RFID標(biāo)簽用縫隙天線分析與設(shè)計(jì)

　　1　引言

　　無線射頻識(shí)別(簡稱為RFID)系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器和后臺(tái)主機(jī)組成。RFID標(biāo)簽由專用的IC芯片和一根連接在芯片兩端上的天線組成。在RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中，天線與芯片之間的阻抗匹配程度決定著RFID系統(tǒng)性能指標(biāo)，標(biāo)簽小型化要求其天線小型化，標(biāo)簽天線小型化是標(biāo)簽設(shè)計(jì)者永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。

　　近來，有一些標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的報(bào)道，例如折疊型偶極天線、V型偶極天線、倒F型天線、環(huán)型天線和分形天線等等[1-3]。這些天線的輪廓外形大都是半波振子的變形，長度大約為波長的一半，顯得大了點(diǎn)，阻抗匹配不容易也不方便，它們的帶寬狹窄，加工制造復(fù)雜，因此不利于RFID技術(shù)的推廣普及應(yīng)用。

　　縫隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大

　　降低成本。近年來雖然有一些研究縫隙天線的文章[4-5]，但彎折縫隙天線的諧振特性分析與標(biāo)簽用縫隙天線鮮見報(bào)道。因此，彎折縫隙天線的諧振特性研究和嘗試在915MHz頻段用縫隙天線來設(shè)計(jì)RFID標(biāo)簽天線具有廣闊的市場前景。

　　為此，本文矩量法研究了縫隙彎折次數(shù)、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對(duì)矩形縫隙天線諧振特性的影響。最后，根據(jù)給定的標(biāo)簽芯片，提出了一款UHF射頻識(shí)別標(biāo)簽用的縫隙天線，制作了相應(yīng)的實(shí)物天線。仿真與測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線適合于RFID標(biāo)簽應(yīng)用。

　　2　縫隙天線分析

　　縫隙天線有平面與非平面之分。平面縫隙天線按照縫隙的形狀可以分為矩形縫隙和非矩形縫隙天線。理想平面矩形縫隙天線是在無限大無限薄的理想導(dǎo)體平板上開矩形槽縫所構(gòu)成，槽縫的寬度比其長度小得多。對(duì)偶原理是分析縫隙天線輻射的基本理論?？p隙天線與其互補(bǔ)電振子具有相似的輻射場分布特性(方向圖)，區(qū)別是其電場與磁場的位置互換?？p隙天線阻抗Z1與其互補(bǔ)的電振子的阻抗Z2之間存在如下的互補(bǔ)關(guān)系:

　　縫隙天線的饋電激勵(lì)方式主要有電磁藕合和直接相聯(lián)的接觸式饋電。電磁藕合饋電是貼近(非接觸)饋電。直接相聯(lián)饋電是接觸式饋電?；跇?biāo)簽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，宜采用接觸式饋電，即標(biāo)簽用縫隙天線與標(biāo)簽芯片直接相聯(lián)饋電，這樣不僅能簡化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，便于集成化，而且還能降低成本，推廣普及RFID技術(shù)的應(yīng)用。

　　彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，平片大小為L×W，縫隙彎折寬度和高度分別為s和h，縫隙離饋電中心距離為l。以下討論這些參數(shù)的改變對(duì)縫隙天線諧振特性的影響。

圖1　彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)

　　2.1　彎折次數(shù)的影響
　　圖2(a)、(b)、(c)和(d)分別為矩形長直縫隙(沒有彎折)、2、4和6個(gè)對(duì)稱矩形彎折的縫隙天線結(jié)構(gòu)圖。分析條件是，L=120mm,W=100mm，h=10mm，縫隙的寬度為1mm,縫隙的水平長度為115mm。矩量法仿真結(jié)果的反射系數(shù)S11曲線如圖3(a)所示。4條天線具有如圖3(b)所示相似的輻射方向圖。

圖2　平面垂直彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)

圖3　S11曲線和天線輻射方向圖

　　表1是圖2各彎折縫隙天線的諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、反射系數(shù)S11值、增益和效率關(guān)系表。仿真結(jié)果顯示，2個(gè)彎折的諧振頻率比沒有彎折的約小290MHz，4個(gè)彎折的諧振頻率比2個(gè)彎折的約小240MHz，6個(gè)彎折的諧振頻率比4個(gè)彎折的約小160MHz。可見彎折能有效地降低縫隙天線的諧振頻率，可用于縮減縫隙天線的尺寸。同時(shí)增益隨著彎折數(shù)目的增大逐漸下降，阻抗帶寬也隨之減小,諧振點(diǎn)阻抗變化不大。

