射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一種可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸的通信技術(shù)。常用的RFID技術(shù)有低頻(125 kHz~134.2 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻等。其中超高頻以其讀取距離大、傳送數(shù)據(jù)速度快、存儲數(shù)據(jù)量大、靈活性強(qiáng)、適應(yīng)高速運(yùn)動等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛發(fā)展。
    最基本的RFID系統(tǒng)[2]由標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)和天線(Antenna)三部分組成。RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，標(biāo)簽是影響其整體性能的關(guān)鍵因素之一。實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽多附著于金屬環(huán)境表面使用。然而，金屬環(huán)境對標(biāo)簽的干擾大大縮小了RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。因此，針對特定環(huán)境設(shè)計(jì)具有抗金屬性的標(biāo)簽十分必要。此外，對電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)而言，標(biāo)簽的有效讀取距離是衡量標(biāo)簽性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，提高標(biāo)簽的阻抗匹配度有助于優(yōu)化標(biāo)簽的有效讀取距離。所以，對所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽進(jìn)行阻抗匹配優(yōu)化非常重要。
1 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 金屬環(huán)境對標(biāo)簽的影響
    標(biāo)簽主要由標(biāo)簽芯片和內(nèi)置天線組成，其中天線主要起到接收和發(fā)送電磁波的作用，其目的是傳輸盡可能大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，為標(biāo)簽提供工作能量。
    根據(jù)電磁場原理，場強(qiáng)對金屬比較敏感，容易對標(biāo)簽造成影響。其影響主要來自以下兩方面：(1)金屬靠近天線時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，同時(shí)吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場能，從而減少了射頻原有的能量；(2)金屬環(huán)境產(chǎn)生的渦流也會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，且由其產(chǎn)生的磁力線垂直于金屬環(huán)境表面，與射頻場強(qiáng)相反。由金屬環(huán)境產(chǎn)生的磁場對原磁場造成干擾，導(dǎo)致金屬表面的磁力線趨于變形，在離金屬很近的區(qū)域甚至平行于金屬表面，該區(qū)域內(nèi)根本沒有射頻場，因此直接附著于金屬物體表面的標(biāo)簽根本無法通過切割磁力線獲得能量，不能正常工作。

    為了進(jìn)一步對標(biāo)簽設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在短路環(huán)偶極子天線[6]的基礎(chǔ)上引入阻抗臂結(jié)構(gòu)。短路環(huán)結(jié)構(gòu)對天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)主要與環(huán)的長度、寬度、激勵兩端環(huán)的長度和組成環(huán)的金屬寬度有關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)中引入阻抗臂，通過調(diào)節(jié)阻抗臂的長度和寬度間接調(diào)節(jié)短路環(huán)的參數(shù)，從而影響天線的阻抗匹配，更容易對設(shè)計(jì)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。
    設(shè)計(jì)出的短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線主要由彎折天線臂(輻射主體部分)、短路環(huán)和阻抗臂三部分組成。標(biāo)簽芯片采用美國英頻杰(IMPING)公司的Monza4，并將其貼在短路環(huán)結(jié)構(gòu)的開口處進(jìn)行激勵。將設(shè)計(jì)出的天線制作于介電常數(shù)εr=4.4，材質(zhì)為FR-4， 厚度約為5 mm，尺寸約為95 mm×10 mm的基板上，如圖2所示。其中L1為阻抗臂長度，約為36 mm;L2為阻抗臂寬度，約為0.75 mm。標(biāo)簽天線材質(zhì)為銅，厚0.01 mm，尺寸約為79 mm×6 mm。將設(shè)計(jì)的標(biāo)簽放在面積為228 mm×80 mm的金屬板表面進(jìn)行仿真測試，其各方面性能均符合設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用要求。

2 標(biāo)簽天線性能分析
2.1 天線輸入阻抗圖
　對所設(shè)計(jì)天線采用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真，可得到天線的輸入阻抗圖[7]如圖3所示。

    圖中兩條曲線分別為所設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線電阻值及電抗值隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出天線諧振頻率為922.625 MHz處的輸入阻抗為11.23+138.55 Ω，標(biāo)簽電阻值匹配率為91.82%，電抗值匹配率為97.91%，整體阻抗匹配率達(dá)到了90%以上，匹配狀態(tài)良好。且在900 MHz~960 MHz頻率范圍內(nèi)變化平緩，表明標(biāo)簽天線和芯片的阻抗匹頻帶較寬，具有較強(qiáng)的魯棒性。
2.2 天線回波損耗圖
　 圖4所示為所設(shè)計(jì)短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線的回波損耗[8]曲線圖。

