RFID标签天线的设计与测量

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1引言
        RFID标签是RFID应用技术的主要组成部分，RFID标签的性能通常决定整个应用技术方案的有效性和实施性，因此RFID技术的实施中大多 以解决RFID标签性能为主导。标签的组成可分为芯片和天线两大组成部分，标签的性能及其性能分析也是从这两个组成部分展开。然而在芯片型号定型后，天线 的性能及与芯片的匹配性也就决定了标签的性能，因此天线的设计为标签设计主题部分。
         
        目前关于RFID标签天线的设计已有较多的文献，但很少关于标签实际应用中复杂材料环境下的设计与测量的文献。本文着重介绍了复杂材料环境条件下进行天线的设计与测量方法，并结合工程实施例加以说明。
         
        2 RFID标签天线设计理论
        RFID标签天线的设计通常指在给定天线工艺条件下，针对具体应用要求，在规定尺寸范围内进行设计与芯片相匹配的天线。在实际设计工程中主要解 决规定的尺寸范围及工作环境件下天线的输入阻抗与芯片在工作频段达到共轭匹配。除了天线阻抗匹配设计外，还要关注天线辐射效率、极化方向及辐射方向图等参 数。
         
        2.1天线的基础知识
        天线是一种能量转换装置，即把导行波与空间辐射波相互转换的装置。天线周围的场强分布一般都是离开天线距离和角坐标的函数，通常根据离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。
         
       

               

                       

        　　

        图2.1天线周围的场区

         
        图2.1(a)所示电尺寸小的偶极子天线其感应场区的外边界是λ/2π。这里，λ是指工作波长。图2.1(b)所示电尺寸大的孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区。
         
        天线一般都有两方面的特性：电路特性(输入阻抗、效率、频带宽度、匹配程度等)和辐射特性(方向图、增益、极化、相位等)。天线的测量就是用实验方法测定和检验天线这些参数特性。
         
        2.2标签天线设计的一般步骤
        根据设计要求(标签尺寸、工作频带、 匹配芯片、应用条件等由要求提出)，确定设计方案及目标参数，建立天线模型，并对天线模型进行仿真计算。再根据仿真计算结果进行调整设计模型，以达到预期 目标参数。天线的设计通常是条件确定的，即各类材料参数、结构分布均为已知，否则设计无从入手。RFID标签应用范围广，通常材料的介电常数等不能确定， 天线在此环境下的输入阻抗及其他参数成为未知，这就需要通过测试确定其参数。
         
        2.3标签天线的等效测量
        从标签天线的一般设计方法可见，设计之关键是测试。 RFID标签天线分为HF和UHF，HF的天线通常可忽略介电影响，可直接通过电桥或阻抗分析仪测量其电感及分布电容。UHF标签天线的精确测量较难实 现，通常以等效测量方式以实现。下面就介绍两种适用于UHF RFID标签设计的测量方法：
         
        2.3.1.谐振法测量等效介电常数
        UHF标签天线输入阻抗对材料比较敏感，当贴附在不同材料上时，其阻抗变化量通常存在较大差异。等效介电常数是指把复合材料等效成一均质材料，把复合材料对天线的综合影响等效成均质材料影响。
         
        如图2.2(a)一款通用型UHF RFID标签天线，其空气介质条件下仿真计算输入阻抗频率曲线如图2.2(b)，使用磁探针实测空气介质条件下天线耦合功率曲线如图2.2(C)。
       

               

        　　图2.2(a)

       

               

        　　图2.2(b)

       

               

        　　图2.2(c)

         

         
        图2.2(b)输入阻抗曲线图，天线输入阻抗的实部在940MHz附近达到最大值与2.2(c)中耦合功率曲线图940MHz附近最小值相对应，通常我们说天线在940MHz谐振。下面就举例通过谐振频率法来推算标签所贴附的复合板的等效介电常数。
         

       

        　　图2.3(a)

       

               

        　　图2.3(b)

         

        图2.2(a)所示标签天线贴附于某复合板上时，实测耦合功率曲线如图2.3(a)，可以看到耦合功率最小值飘移至780MHz附近，即天线的谐振频率变为780MHz。
         
        按照复合板尺寸进行仿真计算，当复合板的介电常数设置为3.4时，天线输入阻抗仿真计算实部最大值落在780MHz，如图2.3(b)，复合板介电常数等效为3.4。复合板等效介电常数已确定，即可按正常设计方法进行设计标签天线。
         
