龍?jiān)雌诳W(wǎng) 一種小型化 UHF RFID 抗金屬標(biāo)簽天線的 設(shè)計(jì) 作者：陳志芳 萬(wàn)德松等 來(lái)源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》2013 年第 07 期 摘 要： 針對(duì)射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽天線小型化、抗金屬環(huán)境的實(shí)際需求，利用 PIFA 天 線的設(shè)計(jì)原理跟開槽線科技，設(shè)計(jì)了一種基于微帶天線結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線，將原有標(biāo)簽尺 寸縮小近 2/3，該標(biāo)簽天線工作頻段為 860～960 MHz，尺寸約 30 mm× 30 mm× 4 mm，置于 180 mm× 180 mm 的金屬板上，增益大小為 3 dBi 左右，頻段內(nèi)駐波小于 1.5，滿足了標(biāo)簽小型化、 抗金屬、低成本的要求。 關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)別； 抗金屬； 標(biāo)簽天線； 小型化 中圖分類號(hào)： TN82? 34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004? 373X（2013）07? 0083? 03 0引言 超低頻無(wú)源 RFID 技術(shù)因?yàn)槠渥x取距離較遠(yuǎn)、成本較低、讀取速度較快等各種優(yōu)勢(shì)而被廣 泛應(yīng)用。但是，超低頻無(wú)源 RFID 技術(shù)在現(xiàn)在這些應(yīng)用尚不成熟，很大程度上是因?yàn)闃?biāo)簽對(duì)于 各類不同物品的適用性以及不同場(chǎng)景的適應(yīng)性上存在的技術(shù)性問題導(dǎo)致的。尤其是金屬物體對(duì) 超低頻 RFID 標(biāo)簽性能有巨大影響，超低頻無(wú)源 RFID 抗金屬標(biāo)簽是一種專門對(duì)于塑料物體而 使用的無(wú)源超低頻 RFID 標(biāo)簽，也稱為金屬標(biāo)簽[1]。
對(duì)于普通無(wú)源超低頻標(biāo)簽，當(dāng)其貼在金屬表層時(shí)，由于標(biāo)簽天線的串?dāng)_匹配、輻射強(qiáng)度、 方向性都出現(xiàn)了差異，標(biāo)簽的讀取距離逐漸減少，甚至無(wú)法被讀取。因此必須對(duì)其進(jìn)行特殊處 理或采取特殊標(biāo)簽，以適應(yīng)在塑料表面使用。同時(shí) UHF 頻段的標(biāo)簽普遍規(guī)格較大，無(wú)法使用 在密度較小的物體上抗金屬RFID標(biāo)簽，極大地限制了 UHF 頻段 RFID 系統(tǒng)的使用范圍。 本文對(duì)現(xiàn)有的抗金屬 PCB 標(biāo)簽進(jìn)行型號(hào)增加設(shè)計(jì)抗金屬RFID標(biāo)簽，在犧牲較少增益的前提下，大大縮減 了標(biāo)簽天線的寬度，滿足了小長(zhǎng)度金屬環(huán)境要求，同時(shí)相比利用高介電常數(shù)材料來(lái)進(jìn)行縮減尺 寸的標(biāo)簽，更具性價(jià)比。采用 Impinj 的 Monza4 芯片為例進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，該芯片在中心頻率為 915 MHz 時(shí)的阻抗約為（11+134j）Ω。 1 現(xiàn)有的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu) 常見的一種抗金屬標(biāo)簽，是運(yùn)用傳統(tǒng)的微帶天線科技，文獻(xiàn)[2]已對(duì)該類別抗金屬標(biāo)簽做 了設(shè)計(jì)跟分析。典型的微帶天線結(jié)構(gòu)，是由圓形貼片與襯底，接地平面構(gòu)成了一個(gè)諧振腔，諧 振長(zhǎng)度由圓形貼片的寬度 L 決定。貼片長(zhǎng)邊兩端的空隙產(chǎn)生的邊緣場(chǎng)暴露在上半空間，并形成 龍?jiān)雌诳W(wǎng) 輻射?；鹃L(zhǎng)度 h 遠(yuǎn)大于波速，矩形貼片的濾波長(zhǎng)度 L 略大于基板介質(zhì)中的半波長(zhǎng)。
