一種UHF頻段RFID標簽天線實現方案 - 全文

　　引言

　　RFID是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術，它包括電子標簽(tag)和讀寫器(reader)兩個主要部分，附有編碼的標簽和讀寫器通過天線進行無接觸數據傳輸，以完成一定距離的自動識別過程。RFID標簽天線作為RFID系統的重要組成部分，在實現數據通訊過程中起著關鍵性作用，因此天線設計是整個RFlD系統應用的關鍵。

　　典型的RFID標簽天線包括微帶貼片天線和偶極子天線。RFID標簽的性能容易受到環境介質的影響，尤其是微帶偶極子天線，當它粘貼在一般的絕緣介質(如玻璃、塑料箱等)表面，會影響天線的電感量和降低諧振頻點的品質因數;當它粘附在金屬上時，由于電磁感應的作用，會吸收射頻能量而轉換成自身的電場能，因此減弱了原有射頻場強的總能量，同時也會產生感應磁場，磁力線垂直于金屬表面，使得射頻場強的分布在金屬表面發生變形，磁力曲線趨于平緩。因此，當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時，該空間內實際并無射頻場強分布，標簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場能量，因而標簽無法正常工作。

????????本文設計了一種UHF頻段RFID標簽天線。在微帶矩形天線理論基礎上，改進了E型開槽天線的結構，用微帶線側饋代替了背饋方式，使天線與芯片能良好地匹配，并通過獲得雙諧振頻率擴大了帶寬。

　　1 微帶RFID貼片天線

　　微帶貼片天線通常是在一個薄介質基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電，如圖1所示。因為微帶貼片天線自身有一個金屬的地板，當其粘附在各種物體上時，天線背面的電磁場不會受到太大影響，故可以在多種環境下正常讀取。

　　利用傳輸線模型分析微帶天線是較有效的方法。該方法的基本假設如下：微帶貼片和接地板構成一段微帶傳輸線，傳輸準TEM波，場在傳輸方向是駐波分布。而在其垂直方向是常數;傳輸線的兩個開口端(始端和末端)等效為兩個輻射縫口徑場，即為傳輸線開口端場強，如圖2所示。

　　圖3是按照傳輸線法建立的微帶天線等效電路。Ys為縫輻射導納;Y0為微帶貼片的特性導納。

　　2 E型RFID標簽天線設計

　　對于一般的微帶貼片天線，它的輻射激勵可以等效成一個諧振回路。在矩形微帶貼片天線的基礎上，采取E型結構，即沿天線的匹配方向將金屬貼片開兩條平行寬縫 (見圖4)。由于貼片上存在兩個縫隙的作用，促使天線的諧振特性受到了影響，即原來的一個諧振回路變成了兩個諧振回路，當這兩個諧振回路的諧振頻點靠得比較近時，就達到了擴展頻帶的目的。

　　本文在E型背饋天線的基礎上，提出了一種變形的側饋天線方案，如圖5所示。天線主體由一個矩形貼片開縫構成，頂部切去了兩個角。由一個功分器和一段微帶線作為饋線與芯片匹配，而芯片的另一段通過微帶線接地。

　　由于高介電常數的介質能有效地減小天線的尺寸，所以基片選用尺寸為84 mm×54 mm×1.4mm的陶瓷氧化鋁.介電常數為9～10。微帶標簽天線的物理尺寸為：L1=47.6 mm，L2=4 mm，L3=18 mm，L4=3.5 mm，W1=1 2.6 mm，W2=10 mm，W3=6 mm，W4=2 mm，S=3 mm。

　　該天線采用的芯片在915 MHz時的阻抗為34.5一j815，呈現明顯的容抗。采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10.O對天線進行仿真。經過調試和優化，得到天線的S11曲線，如圖6所示。該天線分別在905 MHz和920 MHz有兩個諧振頻率。在905 MHz時，S11為一28 dB;在920 MHz時，S11為一37 dB，這兩個諧振頻率都比較窄，通過調整天線，使兩個諧振頻率靠近915 MHz，以達到增加帶寬的目的。該天線增益在915 MHz時仿真結果為0.34 dBi(見圖7)，滿足RFID系統讀取的要求。