一类平面UHFRFID抗金属标签天线的设计

蒋开明　王秀梅　特木尔朝鲁

摘要：

針对超高频（ultra-high frequency，UHF）射频识别（radio-frequency identification，RFID）标签天线在物流领域中的实际应用，设计一类可工作于金属表面的平面UHF RFID标签天线。此标签天线由辐射贴片、弯折开路短截线、介质基板和金属接地板组成，不需要短路墙或短路通孔将辐射贴片与接地板相连，更易于加工。与常用的直开路短截线结构相比，采用弯折开路短截线结构不仅可以对标签天线的阻抗进行更有效的调节，而且能够显著地减小辐射贴片的尺寸。利用曲流技术原理在辐射贴片上开槽，实现天线的小型化。仿真结果表明，此标签天线（尺寸为20 mm×80.5 mm×2 mm）阻抗匹配良好，而且将其置于20 cm×20 cm的金属表面上，实测得到其最大阅读距离可达到为9 m。与其他标签天线相比，此类天线具有阅读距离远、尺寸小、结构简单和成本低等优点，有潜在的实际应用前景。

关键词：

超高频（UHF）; 射频识别（RFID）; 抗金属标签天线; 弯折开路短截线; 阻抗共轭匹配

中图分类号：  TN828.4

文献标志码：  A

收稿日期： 2019-11-11

修回日期： 2020-05-12

基金项目：

国家自然科学基金（11571008）

作者简介：

蒋开明（1967—），男，江苏姜堰人，副教授，硕导，博士，研究方向为凝聚态物理理论、微波天线理论与设计，

（E-mail）kmjiang@shmtu.edu.cn;

王秀梅（1994—），女，山东济南人，硕士研究生，研究方向为天线理论与设计， （E-mail）760486985@qq.com;

特木尔朝鲁（1962—），男，内蒙古通辽人，教授，博导，博士，研究方向为交通运输规划与管理中建模与新算法研究、吴方法与偏微分方程对称及应用研究、智能算法， （E-mail）tmchaolu@shmtu.edu.cn

Design of planar UHF RFID anti-metal tag antennas

JIANG Kaiming， WANG Xiumei， Temuer Chaolu

（College of Arts & Sciences， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

Aiming at the practical application of ultra-high frequency （UHF） radio-frequency identification （RFID） tag antennas in the field of logistics， a planar UHF RFID tag antenna that can work on a metal surface is designed. Its planar structure， which is composed of a radiation patch， a bent open-circuited stub，a dielectric substrate and a metal ground plane， is easier to be fabricated since a short-circuited wall or a short-circuited through hole through the radiation patch to the ground plane is not needed.Compared with a commonly used straight open-circuited stub， the bent one can be employed not only to adjust the impedance of the tag antenna more effectively but also to reduce the dimensions of the radiation patch markedly. By the principle of meander technology， a slot is cut on the radiation patch to miniaturize the antenna. Simulation results show that the impedance matching of the tag antenna （20 mm×80.5 mm×2 mm） is good， and its maximum reading distance on a metal surface of 20 cm×20 cm can reach 9 m. Compared with other tag antennas， the designed antenna has potential application prospects since it has some advantages of large reading distance， small dimensions， simple structure and low cost.

Key words：

ultra-high frequency （UHF）; radio-frequency identification （RFID）; anti-metal tag antenna; bent open-circuited stub; impedance conjugate matching

0 引 言

随着物联网概念的不断推广和发展，射频识别（radio-frequency identification，RFID）技术已经在生产和生活的各个领域越来越普及。采用RFID系统，在制造业中可以提高财产管理效率，强化生命周期管理，提供生产线实时信息等;在物流业中可以实现自动分类管理系统的高速化，减少货物的滞留时间等;在公共服务业中可以追踪医疗用品的流程，协调车辆调度，实现门票和门禁系统的规范管理等。由此可见，在生产和生活的诸多领域，RFID系统都发挥着至关重要的作用。

