文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2014)05-0104-04
射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一種可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸的通信技術。常用的RFID技術有低頻(125 kHz~134.2 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻等。其中超高頻以其讀取距離大、傳送數據速度快、存儲數據量大、靈活性強、適應高速運動等諸多優點得到了迅猛發展。
最基本的RFID系統[2]由標簽(Tag)、閱讀器(Reader)和天線(Antenna)三部分組成。RFID系統應用中，標簽是影響其整體性能的關鍵因素之一。實際應用中，標簽多附著于金屬環境表面使用。然而，金屬環境對標簽的干擾大大縮小了RFID標簽的應用范圍。因此，針對特定環境設計具有抗金屬性的標簽十分必要。此外，對電子標簽設計而言，標簽的有效讀取距離是衡量標簽性能的一個關鍵指標，提高標簽的阻抗匹配度有助于優化標簽的有效讀取距離。所以，對所設計的標簽進行阻抗匹配優化非常重要。
1 標簽結構設計
1.1 金屬環境對標簽的影響
標簽主要由標簽芯片和內置天線組成，其中天線主要起到接收和發送電磁波的作用，其目的是傳輸盡可能大的能量進出標簽芯片，為標簽提供工作能量。
根據電磁場原理，場強對金屬比較敏感，容易對標簽造成影響。其影響主要來自以下兩方面：(1)金屬靠近天線時，由于電磁感應作用會在其內部產生渦流，同時吸收射頻能量轉換成自身的電場能，從而減少了射頻原有的能量；(2)金屬環境產生的渦流也會產生感應磁場，且由其產生的磁力線垂直于金屬環境表面，與射頻場強相反。由金屬環境產生的磁場對原磁場造成干擾，導致金屬表面的磁力線趨于變形，在離金屬很近的區域甚至平行于金屬表面，該區域內根本沒有射頻場，因此直接附著于金屬物體表面的標簽根本無法通過切割磁力線獲得能量，不能正常工作。
為了進一步對標簽設計進行優化，在短路環偶極子天線[6]的基礎上引入阻抗臂結構。短路環結構對天線輸入阻抗的調節主要與環的長度、寬度、激勵兩端環的長度和組成環的金屬寬度有關系，因此在設計中引入阻抗臂，通過調節阻抗臂的長度和寬度間接調節短路環的參數，從而影響天線的阻抗匹配，更容易對設計進行適應性調節。
設計出的短路環偶極子抗金屬標簽天線主要由彎折天線臂(輻射主體部分)、短路環和阻抗臂三部分組成。標簽芯片采用美國英頻杰(IMPING)公司的Monza4，并將其貼在短路環結構的開口處進行激勵。將設計出的天線制作于介電常數εr=4.4，材質為FR-4， 厚度約為5 mm，尺寸約為95 mm×10 mm的基板上，如圖2所示。其中L1為阻抗臂長度，約為36 mm;L2為阻抗臂寬度，約為0.75 mm。標簽天線材質為銅，厚0.01 mm，尺寸約為79 mm×6 mm。將設計的標簽放在面積為228 mm×80 mm的金屬板表面進行仿真測試，其各方面性能均符合設計及實際應用要求。
2 標簽天線性能分析
2.1 天線輸入阻抗圖
對所設計天線采用Ansoft HFSS軟件進行仿真，可得到天線的輸入阻抗圖[7]如圖3所示。
圖中兩條曲線分別為所設計標簽天線電阻值及電抗值隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出天線諧振頻率為922.625 MHz處的輸入阻抗為11.23+138.55 Ω，標簽電阻值匹配率為91.82%，電抗值匹配率為97.91%，整體阻抗匹配率達到了90%以上，匹配狀態良好。且在900 MHz~960 MHz頻率范圍內變化平緩，表明標簽天線和芯片的阻抗匹頻帶較寬，具有較強的魯棒性。
2.2 天線回波損耗圖
圖4所示為所設計短路環偶極子抗金屬標簽天線的回波損耗[8]曲線圖。
由計算結果可知天線具有較好的回波損耗特性和良好的頻帶特性，性能表現良好，滿足實際工程應用設計標準。
2.3 天線方向圖
天線方向圖[9]是方向性函數的圖形表示，它形象地描繪天線輻射特性隨空間方向坐標變化的關系。圖5為所設計短路環偶極子抗金屬標簽天線的H平面(φ=0°~360°,θ=90°)方向增益圖。從圖中可以看出其在φ=0°時的最大增益為-5.82 dB。圖6為所設計標簽天線的E平面(φ=0°,θ=-180°~180°)方向增益圖，在θ=90°處的增益為-5.82 dB。分析圖中數據可知，靠近金屬環境一側天線由于受到金屬吸收電磁波的干擾，天線增益銳減，可以忽略。而金屬環境的相反一側，天線表現出了對上半球面的覆蓋，增益達到了應用要求。
