蔣開明　王秀梅　特木爾朝魯

摘要：

針對超高頻（ultra-high frequency，UHF）射頻識別（radio-frequency identification，RFID）標簽天線在物流領域中的實際應用，設計一類可工作于金屬表面的平面UHF RFID標簽天線。此標簽天線由輻射貼片、彎折開路短截線、介質(zhì)基板和金屬接地板組成，不需要短路墻或短路通孔將輻射貼片與接地板相連，更易于加工。與常用的直開路短截線結(jié)構(gòu)相比，采用彎折開路短截線結(jié)構(gòu)不僅可以對標簽天線的阻抗進行更有效的調(diào)節(jié)，而且能夠顯著地減小輻射貼片的尺寸。利用曲流技術原理在輻射貼片上開槽，實現(xiàn)天線的小型化。仿真結(jié)果表明，此標簽天線（尺寸為20 mm×80.5 mm×2 mm）阻抗匹配良好，而且將其置于20 cm×20 cm的金屬表面上，實測得到其最大閱讀距離可達到為9 m。與其他標簽天線相比，此類天線具有閱讀距離遠、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點，有潛在的實際應用前景。

關鍵詞：

超高頻（UHF）; 射頻識別（RFID）; 抗金屬標簽天線; 彎折開路短截線; 阻抗共軛匹配

中圖分類號：? TN828.4

文獻標志碼：? A

收稿日期： 2019-11-11

修回日期： 2020-05-12

基金項目：

國家自然科學基金（11571008）

作者簡介：

蔣開明（1967—），男，江蘇姜堰人，副教授，碩導，博士，研究方向為凝聚態(tài)物理理論、微波天線理論與設計，

（E-mail）kmjiang@shmtu.edu.cn;

王秀梅（1994—），女，山東濟南人，碩士研究生，研究方向為天線理論與設計， （E-mail）760486985@qq.com;

特木爾朝魯（1962—），男，內(nèi)蒙古通遼人，教授，博導，博士，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理中建模與新算法研究、吳方法與偏微分方程對稱及應用研究、智能算法， （E-mail）tmchaolu@shmtu.edu.cn

Design of planar UHF RFID anti-metal tag antennas

JIANG Kaiming， WANG Xiumei， Temuer Chaolu

（College of Arts & Sciences， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

Aiming at the practical application of ultra-high frequency （UHF） radio-frequency identification （RFID） tag antennas in the field of logistics， a planar UHF RFID tag antenna that can work on a metal surface is designed. Its planar structure， which is composed of a radiation patch， a bent open-circuited stub，a dielectric substrate and a metal ground plane， is easier to be fabricated since a short-circuited wall or a short-circuited through hole through the radiation patch to the ground plane is not needed.Compared with a commonly used straight open-circuited stub， the bent one can be employed not only to adjust the impedance of the tag antenna more effectively but also to reduce the dimensions of the radiation patch markedly. By the principle of meander technology， a slot is cut on the radiation patch to miniaturize the antenna. Simulation results show that the impedance matching of the tag antenna （20 mm×80.5 mm×2 mm） is good， and its maximum reading distance on a metal surface of 20 cm×20 cm can reach 9 m. Compared with other tag antennas， the designed antenna has potential application prospects since it has some advantages of large reading distance， small dimensions， simple structure and low cost.

Key words：

ultra-high frequency （UHF）; radio-frequency identification （RFID）; anti-metal tag antenna; bent open-circuited stub; impedance conjugate matching

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的不斷推廣和發(fā)展，射頻識別（radio-frequency identification，RFID）技術已經(jīng)在生產(chǎn)和生活的各個領域越來越普及。采用RFID系統(tǒng)，在制造業(yè)中可以提高財產(chǎn)管理效率，強化生命周期管理，提供生產(chǎn)線實時信息等;在物流業(yè)中可以實現(xiàn)自動分類管理系統(tǒng)的高速化，減少貨物的滯留時間等;在公共服務業(yè)中可以追蹤醫(yī)療用品的流程，協(xié)調(diào)車輛調(diào)度，實現(xiàn)門票和門禁系統(tǒng)的規(guī)范管理等。由此可見，在生產(chǎn)和生活的諸多領域，RFID系統(tǒng)都發(fā)揮著至關重要的作用。