　　2.2　彎折高度的影響
　　改變縫隙的高度h，l=18mm，s=17mm，L×W=120mm×100mm來分析本問題。仿真結(jié)果的S11曲線如圖4所示。四條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。表2是縫隙彎折高度h與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表。
　　
　　由圖4和表2可以看出，隨著縫隙彎折高度h的增加，諧振頻率與阻抗逐漸減小，S11值遞增和增益隨之遞減，-10db阻抗帶寬也逐漸減小。

　　2.3　彎折位置的影響
　　h=10mm，s=10mm，L×W=120mm×100mm,改變l的值來分析本問題。仿真結(jié)果的S11曲線如圖5所示。4條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。

圖4　S11曲線

　　表3是縫隙彎折位置與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表。由圖5和表3可以看出，隨著彎折與饋電中心距離l的增大，諧振點(diǎn)阻抗遞減，諧振點(diǎn)處的S11值逐漸增大，天線其它參數(shù)基本不變。

　　2.4　彎折寬度的影響
　　l=9.5mm，h=10mm，L×W=120mm×100mm，改變縫隙寬度s來分析。仿真結(jié)果的S11曲線如圖6所示。
　　
　　4條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。表4是縫隙彎折寬度與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表?？梢钥闯?，除諧振頻率隨彎折寬度微降外，天線其它參數(shù)的變化不大。

　　2.5　天線平片大小的影響
　　在h=l=s=10mm，L=120mm，改變W來分析本問題。仿真結(jié)果的S11曲線如圖7所示。

　　4條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。表5是縫隙平片大小與諧振頻率、諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)的S11值、增益和效率關(guān)系表?？梢钥闯?，天線諧振頻率微降，諧振點(diǎn)阻抗隨平片寬度的減小呈增大態(tài)勢，但增幅減緩，說明天線對(duì)電流的阻礙增加，增益下降。以上所有天線的效率都較高，接近100%。

　　3　設(shè)計(jì)與測試

　　基于上述縫隙天線特性的分析結(jié)果，本文在FR4基板上設(shè)計(jì)了一款RFID標(biāo)簽用矩形縫隙天線，結(jié)構(gòu)如圖8所示1工作頻率為f=915MHz，與之匹配的標(biāo)簽芯片(Atmel公司ATA5590)端口阻抗為Zchip=1210-j21710歐姆1金屬平片大小為8010mm×6010mm,縫隙寬為110mm,縫隙水平長6010mm，縫隙高為2010mm1仿真顯示天線在915MHz處的阻抗為918+j21812歐姆，與標(biāo)簽芯片端口阻抗匹配得很好，S11=-4413db，天線的方向系數(shù)為3157dbi，輻射效率為80113%。相應(yīng)仿真結(jié)果見圖9和10，圖11為制作的縫隙天線實(shí)物圖。

　　測試條件:RF信號(hào)頻率915MHz，衰減置于10dbm，調(diào)制為AM，調(diào)制深度100%和調(diào)制信號(hào)頻率為1KHz的方波。被測試天線與標(biāo)簽芯片的等效輸入電路相聯(lián)，接收來自發(fā)射天線的信號(hào)，通過測量輸入電路端口上的電壓大小來說明被測試天線的性能。在相同的條件下，測量得等效輸入電路端口上的電壓越大，說明天線接收性能越好。測試結(jié)果見表6，表中距離為發(fā)射天線到測試天線間的距離。結(jié)果說明，該縫隙天線的性能比文獻(xiàn)[6]的好。

　　另外，使用AWID公司的MPR-3014閱讀器在天線輻射功率為4W，中心頻率為915MHz，并且在標(biāo)簽天線與閱讀器天線良好接收條件下，測得閱讀距離為610m。根據(jù)文獻(xiàn)[7]報(bào)道，文中設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線基本達(dá)到了應(yīng)用要求。

　　4　結(jié)論

　　本文研究了平面矩形彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其諧振特性的影響，縫隙的彎折次數(shù)和高度能有效地降低其諧振頻率，可用于縮減天線尺寸。最后基于彎折對(duì)縫隙天線性能的影響和給定芯片，提出了一款UHF射頻識(shí)別標(biāo)簽用的縫隙天線，制作了相應(yīng)的實(shí)物天線。仿真與測試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的天線基本達(dá)到應(yīng)用要求?？梢灶A(yù)計(jì)，彎折縫隙天線將是UHF標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域看好的發(fā)展方向。