RFID是一种非接触的近距离自动识别技术，其基本原理就是利用射频信号或电磁场耦合的能量传输特性，实现对物体的自动识别。与传统的二维码和条形码相比，RFID标签具有阅读距离远、响应速度快、使用寿命长、抗干扰能力强、存储量大等优势。目前，RFID技术及其应用正处在迅猛发展阶段，其技术门槛较高，应用环境复杂，技术本身仍不够完善：一是标签成本较高，不适合大规模的商业化应用;二是标签性能还不能满足特殊领域的应用要求，比如小型化、抗金属性以及全向性等。标签天线作为RFID系统的重要组成部分，当其应用于不同的物体时，需要考虑一些特殊的因素对标签天线甚至RFID系统造成的影响。

1999年FOSTER[1]等发现金属物体对射频、微波波段的RFID标签的阻抗匹配和辐射模式的影响最为显著。2006年GRIFFIN等[2]采用无线链路预算的方法测得折叠偶极子标签天线在金属铝板表面的衰减达到了10 dB以上。2007年ARROR等[3]用实验的方法研究了无源超高频（ultra-high frequency，UHF）RFID标签天线在靠近金属物体时性能的变化，结果表明UHF近场标签天线并不能解决金属对标签天线的影响问题。2013年XI等[4]通过理论和全波仿真研究了基板厚度对抗金属标签的影响。2015年闫昕[5]通过仿真实验和推导解释了理想导体边界的驻波效应和阻抗边界效应，并分析了提升标签抗金属性的影响因素，包括空腔反射层和电磁基板大小等。

RFID标签的性能受应用环境的影响很大。在金属环境中，普通标签的识别距离会明显缩短，甚至无法正常工作[6]。金属物体对标签的不良影响主要体现在两个方面：①金属表面需要满足理想导体边界条件，这使得金属表面附近的电场严重衰减，也导致天线的辐射方向图发生严重变化，其增益大大下降，以至于无法正常工作;②金属物体严重影响天线阻抗，使得标签天线与标签芯片的阻抗不匹配，因而导致反射损耗的増加。

為提高普通RFID标签在金属环境中的应用性能，学者们提出了一些改进的方法。赵犁等[7]采用垫高标签的方法消除金属干扰的负面影响，利用金属对电磁波的反射加强标签的读取性能，但标签天线的尺寸较大。PHATARACHAISAKUL等[8]利用电磁带隙（electromagnetic bandgap， EBG）结构在特定频率对反射波的相位进行调制，从而降低了金属板对标签天线性能的不利影响，但这种方法不仅加工难度大而且制作成本过高。利用微带天线[9]或平面倒F天线[10]（planar inverted-F antenna， PIFA） 结构将金属物体表面看作标签天线的接地板，是目前最广泛采用的一种抗金属方法，但一般需要短路墙或短路通孔连接辐射贴片与接地板，加工难度大，而且标签天线的制作成本远远高于普通类偶极子标签天线。

RFID标签天线能否得到应用推广的一个重要因素就是其成本，只有成本降低了才可能进行大规模的商业化应用。在标签的制作工艺中，印刷工艺能够大大降低标签的制作成本，但要求标签必须具有完全的平面结构。MO等[11]基于微带贴片提出了一类完全平面结构的标签天线，可以采用印刷工艺制作，极大地降低了标签的生产成本。然而，此类标签尺寸较大，可能不适合某些应用场合，因此需要设计一类厚度薄、尺寸小的抗金属标签天线。

鉴于标签天线的抗金属性、小型化、低成本等性能要求，本文基于微带天线结构设计了一类平面UHF抗金属标签天线。与传统的偶极子天线相比，此类标签天线的质量轻，而且具有完全的平面结构，更易于加工，其成本也大大降低。在标签的平面结构上嵌入弯折开路短截线，不仅可以有效地调节阻抗还可以减小尺寸。此外，为更好地调节标签天线的阻抗和实现小型化，在辐射贴片上开一个矩形槽。此矩形槽可以改变贴片表面电流的原有路径，使得电流蜿蜒流过缝隙周围，贴片表面电流的路径长度增加，使得对天线输入阻抗的调节更加有效。