RFID是一種非接觸的近距離自動識別技術，其基本原理就是利用射頻信號或電磁場耦合的能量傳輸特性，實現(xiàn)對物體的自動識別。與傳統(tǒng)的二維碼和條形碼相比，RFID標簽具有閱讀距離遠、響應速度快、使用壽命長、抗干擾能力強、存儲量大等優(yōu)勢。目前，RFID技術及其應用正處在迅猛發(fā)展階段，其技術門檻較高，應用環(huán)境復雜，技術本身仍不夠完善：一是標簽成本較高，不適合大規(guī)模的商業(yè)化應用;二是標簽性能還不能滿足特殊領域的應用要求，比如小型化、抗金屬性以及全向性等。標簽天線作為RFID系統(tǒng)的重要組成部分，當其應用于不同的物體時，需要考慮一些特殊的因素對標簽天線甚至RFID系統(tǒng)造成的影響。

1999年FOSTER[1]等發(fā)現(xiàn)金屬物體對射頻、微波波段的RFID標簽的阻抗匹配和輻射模式的影響最為顯著。2006年GRIFFIN等[2]采用無線鏈路預算的方法測得折疊偶極子標簽天線在金屬鋁板表面的衰減達到了10 dB以上。2007年ARROR等[3]用實驗的方法研究了無源超高頻（ultra-high frequency，UHF）RFID標簽天線在靠近金屬物體時性能的變化，結(jié)果表明UHF近場標簽天線并不能解決金屬對標簽天線的影響問題。2013年XI等[4]通過理論和全波仿真研究了基板厚度對抗金屬標簽的影響。2015年閆昕[5]通過仿真實驗和推導解釋了理想導體邊界的駐波效應和阻抗邊界效應，并分析了提升標簽抗金屬性的影響因素，包括空腔反射層和電磁基板大小等。

RFID標簽的性能受應用環(huán)境的影響很大。在金屬環(huán)境中，普通標簽的識別距離會明顯縮短，甚至無法正常工作[6]。金屬物體對標簽的不良影響主要體現(xiàn)在兩個方面：①金屬表面需要滿足理想導體邊界條件，這使得金屬表面附近的電場嚴重衰減，也導致天線的輻射方向圖發(fā)生嚴重變化，其增益大大下降，以至于無法正常工作;②金屬物體嚴重影響天線阻抗，使得標簽天線與標簽芯片的阻抗不匹配，因而導致反射損耗的増加。

為提高普通RFID標簽在金屬環(huán)境中的應用性能，學者們提出了一些改進的方法。趙犁等[7]采用墊高標簽的方法消除金屬干擾的負面影響，利用金屬對電磁波的反射加強標簽的讀取性能，但標簽天線的尺寸較大。PHATARACHAISAKUL等[8]利用電磁帶隙（electromagnetic bandgap， EBG）結(jié)構(gòu)在特定頻率對反射波的相位進行調(diào)制，從而降低了金屬板對標簽天線性能的不利影響，但這種方法不僅加工難度大而且制作成本過高。利用微帶天線[9]或平面倒F天線[10]（planar inverted-F antenna， PIFA） 結(jié)構(gòu)將金屬物體表面看作標簽天線的接地板，是目前最廣泛采用的一種抗金屬方法，但一般需要短路墻或短路通孔連接輻射貼片與接地板，加工難度大，而且標簽天線的制作成本遠遠高于普通類偶極子標簽天線。

RFID標簽天線能否得到應用推廣的一個重要因素就是其成本，只有成本降低了才可能進行大規(guī)模的商業(yè)化應用。在標簽的制作工藝中，印刷工藝能夠大大降低標簽的制作成本，但要求標簽必須具有完全的平面結(jié)構(gòu)。MO等[11]基于微帶貼片提出了一類完全平面結(jié)構(gòu)的標簽天線，可以采用印刷工藝制作，極大地降低了標簽的生產(chǎn)成本。然而，此類標簽尺寸較大，可能不適合某些應用場合，因此需要設計一類厚度薄、尺寸小的抗金屬標簽天線。

