0 引言

    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)^[1]是一種非接觸的近距離自動識別技術，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，實現對物體的自動識別。RFID技術具有抗干擾能力強、存儲信息量大、非接觸、使用壽命長、可多標簽識別、響應速度快等特點。RFID系統已經被廣泛應用在公共交通、人員身份識別、車輛管理、自動收費、門禁管理等領域。

    無源RFID系統通常分為低頻（LF）、高頻（HF）和超高頻（UHF）系統，由讀寫器、標簽、天線3個基本要素構成，在設計RFID系統時，必須考慮RFID系統所處的背景環境。文獻[2]-[4]分析了復雜環境下，無源UHF電子標簽天線的讀寫性能，在不同環境下標簽的讀寫性能會受到影響，尤其是當標簽貼附于金屬表面時，標簽幾乎不被讀取。文獻[5]分析了金屬對標簽天線的影響原因，并采用墊高型標簽來克服金屬的影響，利用金屬對電磁波的反射來加強標簽的讀取性能，但是天線尺寸較大，天線性能不理想。文獻[6]采用矩形微帶貼片切角和電容耦合饋電技術來實現微帶天線的圓極化、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陶瓷^[8]作為介質基片，在犧牲較少增益的前提下，可以對現有的抗金屬天線^[9]進行尺寸縮減，并獲得良好的匹配性能。標簽芯片采用的是EM4235型號的UHF-RFID標簽芯片，該芯片在中心頻率為920 MHz的阻抗為18-j178 Ω。

1 抗金屬標簽結構及實現

    傳統的矩形微帶天線貼片與接地板之間的場具有以下特點：（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）內場不隨z坐標變化；（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[7]通過將天線空腔的一個端口用銅箔封閉，如圖1所示，介質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，這樣就構成了一端口封閉的微帶天線結構。

    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場進行分析，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：

    本文選用介電常數為22、厚度4 mm的微波介質陶瓷作為介質基板。作為現在通信技術中關鍵基礎材料的微波介質陶瓷，主要應用于UHF、SHF（超高頻）頻段，具有以下優點：相對介電常數高，以便于器件小型化；品質因數Q值高或介質損耗tanδ小，保證優良的選頻特性。

    設計的抗金屬天線由一端接地天線輻射面、接地短截線、兩個短路片及接地平面構成。介質基板采用微波介質陶瓷，厚度為4 mm，相對介電常數為22，天線寬度W為20 mm，由式（3）計算得到輻射貼片長度L約為32 mm，天線各參數分布如圖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

    天線各參數在設計之前需要了解參數設計的指導原則和參數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0<L_s<0.25λ時，其電抗值為感性。

    根據上述分析，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。L_s的變化將引起傳輸線電抗值變化。當0<L_s<0.25λ時，隨L_s的增加，傳輸線的電抗值由零增加至無窮大，所以可以通過調節L_s的大小來調節天線輸入阻抗的虛部，而其對實部的影響不大；對于天線輸入阻抗實部的調節可以通過調節L₂來實現。綜上調整L₂和L_s可以實現對天線輸入阻抗實部和虛部的調控，方便完成天線與芯片的共軛匹配。

3 天線仿真及結果分析

    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），并經過參數優化可以得到天線的最佳設計參數，如表1所示。

    仿真參數的定義如下：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，天線的端口阻抗設置為芯片阻抗的共軛，即Z=18+j178 Ω。通過調節L_s和L₂，來實現天線輸入阻抗與芯片的最佳共軛匹配。

    使用HFSS仿真優化后的結果如圖4所示，在920 MHz，S11最小值為-31 dB，此時天線的輸入阻抗為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，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。根據天線的方向圖，通過式（10）^[10]計算天線的讀取距離：

4 結論

    本文對現有微帶結構的抗金屬標簽天線進行小型化改進設計，利用端口封閉式微帶天線的結構原理，采用新型微波介質陶瓷作為介質基板，通過加載接地片，設計了一種32.5 mm×24 mm×4 mm小尺寸抗金屬標簽天線，滿足了客戶對小尺寸、低成本、抗金屬標簽的要求，同時在860~960 MHz 頻段內，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距離讀取標簽的要求。

參考文獻

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作者信息:

景裕文，崔英花

（北京信息科技大學 計算機學院，北京100101）