雙端口矢量分析儀測量方法。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent E5071C）在暗室中對實際制作的天線進(jìn)行了測試，在測試過程中把天線緊挨金屬表面，用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，仿真和測試結(jié)果如圖7所示，可見，兩者吻合良好。天線在922.5 MHz的仿真和測試輸入阻抗分別為18＋j196 Ω和29＋j210 Ω，Alien Higgs3芯片的阻抗為24-j207 Ω，共軛阻抗為24＋j207 Ω，這表明天線與Alien Higgs3芯片工作在922.5 MHz時的仿真和測試結(jié)果都實現(xiàn)了良好的共軛阻抗匹配。

圖6 加工天線和測試用夾具照片F(xiàn)ig.6 PhotograPh of the fabricated antenna and fixture PrototYPe

圖7 天線阻抗測試值與仿真值Fig.7 Measured and simulated imPedance of the antenna

圖8 給出了該電子標(biāo)簽天線在微波暗室的最佳讀取距離。測試設(shè)備采用跳頻工作方式，使用增益為8 dBi的圓極化天線作為收發(fā)共用天線，測試設(shè)備輸出功率設(shè)為27 dBm，即輻射功率為35 dBm（約為3.3 W EIRP）。按照公式（1）計算的最大讀取距離為3.45 m，在暗室里測試到的最佳讀取距離達(dá)到3.1 m。主要原因在于測試時使用的測試夾具是利用兩條同軸饋線拼接而成，同軸饋線的阻值為50 Ω，而設(shè)計的天線不是基于50 Ω的匹配設(shè)計，因此產(chǎn)生較大的損耗。還有就是測試環(huán)境和閱讀器的因素導(dǎo)致實際測試的讀取距離和理論最大讀取距離存在一定偏差，從而實際測試的讀取距離和理論最大讀取距離存在一定偏差。但是，該結(jié)果足以滿足現(xiàn)有對超高頻標(biāo)簽天線的技術(shù)要求。因此，與一般的抗金屬標(biāo)簽天線相比[13]，本文所提出的抗金屬標(biāo)簽天線在增益、成本及尺寸上具有一定的優(yōu)勢。

圖8 天線讀取范圍的仿真值與實測值Fig.8 Measured and simulated reading ranges

5 結(jié) 論

本文提出了一款小型的超高頻射頻識別抗金屬標(biāo)簽天線。所設(shè)計的天線在矩形貼片開了兩個U型槽以實現(xiàn)小型化，改變槽的尺寸調(diào)節(jié)可以方便控制標(biāo)簽天線的輸入阻抗，從而方便地實現(xiàn)與標(biāo)簽芯片的共軛匹配。該天線在922.5 MHz處獲得其最大增益，實測閱讀距離達(dá)到3.1 m，與其他UHF無源抗金屬RFID標(biāo)簽相比該標(biāo)簽尺寸更小，僅為56 mm×50 mm×1.6 mm。本文設(shè)計的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)簡單，適合應(yīng)用于對閱讀距離、標(biāo)簽成本要求較高的金屬場合。

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韓 濤（1981—），男，湖北武漢人，2011年于中山大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)通信、天線理論與設(shè)計；

HAN Tao Was born in Wuhan，Hubei Prov_ ince，in 1981.He received the Ph.D.degree from Sun Yat-Sen UniversitY in 2011.He is noW a lecturer.His research concerns Internet of Things communication，antenna theorY and design.

Email：hant@dgut.edu.cn

ZHANG Mingjun（1975—），男，法國人，博士，副教授，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

ZHANG Mingjun Was born in France，in 1975.He is noW an associate Professor With the Ph.D.degree.His research con_ cerns Wireless sensor netWork.

Email：ming-jun.zhang@cnam.fr

王紅成（1981—），男，湖南衡陽人，博士，副教授，主要研究方向為光通信；

WANG Hongcheng Was born in HengYang，Hunan Province，in 1981.He is noW an associate Professor With the Ph.D.de_ gree.His research concerns oPtical communication.

Email：Wanghc@dgut.edu.cn

李秀平（1963—），男，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)人，博士，教授，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

LI XiuPing Was born in ZhenYuan，Guizhou Province，in 1963.He is noW a Professor With the Ph.D.degree.His re_ search concerns Wireless sensor netWork.

Email：lixP@dgut.edu.cn

Design of a Miniaturized UHF RFID Anti-metal Tag Antenna

HAN Tao1，ZHANG Mingjun2，WANG Hongcheng1，LI XiuPing1
（1.College of Electronic Engineering，Dongguan UniversitY of TechnologY，Dongguan 523808，China；2.Le déPartement Electronique Automatique et SYstèmes，Conservatoire National des Arts et Métiers，Pairs 75003，F(xiàn)rance）

According to the actual demand of miniaturization anti-metal environment for the radio frequencY i_ dentification（RFID）tag antenna，an ultra high frequencY（UHF）RFID tag antenna for metallic objects is Pres_ ented.BY etching slots on the rectangular Patch，the ProPosed antenna is miniaturized to a total size of 56 mm× 50 mm×1.6 mm.The inPut imPedance can be adjusted effectivelY bY changing the sizes of the slots，the equiva_ lent circuit model is given out to exPlicate hoW this antenna functions，then the imPedance match betWeen the antenna and the tag chiP can be tuned convenientlY.As an exPerimental demonstration，the measured curve of the inPut imPedance is basicallY the same as the simulated and the reading distance reaches 3.1 m.The tag an_ tenna has the advantages of simPle structure，loW cost，easY fabrication and long reading distance.

radio frequencY identification（RFID）；anti-metal tag antenna；ultra-high frequencY；imPed_ ance match

The National Natural Science Foundation of China（No.61308019）；The Natural Science Foundation of Guangdong Province（S2013010013261）

：TN823

A

1001-893X（2016）01-0071-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.013

韓濤，ZHANG Mingjun，王紅成，等.一種小型UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2016，56（1）：71-75.[HAN Tao，ZHANG Mingjun，WANG Hongcheng，et al.Design of a miniaturized UHF RFID anti-metal tag antenna[J].Telecommunication Engineering，2016，56（1）：71-75.]

2015-09-29；

2015-12-30 Received date：2015-09-29；Revised date：2015-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項目（61308019）；廣東省自然科學(xué)基金資助項目（S2013010013261）

**通信作者：hant@dgut.edu.cn Corresponding author：hant@dgut.edu.cn