鑒于標簽天線的抗金屬性、小型化、低成本等性能要求，本文基于微帶天線結(jié)構(gòu)設計了一類平面UHF抗金屬標簽天線。與傳統(tǒng)的偶極子天線相比，此類標簽天線的質(zhì)量輕，而且具有完全的平面結(jié)構(gòu)，更易于加工，其成本也大大降低。在標簽的平面結(jié)構(gòu)上嵌入彎折開路短截線，不僅可以有效地調(diào)節(jié)阻抗還可以減小尺寸。此外，為更好地調(diào)節(jié)標簽天線的阻抗和實現(xiàn)小型化，在輻射貼片上開一個矩形槽。此矩形槽可以改變貼片表面電流的原有路徑，使得電流蜿蜒流過縫隙周圍，貼片表面電流的路徑長度增加，使得對天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)更加有效。

1 天線的抗金屬性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理

1.1 金屬對標簽天線的影響

應用于集裝箱、汽車、武器裝備等一系列金屬表面的標簽天線，由于涉及商品適用性以及環(huán)境適應性等復雜問題，已成為標簽天線研究與設計領域的重點和難點。金屬對標簽天線性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）閱讀器發(fā)射的電磁波會使金屬物體內(nèi)部形成渦流，渦流會進一步產(chǎn)生感應磁場，感應磁場的磁感線方向與入射電磁波的方向相反，因而它不僅會削弱入射電磁場的部分能量，而且會對識別區(qū)造成一定的干擾。（2）金屬邊界條件導致金屬表面的磁感線分布趨于平緩，并近似平行于金屬表面。當標簽貼附于（或靠近）金屬表面時，標簽天線無法通過“切割”磁感線使標簽芯片獲得足夠的電磁能量，進而造成芯片無法激活或識別距離大幅度減小的情況。（3）當天線與金屬板距離很近時，金屬表面產(chǎn)生的鏡像電流會與標簽天線上的電流相互抵消，從而導致天線的阻抗性能急劇變化，進而造成標簽天線與標簽芯片之間原有的良好匹配條件遭到破壞。（4）金屬表面會對天線產(chǎn)生加感的影響，導致標簽天線的輻射電阻減小，輻射效率降低。

當普通標簽直接應用于金屬表面時，上述4個方面的影響將導致天線的讀寫距離大幅度縮短，方向性、輻射特性及增益等都受到很大的影響。目前常用的抗金屬方法是利用微帶天線結(jié)構(gòu)的。微帶天線屬于諧振天線，典型的微帶天線結(jié)構(gòu)是由上層的輻射貼片、中間層的介質(zhì)基板和下層的金屬接地板構(gòu)成的，這三者構(gòu)成了一個諧振腔，電磁波在介質(zhì)基板中傳播，并在微帶天線兩端縫隙處向空間輻射。采用微帶天線設計標簽天線，將金屬物體表面看作標簽天線的接地板，自然能夠達到抗金屬的目的。此外，微帶天線具有高方向性、體積小、質(zhì)量輕、輪廓低、容易加工、價格低等優(yōu)點，因此本文所設計的抗金屬標簽天線以微帶天線為原型。

1.2 標簽天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

利用微帶天線設計的抗金屬標簽天線，可以采用嵌入式饋電實現(xiàn)天線與芯片的阻抗匹配。本文使用的標簽芯片為MONZA R6芯片[12]，其阻抗值為復數(shù)，且存在一定的容抗。此外，標簽芯片直接與標簽天線相連，兩者的阻抗匹配對整個標簽性能的影響很大。嵌入式饋電雖然能夠在一定程度上對阻抗進行匹配，但該方法對芯片阻抗的虛部影響有限，因此需要采用其他的方法進行改善。

恰當長度的開路或短路短截線能夠提供任意電抗值[13]，因此采用開路或短路短截線能夠?qū)崿F(xiàn)天線與芯片阻抗虛部的匹配。在實際應用中，需要根據(jù)實際情況具體選用開路或短路短截線實現(xiàn)天線與芯片阻抗虛部的匹配。開路短截線具有完全平面結(jié)構(gòu)，制造工藝簡單，成本較低，且在阻抗調(diào)節(jié)方面性能較為優(yōu)越，可實現(xiàn)任意電抗的匹配。

采用開路短截線結(jié)合嵌入式饋電的微帶天線能夠較好地實現(xiàn)天線與芯片的阻抗共軛匹配。然而，開路短截線在結(jié)構(gòu)上的缺陷使得微帶天線整體體積增大，尤其是基板長度增加給天線設計帶來了額外的成本，此外較大的尺寸也將限制天線的實際應用范圍。因此，在不改變天線原有結(jié)構(gòu)的基礎上，采用彎折開路短截線代替原來的直開路短截線可以在一定程度上縮小天線的整體體積。