由計(jì)算結(jié)果可知天線具有較好的回波損耗特性和良好的頻帶特性，性能表現(xiàn)良好，滿足實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 天線方向圖
    天線方向圖[9]是方向性函數(shù)的圖形表示，它形象地描繪天線輻射特性隨空間方向坐標(biāo)變化的關(guān)系。圖5為所設(shè)計(jì)短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線的H平面(φ=0°~360°,θ=90°)方向增益圖。從圖中可以看出其在φ=0°時(shí)的最大增益為-5.82 dB。圖6為所設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線的E平面(φ=0°,θ=-180°~180°)方向增益圖，在θ=90°處的增益為-5.82 dB。分析圖中數(shù)據(jù)可知，靠近金屬環(huán)境一側(cè)天線由于受到金屬吸收電磁波的干擾，天線增益銳減，可以忽略。而金屬環(huán)境的相反一側(cè)，天線表現(xiàn)出了對上半球面的覆蓋，增益達(dá)到了應(yīng)用要求。

3 對標(biāo)簽基板厚度L和阻抗臂的研究
3.1基板厚度L對天線各性能的影響
    將短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽天線制作于介電常數(shù)?著r=4.4，材質(zhì)為FR-4， 尺寸約為95 mm×10 mm， 厚度為5 mm的基板上，使標(biāo)簽與金屬表面磁場平行的區(qū)域進(jìn)行隔離，標(biāo)簽達(dá)到了抗金屬的要求。且經(jīng)Ansoft HFSS軟件仿真測試，標(biāo)簽各方面性能均達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。但在實(shí)際制作電子標(biāo)簽時(shí)，加工5 mm厚的FR-4基板會有一定的工程誤差，所以研究標(biāo)簽天線與金屬之間的距離即基板厚度L對標(biāo)簽各方面性能的影響很有必要。 表1列出了基板厚度L對天線各特性參數(shù)的影響。

    分析表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著標(biāo)簽天線與金屬環(huán)境距離的減小，天線諧振頻率、諧振頻率處的回波損耗及輸入阻抗整體呈下降趨勢，而絕對帶寬和相對帶寬整體呈上升趨勢。當(dāng)基板厚度L小于4 mm時(shí)，阻抗匹配程度已小于80%，不符合實(shí)際應(yīng)用需求，因此，實(shí)際加工時(shí)基板厚度應(yīng)大于4 mm。
3.2 阻抗臂對標(biāo)簽天線輸入阻抗影響
　設(shè)計(jì)中引入阻抗臂用于優(yōu)化標(biāo)簽天線芯片的阻抗匹配，研究阻抗臂的尺寸對短路環(huán)偶極子天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)作用對天線性能的優(yōu)化很有必要。
    如表2和表3分別列出了阻抗臂長度L1及寬度L2變化時(shí)對標(biāo)簽天線輸入阻抗的電阻值Re和電抗值Im的影響。分析表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)改變阻抗臂的長度L1時(shí)，天線的電阻值與阻抗臂長度L1成正相關(guān)，而電抗值相對只表現(xiàn)出微小的波動。可見，阻抗臂的長度L1只影響天線輸出電阻值，通過調(diào)節(jié)阻抗臂L1的長度可以達(dá)到調(diào)整天線輸出電阻值的目的；當(dāng)改變阻抗臂的寬度L2時(shí)，天線的電阻值和電抗值都有較大的變化，且隨著寬度的增加，電阻值與其長度成正相關(guān)，而電抗值與之負(fù)相關(guān)，由此分析得出阻抗臂的寬度L2能夠影響天線的輸出阻抗，可以用來優(yōu)化天線的阻抗值。同時(shí)調(diào)節(jié)阻抗臂的長度L1和寬度L2可以對天線的電阻值和電抗值的數(shù)值大小及比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片的阻抗匹配，使匹配達(dá)到最佳，提高天線各方面的性能。

    本文基于短路環(huán)偶極子天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款諧振頻率為922.625 MHz的短路環(huán)偶極子抗金屬標(biāo)簽。通過將天線制作于FR-4(?著r=4.4)材質(zhì)基板上，使標(biāo)簽天線與金屬表面磁場平行的區(qū)域相隔離，標(biāo)簽具有了抗金屬性，可以應(yīng)用于金屬物體表面，而短路環(huán)結(jié)構(gòu)的引入降低了標(biāo)簽阻抗匹配的難度。同時(shí)本文分析了基板厚度對標(biāo)簽各方面性能的影響，得出基板厚度L>4 mm時(shí)，標(biāo)簽各方面性能才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求；通過引入阻抗臂，可對天線的阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化標(biāo)簽阻抗匹配，使其達(dá)到最佳。所設(shè)計(jì)標(biāo)簽電阻值匹配率為91.82%，電抗值匹配率為97.91%，整體阻抗匹配率達(dá)到了90%以上。經(jīng)過Ansoft HFSS軟件仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，天線各性能參數(shù)都符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
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