        2.3.2.缩尺模型技术应用与比例测量法
        缩尺模型技术是指在满足一定条件下，将天线按一定缩尺比例缩小(或放大)，其特性参数也满足这一比例呈函数变化。缩尺模型技术通常为了便于测 试，制作适于测试的模型进行等效测试，RFID标签天线的设计测量也可以直接采用缩尺模型技术进行等效测量。本文对缩尺模型测量技术原本用法不再展开讨 论，本文从另一个角度展开缩尺模型技术的应用。
         
        我们由图2.2(a)所示天线在空气中及贴附于复合板上两种环境下其输入阻抗曲线形状相同，位置及数值存在一定逻辑关系，与缩尺模型技术存在一 定的相似性。由图2.2(b)和2.3(b)可推算出贴附于复合板材上时天线的输入阻抗频率乘以1.2与空气介质时近似。即我们可以通过测量两种环境下的 天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2。
         
        K=F空/F介=0.94/0.78=1.2
         
        假设我们要设计一款尺寸与2.2(a)所示相同的标签天线，贴附于前面所指的复合板材上，要求其特性参数与2.2(a)所示天线在空气条件下相 近。按照要求调整天线结构得到如图2.4所示天线，使其空气介质条件下输入输入阻抗曲线与图2.2(b)的1.2比例相近。图2.5为图2.4所示天线仿 真计算输入阻抗，基本接近1.2比例要求。
         
       

               

        　　图2.4

       

               

        　　图2.5

         

        通过比例测算法可直接确定在复杂环境下设计目标，较等效介电常数测算法更快捷，工作量减小，该方法在实际工程设计中实用性较高。
         
        2.4标签天线设计频带的确定
        UHF RFID因 每个国家的频段标准不同，因此标签天线设计，首先要根据要求确定设计频带。应用天线等效测算法进行天线设计，天线设计频带还要乘以比例系数K。如要求设计 一款用于美国，附着于常见药瓶的RFID标签。已知药瓶通过测试计算出频率变化比例K=1.19，因美国频率段标准为902-928MHz，
         
        　　所以确定设计频带为：
        　　Fmin=Fmin标×K=902×1.19=1073MHz
        　　Fmax=Fmax标×K=928×1.19=1104MHz
        　　即设计频带为1073-1104MHz，只要使天线在这个频带的特性参数达到目标值却可。
         
        应用天线等效测算法进行天线设计，可以省去较多仿真计算工作，特别是明确在简单条件(纯天线)下的频带，这会使原本复杂的计算简单化。
         
        2.5动态阻抗匹配的设计
        芯片在未开启状态下通常可等效成容阻电路，即电容电阻并联电路。如一款芯片标称值为0.85PF，2KΩ，则其输入阻抗为
         
        　　Z=(jR/ωC)/( R+1/jωC)=(1-jωCR2)R/[1+(ωCR)2]
         
        芯片输入阻抗曲线如图2.6。
       

               

        　　图2.6

         

        由芯片的输入输阻抗曲线图可知，芯片的输入阻随频率变化而变化。当芯片绑定到天线上时，还会增加分布电容，芯片的实际输入阻抗与标称值还存在一 定差异。为了使标签能够稳定工作，满足较宽频带内阻抗匹配，通常标签天线设计时考虑芯片的输入阻抗的动态变化，做动态阻抗匹配设计。通常所指的标签天线动 态阻抗匹配设计是指天线输入阻抗在设计频带内阻抗变化趋势与芯片输入阻抗共轭值的变化趋势相对应。此外动态阻抗匹配设计还包含芯片开启、读、写等各个状态 下的输入阻抗，为了兼顾标签各个状态的性能，设计上尽可能地使天线在工作频带内满足芯片在各个状态下基本符合匹配条件。
         
        3天线设计实施例
        为了更好地理理解本文RFID标签天线设计思想，下面通过一个具体设计工程实施例简单回顾一下整个设计过程。
         
        3.1确立设计目标
        确立设计目标是指针对应用需求分析转化为设计需求，从而确立设计目标。
         
        例：开发设计一款用于美国市场药店瓶装药品盘点管理的标签，要求标签贴于药瓶标贴缝隙处，瓶子陈列于金属货架上，最大排列行数为6行，使用MOTO一款手持读写器要求达到1.5米稳定盘点。
         
        对环境介质条件进行测试，得到设计比例系数为1.17-1.21，介质遮挡损耗最大为6dB。确定基本设计目标：
        　　1、 标签天线尺寸4×50mm，
        　　2、 设计频带1073-1104MHz，
        　　3、 天线增益GEIRP>-2dB
        　　4、 天线阻抗匹配系数>0.5
         