在天線與芯片的阻抗匹配方面，彎折開路短截線也可以通過耦合作用改變天線的阻抗值，為實現(xiàn)天線與芯片的阻抗匹配提供了新的途徑。雖然彎折開路短截線會使輻射方向圖產(chǎn)生一定的變形，但并不影響天線在主輻射方向的特性，且對識別距離的影響也較小。

在天線的輻射貼片表面或金屬接地板上開槽或細縫后，電流會繞著槽邊曲折流動，電流路徑長度增加[14]。在天線等效電路中，曲流技術相當于引入了額外的級聯(lián)電感， 降低了天線的諧振頻率。為保證天線的諧振頻率不變，必然要減小貼片的尺寸（即減小天線諧振電路的等效電容值）。槽或縫隙不會改變天線原有的結(jié)構(gòu)，能夠保持天線低剖面的特點。因此，采用曲流技術實現(xiàn)抗金屬標簽的小型化無論是在效果上還是工藝上都是切實可行的。

2 天線結(jié)構(gòu)設計

在此標簽天線的設計中，采用MONZA R6芯片激勵其輻射貼片，此芯片的讀取靈敏度為-20 dBm。標簽天線的首要設計性能指標就是它的最大讀取距離，即標簽獲得最小激活能量時對應的讀取距離。因此，選擇芯片讀取最小典型功率值時的阻抗值作為需要匹配的芯片參考阻抗。當工作頻率為915 MHz時，芯片的阻抗值為（16-i110） Ω。在規(guī)定的等效全向輻射功率下，為實現(xiàn)能量的最大傳輸以獲得更遠的閱讀距離，標簽天線的阻抗設計值就必須等于此芯片阻抗值的共軛值。

圖1展示了設計的標簽天線的結(jié)構(gòu)模型，圖中對各尺寸參數(shù)進行了標示。這類標簽天線結(jié)構(gòu)由輻射貼片、彎折開路短截線、介質(zhì)基板和金屬接地板組成。介質(zhì)基板的選擇關系到標簽天線的損耗、成本和體積。雖然FR4介質(zhì)基板有較大的損耗角正切（為0.02），但其相對介電常數(shù)（為4.4）較大，且價格便宜也適合于表面覆銅工藝，因此本設計采用厚度為2 mm的FR4介質(zhì)基板材料。介質(zhì)基板的正面和背面分別為輻射貼片和金屬接地板。

為有效地調(diào)節(jié)標簽天線的阻抗，采用嵌入式饋電結(jié)構(gòu)。嵌入深度和寬度分別用Lin和Win表示。開路短截線的電抗調(diào)節(jié)范圍為（-∞，+∞）[11]，因此利用開路短截線結(jié)構(gòu)可以較大范圍地調(diào)節(jié)標簽天線的電抗值。雖然文獻[11]中的直開路短截線結(jié)構(gòu)可以有效地調(diào)節(jié)標簽天線的輸入阻抗，但因長度太長而導致標簽天線的總尺寸過大。為顯著降低標簽天線的總尺寸，本設計采用彎折開路短截線結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)其輸入阻抗。

許多實際應用環(huán)境對抗金屬標簽的尺寸有嚴格的要求，因此為提高標簽天線的輻射效率，應充分利用有限的設計空間。本設計根據(jù)曲流技術原理，通過在輻射貼片表面開槽增加貼片表面上的電流路徑長度，這相當于引入了額外的級聯(lián)電感， 從而降低天線的諧振頻率。因此，為不改變天線的諧振頻率，就必須減小天線的尺寸，也就是減小天線諧振電路的等效電容。用這種開槽的方法，也可以達到小型化標簽天線的目的。如圖1所示，槽的寬度和長度分別用Wm和Lm表示。

3 天線仿真分析

應用有限元電磁仿真軟件Ansoft HFSS 14.0對設計的標簽天線進行建模、仿真和優(yōu)化。在模式驅(qū)動求解類型下，采用集總端口激勵，頻率掃描范圍為860～960 MHz。當分析某一特定參數(shù)對標簽天線的影響時，其他參數(shù)取值（見表1）保持不變。對仿真結(jié)果進行優(yōu)化分析，最后獲得標簽天線的最佳尺寸。