1 天线的抗金属性与结构优化原理

1.1 金属对标签天线的影响

应用于集装箱、汽车、武器装备等一系列金属表面的标签天线，由于涉及商品适用性以及环境适应性等复杂问题，已成为标签天线研究与设计领域的重点和难点。金属对标签天线性能的影响主要体现在以下几个方面：

（1）阅读器发射的电磁波会使金属物体内部形成涡流，涡流会进一步产生感应磁场，感应磁场的磁感线方向与入射电磁波的方向相反，因而它不仅会削弱入射电磁场的部分能量，而且会对识别区造成一定的干扰。（2）金属边界条件导致金属表面的磁感线分布趋于平缓，并近似平行于金属表面。当标签贴附于（或靠近）金属表面时，标签天线无法通过“切割”磁感线使标签芯片获得足够的电磁能量，进而造成芯片无法激活或识别距离大幅度减小的情况。（3）当天线与金属板距离很近时，金属表面产生的镜像电流会与标签天线上的电流相互抵消，从而导致天线的阻抗性能急剧变化，进而造成标签天线与标签芯片之间原有的良好匹配条件遭到破坏。（4）金属表面会对天线产生加感的影响，导致标签天线的辐射电阻减小，辐射效率降低。

当普通标签直接应用于金属表面时，上述4个方面的影响将导致天线的读写距离大幅度缩短，方向性、辐射特性及增益等都受到很大的影响。目前常用的抗金属方法是利用微带天线结构的。微带天线属于谐振天线，典型的微带天线结构是由上层的辐射贴片、中间层的介质基板和下层的金属接地板构成的，这三者构成了一个谐振腔，电磁波在介质基板中传播，并在微带天线两端缝隙处向空间辐射。采用微带天线设计标签天线，将金属物体表面看作标签天线的接地板，自然能够达到抗金属的目的。此外，微带天线具有高方向性、体积小、质量轻、轮廓低、容易加工、价格低等优点，因此本文所设计的抗金属标签天线以微带天线为原型。

1.2 标签天线结构的优化

利用微带天线设计的抗金属标签天线，可以采用嵌入式馈电实现天线与芯片的阻抗匹配。本文使用的标签芯片为MONZA R6芯片[12]，其阻抗值为复数，且存在一定的容抗。此外，标签芯片直接与标签天线相连，两者的阻抗匹配对整个标签性能的影响很大。嵌入式馈电虽然能够在一定程度上对阻抗进行匹配，但该方法对芯片阻抗的虚部影响有限，因此需要采用其他的方法进行改善。

恰当长度的开路或短路短截线能够提供任意电抗值[13]，因此采用开路或短路短截线能够实现天线与芯片阻抗虚部的匹配。在实际应用中，需要根据实际情况具体选用开路或短路短截线实现天线与芯片阻抗虚部的匹配。开路短截线具有完全平面结构，制造工艺简单，成本较低，且在阻抗调节方面性能较为优越，可实现任意电抗的匹配。

采用开路短截线结合嵌入式馈电的微带天线能够较好地实现天线与芯片的阻抗共轭匹配。然而，开路短截线在结构上的缺陷使得微带天线整体体积增大，尤其是基板长度增加给天线设计带来了额外的成本，此外较大的尺寸也将限制天线的实际应用范围。因此，在不改变天线原有结构的基础上，采用弯折开路短截线代替原来的直开路短截线可以在一定程度上缩小天线的整体体积。

在天线与芯片的阻抗匹配方面，弯折开路短截线也可以通过耦合作用改变天线的阻抗值，为实现天线与芯片的阻抗匹配提供了新的途径。虽然弯折开路短截线会使辐射方向图产生一定的变形，但并不影响天线在主辐射方向的特性，且对识别距离的影响也较小。

在天线的辐射贴片表面或金属接地板上开槽或细缝后，电流会绕着槽边曲折流动，电流路径长度增加[14]。在天线等效电路中，曲流技术相当于引入了额外的级联电感， 降低了天线的谐振频率。为保证天线的谐振频率不变，必然要减小贴片的尺寸（即减小天线谐振电路的等效电容值）。槽或缝隙不会改变天线原有的结构，能够保持天线低剖面的特点。因此，采用曲流技术实现抗金属标签的小型化无论是在效果上还是工艺上都是切实可行的。

