金属表面UHF RFID标签天线设计

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0 引言
        RFID(无线射频识别)系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来，RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。国内RFID目前主要使用的频段有125 kHz(低频)、13.56 MHz(中高频)、902～928 MHz(超高频)，越来越多的研究机构开始对超高频RFID系统进行研究，以实现系统的远距离、高速率、低成本等特性。作为RFID必不可少的一部分，电子标签以其低成本、小体积、非接触式等特性取代了传统的二维条码，普遍应用于身份识别、车辆管理、仓储物流、防伪、零售等众多领域。普通的超高频电子标签一般采用印制偶极子天线，该结构可以应用于货物、商品、书本等采用非金属介质的表面，而在固定资产管理、集装箱、机车、电子车牌、电力设施等许多领域，由于采用了金属表面结构，传统的超高频电子标签在金属表面几乎不能正常工作，对此本文设计了一款工作在902～928 MHz的低成本、小体积、高增益的抗金属电子标签天线。
         
        1 现有的金属表面标签天线
        目前在美国和欧洲等发达国家，金属表面标签技术已经发展得较为成熟，广泛应用到了物流中的各个领域，而我国普通的超高频电子标签已经十分普及，但可以真正用于金属表面的电子标签很少。金属表面标签技术仍处于起步阶段，国内许多金属表面标签天线都是在传统的偶极子标签天线上改进的，通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签的影响。标签天线与金属表面的距离H应保持1 cm以上的高度，这样虽然提高了标签的读取距离，但会使整个标签的体积和成本增加，天线的带宽降低，并没有很好地解决表面金属对标签天线的影响，此时标签天线的性能远没有其用于非金属表面的性能好;基于陶瓷介质的微带天线也可以用到金属表面，它利用陶瓷介质的高介电常数，使天线的体积能够做到很小，利用金属表面作为自己更大的反射面，使天线的性能十分稳定，但由于陶瓷天线的造价太高，不适合电子标签的低成本批量生产;另外一种可适用金属表面的标签天线方案是在天线辐射面与金属面之间增加一层AMC(人工磁导体)结构，如图1所示。通过AMC的高阻抗特性使电子标签与AMC之间产生的磁流方向和金属面与 AMC之间的磁流方向相同，从而提高电子标签的增益与读取距离，但这项技术目前研究的难度和成本都很高，仍处于实验室阶段。
         
         

               

       

                 

           2 印刷结构标签天线
        针对目前金属表面用超高频RFID电子标签的应用需求，设计了一款新型结构的电子标签天线。该天线首先在一片平面材料(如PVC薄膜、纸等)上采用银浆(或铜、铝等)印刷，如图2所示的平面结构。标签芯片安装后，将此平面贴纸标签沿折线粘贴于方形介质材料上。
         
         

               

       

                 

           当此标签固定在金属表面(无论使用标签的哪一个面贴于金属)使用时，标签天线可以等效成PIFA天线模型(如图3所示)。此时金属平面作为天线的反射面，对天线的性能将产生有益的影响。图3中尺寸结构：w=45 mm，l=95 mm，h=5 mm，w1=31 mm。
         
         

               

           　　
        3 理论分析与仿真
        标签天线贴于介质表面时等效为PIFA结构，所以该标签天线也满足λ/4谐振条件，其谐振频率fr主要与贴片的长度l和宽度w有关。它们之间的关系可近似表示为：fr=c/[4(l+w)]，其中c表示光速。
         
        3.1 天线的阻抗分析
        常用标签的芯片阻抗通常不是标准的50 Ω，芯片阻抗一般呈容性，为实现芯片与天线的阻抗匹配，通过射频仿真软件HFSS对天线进行了优化。设计中采用的标签芯片阻抗为24-j195 Ω，所以需要匹配的天线的目标阻抗应为24+j195 Ω。天线的阻抗匹配可以通过调整天线的开槽长度来实现，如图4所示为开槽长度w1对天线阻抗的影响。
         
         

               

       

                 

           通过对天线阻抗特性进行参数扫描分析可知，w1的变化对天线的阻抗影响较大，当开槽长度w1<34 mm时，阻抗变化比较平缓，整个天线呈感性;当开槽长度继续增加时，天线的实部阻抗会急剧增加，天线表现为容性。通过仿真分析发现，在开槽长度 w1=31mm时，阻抗为11+j19 4&Omega;，此时与标签芯片的阻抗满足共轭匹配。
         
        3.2 金属面大小对天线的影响
        由于电子标签贴附在有限的金属接地面上，在研究天线的电特性参数时还要考虑接地面的大小对天线实际增益的影响，表1列出了电子标签分别位于金属表面面积为 45 mm×45 mm，100 mm×100 mm，200 mm×200 mm，400 mm×400 mm天线的增益变化情况。
         

       

         

        表1中数据显示标签在45 mm×45 mm的金属表面工作(相当于标签天线单独工作)时，天线增益较低，只有0.27 dBi。随着金属表面面积的增加，天线的增益也会有所增强，但天线的增益也并不是无限增大的。测试中发现，在金属表面面积增加到一定大小时，天线的辐射方向会发生畸变，使得垂直于辐射面的辐射场减弱，此时天线的增益会有所下降。
         
        3.3 介质厚度对天线带宽的影响
        标签天线的带宽也是衡量天线性能的一个重要指标，频带越宽，天线的效率越高。通过调整介质层的高度h可以有效地改善天线的带宽，当介质层的高度增加时，会使天线的带宽变宽，天线的效率提高，但增加天线的高度会使天线的体积增加，也破坏了天线的低剖面特性，综合以上结论在设计中取h=5 mm。通过仿真分析，在介质高度为h=5 mm时，天线的反射系数在-10 dB以下的带宽为30 MHz(910～940 MHz)，该天线具有良好的频带特性。
         
        3.4 介质材料对天线的影响
        设计中分析了两种常用介质对天线增益的影响，如图5所示为电子标签贴在FR-4(&epsilon;r=4.4，h=5 mm)上的方向图，金属反射面的大小为400 mm×400 mm，此时天线的增益为2.27 dBi。在垂直天线辐射面的方向，增益最大，图6为标签贴在泡沫介质(&epsilon;r=1.1，h=5 mm)上的方向图，天线的最大增益为3.92 dBi，但天线的最大增益方向为偏离垂直天线辐射面45°的方向。
         
         

               

                 
           4 实物测试
        　为验证以上设计，本文做了实物模型，并进行了相关的性能测试。如图7所示，使用铜皮纸所蚀刻的平面天线，粘贴于泡沫介质上。标签芯片使用NXP半导体公司的SL3ICS1202G2XL芯片，该芯片的阻抗为24-j195 &Omega;，测试将标签贴于25 cm×25 cm的金属平板中央，如图8所示，使用MR6021型号阅读器1 W的发射功率及6 dBi圆极化天线对标签进行了识读。实测识别距离大于4 m。
         
                          
                          
           5 结语
        金属物体对超高频电子标签的干扰一直是RFID领域的一个难题，本文结合PIFA天线的基本理论以及现有的标签技术，设计了一款UHF抗金属标签天线，天线采用的印刷结构使得生产工艺简化，生产成本低廉。通过对天线大量的仿真和实测，论证了该天线具有高增益、远距离等特点，是一款能够真正应用于金属表面的标签天线。