根據(jù)傳輸線理論，當標簽天線阻抗與標簽芯片阻抗達到共軛匹配時，標簽天線可以獲得最遠的閱讀距離。為實現(xiàn)兩者阻抗的共軛匹配，天線阻抗的調(diào)節(jié)需要更加靈活。因為標簽芯片的電抗值遠大于其電阻值，所以其電抗的匹配比其電阻的匹配更重要。根據(jù)微帶天線理論，嵌入式饋電結(jié)構(gòu)能夠有效調(diào)節(jié)貼片天線的輸入阻抗。嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的輸入阻抗為

Zinset=ZAcos²（πLin/L）（1）

式中：ZA是微帶天線諧振時的輸入電阻值;Zinset為邊緣饋電時的天線阻抗值。經(jīng)仿真分析，嵌入式饋電結(jié)構(gòu)的深度和寬度對標簽天線的電抗影響較小，但對其電阻影響較大，而彎折開路短截線的長度對標簽天線阻抗的影響正好相反，即對其電抗影響較大但對其電阻影響較小。因此，改變嵌入式饋電結(jié)構(gòu)尺寸和彎折開路短截線的長度可以有效地調(diào)節(jié)標簽天線的阻抗，實現(xiàn)標簽天線與標簽芯片良好的阻抗共軛匹配。

圖2a和圖2b分別給出了嵌入深度Lin從9.5 mm增加至10 mm、10.5 mm和嵌入寬度Win從7 mm增加至8 mm、9 mm時標簽天線的輸入電阻隨頻率變化的曲線。結(jié)果表明，隨著嵌入深度Lin和寬度Win逐漸增大，標簽天線的輸入電阻皆逐漸減小。由式（1）可知，對于嵌入式饋電的微帶天線，在一定程度上增加嵌入深度Lin可以降低天線的輸入阻抗值，本文所得仿真結(jié)果與此相符。因此，通過改變嵌入饋電結(jié)構(gòu)尺寸可以有效地調(diào)節(jié)天線的輸入電阻值。在圖2c中，針對彎折開路短截線中長度為L3的一段（見圖1），當其長度L3從2.9 mm增大到3.9 mm、4.9 mm時，標簽天線的輸入電抗值顯著增大;在915 MHz的諧振頻率處，其電抗值依次為85.3 Ω、109 Ω和125.5 Ω，變化幅度比較大;當L3=3.9 mm時其阻抗虛部接近共軛匹配電抗值110 Ω。在圖2d中，針對彎折開路短截線中長度為L4的一段（見圖1），當其長度L4從15 mm增大到17 mm、19 mm時，標簽天線的輸入電抗值也不斷增大。在915 MHz的諧振頻率處，其電抗值依次為96.1 Ω、109 Ω和121.8 Ω。以上結(jié)果表明，采用彎折開路短截線可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)標簽天線的電抗。文獻[11]中直開路短截線的長度為46 mm，而本設計中沿著貼片長度方向的彎折開路短截線的長度僅為14.5 mm（即L1+2L3-2Ws），但其總長度達到了59 mm（即L1+L2+2L3+2L4）。因此，采用嵌入式彎折開路短截線不僅能有效地調(diào)節(jié)標簽天線的阻抗值而且能實現(xiàn)標簽天線的小型化。

下面研究在輻射貼片表面開槽對標簽天線性能的影響。圖3a和圖3b分別給出了槽長Lm取不同值時標簽天線的輸入電阻和輸入電抗隨頻率變化的曲線。結(jié)果表明，隨著槽長Lm從11 mm增加到12 mm、13 mm，在915 MHz的諧振頻率處，標簽天線的輸入阻抗分別為（17+i94.4） Ω、（22+i109） Ω、（32+i129.1） Ω。隨著槽長Lm的增大，輻射貼片表面電流的路徑長度增加，導致標簽天線的電感變大，因而其輸入阻抗就具有更大的感抗，因此調(diào)節(jié)槽長Lm可以改變標簽天線的阻抗值。特別地，當Lm=12 mm時，標簽天線與芯片幾乎達到了阻抗共軛匹配。其阻抗共軛匹配是為了獲得最大傳輸功率。最大功率傳輸系數(shù)對應標簽天線的諧振頻率。隨著槽長Lm逐漸增大，標簽天線的諧振頻率逐漸降低，見圖3c。當標簽天線獲得最大傳輸功率時，反射系數(shù)S11最小，見圖3d。隨著槽長Lm增大，對應的諧振頻率向低頻方向移動。

