RFID標簽用縫隙天線分析與設(shè)計

　　1　引言

　　無線射頻識別(簡稱為RFID)系統(tǒng)由標簽、讀寫器和后臺主機組成。RFID標簽由專用的IC芯片和一根連接在芯片兩端上的天線組成。在RFID標簽天線設(shè)計中，天線與芯片之間的阻抗匹配程度決定著RFID系統(tǒng)性能指標，標簽小型化要求其天線小型化，標簽天線小型化是標簽設(shè)計者永遠追求的目標。

　　近來，有一些標簽天線設(shè)計的報道，例如折疊型偶極天線、V型偶極天線、倒F型天線、環(huán)型天線和分形天線等等[1-3]。這些天線的輪廓外形大都是半波振子的變形，長度大約為波長的一半，顯得大了點，阻抗匹配不容易也不方便，它們的帶寬狹窄，加工制造復雜，因此不利于RFID技術(shù)的推廣普及應用。

　　縫隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡化整機的制作與調(diào)試，從而大大

　　降低成本。近年來雖然有一些研究縫隙天線的文章[4-5]，但彎折縫隙天線的諧振特性分析與標簽用縫隙天線鮮見報道。因此，彎折縫隙天線的諧振特性研究和嘗試在915MHz頻段用縫隙天線來設(shè)計RFID標簽天線具有廣闊的市場前景。

　　為此，本文矩量法研究了縫隙彎折次數(shù)、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對矩形縫隙天線諧振特性的影響。最后，根據(jù)給定的標簽芯片，提出了一款UHF射頻識別標簽用的縫隙天線，制作了相應的實物天線。仿真與測試結(jié)果表明，所設(shè)計的天線適合于RFID標簽應用。

　　2　縫隙天線分析

　　縫隙天線有平面與非平面之分。平面縫隙天線按照縫隙的形狀可以分為矩形縫隙和非矩形縫隙天線。理想平面矩形縫隙天線是在無限大無限薄的理想導體平板上開矩形槽縫所構(gòu)成，槽縫的寬度比其長度小得多。對偶原理是分析縫隙天線輻射的基本理論?？p隙天線與其互補電振子具有相似的輻射場分布特性(方向圖)，區(qū)別是其電場與磁場的位置互換?？p隙天線阻抗Z1與其互補的電振子的阻抗Z2之間存在如下的互補關(guān)系:

　　縫隙天線的饋電激勵方式主要有電磁藕合和直接相聯(lián)的接觸式饋電。電磁藕合饋電是貼近(非接觸)饋電。直接相聯(lián)饋電是接觸式饋電?；跇撕灲Y(jié)構(gòu)特點，宜采用接觸式饋電，即標簽用縫隙天線與標簽芯片直接相聯(lián)饋電，這樣不僅能簡化標簽結(jié)構(gòu)，便于集成化，而且還能降低成本，推廣普及RFID技術(shù)的應用。

　　彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，平片大小為L×W，縫隙彎折寬度和高度分別為s和h，縫隙離饋電中心距離為l。以下討論這些參數(shù)的改變對縫隙天線諧振特性的影響。

圖1　彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)

　　2.1　彎折次數(shù)的影響
　　圖2(a)、(b)、(c)和(d)分別為矩形長直縫隙(沒有彎折)、2、4和6個對稱矩形彎折的縫隙天線結(jié)構(gòu)圖。分析條件是，L=120mm,W=100mm，h=10mm，縫隙的寬度為1mm,縫隙的水平長度為115mm。矩量法仿真結(jié)果的反射系數(shù)S11曲線如圖3(a)所示。4條天線具有如圖3(b)所示相似的輻射方向圖。

圖2　平面垂直彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)

圖3　S11曲線和天線輻射方向圖

　　表1是圖2各彎折縫隙天線的諧振頻率、諧振點阻抗、反射系數(shù)S11值、增益和效率關(guān)系表。仿真結(jié)果顯示，2個彎折的諧振頻率比沒有彎折的約小290MHz，4個彎折的諧振頻率比2個彎折的約小240MHz，6個彎折的諧振頻率比4個彎折的約小160MHz?？梢姀澱勰苡行У亟档涂p隙天線的諧振頻率，可用于縮減縫隙天線的尺寸。同時增益隨著彎折數(shù)目的增大逐漸下降，阻抗帶寬也隨之減小,諧振點阻抗變化不大。

