0 引言

    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)^[1]是一種非接觸的近距離自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號或電磁場耦合的能量傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對物體的自動(dòng)識別。RFID技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、存儲信息量大、非接觸、使用壽命長、可多標(biāo)簽識別、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。RFID系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在公共交通、人員身份識別、車輛管理、自動(dòng)收費(fèi)、門禁管理等領(lǐng)域。

    無源RFID系統(tǒng)通常分為低頻（LF）、高頻（HF）和超高頻（UHF）系統(tǒng)，由讀寫器、標(biāo)簽、天線3個(gè)基本要素構(gòu)成，在設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng)時(shí)，必須考慮RFID系統(tǒng)所處的背景環(huán)境。文獻(xiàn)[2]-[4]分析了復(fù)雜環(huán)境下，無源UHF電子標(biāo)簽天線的讀寫性能，在不同環(huán)境下標(biāo)簽的讀寫性能會(huì)受到影響，尤其是當(dāng)標(biāo)簽貼附于金屬表面時(shí)，標(biāo)簽幾乎不被讀取。文獻(xiàn)[5]分析了金屬對標(biāo)簽天線的影響原因，并采用墊高型標(biāo)簽來克服金屬的影響，利用金屬對電磁波的反射來加強(qiáng)標(biāo)簽的讀取性能，但是天線尺寸較大，天線性能不理想。文獻(xiàn)[6]采用矩形微帶貼片切角和電容耦合饋電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微帶天線的圓極化、寬頻帶特性。

    本文通過對端口封閉式小型微帶天線^[7]的研究，對輻射貼片加載短路片，并采用高性能的微波介質(zhì)陶瓷^[8]作為介質(zhì)基片，在犧牲較少增益的前提下，可以對現(xiàn)有的抗金屬天線^[9]進(jìn)行尺寸縮減，并獲得良好的匹配性能。標(biāo)簽芯片采用的是EM4235型號的UHF-RFID標(biāo)簽芯片，該芯片在中心頻率為920 MHz的阻抗為18-j178 Ω。

1 抗金屬標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

    傳統(tǒng)的矩形微帶天線貼片與接地板之間的場具有以下特點(diǎn)：（1）電場只有E_x分量，磁場只有H_x和H_y分量，即微帶天線輻射沿z軸方向的TM波；（2）內(nèi)場不隨z坐標(biāo)變化；（3）四周邊緣處電流無法向分量，即邊緣處切向磁場為零，故空腔四周可視為磁壁。文獻(xiàn)[7]通過將天線空腔的一個(gè)端口用銅箔封閉，如圖1所示，介質(zhì)上表面覆蓋輻射貼片，輻射貼片長為L，寬為W。把xoz平面的左端口用銅箔封閉，這樣就構(gòu)成了一端口封閉的微帶天線結(jié)構(gòu)。

    由于理想金屬表面不存在電場的切向分量，從而使封閉端口所在的平面變成理想電壁。利用空腔理論對天線內(nèi)場進(jìn)行分析，矩形微帶天線通常都工作于TM₀₁模（或TM₁₀模），可得到TM_mn模的諧振頻率為：

    本文選用介電常數(shù)為22、厚度4 mm的微波介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)基板。作為現(xiàn)在通信技術(shù)中關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的微波介質(zhì)陶瓷，主要應(yīng)用于UHF、SHF（超高頻）頻段，具有以下優(yōu)點(diǎn)：相對介電常數(shù)高，以便于器件小型化；品質(zhì)因數(shù)Q值高或介質(zhì)損耗tanδ小，保證優(yōu)良的選頻特性。

    設(shè)計(jì)的抗金屬天線由一端接地天線輻射面、接地短截線、兩個(gè)短路片及接地平面構(gòu)成。介質(zhì)基板采用微波介質(zhì)陶瓷，厚度為4 mm，相對介電常數(shù)為22，天線寬度W為20 mm，由式（3）計(jì)算得到輻射貼片長度L約為32 mm，天線各參數(shù)分布如圖2所示。其中，L為輻射貼片整體長度，W為輻射貼片整體寬度，W_g為天線整體寬度，L_i為插入式饋電微帶線的長度，W_i為插入式饋電微帶線的寬度，L_s為接地短截線的長度，W_s為接地短截線的寬度，L₂為一端短路片長度。

2 天線模型理論及等效電路圖

    天線各參數(shù)在設(shè)計(jì)之前需要了解參數(shù)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則和參數(shù)變化對天線性能影響，本文提出的天線模型可以用圖3所示的傳輸線等效電路模型來表示。

    天線的輻射面、接地短截線和兩個(gè)接地片分別等效為一段微帶傳輸線，饋電端位于傳輸線之間，天線的輸入阻抗為這三段微帶線的串聯(lián)阻抗值，即：

    由上式可知，短截線電阻值近似為零，電抗值隨短截線的長度改變而改變，當(dāng)0<L_s<0.25λ時(shí)，其電抗值為感性。

    根據(jù)上述分析，抗金屬天線的等效輸入阻抗是輻射面阻抗、接地短截線阻抗和接地片阻抗的串聯(lián)。L_s的變化將引起傳輸線電抗值變化。當(dāng)0<L_s<0.25λ時(shí)，隨L_s的增加，傳輸線的電抗值由零增加至無窮大，所以可以通過調(diào)節(jié)L_s的大小來調(diào)節(jié)天線輸入阻抗的虛部，而其對實(shí)部的影響不大；對于天線輸入阻抗實(shí)部的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)L₂來實(shí)現(xiàn)。綜上調(diào)整L₂和L_s可以實(shí)現(xiàn)對天線輸入阻抗實(shí)部和虛部的調(diào)控，方便完成天線與芯片的共軛匹配。

3 天線仿真及結(jié)果分析

    本文使用高頻電磁場仿真軟HFSS13.0作為仿真工具。利用式（1）～式（9），并經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化可以得到天線的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

    仿真參數(shù)的定義如下：L_s和L₂是可變變量，中心頻率為920 MHz，掃頻范圍為820 MHz~1 GHz，步長為5 MHz。金屬環(huán)境的模擬采用200 mm×200 mm的金屬板來代替，天線的端口阻抗設(shè)置為芯片阻抗的共軛，即Z=18+j178 Ω。通過調(diào)節(jié)L_s和L₂，來實(shí)現(xiàn)天線輸入阻抗與芯片的最佳共軛匹配。

    使用HFSS仿真優(yōu)化后的結(jié)果如圖4所示，在920 MHz，S11最小值為-31 dB，此時(shí)天線的輸入阻抗為8+j178 Ω，表明與天線端口阻抗匹配極好。在860 MHz~960 MHz的頻段內(nèi)，S11<-15 dB的相對帶寬為11%，表明天線滿足不同國家的頻率要求。根據(jù)天線的方向圖，通過式（10）^[10]計(jì)算天線的讀取距離：

4 結(jié)論

    本文對現(xiàn)有微帶結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線進(jìn)行小型化改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用端口封閉式微帶天線的結(jié)構(gòu)原理，采用新型微波介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)基板，通過加載接地片，設(shè)計(jì)了一種32.5 mm×24 mm×4 mm小尺寸抗金屬標(biāo)簽天線，滿足了客戶對小尺寸、低成本、抗金屬標(biāo)簽的要求，同時(shí)在860~960 MHz 頻段內(nèi)，回波損耗S11<-15 dBm（相對帶寬11%），滿足寬頻帶要求。置于金屬板上的增益約為-8 dBi，滿足了大于1 m距離讀取標(biāo)簽的要求。

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作者信息:

景裕文，崔英花

（北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100101）