圖4a和圖4b分別給出了槽寬Wm取不同值時標簽天線的輸入電阻和輸入電抗隨頻率變化的曲線。隨著槽寬Wm從12 mm增加到12.5 mm、13 mm，在同一頻率處標簽天線的電阻值和電抗值不斷

增加，變化幅度較大且總體變化保持一致，在915 MHz處，天線的阻抗值分別為（15+i89） Ω、（22+

i109） Ω、（39.2+i141.8） Ω。特別地，當Wm=12.5 mm時，標簽天線與芯片幾乎達到了阻抗共軛匹配。從圖4c和圖4d可以看出，隨著槽寬Wm的增加，標簽天線的諧振頻率逐漸降低，其阻抗值改變，導致S11最小值逐漸增大并向低頻方向偏移。仿真分析表明，輻射貼片表面矩形槽的尺寸在很大程度上決定其表面電流路徑的長度進而影響標簽天線的等效電感和阻抗。當矩形槽尺寸增大時，貼片表面電流路徑長度相應增加，從而導致標簽天線的等效電感增加，于是其阻抗隨之增大，而其諧振頻率隨之降低;當矩形槽尺寸減小時，電流路徑長度減少，導致標簽天線的阻抗減小而其諧振頻率升高。因此，矩形槽的長寬僅需做出很小的改變即可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)天線的阻抗。

4 天線仿真及實物測試結(jié)果

為檢測標簽天線在金屬環(huán)境中的性能，將標簽天線附在一個20 cm×20 cm的金屬板上進行仿真及測試。通過對參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)諧，得到標簽天線的最優(yōu)尺寸，見表1。標簽天線的諧振頻率主要由電抗匹配點控制，在諧振頻率處，經(jīng)仿真優(yōu)化其輸入阻抗為（22+i109） Ω。最優(yōu)尺寸標簽天線的反射系數(shù)和增益見圖5。由圖5a可知，在諧振頻率915 MHz處，反射系數(shù)S11為-15.4 dB，小于-10 dB，說明標簽天線與芯片實現(xiàn)了良好的阻抗共軛匹配。標簽天線的-3 dB帶寬達到了29 MHz（900～929 MHz），而其-10 dB帶寬達到了8 MHz（911～919 MHz），覆蓋了許多國家和地區(qū)（包括中國和美國）所使用的部分或全部頻段，因此此標簽天線可以在RFID應用中發(fā)揮一定的作用。由圖5b可見，在諧振頻率915 MHz處，標簽天線的增益為-6.5 dB。此標簽天線增益和文獻[15-16]中提出的標簽天線的增益都比較低。標簽天線的增益取決于其電尺寸，而此標簽天線的工作頻率較低，即波長較大，因而其電尺寸較小，因此其增益就相對較低。將標簽天線置于20 cm×20 cm的金屬板上，實測得到標簽天線在E面和H面的2D輻射方向圖，見圖6?？梢?，安放于金屬平面上的標簽天線在E面具有半球形輻射方向圖，其主瓣很寬且具有半球形全向性，而在H面則接近全向，這有助于標簽在大的空間角范圍內(nèi)被快速地識別。

UHF RFID標簽天線的優(yōu)勢在于其識別范圍大，因此其最大識別距離為最重要的設計參數(shù)。根據(jù)Friis公式[17]，標簽天線的閱讀距離計算公式為

r=λ4πPEIRPGτPth

（2）

式中：PEIRP為閱讀器天線的等效全向輻射功率;λ是天線的諧振波長;G為標簽接收天線的增益;τ是標簽天線與標簽芯片之間的功率傳輸系數(shù);Pth為標簽芯片的最小激活功率。因此，標簽天線的最大閱讀距離主要取決于G、τ和Pth。由文獻[18]可知，功率傳輸系數(shù)τ的公式為

τ=4RaRcZa+Zc2

（3）

式中：Za=Ra+iXa，Zc=Rc+iXc，Ra和Xa分別表示標簽天線的電阻和電抗，Rc和Xc分別表示芯片的電阻和電抗。當功率傳輸系數(shù)τ=1時，標簽天線與芯片達到了完全的阻抗共軛匹配，標簽天線的閱讀距離最大。

