1 引言
射頻識(shí)別(RadioFrequency Identification，RFID)技術(shù)既是識(shí)別科技，也是短程通信技術(shù)。它借助射頻訊號(hào)采集和辨識(shí)目標(biāo)物的相關(guān)信息，以非接觸識(shí)別和識(shí)別速度快等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也有物聯(lián)網(wǎng)傳感層里更主要的成員。超高頻(Ultra-High Frequency，UHF)RFID技術(shù)因?yàn)榫邆渥R(shí)別距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽成本低等特點(diǎn)，因而非常適用于物流和供應(yīng)鏈管理[1]。
抗金屬標(biāo)簽廣泛應(yīng)用在必須辨別各類金屬物體的場(chǎng)合，它消除了普通標(biāo)簽放置在塑料物體表層時(shí)讀寫(xiě)距離逐漸減少、工作可靠性大大下降或者不能正常讀寫(xiě)的劣勢(shì)。目前，國(guó)外RFID抗金屬標(biāo)簽存在著密度大、成本高、性能不穩(wěn)、設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，難以滿足我國(guó)實(shí)際市場(chǎng)應(yīng)用需求[2]。本文主要對(duì)于在金屬表層上的手動(dòng)識(shí)別問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款UHF頻段基于PCB的小型化抗金屬標(biāo)簽。標(biāo)簽具有重量小，成本低，讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
2 抗金屬原理以及設(shè)計(jì)
金屬等環(huán)境介質(zhì)對(duì)電磁波有損耗作用，金屬表層對(duì)電磁波有反射作用，嚴(yán)重制約著UHF無(wú)源RFID系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮。國(guó)內(nèi)外對(duì)抗金屬標(biāo)簽做了長(zhǎng)期的研究，為了減少塑料表面對(duì)標(biāo)簽天線的影響，目前有價(jià)值的解決方案主要有：一是合理選擇天線的類別，如運(yùn)用微帶貼片天線或倒F天線等;二是運(yùn)用雙層介質(zhì)、介質(zhì)覆蓋或電磁帶隙等結(jié)構(gòu)方式;三是運(yùn)用吸波材料等方式進(jìn)行防金屬設(shè)計(jì)[3]。為減少費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，本標(biāo)簽采用了下面抗金屬設(shè)計(jì)方式。
2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
標(biāo)簽天線的性能指標(biāo)和通常天線類似，只是在參數(shù)的規(guī)定上有所不同。這些科技性能指標(biāo)主要包含方向特征(方向圖，描述輻射場(chǎng)振幅與方向的關(guān)系曲線)、方向性系數(shù)(表征天線向某一個(gè)方向集中輻射電磁波的程度即方向圖的尖銳程度)、天線強(qiáng)度(度量天線轉(zhuǎn)換能量的有效性)、天線增益(表征天線輻射能量的集中程度)、阻抗特性、頻帶寬度(天線的工作頻段)、電壓駐波比(表征天線和饋線連接的匹配程度)等抗金屬RFID標(biāo)簽，它們?cè)诰薮蟪潭壬霞热Q于天線本身的構(gòu)架，其中阻抗特性和天線增益對(duì)RFID系統(tǒng)的作用距離影響最大[4]。
初步設(shè)計(jì)的抗金屬標(biāo)簽天線如圖1所示抗金屬RFID標(biāo)簽，天線總長(zhǎng)度為為71mm*28mm*0.5mm。在FR4基板上覆蓋一個(gè)與襯底尺寸相同的方形銅貼片，在貼片上方開(kāi)3個(gè)U型槽，通過(guò)這些設(shè)計(jì)，可以降低標(biāo)簽天線的電流模式長(zhǎng)度，從而有效地減少抗金屬標(biāo)簽天線的寬度。通過(guò)調(diào)節(jié)U型槽的厚度、寬度來(lái)調(diào)節(jié)天線的串?dāng)_，使得標(biāo)簽天線的串?dāng)_和芯片的頻響共軛相近，就可以覺(jué)得標(biāo)簽天線和芯片匹配。
圖 1 抗金屬標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)
3 天線仿真分析
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，首先在HFSS15.0仿真系統(tǒng)上對(duì)所提供的天線進(jìn)行建模建立跟仿真優(yōu)化。將所強(qiáng)調(diào)的天線直接放置在一個(gè)尺寸為500mm×500m的有限地面上以模擬金屬環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線的制約。標(biāo)簽芯片采用強(qiáng)盛科技的Higgs3 芯片，接收靈敏度為-20dBm，在915MHz處的輸入阻抗為27-j201Ω。
根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的建模進(jìn)行仿真，天線反射系數(shù)S11如圖2所示，可以看到抗金屬標(biāo)簽天線的頻偏較嚴(yán)重。
圖 2抗金屬標(biāo)簽天線反射系數(shù)仿真曲線
通過(guò)預(yù)測(cè)，我們覺(jué)得，抗金屬標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)是在圓形輻射貼片的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)縫操作，通過(guò)在貼片上開(kāi)槽，切斷了原本的表層電流路徑，使電流繞槽邊曲折過(guò)而模式變長(zhǎng)。而且借助改變槽的寬度，可以便捷地調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，從而有利于天線和串?dāng)_不同的標(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配。所以在天線原有基礎(chǔ)上，進(jìn)行開(kāi)縫處理，在弧形槽之間開(kāi)6條縫隙，改進(jìn)后的防金屬標(biāo)簽天線如圖3所示。
圖 3 改進(jìn)后防金屬標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)
對(duì)改進(jìn)后的抗金屬標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)U型槽的厚度、寬度或者空隙的位置長(zhǎng)度，得到最優(yōu)天線反射系數(shù)S11如圖4所示，中心頻率在917MHz附近，中心頻率處的S11在-21.5dB左右，抗金屬標(biāo)簽天線可以正常工作。
圖 4 改進(jìn)后防金屬標(biāo)簽天線的反射系數(shù)
通過(guò)仿真，抗金屬標(biāo)簽在中心頻率的增益可以超過(guò)-1.7dB，增益方向圖如圖5所示。
圖 5 抗金屬標(biāo)簽天線增益方向圖
5 結(jié)論
本文提出了一款小型化基于PCB的超高頻抗金屬標(biāo)簽天線。所設(shè)計(jì)的天線在圓形貼片開(kāi)3個(gè)U型槽，同時(shí)在弧形槽的空隙開(kāi)6條縫隙以推動(dòng)小型化。改變槽的寬度或者槽間空隙的位置長(zhǎng)度可以便于調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，有利于天線和不同的標(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配。與其它標(biāo)簽天線相比，該標(biāo)簽長(zhǎng)度最小，僅為71mm*28mm*0.5mm。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，最大讀寫(xiě)距離可以超過(guò)2m。本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，目前已進(jìn)行批量生產(chǎn)，可以應(yīng)用于各種金屬器材或設(shè)施。
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