一種新型寬頻帶標(biāo)簽天線的設(shè)計與分析

摘要：提出一種寬帶電子標(biāo)簽天線，該天線適用于多標(biāo)準(zhǔn)超高頻射頻識別(RFID)系統(tǒng)，由一個類偶極子輻射體和一個饋電環(huán)構(gòu)成。類偶極子輻射體包含兩個變形彎折偶板子天線，這兩個變形彎折偶極子天線的長度有差別。它們可以形成兩個相近的諧振點，使得天線的阻抗(特別是虛部)在840～956 MHz的范圍內(nèi)保持平穩(wěn)，以獲得與芯片阻抗在較寬頻段內(nèi)的良好的共軛阻抗匹配，從而使天線獲得一個非常寬的帶寬(840～975 MHz)。該帶寬足以覆蓋全球超高頻RFID頻率范圍，使得標(biāo)簽可以全球通用，大大減少了重復(fù)設(shè)計工作量，有效降低了成本。最后基于仿真模型，加工了一個天線實物，實物測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。
關(guān)鍵詞：偶極子天線；阻抗匹配；射頻識別；帶寬

0 引言
RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動的無線電射頻識別技術(shù)，它通過無線射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。該技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是一項利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。作為一種自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)在商業(yè)、制造業(yè)、交通運輸業(yè)、物流管理、安全檢查、票證管理、軍事裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用行業(yè)不斷擴大，理論得到豐富、發(fā)展和完善，正在發(fā)展成為一個跨專業(yè)的獨立領(lǐng)域。許多企業(yè)紛紛投入到射頻技術(shù)的應(yīng)用與推廣中，以此來提高運營效率和效益。美軍是最早將RFID技術(shù)運用于軍事物流的國家，并在實戰(zhàn)中取得了令人矚目的軍事效益，RFID技術(shù)已逐步成為提高軍事物流供應(yīng)鏈管理水平，降低保障成本，增強物流保障能力的重要技術(shù)工具和手段。國內(nèi)RFID目前主要使用的頻段有125 kHz(低頻)、13．56 MHz(中高頻)、902～928 MHz(超高頻)，越來越多的研究機構(gòu)開始對超高頻(UHF)REID系統(tǒng)進行研究，以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠距離、高速率、低成本等特性。
由于UHF頻段電子標(biāo)簽具有遠距離、動態(tài)下讀取信息的能力，所以已在停車收費、零售管理、公共交通和汽車安全防盜等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。天線是RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，這是因為天線的尺寸制約著標(biāo)簽小型化發(fā)展，而天線的寬頻帶對減少標(biāo)簽成本都有實際意義。出于低成本和簡化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的需要，標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線一般是直接連接，期間沒有任何匹配電路。這就要求天線的阻抗設(shè)計要與阻抗匹配，以實現(xiàn)最大功率傳輸。而芯片的阻抗與傳統(tǒng)的50 Ω不同，典型值一般是實部較小，而虛部較大的復(fù)阻抗。要匹配這樣一個復(fù)阻抗，會使天線的帶寬變窄，因此寬帶RFID標(biāo)簽天線成為當(dāng)前研究的熱點和難點。
本研究基于兩個變型彎折偶極子天線，通過引入合適的饋電結(jié)構(gòu)同時進行饋電，使天線的帶寬得以拓寬。并基于電磁仿真軟件Ansoft HFSS的仿真分析，設(shè)計并加工了一個實物天線。實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了該設(shè)計的有效性。

1 天線原理與設(shè)計
根據(jù)參考文獻，天線模型可以等效為如圖1所示的天線模型。當(dāng)寄生單元無限長時，圖1模型可以等效為圖2所示的等效電路模型。