射頻識別技術(shù)（RFID）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其工作原理是利用射頻信號的空間耦合特性，實現(xiàn)對靜止或移動的物品的自動識別。典型的RFID 系統(tǒng)包括標(biāo)簽、讀寫器、天線和中間件四個組成部分[1]。其中，天線作為標(biāo)簽和讀寫器提供射頻信號空間傳遞的設(shè)備，是影響RFID 系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵部分，因而天線設(shè)計受到人們極大的重視。通常，RFID 系統(tǒng)可根據(jù)其作用距離分為兩種：近場系統(tǒng)和遠場系統(tǒng)。一般情況下，用于低頻（LF，125-134KHz）和高頻（HF，13.56MHz）的近場RFID 系統(tǒng)都是基于電感耦合來實現(xiàn)讀寫器和標(biāo)簽間的能量的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的傳輸，而用于超高頻（UHF，840-960MHz）和微波頻段（2.4GHZ 和5.8GHz）的遠場RFID 系統(tǒng)都是基于電磁場在讀寫器和標(biāo)簽之間的傳播。近年來，由于RFID 在單品識別方面的應(yīng)用日益受到重視，UHF 近場天線的設(shè)計技術(shù)也成為人們研究的重點[2]。

　　在近場識別系統(tǒng)中，一般讀寫器和標(biāo)簽都采用傳統(tǒng)的金屬線環(huán)形結(jié)構(gòu)，這是因為電小環(huán)形天線（直徑遠小于其工作波長）能在天線的軸向上產(chǎn)生很強的磁場。電小環(huán)天線上方的磁場強度受天線直徑的影響很大，當(dāng)距離天線超過其直徑的長度時，磁場就會迅速的下降。增大環(huán)天線的直徑可以增加讀寫距離，但是由于半徑增大，磁場的范圍也會較大，同時當(dāng)天線增大到周長接近其波長時，環(huán)上的電流會反向，此時天線就不能形成穩(wěn)定的磁場；此外，環(huán)天線也很難匹配到50ohm[3-5]。

　　針對上述問題，本文設(shè)計了一款橢圓分段環(huán)天線用于單品識別。在這個結(jié)構(gòu)中，利用兩個相鄰的平行金屬線向下一段金屬線提供串聯(lián)電容，每個分段都可以看作是一段諧振線，這樣就避免了電感的積累，從而解決了匹配的難題。同時，在諧振時，在每段上的電壓都是實數(shù)，相位不會積累，所以可以在環(huán)上形成均勻同向的電流，從而在軸向形成很強的磁場。

　　1 天線結(jié)構(gòu)介紹

　　橢圓分段環(huán)天線的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。圖中，天線的介質(zhì)板為FR-4（厚度h=1.6mm，介電常數(shù)4.4，損耗角正切0.02）PCB 板。圖1（b）給出了橢圓分段環(huán)天線的整體結(jié)構(gòu)圖，包括橢圓分段環(huán)，金屬腔體，匹配電路三部分。圖1（c）是天線的加工實物圖。

圖1 橢圓分段環(huán)RFID 讀寫器天線結(jié)構(gòu)（a）橢圓分段環(huán)天線結(jié)構(gòu) （b）天線整體結(jié)構(gòu)（c）加工實物圖
　　在圖 1（a）中，每相鄰的兩段金屬線之間存在一個交疊的部分，該交疊的結(jié)構(gòu)主要用來產(chǎn)生一個電容，其電容值C 是由電長度L(θ)和間距d 決定的。

　　當(dāng)減小相鄰金屬線的間距或增大交疊部分的長度時，電容值將隨之增大；通過調(diào)整適當(dāng)?shù)腖(θ)和d，可使每段金屬線的電感與其感應(yīng)電容在中心頻率處工作于諧振狀態(tài)，從而避免了電流相位的累積。分段環(huán)近場天線設(shè)計成橢圓形，短軸的長度是d1 = 8cm，用來控制近場天線讀取寬度；長軸的長度為d 2 = 15cm，用來控制天線的讀取距離。

　　在圖1（b）中，天線位于矩形金屬腔體內(nèi)部，天線距離金屬腔體的底部為40mm，金屬腔體上方開口，覆以塑料蓋，大小為250×180×50mm3。金屬腔體有兩個作用：一是減少外界對天線的干擾；二是控制磁場在所需要的方向，增強磁場強度。但是金屬腔體會使天線的Q 值增大，這將會增加匹配的難度，減小天線的帶寬[6]，因而需要在天線輸入端加上一個匹配電路，在這里使用集總元件連接成一個對稱平衡的匹配電路[7]，將輸入阻抗匹配到50ohm。

　　圖 2（a）和圖2（b）給出了橢圓環(huán)天線和橢圓分段環(huán)天線在866MHz 的表面電流分布。從圖2（a）可以看出電流的空洞以及在頂部和底部電流的反向。圖2（b）中，平行的相鄰金屬線之間的電容和金屬線本身的電感使得這個大環(huán)天線的性能和小環(huán)天線類似，電流在橢圓分段環(huán)天線的分布依然同向并且可以形成很強的近場磁場。

圖 2 電流分布對比（866MHz）

　　2 天線性能分析

　　天線的 S11 性能的實際測量結(jié)果如圖3 所示，-10dB 帶寬為11MHz（860-871MHz），能夠完全覆蓋歐洲標(biāo)準(zhǔn)的865-868MHz。

圖 3 橢圓分段環(huán)天線的S11 性能

　　使用圖 4 中的Impinj UHF Button 近場標(biāo)簽的去測試橢圓分段環(huán)天線讀取性能，測試時使Button
標(biāo)簽平面平行于天線，讀寫器的輸出功率為Pout=1Watt。

圖 4 Impinj UHF Button 近場標(biāo)簽

　　經(jīng)過實際測試，該天線最大的讀取距離為16.1cm，讀取寬度小于8cm，讀取性能良好，圖5 為該天線的實際讀取測試結(jié)果，從中可以看出當(dāng)距離天線超過5cm 時，讀取寬度小于8cm，與短軸的長度相符合。

圖 5 讀取寬度測量結(jié)果

　　圖 6 是橢圓分段環(huán)天線的增益隨頻率的變化圖，從圖6 中可以看出，該天線在865-868MHz 的頻率范圍內(nèi)最大增益小于2.8dBi。圖7 給出了在f=866MHz 的天線的兩個正交面XOZ 和YOZ 面上的增益圖。

圖6 橢圓分段環(huán)天線的增益隨頻率變化曲線

圖7 XOZ，YOZ 平面上的增益圖(866MHz)

　　3 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一款橢圓分段環(huán)天線，用于對確定的高度和寬度的位置進行安全讀取。該天線設(shè)計的關(guān)鍵點在于使得橢圓分段環(huán)上的電流保持均勻同向，并通過對橢圓環(huán)的長軸和短軸的調(diào)整，可以使這款天線在特定的讀寫距離和寬度內(nèi)產(chǎn)生很強的磁場。因而這款天線適用于RFID 近場讀寫器的應(yīng)用，在860-871MHz 的工作帶寬內(nèi)，具有16.1cm 的讀寫距離以及8cm的讀寫寬度。