        3.2建立设计模型
        因标签天线尺寸较小，根据设计目标选用图3.1所示结构。为了有效增加天线臂宽度，标签天线采用对称式的双螺旋臂结构。由电磁感应定律中的楞次 定律知道，感生电流总是阻逆原生电流变化，由于天线臂螺旋结构使流经每个天线臂的电流环向相同，感生电流的阻逆作用产生叠加，相当于电流在天线臂的流速降 低，天线的谐振频率会较曲折臂和直臂天线降低。因此对称螺旋臂天线的长度相对传统的曲折臂天线臂长短，短臂天线在给定空间内可以增宽天线臂，使天线臂宽而 短。天线臂的长宽比越小，天线的阻入阻抗曲线越趋向平滑，与芯片的匹配带宽增大，因而标签的性能更稳定。
         
       

               

        　　图3.1

         

        3.3模型仿真与阻抗匹配调整
        芯片输入阻抗已知在920MHz时为20-j145欧姆，则知天线设计阻抗目标为20+j145欧姆。套入天线等效测量技术则天线输入阻抗目标为：
         
        　　Z=(20+j145)×1.19=23.8+j172欧姆
        　　对应频率F=920×1.19=1095MHz
         
        调整天线臂长度及闭合环的尺寸或凹陷程度使其在1095MHz时天线输入阻抗接近目标值，同时要考虑设计频带内(1073-1104MHz)阻抗波动值，控制波动范围。如图3.2通过天线调整后的天线输入阻抗曲线图。
         
       

               

        　　图3.2

        3.4模型制作与测试
        设计定型后为了进一步确认设计符合性，可通过制作模型进行测试，确认与设计相符性。测试可分为天线模型测试和标签模型测试，天线测试可参照 2.3.2.所述方法进行确认天线模型样品与计算值的偏差。如图3.3(a)和图3.3(b)分别为空气环境下测试耦合功率曲线和贴于药瓶时测试耦合功率 曲线。由图可以看到模型样品的谐振频与设计基本一致，贴于药瓶时，频率变化比例为1.19亦符合。
       

               

        　　图3.3(a)

       

               

        　　图3.3(b)

         

        标签性能可以通过读标签开启功率扫频法测试标签贴于药瓶时的读灵敏度，进一步可推算出标签在实际场景中应用时的读距。图3.4为扫频法测试的标 签实际应用中的读灵敏度。由灵敏度曲线图可知最佳灵敏度频段在895-920MHz，可满足目标频带应用，且灵敏度达应用要求。再通过模拟应用场景进行药 品盘点验证确认真实应用符合性。
       

               

        　　图3.4

         

        4天线匹配性的测量
        标签天线会因加工工艺的偏差而产生参数偏差，芯片在绑定工艺中也会因绑定工艺产生不同的分布电容值，所以标签天线与芯片的匹配性往往与设计存在 一定偏差。为了优化匹配性，通常还要做匹配性测量。匹配性测量区别于标签性能测量，虽然测量匹配性的目的是为了优化标签性能，同时通过测量标签的性能也可 以反应出天线的匹配性，但匹配性测量更具有针对性，可以通过匹配性测量指导设计及工艺优化方向。
         
       

               

        图4.1

         
        如图4.1所示电路原理图是用于HF标签匹配性测量的测试选件电路，使用亥姆霍兹双线圈测试技术，
         
        不仅可以测量标签谐振频率还可以测量出磁偶极矩和Q值。图4.2为一款HF标签产品匹配性能测试照片，可清楚地反应产品谐振频率及磁偶极矩大小。
       

               

        　　图4.2

        　　
        UHF标签可使用2.3.2中所述的磁探针耦合功率测试法。磁探针耦合功率测试法不仅可以对天线进行测试，也可以用于标签测试。可以清楚地反应出标签谐振频率，可以通过谐振频率进一步确定阻抗匹配情况及设计优化调整。
         
        由磁探针耦合功率测试图谱知，标签谐振频率与天线芯片并联输入阻抗最大值相对应。可由天线输入阻抗、芯片输入阻抗及并联输入阻抗的关系，通过推算值确定匹配系数。另外附以由灵敏度测试曲线图，可确认匹配设计调整方向，优化匹配值，从而提高标签性能。
         
        5结束语
        应用于复杂介质环境下RFID标签，只要掌握了适合的设计方法，不仅易于达到预期的设计目标，还会使原本复杂的工作变得简单化，设计目标、设计 周期、设计成本透明化。不要再通过制作一大堆各种形状天线通过性能测试或试验，来选择适合的天线了，因为我们已经知道什么样的天线才是适合的。