圖7展示了根據(jù)最終的仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)制作的標簽。采用Voyantic Tagformance測量系統(tǒng)對設計的標簽天線的性能進行測試。圖8展示了是該測量系統(tǒng)的各部分的圖片。它是RFID行業(yè)內(nèi)標志性的標簽測試設備，具有頻帶寬、響應速度快等優(yōu)點，能夠精確測量UHF標簽的前向靈敏度、反向靈敏度、讀取距離和方向圖等一系列性能參數(shù)。該測量系統(tǒng)使用的閱讀器天線的增益為8 dB，用于發(fā)射無線電波來激活芯片和接收來自標簽的反向散射信號。如圖9所示，在暗室中將標簽放置在20 cm×20 cm的金屬板中間進行測試。圖10為標簽天線仿真與實測的閱讀距離結(jié)果對比。根據(jù)式（2）計算可得，在902～928 MHz的UHF RFID頻帶內(nèi)，標簽天線的最大閱讀距離為9.8 m（標簽天線的讀取距離采用有效各向同性輻射功率PEIRP=4 W計算），而在暗室里實測得到標簽天線的最大閱讀距離為9 m。實測得到標簽天線的諧振頻率為905 MHz，比仿真時諧振頻率（915 MHz）低10 MHz。產(chǎn)生以上差異的主要原因是測試環(huán)境和閱讀器以及天線制作公差等因素的影響，但是該結(jié)果完全滿足當前對UHF標簽天線的技術要求。為進一步檢測標簽天線的性能，將標簽天線置于不同尺寸的金屬板上測試其閱讀距離（如圖10所示），隨著金屬板的尺寸由10 cm×10 cm增至20 cm×20 cm、30 cm×30 cm，標簽天線的閱讀距離在一

[10]CHEN H D，TSAO Y H. Low-profile PIFA array antennas for UHF band RFID tags mountable on metallic objects[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2010， 58（4）： 1087-1092. DOI： 10.1109/tap.2010.2041158.

[11]MO Lingfei，QIN Chunfang. Planar UHF RFID tag antenna with open stub feed for metallic objects[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2010， 58（9）： 3037-3043. DOI： 10.1109/tap.2010.2052570.

[12]IMPINJ.IPJ-W1710-K00 monza R6-P tag chip datasheet[Z]. IMPINJ， 2015.

[13]ZHANG Runqi，ZHU Lei. Design of a wideband bandpass filter with composite short- and open-circuited stubs[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2014， 24（2）： 96-98. DOI： 10.1109/LMWC.2013.2291197.

[14]李伏海. RFID天線研究與設計[D]. 南京： 南京理工大學， 2012.

[15]BONG F L，LIM E H， LO F L. Miniaturized dipolar patch antenna with narrow meandered slotline for UHF tag[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 2017， 65（9）： 4435-4442. DOI： 10.1109/TAP.2017.2724074.

[16]BONG F L，LIM E H， LO F L. Compact orientation insensitive dipolar patch for metal mountable UHF RFID tag design[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018， 66（4）： 1788-1795. DOI： 10.1109/TAP.2018.2803132.

[17]FAUDZI N M，RASHID A N A， IBRAHIM A，et al. Microstrip dipole UHF-RFID tag antenna for metal object tagging[C]//2016 International Conference on Computer & Communication Engineering. IEEE， 2016： 36-41. DOI： 10.1109/ICCCE.2016.21.

[18]MO L，ZHANG H， ZHOU H. Broadband UHF RFID tag antenna with a pair of U slots mountable on metallic objects[J]. Electronics Letters， 2008， 44（20）： 1173-1174.

[19]湯煒， 袁良昊， 謝姣皎. 超薄高增益UHF抗金屬標簽天線設計[J]. 微波學報， 2017， 33（6）： 12-19. DOI： 10.14183/j.cnki.1005-6122.201706003.

[20]FAUDZI N M，ALI M T， ISMAIL I，et al. Compact microstrip patch UHF-RFID tag antenna for metal object[C]//2014 IEEE Symposium on Wireless Technology and Applications. IEEE， 2014： 14819378. DOI： 10.1109/ISWTA.2014.6981179.

（編輯 趙勉）