《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種小型無源UHF抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計
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) 計算機學(xué)院，北京100101
摘要： 設(shè)計了一款應(yīng)用于超高頻（UHF）頻段的小型無源抗金屬射頻識別（RFID）電子標(biāo)簽天線。在一端端口封閉式小型微帶天線的基礎(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)一步減小天線尺寸，饋電方式為一端通過短路片接地的插入式饋電，通過對輻射貼片另一端加載短路片來實現(xiàn)寬頻帶。使用HFSS仿真軟件進(jìn)行天線設(shè)計，天線尺寸約為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)簽天線的整體設(shè)計滿足小型化、抗金屬、寬頻帶、低成本的設(shè)計要求。
中圖分類號： TN827+.2
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180563
中文引用格式： 景裕文，崔英花. 一種小型無源UHF抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計[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

    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)[1]是一種非接觸的近距離自動識別技術(shù)，其基本原理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。RFID技術(shù)具有抗干擾能力強、存儲信息量大、非接觸、使用壽命長、可多標(biāo)簽識別、響應(yīng)速度快等特點。RFID系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在公共交通、人員身份識別、車輛管理、自動收費、門禁管理等領(lǐng)域。

    無源RFID系統(tǒng)通常分為低頻（LF）、高頻（HF）和超高頻（UHF）系統(tǒng)，由讀寫器、標(biāo)簽、天線3個基本要素構(gòu)成，在設(shè)計RFID系統(tǒng)時，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，無源UHF電子標(biāo)簽天線的讀寫性能，在不同環(huán)境下標(biāo)簽的讀寫性能會受到影響，尤其是當(dāng)標(biāo)簽貼附于金屬表面時，標(biāo)簽幾乎不被讀取。文獻(xiàn)[5]分析了金屬對標(biāo)簽天線的影響原因，并采用墊高型標(biāo)簽來克服金屬的影響，利用金屬對電磁波的反射來加強標(biāo)簽的讀取性能，但是天線尺寸較大，天線性能不理想。文獻(xiàn)[6]采用矩形微帶貼片切角和電容耦合饋電技術(shù)來實現(xiàn)微帶天線的圓極化、寬頻帶特性。

    本文通過對端口封閉式小型微帶天線[7]的研究，對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，可以對現(xiàn)有的抗金屬天線[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)及實現(xiàn)

    傳統(tǒng)的矩形微帶天線貼片與接地板之間的場具有以下特點：（1）電場只有Ex分量，磁場只有Hx和Hy分量，即微帶天線輻射沿z軸方向的TM波；（2）內(nèi)場不隨z坐標(biāo)變化；（3）四周邊緣處電流無法向分量，即邊緣處切向磁場為零，故空腔四周可視為磁壁。文獻(xiàn)[7]通過將天線空腔的一個端口用銅箔封閉，如圖1所示，介質(zhì)上表面覆蓋輻射貼片，輻射貼片長為L，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結(jié)構(gòu)。

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    由于理想金屬表面不存在電場的切向分量，從而使封閉端口所在的平面變成理想電壁。利用空腔理論對天線內(nèi)場進(jìn)行分析，矩形微帶天線通常都工作于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：相對介電常數(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)計的抗金屬天線由一端接地天線輻射面、接地短截線、兩個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，相對介電常數(shù)為22，天線寬度W為20 mm，由式（3）計算得到輻射貼片長度L約為32 mm，天線各參數(shù)分布如圖2所示。其中，L為輻射貼片整體長度，W為輻射貼片整體寬度，Wg為天線整體寬度，Li為插入式饋電微帶線的長度，Wi為插入式饋電微帶線的寬度，Ls為接地短截線的長度，Ws為接地短截線的寬度，L2為一端短路片長度。

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2 天線模型理論及等效電路圖

    天線各參數(shù)在設(shè)計之前需要了解參數(shù)設(shè)計的指導(dǎo)原則和參數(shù)變化對天線性能影響，本文提出的天線模型可以用圖3所示的傳輸線等效電路模型來表示。

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

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

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

3 天線仿真及結(jié)果分析

    本文使用高頻電磁場仿真軟HFSS13.0作為仿真工具。利用式（1）～式（9），并經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化可以得到天線的最佳設(shè)計參數(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，步長為5 MHz。金屬環(huán)境的模擬采用200 mm×200 mm的金屬板來代替，天線的端口阻抗設(shè)置為芯片阻抗的共軛，即Z=18+j178 Ω。通過調(diào)節(jié)Ls和L2，來實現(xiàn)天線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，此時天線的輸入阻抗為8+j178 Ω，表明與天線端口阻抗匹配極好。在860 MHz~960 MHz的頻段內(nèi)，S11<-15 dB的相對帶寬為11%，表明天線滿足不同國家的頻率要求。根據(jù)天線的方向圖，通過式（10）[10]計算天線的讀取距離：

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4 結(jié)論

    本文對現(xiàn)有微帶結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線進(jìn)行小型化改進(jìn)設(shè)計，利用端口封閉式微帶天線的結(jié)構(gòu)原理，采用新型微波介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)基板，通過加載接地片，設(shè)計了一種32.5 mm×24 mm×4 mm小尺寸抗金屬標(biāo)簽天線，滿足了客戶對小尺寸、低成本、抗金屬標(biāo)簽的要求，同時在860~960 MHz 頻段內(nèi)，回波損耗S11<-15 dBm（相對帶寬11%），滿足寬頻帶要求。置于金屬板上的增益約為-8 dBi，滿足了大于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) 計算機學(xué)院，北京100101）

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