射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一種可借助無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間設立機械或光學接觸的通訊科技。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(shù)據(jù)速度快、存儲數(shù)據(jù)量大、靈活性強、適應高速運動等各種特點受到了迅猛發(fā)展。
最基本的RFID系統(tǒng)[2]由標簽(Tag)、閱讀器(Reader)和天線(Antenna)三個別組成。RFID系統(tǒng)應用中，標簽是制約其整體性能的關鍵原因之一。實際應用中，標簽多附著于塑料環(huán)境表面使用。然而，金屬環(huán)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(huán)境設計帶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考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(yōu)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改進非常重要。
1 標簽結構設計
1.1 金屬環(huán)境對標簽的影響
標簽主要由標簽芯片和內(nèi)置天線構成，其中天線主要起至接收和發(fā)送電磁波的作用，其目的是存儲盡可能大的能量進出標簽芯片，為標簽提供工作能量。
根據(jù)電磁場原理，場強對金屬非常脆弱，容易對標簽導致影響。其妨礙主要來自下列兩方面：(1)金屬靠近天線時，由于電磁感應作用會在其外部形成渦流，同時吸收射頻能量轉(zhuǎn)化成自身的電場能，從而降低了射頻原有的能量;(2)金屬環(huán)境造成的渦流也會形成感應電場，且由其形成的磁力線平行于金屬環(huán)境表面，與射頻場強相反。由金屬環(huán)境造成的磁場對原磁場產(chǎn)生干擾，導致金屬表層的磁力線趨于變形，在離金屬更近的區(qū)域或者垂直于金屬表層，該區(qū)域內(nèi)根本沒有射頻場，因此直接附著于塑料物體表層的標簽根本難以借助切割磁力線獲得能量，不能正常工作。
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為了進一步對標簽設計進行改進，在短路環(huán)偶極子天線[6]的基礎上采用阻抗臂結構。短路環(huán)結構對天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)主要與環(huán)的厚度、寬度、激勵兩端環(huán)的寬度和構成環(huán)的金屬寬度有關系抗金屬RFID標簽，因此在設計中采用阻抗臂，通過調(diào)節(jié)阻抗臂的厚度和長度間接調(diào)節(jié)短路環(huán)的參數(shù)，從而影響天線的串擾匹配，更容易對設計進行適應性調(diào)節(jié)。
設計出的短路環(huán)偶極子抗金屬標簽天線主要由彎折天線臂(輻射主體部份)、短路環(huán)和阻抗臂三部份構成。標簽芯片采用中國英頻杰(IMPING)公司的Monza4，并將其貼在短路環(huán)結構的開口處進行激勵。將設計出的天線制作于介電常數(shù)εr=4.4，材質(zhì)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為阻抗臂厚度，約為36 mm;L2為阻抗臂長度，約為0.75 mm。標簽天線材質(zhì)為鋁，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，其各方面性能均依照設計及實際應用要求。
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2 標簽天線性能分析
2.1 天線輸入阻抗圖
對所設計天線引入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。
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圖中兩條曲線分別為所設計標簽天線電電壓及整流值隨溫度的差異曲線。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(tài)良好。且在900 MHz~960 MHz頻率范圍內(nèi)差異平緩，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(huán)偶極子抗金屬標簽天線的回波損耗[8]曲線圖。
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由計算結果推測天線具有很好的回波損耗特性和良好的頻帶特性，性能體現(xiàn)良好，滿足實際項目應用設計標準。
2.3 天線方向圖
天線方向圖[9]是方向性函數(shù)的圖形表示，它形象地描繪天線輻射特征隨空間方向坐標變化的關系。圖5為所設計短路環(huán)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(shù)據(jù)斷定，靠近金屬環(huán)境一側(cè)天線因為遭到金屬吸附電磁波的干擾，天線增益銳減，可以忽視。而金屬環(huán)境的相反兩側(cè)，天線表現(xiàn)出了對上半球面的覆蓋，增益超過了應用要求。
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3 對標簽基板硬度L跟阻抗臂的研究
3.1基板硬度L對天線各性能的影響
將短路環(huán)偶極子抗金屬標簽天線制作于介電常數(shù)?著r=4.4，材質(zhì)為FR-4， 尺寸約為95 mm×10 mm， 厚度為5 mm的基板上，使標簽與塑料表面磁場垂直的區(qū)域進行防護，標簽達到了防金屬的規(guī)定。且經(jīng)Ansoft HFSS軟件仿真測試，標簽各方面性能均超過了實際應用標準。但在實際制作電子標簽時，加工5 mm厚的FR-4基板會有一定的項目誤差，所以研究標簽天線與塑料之間的距離即基板硬度L對標簽各方面性能的妨礙更有必要。 表1列出了基板厚度L對天線各特征參數(shù)的影響。
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分析表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著標簽天線與塑料環(huán)境距離的增大，天線諧振頻率、諧振頻率處的回波損耗及輸入阻抗整體呈增長態(tài)勢，而絕對帶寬和相對帶寬整體呈下滑態(tài)勢。當基板硬度L小于4 mm時抗金屬RFID標簽，阻抗匹配程度未大于80%，不符合實際應用需求，因此，實際加工時基板硬度要高于4 mm。
3.2 阻抗臂對標簽天線輸入阻抗影響
設計中采用阻抗臂用于改進標簽天線芯片的串擾匹配，研究阻抗臂的寬度對短路環(huán)偶極子天線輸入阻抗的調(diào)節(jié)作用對天線性能的改進更有必要。
如表2和表3分別列出了阻抗臂厚度L1及長度L2變化時對標簽天線輸入阻抗的阻值值Re和電抗值Im的影響。分析表中數(shù)據(jù)斷定，當改變阻抗臂的寬度L1時，天線的阻值值與頻域臂厚度L1成正相關，而電抗值相對只表現(xiàn)出微小的波動?？梢?，阻抗臂的寬度L1只影響天線輸出電壓值，通過調(diào)節(jié)阻抗臂L1的寬度可以超過調(diào)整天線輸出電壓值的目的;當改變阻抗臂的長度L2時，天線的阻值值跟電抗值都有較大的差異，且隨著尺寸的降低，電阻值與其重量成正相關，而電抗值與之負相關，由此預測得出阻抗臂的長度L2能夠影響天線的輸出阻抗，可以用來改進天線的阻抗值。同時調(diào)節(jié)阻抗臂的厚度L1和長度L2可以對天線的阻值值和電抗值的數(shù)值大小及比重進行調(diào)節(jié)，從而改進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。
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本文基于短路環(huán)偶極子天線結構，設計了一款諧振頻率為922.625 MHz的短路環(huán)偶極子抗金屬標簽。通過將天線制作于FR-4(?著r=4.4)材質(zhì)基板上，使標簽天線與塑料表面磁場垂直的區(qū)域相隔離，標簽具有了防金屬性，可以應用于金屬物體表層，而短路環(huán)結構的采用增加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制約，得出基板厚度L>4 mm時，標簽各方面性能能夠超過實際應用需求;通過采用阻抗臂，可對天線的串擾進行調(diào)節(jié)，從而改進標簽阻抗匹配，使其超過最佳。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(jīng)過Ansoft HFSS軟件仿真，并對仿真結果進行預測，天線各性能參數(shù)都依照實際設計規(guī)定。
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