2 天线结构设计

在此标签天线的设计中，采用MONZA R6芯片激励其辐射贴片，此芯片的读取灵敏度为-20 dBm。标签天线的首要设计性能指标就是它的最大读取距离，即标签获得最小激活能量时对应的读取距离。因此，选择芯片读取最小典型功率值时的阻抗值作为需要匹配的芯片参考阻抗。当工作频率为915 MHz时，芯片的阻抗值为（16-i110） Ω。在规定的等效全向辐射功率下，为实现能量的最大传输以获得更远的阅读距离，标签天线的阻抗设计值就必须等于此芯片阻抗值的共轭值。

图1展示了设计的标签天线的结构模型，图中对各尺寸参数进行了标示。这类标签天线结构由辐射贴片、弯折开路短截线、介质基板和金属接地板组成。介质基板的选择关系到标签天线的损耗、成本和体积。虽然FR4介質基板有较大的损耗角正切（为0.02），但其相对介电常数（为4.4）较大，且价格便宜也适合于表面覆铜工艺，因此本设计采用厚度为2 mm的FR4介质基板材料。介质基板的正面和背面分别为辐射贴片和金属接地板。

为有效地调节标签天线的阻抗，采用嵌入式馈电结构。嵌入深度和宽度分别用Lin和Win表示。开路短截线的电抗调节范围为（-∞，+∞）[11]，因此利用开路短截线结构可以较大范围地调节标签天线的电抗值。虽然文献[11]中的直开路短截线结构可以有效地调节标签天线的输入阻抗，但因长度太长而导致标签天线的总尺寸过大。为显著降低标签天线的总尺寸，本设计采用弯折开路短截线结构来调节其输入阻抗。

许多实际应用环境对抗金属标签的尺寸有严格的要求，因此为提高标签天线的辐射效率，应充分利用有限的设计空间。本设计根据曲流技术原理，通过在辐射贴片表面开槽增加贴片表面上的电流路径长度，这相当于引入了额外的级联电感， 从而降低天线的谐振频率。因此，为不改变天线的谐振频率，就必须减小天线的尺寸，也就是减小天线谐振电路的等效电容。用这种开槽的方法，也可以达到小型化标签天线的目的。如图1所示，槽的宽度和长度分别用Wm和Lm表示。

3 天线仿真分析

应用有限元电磁仿真软件Ansoft HFSS 14.0对设计的标签天线进行建模、仿真和优化。在模式驱动求解类型下，采用集总端口激励，频率扫描范围为860～960 MHz。当分析某一特定参数对标签天线的影响时，其他参数取值（见表1）保持不变。对仿真结果进行优化分析，最后获得标签天线的最佳尺寸。

根据传输线理论，当标签天线阻抗与标签芯片阻抗达到共轭匹配时，标签天线可以获得最远的阅读距离。为实现两者阻抗的共轭匹配，天线阻抗的调节需要更加灵活。因为标签芯片的电抗值远大于其电阻值，所以其电抗的匹配比其电阻的匹配更重要。根据微带天线理论，嵌入式馈电结构能够有效调节贴片天线的输入阻抗。嵌入式馈电结构的输入阻抗为

Zinset=ZAcos²（πLin/L）（1）

式中：ZA是微带天线谐振时的输入电阻值;Zinset为边缘馈电时的天线阻抗值。经仿真分析，嵌入式馈电结构的深度和宽度对标签天线的电抗影响较小，但对其电阻影响较大，而弯折开路短截线的长度对标签天线阻抗的影响正好相反，即对其电抗影响较大但对其电阻影响较小。因此，改变嵌入式馈电结构尺寸和弯折开路短截线的长度可以有效地调节标签天线的阻抗，实现标签天线与标签芯片良好的阻抗共轭匹配。