3 對標簽基板厚度L和阻抗臂的研究
3.1基板厚度L對天線各性能的影響
將短路環偶極子抗金屬標簽天線制作于介電常數?著r=4.4，材質為FR-4， 尺寸約為95 mm×10 mm， 厚度為5 mm的基板上，使標簽與金屬表面磁場平行的區域進行隔離，標簽達到了抗金屬的要求。且經Ansoft HFSS軟件仿真測試，標簽各方面性能均達到了實際應用標準。但在實際制作電子標簽時，加工5 mm厚的FR-4基板會有一定的工程誤差，所以研究標簽天線與金屬之間的距離即基板厚度L對標簽各方面性能的影響很有必要。 表1列出了基板厚度L對天線各特性參數的影響。
分析表1數據可以看出，隨著標簽天線與金屬環境距離的減小，天線諧振頻率、諧振頻率處的回波損耗及輸入阻抗整體呈下降趨勢，而絕對帶寬和相對帶寬整體呈上升趨勢。當基板厚度L小于4 mm時，阻抗匹配程度已小于80%，不符合實際應用需求，因此，實際加工時基板厚度應大于4 mm。
3.2 阻抗臂對標簽天線輸入阻抗影響
設計中引入阻抗臂用于優化標簽天線芯片的阻抗匹配，研究阻抗臂的尺寸對短路環偶極子天線輸入阻抗的調節作用對天線性能的優化很有必要。
如表2和表3分別列出了阻抗臂長度L1及寬度L2變化時對標簽天線輸入阻抗的電阻值Re和電抗值Im的影響。分析表中數據可知，當改變阻抗臂的長度L1時，天線的電阻值與阻抗臂長度L1成正相關，而電抗值相對只表現出微小的波動?？梢?，阻抗臂的長度L1只影響天線輸出電阻值，通過調節阻抗臂L1的長度可以達到調整天線輸出電阻值的目的；當改變阻抗臂的寬度L2時，天線的電阻值和電抗值都有較大的變化，且隨著寬度的增加，電阻值與其長度成正相關，而電抗值與之負相關，由此分析得出阻抗臂的寬度L2能夠影響天線的輸出阻抗，可以用來優化天線的阻抗值。同時調節阻抗臂的長度L1和寬度L2可以對天線的電阻值和電抗值的數值大小及比例進行調節，從而優化標簽天線與標簽芯片的阻抗匹配，使匹配達到最佳，提高天線各方面的性能。
本文基于短路環偶極子天線結構，設計了一款諧振頻率為922.625 MHz的短路環偶極子抗金屬標簽。通過將天線制作于FR-4(?著r=4.4)材質基板上，使標簽天線與金屬表面磁場平行的區域相隔離，標簽具有了抗金屬性，可以應用于金屬物體表面，而短路環結構的引入降低了標簽阻抗匹配的難度。同時本文分析了基板厚度對標簽各方面性能的影響，得出基板厚度L>4 mm時，標簽各方面性能才能達到實際應用需求；通過引入阻抗臂，可對天線的阻抗進行調節，從而優化標簽阻抗匹配，使其達到最佳。所設計標簽電阻值匹配率為91.82%，電抗值匹配率為97.91%，整體阻抗匹配率達到了90%以上。經過Ansoft HFSS軟件仿真，并對仿真結果進行分析，天線各性能參數都符合實際設計要求。
參考文獻
[1] 游戰清,李蘇劍,等. 無線射頻識別技術(RFID)理論與應用[M].北京:電子工業出版社, 2004:12-14.
[2] 翁蘇湘,趙玉廣,孫佰順.基于TMS320F2812的RFID系統設計[J].微型機與應用,2011,30(20):93-95.
[3] 張亞平,陶波,陳顯才等.小型RFID偶極子天線設計與優化[J].電子技術應用,2012,38(3):117-123.
[4] 唐濤,廖成,杜國宏.小型化UHF彎折偶極子抗金屬RFID標簽天線設計[J].微波學報,2010, 26(5):64-67.
[5] 靳釗. 無源超高頻射頻識別標簽設計中的關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學, 2011.
[6] 夏小勇,寥成,葉志紅.一種UHF頻段的標簽天線的設計與分析[J].計算機科學與工程, 2011,11(16):1671-1815.
[7] 許長青,王朱丹,盛喆,等.一種新型UHF RFID 抗金屬標簽天線的設計與分析[J]. 現代電子技術, 2013,36(15):59-61,64.
[8] MARROCCO G. The art of UHF RFID antenna design:impedance matching and size-reduction techniques[J].Published in IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2008,50(1):66-79.
[9] FINKENZELLER K. RFID handboot[M].West Susse-x:John Wiley&Sons,2010:1-6.