　　2.2　彎折高度的影響
　　改變縫隙的高度h，l=18mm，s=17mm，L×W=120mm×100mm來分析本問題。仿真結(jié)果的S11曲線如圖4所示。四條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。表2是縫隙彎折高度h與諧振頻率、諧振點阻抗、諧振點的S11值、增益和效率關(guān)系表。
　　
　　由圖4和表2可以看出，隨著縫隙彎折高度h的增加，諧振頻率與阻抗逐漸減小，S11值遞增和增益隨之遞減，-10db阻抗帶寬也逐漸減小。

　　2.3　彎折位置的影響
　　h=10mm，s=10mm，L×W=120mm×100mm,改變l的值來分析本問題。仿真結(jié)果的S11曲線如圖5所示。4條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。

圖4　S11曲線

　　表3是縫隙彎折位置與諧振頻率、諧振點阻抗、諧振點的S11值、增益和效率關(guān)系表。由圖5和表3可以看出，隨著彎折與饋電中心距離l的增大，諧振點阻抗遞減，諧振點處的S11值逐漸增大，天線其它參數(shù)基本不變。

　　2.4　彎折寬度的影響
　　l=9.5mm，h=10mm，L×W=120mm×100mm，改變縫隙寬度s來分析。仿真結(jié)果的S11曲線如圖6所示。
　　
　　4條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。表4是縫隙彎折寬度與諧振頻率、諧振點阻抗、諧振點的S11值、增益和效率關(guān)系表?？梢钥闯觯C振頻率隨彎折寬度微降外，天線其它參數(shù)的變化不大。

　　2.5　天線平片大小的影響
　　在h=l=s=10mm，L=120mm，改變W來分析本問題。仿真結(jié)果的S11曲線如圖7所示。

　　4條天線的輻射方向圖與圖3(b)相似。表5是縫隙平片大小與諧振頻率、諧振點阻抗、諧振點的S11值、增益和效率關(guān)系表?？梢钥闯?，天線諧振頻率微降，諧振點阻抗隨平片寬度的減小呈增大態(tài)勢，但增幅減緩，說明天線對電流的阻礙增加，增益下降。以上所有天線的效率都較高，接近100%。

　　3　設(shè)計與測試

　　基于上述縫隙天線特性的分析結(jié)果，本文在FR4基板上設(shè)計了一款RFID標簽用矩形縫隙天線，結(jié)構(gòu)如圖8所示1工作頻率為f=915MHz，與之匹配的標簽芯片(Atmel公司ATA5590)端口阻抗為Zchip=1210-j21710歐姆1金屬平片大小為8010mm×6010mm,縫隙寬為110mm,縫隙水平長6010mm，縫隙高為2010mm1仿真顯示天線在915MHz處的阻抗為918+j21812歐姆，與標簽芯片端口阻抗匹配得很好，S11=-4413db，天線的方向系數(shù)為3157dbi，輻射效率為80113%。相應仿真結(jié)果見圖9和10，圖11為制作的縫隙天線實物圖。

　　測試條件:RF信號頻率915MHz，衰減置于10dbm，調(diào)制為AM，調(diào)制深度100%和調(diào)制信號頻率為1KHz的方波。被測試天線與標簽芯片的等效輸入電路相聯(lián)，接收來自發(fā)射天線的信號，通過測量輸入電路端口上的電壓大小來說明被測試天線的性能。在相同的條件下，測量得等效輸入電路端口上的電壓越大，說明天線接收性能越好。測試結(jié)果見表6，表中距離為發(fā)射天線到測試天線間的距離。結(jié)果說明，該縫隙天線的性能比文獻[6]的好。

　　另外，使用AWID公司的MPR-3014閱讀器在天線輻射功率為4W，中心頻率為915MHz，并且在標簽天線與閱讀器天線良好接收條件下，測得閱讀距離為610m。根據(jù)文獻[7]報道，文中設(shè)計的標簽天線基本達到了應用要求。

　　4　結(jié)論

　　本文研究了平面矩形彎折縫隙天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對其諧振特性的影響，縫隙的彎折次數(shù)和高度能有效地降低其諧振頻率，可用于縮減天線尺寸。最后基于彎折對縫隙天線性能的影響和給定芯片，提出了一款UHF射頻識別標簽用的縫隙天線，制作了相應的實物天線。仿真與測試結(jié)果顯示，所設(shè)計的天線基本達到應用要求。可以預計，彎折縫隙天線將是UHF標簽天線設(shè)計領(lǐng)域看好的發(fā)展方向。