一种小型化UHF频段RFID标签天线的设计

唐学锋

(湖州师范学院 信息工程学院， 浙江 湖州 313000)

射频识别(RFID)是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据.RFID系统作为一种新兴的短距离无线通信系统，近几年被广泛地应用于农产品溯源、仓储管理、门禁系统、自动收费等诸多领域[1-2].

RFID标签由标签芯片和标签天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，存储着被识别物体的相关信息.其中芯片已基本模块化，标签天线是RFID系统中最易变的部分.实际应用中，多数的RFID标签都是粘贴在比较小的物体上的，因此天线的尺寸受限是亟待解决的问题.半波长偶极子天线的尺寸比较大，不利于小型化应用.为了实现天线的小型化，人们提出了分形技术、加载技术、弯折线技术等来缩小标签天线的尺寸.加载技术通过在天线的适当位置加入有源或无源元件以改变天线的电流分布，从而增加天线的电长度实现小型化.但这使得天线结构相对复杂且伴有额外的能量损耗，导致辐射效率降低.分形天线凭借空间的填充属性和自相似性，充分利用有限的空间增加天线的电长度实现小型化.但分形天线构建相对复杂，理论分析困难.弯折线天线作为分形天线的一种简化，结构和制作工艺简单，是目前实现RFID标签小型化的理想选择[3].它在限定天线平面尺寸的情况下通过改变弯折次数、弯折高度和弯折宽度有效地增加天线的电长度，同时具有多频段、宽带、可集成等特点，因此在RFID标签天线领域应用广泛.国内外的专家学者对弯折线天线做了大量的研究[4-9].

本文针对农产品溯源系统应用，设计一种结构紧凑的小型化弯折偶极子标签天线.天线工作在UHF频段通过在弯折偶极子天线中引入T型阻抗匹配环实现天线与标签芯片的良好阻抗匹配.本文设计的标签天线具有较小的尺寸、较宽的带宽、比较高的增益和良好的辐射性能等特点.

1 天线结构设计

本文设计的UHF频段标签天线由一个弯折线偶极子主辐射体和一个T型阻抗匹配环组成，如图1所示.传统偶极子天线具有结构简单、辐射能力强、方向性好等优点.但在UHF频段半波长偶极子天线尺寸对RFID标签应用来说显得较大，以中心频率915 MHz计算，半波长为164 mm.通过对偶极子两臂进行弯折变形，有效地减小了天线尺寸.标签天线和标签芯片要做到良好的阻抗匹配才能增加标签的阅读距离.与传统的天线设计不同，RFID标签天线要与输入阻抗相连接，并非与50 Ω标签芯片相连接，在设计中要引入T型阻抗匹配环结构，在对天线尺寸没有太大影响的前提下，通过调节环结构的参数达到良好的阻抗匹配效果.在弯折偶极子臂的末端加载大面积金属贴片，能起到辅助调节主辐射体阻抗的作用，也能改善天线增益和辐射效率[10].

Fig.1 Antenna HFSS design model Fig.2 Meander line antenna and and it's equivalent circuit

1.1 弯折线原理与设计

弯折偶极子天线由多个弯折单元串联而成.以天线的半支为例分析，如图2所示，电磁波由馈电点传输到天线，带箭头的直线表示天线辐射电流的方向.弯折线水平相邻的导体段的电流具有相反的相位，从远场观察时，一对电流产生的辐射近似抵消，对外界表现为无辐射输出.而垂直方向上，辐射电流始终沿着同一个方向产生有效辐射，其弯折线天线的辐射可以等效为图2右边的直导体辐射.但是弯折线天线的有效电长度是整个弯折线长度的总和，因此减小了天线尺寸.

设计均匀弯折偶极子天线时要考虑4个参数变量：线半径(r)、弯折次数(N)、弯折高度(h)、弯折宽度(w).

本文采用电感电路模型法结合HFSS软件仿真分析天线的谐振特性，研究弯折参数对天线性能的影响.高度为H的偶极子天线的等效自感为[11-12]：

(1)

式中：H是偶极子天线高度;r是天线半径.电感电路模型法把每个弯折单元等效为一个电感，通过等效传输线模型来确定每个弯折单元的电感.每个弯折单元的特性阻抗为：

(2)

式中：w是弯折宽度.弯折单元的等效电感由输入阻抗计算：

(3)

式中：β是自由空间传播常数；h是弯折高度；ω是角频率.由此可以得到弯折次数为N的弯折天线电感为：

L=Ls+NLM.

