一种全球通用的小型超高频标签天线设计

谭立容 王从屹 伍瑞新

（1.南京大学电子科学与工程学院，江苏 南京210093；2.南京信息职业技术学院，江苏 南京210046）

引 言

无线射频识别（RFID）技术是利用射频信号来自动识别物体的一种技术。RFID系统一般由电子标签（包括芯片和标签天线）、阅读器和电脑等组成［1］。当前，射频识别常用的工作频率有低频频段（125kHz、134kHz）、高频频段（13.56MHz）、超高频（UHF）段（840～960MHz）和2.45GHz以上的微波频段等。超高频段和微波频段由于具有操作距离远、通信速度快、尺寸小等优点，已在停车收费、物流、公共交通和汽车安全防盗等领域逐渐得到应用。

全球各国家对UHF RFID工作频段的规定不同，例如840～845MHz（中国）、920～925MHz（中国）、868～870MHz（欧洲）、902～928MHz（北美和南美）、952～954MHz（日本），这个给射频识别技术的全球化应用造成了一定的困难。设计一种能覆盖世界各国UHF RFID频率范围的标签天线，对于RFID技术的全球化应用是极为重要的。例如，随着物流的发展RFID标签常用于货物的自动识别中。要在全球范围内使货物容易地被识别，就必须要求RFID标签能工作在一个很宽的频带内，从而保证标签中的信息能在世界各地被正确地识别出来。

为了使RFID标签能工作在全球UHF RFID频段（840～960MHz）内，首先要求标签天线能工作在上述频率范围。为此，人们研究了展宽UHF标签天线工作频带的各种技术，常见方法有：1）采用电感耦合结构［2］；2）采用电容耦合结构［3］；3）通过调节T 型匹配网络实现宽频带标签天线［4－5］；4）采用两个寄生贴片激发新的波模来增加带宽［6］，这些方法所得到的UHF标签天线虽然达到了展宽工作频带的目的，但常常需要以较大的天线尺寸为代价，它不能满足电子标签小型化的要求。虽然低温共烧陶瓷（LTCC）技术［7］、弯折的微带线［8］、引入分形缝隙环结构［9］和采用圆环结构［10］等方法已被用于电子标签小型化中，但所得标签天线的带宽往往不能覆盖全球UHF RFID频段。到目前为止，在国内外文献报道中做得较好的标签天线半功率带宽从823 MHz到971MHz（其尺寸为83mm×85.5 mm）［11］。由上可见，要实现工作频带宽尺寸小的UHF标签天线仍然是困难的。而如何实现宽带小型化的标签天线是RFID技术实际应用中必须要解决的问题。

针对宽频带标签天线研究中的问题，本文中提出了一个新的标签天线结构，它使用了一对相互连接的开口谐振环和一个电感耦合引向线来实现天线的宽带和小型化。优化设计后的天线在VSWR＜1.22的工作频带达170MHz（790～960MHz），覆盖了全球所有的UHF频段。结合具有宽频特性的商业标签芯片（RI－UHF－STRAP－08），实际制作了超高频RFID标签。对该电子标签的实际测量表明：设计仿真结果和实验结果相一致，具有较好的工作性能，能够在多种工作环境下工作。天线还具有结构简单、体积小、易于制造的优点。

1 新型标签天线结构设计与性能

在电磁工程领域中，超常材料常常用来减小微波器件的尺寸［12－13］。开口谐振环（SRR）是一种构建超常材料的基本单元，它已被用在许多微波器件如天线等的设计中。在电磁场作用下，金属谐振环具有电感L，开口处表现出电容C和金属有限电导率导致的电阻R，整个开口谐振环可以等效为一个由电容、电感和电阻串联的谐振电路。在微波段金属电阻的影响常可忽略，开口谐振环可看作在外加场感应下的LC谐振器［14］。开口谐振环具有亚波长谐振特点，它已被用于微波器件的小型化设计中，谐振频率跟开口谐振环具体尺寸大小有关。

本设计采用将两个大小不一样的开口谐振环相互连接，构成相互连接的开口谐振环对。通过尺寸优化实现小尺寸SRR的谐振频点毗邻大尺寸SRR的谐振频点，达到拓宽标签天线工作频率范围、构造小型宽带标签天线的目的。图1（a）给出了所提出的天线结构，它包括了一对相互连接的开口谐振环和一个电感耦合引向线，后者是用来获取更好的天线辐射特性。