图2a和图2b分别给出了嵌入深度Lin从9.5 mm增加至10 mm、10.5 mm和嵌入宽度Win从7 mm增加至8 mm、9 mm时标签天线的输入电阻随频率变化的曲线。结果表明，随着嵌入深度Lin和宽度Win逐渐增大，标签天线的输入电阻皆逐渐减小。由式（1）可知，对于嵌入式馈电的微带天线，在一定程度上增加嵌入深度Lin可以降低天线的输入阻抗值，本文所得仿真结果与此相符。因此，通过改变嵌入馈电结构尺寸可以有效地调节天线的输入电阻值。在图2c中，针对弯折开路短截线中长度为L3的一段（见图1），当其长度L3从2.9 mm增大到3.9 mm、4.9 mm时，标签天线的输入电抗值显著增大;在915 MHz的谐振频率处，其电抗值依次为85.3 Ω、109 Ω和125.5 Ω，变化幅度比较大;当L3=3.9 mm时其阻抗虚部接近共轭匹配电抗值110 Ω。在图2d中，针对弯折开路短截线中长度为L4的一段（见图1），当其长度L4从15 mm增大到17 mm、19 mm时，标签天线的输入电抗值也不断增大。在915 MHz的谐振频率处，其电抗值依次为96.1 Ω、109 Ω和121.8 Ω。以上结果表明，采用弯折开路短截线可以在较大范围内调节标签天线的电抗。文献[11]中直开路短截线的长度为46 mm，而本设计中沿着贴片长度方向的弯折开路短截线的长度仅为14.5 mm（即L1+2L3-2Ws），但其总长度达到了59 mm（即L1+L2+2L3+2L4）。因此，采用嵌入式弯折开路短截线不仅能有效地调节标签天线的阻抗值而且能实现标签天线的小型化。

下面研究在辐射贴片表面开槽对标签天线性能的影响。图3a和图3b分别给出了槽长Lm取不同值时标签天线的输入电阻和输入电抗随频率变化的曲线。结果表明，随着槽长Lm从11 mm增加到12 mm、13 mm，在915 MHz的谐振频率处，标签天线的输入阻抗分别为（17+i94.4） Ω、（22+i109） Ω、（32+i129.1） Ω。随着槽长Lm的增大，辐射贴片表面电流的路径长度增加，导致标签天线的电感变大，因而其输入阻抗就具有更大的感抗，因此调节槽长Lm可以改变标签天线的阻抗值。特别地，当Lm=12 mm时，标签天线与芯片几乎达到了阻抗共轭匹配。其阻抗共轭匹配是为了获得最大传输功率。最大功率传输系数对应标签天线的谐振频率。随着槽长Lm逐渐增大，标签天线的谐振频率逐渐降低，见图3c。当标签天线获得最大传输功率时，反射系数S11最小，见图3d。随着槽长Lm增大，对应的谐振频率向低频方向移动。

图4a和图4b分别给出了槽宽Wm取不同值时标签天线的输入电阻和输入电抗随频率变化的曲线。随着槽宽Wm从12 mm增加到12.5 mm、13 mm，在同一频率处标签天线的电阻值和电抗值不断

增加，变化幅度较大且总体变化保持一致，在915 MHz处，天线的阻抗值分别为（15+i89） Ω、（22+

i109） Ω、（39.2+i141.8） Ω。特别地，当Wm=12.5 mm时，标签天线与芯片几乎达到了阻抗共轭匹配。从图4c和图4d可以看出，随着槽宽Wm的增加，标签天线的谐振频率逐渐降低，其阻抗值改变，导致S11最小值逐渐增大并向低频方向偏移。仿真分析表明，辐射贴片表面矩形槽的尺寸在很大程度上决定其表面电流路径的长度进而影响标签天线的等效电感和阻抗。当矩形槽尺寸增大时，贴片表面电流路径长度相应增加，从而导致标签天线的等效电感增加，于是其阻抗随之增大，而其谐振频率随之降低;当矩形槽尺寸减小时，电流路径长度减少，导致标签天线的阻抗减小而其谐振频率升高。因此，矩形槽的长宽仅需做出很小的改变即可在较大范围内调节天线的阻抗。