諧振長(zhǎng)度 的近似公式為： [L=0.49λd=0.49×λεr] （1） 式中：[λ]是自由空間波長(zhǎng)；[λd]是介質(zhì)中的波長(zhǎng)；[εr]是基本的相對(duì)介電常數(shù)。 選用介電常數(shù)為 4.5，厚度為 4 mm 的介質(zhì)板，經(jīng)公式（1）計(jì)算得，微帶貼片長(zhǎng)度 L=75 mm，因此設(shè)計(jì)整個(gè)標(biāo)簽天線的規(guī)格（包含介質(zhì)板），大小約為 90 mm× 25 mm× 4 mm，如圖 1，圖 2 所示。 常見微帶結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線 置于金屬板的標(biāo)簽仿真 將該種標(biāo)簽天線置于 180 mm× 180 mm 的金屬板上，利用 HFSS 軟件進(jìn)行仿真，最終受到 的增益圖跟駐波曲線圖， 標(biāo)簽天線增益 標(biāo)簽天線駐波 2 PIFA 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的標(biāo)簽天線 為了減縮尺寸，結(jié)合 PIFA 天線（平面倒 F 天線）的設(shè)計(jì)原理，PIFA 天線由地板、貼片、 饋線和接地線構(gòu)成，可以看成在貼片長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，根據(jù)鏡像原理， 將貼片中間接地，貼片長(zhǎng)度縮小為[12][3]。PIFA 天線的地線使得天線的串?dāng)_波長(zhǎng)由傳統(tǒng)的半 波長(zhǎng)增加為[14]波長(zhǎng)，這是天線小型化的一個(gè)主要方式。本文利用在貼片中間位置，放置接地 過孔，由此產(chǎn)生貼片與地面的短路，排列密集的過孔可看做短路墻（電壁）[4]， PIFA 原理改進(jìn)的標(biāo)簽天線 置于金屬板的標(biāo)簽仿真（PIFA） 龍?jiān)雌诳W(wǎng) 因此，利用 PIFA 天線的機(jī)理進(jìn)行常用微帶結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將標(biāo)簽長(zhǎng)度縮 短一半左右， 標(biāo)簽天線增益（PIFA） 3 引入十字開槽的標(biāo)簽天線 同時(shí)為了進(jìn)一步增加標(biāo)簽天線的寬度，利用打孔線方式進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。
在微帶貼片上開 槽，切斷了原本的表層電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長(zhǎng)，在等效電路中相當(dāng)于引 入了級(jí)聯(lián)電感[5]。隨著槽尺寸的降低，天線的諧振頻率也會(huì)增加，這是現(xiàn)今小型化技術(shù)中的 主要方式，同時(shí)開槽不僅無(wú)法增加天線的諧振頻率，而且能夠夠保證一定的增益和帶寬，對(duì)天 線性能的制約不大，也容易推動(dòng)圓極化和雙頻雙極化特性[6]。本文利用十字開槽線，在標(biāo)簽 天線外側(cè)分別對(duì)稱的倒角，最終標(biāo)簽天線設(shè) 標(biāo)簽天線駐波（PIFA） 十字開槽線改進(jìn)的標(biāo)簽天線 置于金屬板的標(biāo)簽仿真（十字開槽） 同樣將優(yōu)化的標(biāo)簽天線放在 180 mm× 180 mm 的金屬板上，利用 HFSS 軟件進(jìn)行仿真，最 終得到的增益圖和頻域曲線圖， 減縮尺寸后標(biāo)簽的增益 對(duì)比去掉地面金屬板時(shí)，也就是標(biāo)簽在非金屬環(huán)境仿真，得到的增益方向圖跟駐波對(duì)比發(fā) 現(xiàn)，抗金屬標(biāo)簽在金屬環(huán)境下才具備良好的性能，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中，把塑料附著地成為標(biāo)簽天線 的一部分來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，一般來(lái)講，背面金屬板的大小，影響了標(biāo)簽天線的增益大小[7]，當(dāng)沒 有附著在金屬環(huán)境時(shí)，增益急劇減少，性能也會(huì)大大降低。 減縮尺寸后標(biāo)簽的駐波 無(wú)金屬板時(shí)的增益 龍?jiān)雌诳W(wǎng) 無(wú)金屬板時(shí)的串?dāng)_ 標(biāo)簽尺寸跟增益對(duì)比 [＼&尺寸＼&增益（置于 180 mm× 180 mm 金屬板） /dBi＼&現(xiàn)有標(biāo)簽天線＼&90 mm× 25 mm＼&5.2＼&PIFA 結(jié)構(gòu)改進(jìn)＼&50 mm× 25 mm＼&4.3＼&十字開槽線＼&30 mm