图1

应用射频仿真软件（HFSS）对该标签天线结构尺寸进行优化设计。在厚度为1.5mm的FR4电路板上天线尺寸的最终尺寸为（单位：mm）：L3＝19.03，X3＝2，A2＝0.43，A1＝2.5，L1＝40.32，W1＝20.1，L2＝9.69，W2＝9.4，X1＝3，X2＝2.在设计中已经考虑到了天线和射频芯片之间的阻抗匹配。图2给出了仿真得到的天线电压驻波比，天线在790～960MHz范围内驻波比均小于1.22.因此，该天线可以很好地工作在全球所有的RFID UHF频段上。图3给出了天线辐射方向图的仿真结果。结果显示天线在E面表现出典型的偶极子天线的辐射特性；在H面上则近似全向辐射，能够满足在实际应用中要求能从各个方向上读取电子标签信息的需求。由仿真得到该天线在915MHz频率的天线效率为63.8%.

作为比较在表1中列出了本文设计天线和目前国内外其它宽带小型UHF标签天线的天线尺寸和工作频率。可以看到所提出的标签天线具有频带宽和面积小的特点，其综合性能优于大多数同类宽带超高频标签天线。

表1 UHF宽带标签天线比较

2 新型电子标签的制备与性能测试

基于上述优化设计的天线尺寸，在FR4环氧树脂基板（εr＝4.4，tanδ＝0.002））上实际制作了RFID标签。电子标签中的射频芯片采用了Ti公司的 RI－UHF－STRAP－08，它的工作频率覆盖了所需要的频率范围。图1（b）给出了RFID标签实物照片。RFID标签的尺寸大小为40.32mm×25.23 mm.

为了证明制备的天线具有宽频的特性，测量了天线的输入阻抗。实际测量中需要将天线和信号源的同轴线端口连接。考虑到RFID标签天线是一种平衡式天线结构而同轴线为不平衡馈电结构，直接连接标签天线与同轴线直接影响输入阻抗的测量精度。为此，采用在文献［15］中使用的标签天线输入阻抗测试方法，将标签天线通过一个平衡／不平衡转换器（见图4）与测量仪表矢量网络分析仪PNA8363连接。通过测量同轴端口的散射参数S11＼S22＼S21＼S12，标签天线的输入阻抗可以用文献［15］中公式计算。

图4 测试夹具和标签天线

图5是采用上述方法得到的标签天线输入阻抗实部和虚部。测试结果和HFSS软件仿真结果相一致，标签天线的输入阻抗和所用标签芯片阻抗基本上共轭匹配（芯片在915MHz时的阻抗为9.9－j60.53Ω）。同时在所关注频段内阻抗变化缓慢，从而有助于实现天线在全球UHF RFID频段（840～960MHz）内工作频带宽，以及较低的电压驻波比。

图5 标签天线输入阻抗的频率特性

在微波暗室中，采用Alien公司的 ALR－9900 RFID阅读器和圆极化读写器天线测量了所制备的电子标签的读取距离。图6给出了该电子标签在微波暗室的读取距离方向图。可以看到电子标签的读取距离与标签在空间的取向是有关系的。在E平面内，读取距离随方位角的不同而不同，但是在H面内读取距离和方位角基本无关，其结果和仿真得到天线辐射方向图结果基本一致。

读取距离不但和天线方位角有关，而且还与标签所处的背景材料有关。表2列出了电子标签贴在不同材料表面时的最大读取距离。显然，在不同材料表面的读写距离是不同的，然而即使是贴在金属表面上标签仍能被识别。表中的读写距离数据表明：该电子标签能够满足近距离RFID应用，如用作包裹和行李等物品的识别等。

图6 天线读取距离方向图测量结果

表2 标签天线读取距离

3 结 论

本文设计并实现了一种新型的小型宽带超高频标签天线。该标签天线的工作频带（对应VSWR＜1.22）达到170MHz（790～960MHz），覆盖了全球所有的UHF频段。比起大多数同类宽带标签天线，它具有更小的尺寸和更宽的带宽，同时结构简单、制作方便。对实际制备的电子标签的测试结果表明：该标签能够应用于不同的材料（包括金属）物体表面，其读写距离能满足从四周读取电子标签信息的需求，适合近距离RFID应用。

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