当天线高度不变时增加弯折次数N，弯折线偶极子天线的电感会增大，从而天线的谐振频率下降.

以上通过电感电路模型法从理论上分析了偶极子弯折参数对谐振特性的影响.在天线设计时可结合电磁三维仿真软件HFSS计算优化弯折天线的结构参数.

1.2 阻抗匹配设计

根据最大功率传输定理，需要标签天线的输入阻抗与标签芯片的阻抗共轭匹配.考虑到标签的成本和体积，天线和芯片的阻抗匹配不能通过添加额外的匹配网络或电路来实现，应通过合理设计天线的结构来实现.

本文采用的T型阻抗匹配结构如图3所示.第一个偶极子长度为l，引入一个中心短路臂来调节阻抗.第二个偶极子长度为a，小于第一个偶极子长度.两个偶极子之间的距离为b，将天线源接到第二个偶极子.T型匹配结构的等效电路如图3所示.天线源点处的输入阻抗由如下公式计算得到：

(4)

通过调节T型匹配环的尺寸参数a、b和微带线宽W、W'可以调整天线阻抗和芯片阻抗，实现共轭匹配.如图3所示，T型匹配可以等效成一个阻抗变压器，对较小的偶极子总输入阻抗既有容抗特性又有感抗特性[13].

Fig.3 T-match network and it's equivalent circuit Fig.4 Antenna HFSS simulation model

2 天线仿真与性能分析

2.1 天线建模

采用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS v15.0对标签天线进行仿真设计.天线的HFSS仿真模型如图4所示.天线制作在厚度为1.6 mm 的FR-4环氧树脂介质基板上，其相对介电常数εr=4.4.用理想薄导体代替辐射贴片，在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件来模拟理想薄导体.建模后，设置辐射边界条件，辐射边界表面距离辐射源1/4波长.

2.2 仿真结果与分析

本文设计的标签天线匹配是意联科技公司(Alien)的Higgs-3标签芯片.Higgs-3是一块高度集成的单芯片UHF频段RFID标签芯片.通过芯片的数据手册可以计算或用Agilent ADS软件仿真得到芯片的输入阻抗.在915 MHz中心频率处，芯片的输入阻抗为27-j201Ω，

Fig.5 Antenna return loss(S11)

根据最大功率传输条件，天线的阻抗应设计成27+j201 Ω.图5是标签天线的回波损耗图.由图5可见，S11<-10 dB的频段范围为850 MHz～980 MHz.在谐振点915 MHz处的回波损耗为-19 dB，与芯片输入阻抗达到良好的匹配.

图6是天线在915 MHz时的三维增益方向图，图7是天线的E面辐射方向图.从两个方向图可见，天线辐射有较好的方向性，便于读写器识读，在辐射表面的最大增益达到2 dB以上.

读取距离是RFID标签的一个重要指标，采用Friis公式对标签天线的读取距离进行估算:

(5)

式中：λ是工作波长，在中心频率915 MHz时取值328 mm；Gt是读写器天线增益，Pt是读写器发射功率，两者数值可由本文使用的Alien ALR-9900读写器数据手册查到；Pth是标签天线能够正常工作的最低阈值功率，根据Higgs-3芯片数据手册查得Pth=-18 dBm；Gr是标签天线增益；τ是功率传输系数，当天线与芯片共轭匹配时，τ=1.以上数据代入公式(5)计算得到标签天线的最大理论读取距离约为10 m，满足RFID标签应用对读取距离的要求.

Fig.6 3D gain pattern Fig.7 E-plane radiation pattern

3 结 论

本文提出一款结构紧凑的小型化弯折偶极子标签天线.该款天线在传统偶极子结构的基础上引入弯折技术，实现天线尺寸的缩减，增加T型阻抗匹配环，以方便实现天线和标签芯片的阻抗匹配.仿真结果表明，小型化弯折偶极子标签天线在中心频率915 MHz时的输入阻抗与芯片阻抗能较好地实现共轭匹配，带宽覆盖UHF频段.该天线具有良好的辐射性能和较高的增益，相应的最大理论读取距离为10 m，且结构简单，成本低，易于实现，适合农产品溯源RFID系统的应用.