一种新型UHF RFID抗金属标签天线的设计与分析

摘要：提出了一种用于金属物体的超高频射频识别标签天线，该天线适用于多标准超高频射频识别系统。采用在偶极子结构上增加环形微带线来增大输入阻抗，极大地提高了标签天线的增益特性。利用电磁仿真软件分析了天线性能，仿真与测试结果吻合良好。整个天线的面积为100 mmx40 mm，由于采用表面印刷结构，使得标签成本低廉、易于批量生产。
关键词：抗金属；环形天线；标签天线；超高频射频识别

0 引言
    射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种利用无线射频方式进行非接触双向数据通信，以达到目标识别并交换数据的技术。RFID系统一般由标签、读写器和计算机通信网络组成。标签存储着待识别对象的相关信息，附着在待识别对象上。通常电子标签符合IS018000-4与18000-6标准，本身无源，通过读写器的射频场获得能源，采用负载调制方式。读写器利用射频信号读／写标签信息并进行处理。PC机通过RS 232接口远程控制读写器。读写器接到命令后，通过天线发送射频命令实现对标签的操作，同时接收标签返回的数据。电子标签靠其内部天线获得能量，并由芯片(IC)控制接收、发送数据。
    国内RFID系统使用的频段主要分为低频(135 kHz以下)、高频(13．56 MHz)、超高频(Ultra High Frequency，UHF)(860～960 MHz)和微波(2．4 GHz以上)等几大类。目前越来越多的研究聚焦在了对UHF RFID系统的研究上。由于电磁波会被金属反射导致普通电子标签在金属表面无法被正确识别，这一缺点严重限制了其在物流行业的广泛应用，因此UHF标签天线的抗金属性成为了研究的热点和攻克的难点。本文在分析了金属对标签天线电磁场影响作用的基础上，提出了一种成本相对较低可用于金属环境的超高频RFID无源标签天线。该天线将环形微带与偶极子结构结合实现了在金属环境下高增益的特性。天线面积100 mmx40 mm满足了小尺寸金属环境的要求，具有较高的性价比。

1 金属对标签天线的影响
    射频识别系统工作原理图如图1所示。研究金属物体对标签天线的影响，首先要考虑天线靠近金属时金属表面电磁场的特性。根据电磁感应定理，这时金属表面附近的磁场分布会发生“畸变”，磁力线趋于平缓，在很近的区域内几乎平行于金属表面，使得金属表面附近的磁场只存在切向的分量而没有法向的分量，因此天线将无法通过切割磁力线来获得电磁场能量，无源电子标签则失去正常工作的能力。

    另一方面，当天线靠近金属时，其内部产生涡流的同时还会吸收射频能量转换成自身的电场能，使原有射频场强的总能量急剧减弱。而上述涡流也会产生自身的感应磁场，该场的磁力线垂直于金属表面且方向与射频场相反并对读写器产生的磁场起到反作用，致使金属表面的磁场大幅度衰减，使得标签与读写器之间通信受阻。另外，金属还会引起额外的寄生电容即金属引起的电磁摩擦造成能源损耗，使得标签天线与读写器失谐，破坏RFID系统的性能。

2 UHF抗金属标签天线的设计与分析
2．1 天线设计
    UHF无源标签的性能主要由两个方面决定：标签天线的增益大小以及天线与芯片之间的阻抗匹配。一种提高增益的方法是并联多个折叠型偶极子结构，因为额外的偶极子的辐射阻抗能够提高天线效率，因此本文提出在传统偶极子天线结构(见图2)上改造一段环形微带线，在不增加天线面积的情况下获得增益提高。

    该天线结构由变型弯折偶极子辐射体和环形微带线以及矩形馈电环三部分组成，将芯片贴在矩形馈电环的开口处进行激励，利用电感耦合将能量送至两个中间部分连在一起的弯折偶极子辐射体上。偶极子采用阶梯弯折状可以缩短天线的整体长度，使其结构紧凑面积缩小。天线结构如图3所示。

    将以上两种天线置于72 mmx36 mm的金属板上，采用相对介电常数为4．4，厚度为1 mm的介质板，利用HFSS软件进行仿真，最终得到功率反射系数曲线图，如图4所示。从图中可以看到，本文提出的环形天线在频率为900 MHz时功率反射系数可达到-22 dB，其性能大大优于传统天线。

    天线增益大小和它到金属板的距离密切相关，表1列出了传统天线和环形天线在距金属板距离^分别为2 mm，3 mm，5mm，10 mm时的增益值；图5是环形天线在距金属板距离为2 mm，3 mm，4 mm，6 mm，8 mm时功率反射系数的曲线。从表1中可以看出，在距金属板距离相同时，本文提出的环形天线增益始终优于传统天线，验证了该环形天线的高性能。同时，随着天线到金属板距离的增加，增益值呈现出不规律的变化趋势，因此，通过大量的仿真优化，最终观察到该天线在距金属板距离为3 mm时可获得最大增益，增益值为2．06 dBi。从图5可以看出，该环形天线工作在900 MHz时性能最好。

    接地面大小是对天线性能影响的另一个因素。通过仿真研究发现，金属面大小的变化对谐振频率、输入阻抗、带宽影响较小，但对辐射效率、方向图的影响较大。表2列出了电子标签分别位于金属表面面积为60 mm×36 mm，72 mmx36 mm，90 mmx36 mm时天线增益的变化情况。从表2可以看到标签在面积为60 mm×36 mm的金属表面工作时天线增益较低，只有1．90 dBi；随着金属表面面积增加到72 mm×36 mm，天线的增益增强到2．06 dBj，但随着金属面积的进一步增大天线的增益又有所下降，因此得出天线增益大小变化并不与金属面大小变化成正比，原因是在金属表面面积增加到一定程度时，天线的辐射方向会发生畸变，使得垂直于辐射面的辐射场减弱，此时天线的增益会有所下降。

    图6为该天线的阻抗曲线，可以看到在900 MHz时天线的阻抗为(44．24-j5．96)Ω，需要选择阻抗值为(44．24+i5．96)Ω的芯片与天线进行共轭匹配。如果使用的芯片阻抗值不是(44．24+j5．96)Ω而是其他的容性值，可以通过调整天线的开槽长度来优化其阻抗值以达到天线与芯片之间的共轭匹配。

2．2 测试结果
    本文中采用Ansoft公司的HFSS软件和安捷伦公司的N5230A矢量分析仪进行了仿真和实测。图7为天线的增益图，图8为天线的仿真与实测结果，从中可以看出实测结果与仿真结果较好吻合，验证了该设计的实用性。该天线采用相对介电常数4．4、厚度1 mm的FR4基板进行加工，实物如图9所示。

3 结 语
    本文提出了一类结构简单、兼容多标准的UHF抗金属无源电子标签天线。该天线利用环形微带线与偶极子结构的结合实现了在金属表面高增益的特性；同时，可以调节槽线长度来优化天线的特性阻抗，使其能够与芯片阻抗共轭匹配从而提高无源电子标签性能。通过实验分析得到在金属板面积为72 mm×36 mm、与天线距离为3 mm时，该天线可在900 MHz获得最大增益2．06 dBi。最后基于仿真分析，加工了一个实物天线。实际测量结果与仿真结果吻合良好，验证了该天线设计的有效性。