4 天线仿真及实物测试结果

为检测标签天线在金属环境中的性能，将标签天线附在一个20 cm×20 cm的金属板上进行仿真及测试。通过对参数进行优化调谐，得到标签天线的最优尺寸，见表1。标签天线的谐振频率主要由电抗匹配点控制，在谐振频率处，经仿真优化其输入阻抗为（22+i109） Ω。最优尺寸标签天线的反射系数和增益见图5。由图5a可知，在谐振频率915 MHz处，反射系数S11为-15.4 dB，小于-10 dB，说明标签天线与芯片实现了良好的阻抗共轭匹配。标签天线的-3 dB带宽达到了29 MHz（900～929 MHz），而其-10 dB带宽达到了8 MHz（911～919 MHz），覆盖了许多国家和地区（包括中国和美国）所使用的部分或全部频段，因此此标签天线可以在RFID应用中发挥一定的作用。由图5b可见，在谐振频率915 MHz处，标签天线的增益为-6.5 dB。此标签天线增益和文献[15-16]中提出的标签天线的增益都比较低。标签天线的增益取决于其电尺寸，而此标签天线的工作频率较低，即波长较大，因而其电尺寸较小，因此其增益就相对较低。将标签天线置于20 cm×20 cm的金属板上，实测得到标签天线在E面和H面的2D辐射方向图，见图6。可见，安放于金屬平面上的标签天线在E面具有半球形辐射方向图，其主瓣很宽且具有半球形全向性，而在H面则接近全向，这有助于标签在大的空间角范围内被快速地识别。

UHF RFID标签天线的优势在于其识别范围大，因此其最大识别距离为最重要的设计参数。根据Friis公式[17]，标签天线的阅读距离计算公式为

r=λ4πPEIRPGτPth

（2）

式中：PEIRP为阅读器天线的等效全向辐射功率;λ是天线的谐振波长;G为标签接收天线的增益;τ是标签天线与标签芯片之间的功率传输系数;Pth为标签芯片的最小激活功率。因此，标签天线的最大阅读距离主要取决于G、τ和Pth。由文献[18]可知，功率传输系数τ的公式为

τ=4RaRcZa+Zc2

（3）

式中：Za=Ra+iXa，Zc=Rc+iXc，Ra和Xa分别表示标签天线的电阻和电抗，Rc和Xc分别表示芯片的电阻和电抗。当功率传输系数τ=1时，标签天线与芯片达到了完全的阻抗共轭匹配，标签天线的阅读距离最大。

图7展示了根据最终的仿真结构优化参数制作的标签。采用Voyantic Tagformance测量系统对设计的标签天线的性能进行测试。图8展示了是该测量系统的各部分的图片。它是RFID行业内标志性的标签测试设备，具有频带宽、响应速度快等优点，能够精确测量UHF标签的前向灵敏度、反向灵敏度、读取距离和方向图等一系列性能参数。该测量系统使用的阅读器天线的增益为8 dB，用于发射无线电波来激活芯片和接收来自标签的反向散射信号。如图9所示，在暗室中将标签放置在20 cm×20 cm的金属板中间进行测试。图10为标签天线仿真与实测的阅读距离结果对比。根据式（2）计算可得，在902～928 MHz的UHF RFID频带内，标签天线的最大阅读距离为9.8 m（标签天线的读取距离采用有效各向同性辐射功率PEIRP=4 W计算），而在暗室里实测得到标签天线的最大阅读距离为9 m。实测得到标签天线的谐振频率为905 MHz，比仿真时谐振频率（915 MHz）低10 MHz。产生以上差异的主要原因是测试环境和阅读器以及天线制作公差等因素的影响，但是该结果完全满足当前对UHF标签天线的技术要求。为进一步检测标签天线的性能，将标签天线置于不同尺寸的金属板上测试其阅读距离（如图10所示），随着金属板的尺寸由10 cm×10 cm增至20 cm×20 cm、30 cm×30 cm，标签天线的阅读距离在一

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（编辑 赵勉）