一种宽频带UHF RFID标签天线的研究与设计

 摘要：文章以宽频带UHF RFID标签天线的设计为研究对象，设计并仿真了一款工作在920MHz的电子标签天线。天线的尺寸为80mm 44mm，存反射系数-24dB的带宽可达160MHz，方向性比较好。同时标签天线结构简单，采用的制作材料也很大降低了其生产成本。

关键词：宽频带;UHF RFID;标签天线;HFSS

0 引言

射频识别技术(RFID)是一种新兴的自动识别技术，其工作原理是通过无线方式进行双向数据通信，达到传递射频信息的目的。一般情况下，RFID系统由电子标签、阅读器和相关应用系统软件等组成。其中，标签包括天线及芯片两部分。由于RFID标签和阅读器之间不需要接触即可完成两者的识别，因此RFID系统可以工作在各种环境中，并可以同时进行多个运动目标的识别。至今，RFID系统已广泛应用在诸多领域，如：物流管理、生产制造、图书管理、身份识别、道路自动收费等领域。

在RFID系统通信过程中，阅读器通过自身的天线发送一定频率的射频信号。当标签进入此区域时，标签天线从此领域的辐射场中获得相对应的阅读器的命令，经标签处理，然后通过自身的天线发送出自身编码等应答信息。此发送的信息被阅读器读取，并解码，然后传送到对应的应用系统软件进行处理，从而达到自动识别物体的目的。标签天线作为RFID系统的基本元件之一，其性能将直接影响标签接收及其发射信号的准确性，所以对其研究具有重要的意义。

1 UHF RFID标签天线设计理论原则

1.1 阻抗共轭匹配

电子标签需从阅读器天线上得到电磁波能量来响应标签芯片，因此在电子标签芯片上有一小部分用来检测标签天线上的感应电动势或者感应电压的电路，并通过二极管电路整流，再经过电压放大，最后读取标签信息。天线设计无需知道芯片内部结构，只需知道芯片封装后的芯片阻抗值的大小，然后利用最大能量传递法则设计天线。标签芯片的输入阻抗分为电阻分量和电抗分量两部分，电抗部分一般为容性阻抗，为了达到最大能量传递，需要电子标签天线的输入阻抗与标签芯片输入阻抗共轭匹配。标签芯片的输入阻抗为Z=R-jX的形式，为了实现芯片与天线的共轭匹配，我们要设计的天线的输入阻抗形式应为Z=R+jX。对于UHF频段标签天线，就要用到能够为标签天线引入感抗的共轭匹配结构来实现标签芯片与标签天线之间的匹配了。一般需要在天线上中加入环形结构馈电额外结构或其他结构来进行匹配。本文采用功率反射系数描述标签天线与标签芯片之间的阻抗共轭匹配情况。

如图1所示为等效电路图。其中Za为为天线输入阻抗，Zc是芯片输入阻抗，Zc=Rc+jXc。

1.2 主要性能参数影响

在电子标签天线主要性能方面，标签的识别距离r为重要的指标参数，表达式如下：

以上式中，P1为阅读器的发射功率，GT为阅读器天线的增益，Gr标签天线的增益，为反射系数，Pth为激励标签芯片的门限功率。

1.3 小尺寸、低成本

由于标签需要粘贴到相对应的物品上，需要电子标签体积足够小，随着RFID系统的不断成熟发展，标签应用也越广泛，电子标签生产成本要求也越来越低。

2 UHF RFID标签天线设计过程

首先，根据辐射特性，确定其天线大概结构。然后，调整天线结构，使增益达到要求。最后，调整匹配结构，使天线与芯片阻抗匹配，主要包括以下两方面。其一，调整匹配结构尺寸，总结尺寸对阻抗影响。其二，其反射系数S11<-10dB在频带的范围内，我国的UHF RFID频段：840～845MHz和920～925MHz。

3 UHF RFID标签天线设计及HFSS仿真及结果分析

3.1 UHF RFID标签天线设计

根据标签天线设计理论，芯片阻抗为20-188jΩ，工作频率为f0=920MHz。本文所设计的天线采用厚度为0.8mm、介电常数为4.6的FR4介质作其基板，贴片为铜皮。天线结构如图2所示，参数值如图3所示。

从结构图中可以看出，标签天线采用电磁耦合馈电结构，有两部分组成，其一是独立弯折的辐射体，其二是一馈电环。芯片从馈电环的开口地方激励。通过标签天线设计理论分析，改变结构中的参数距离d及其馈电环的尺寸来影响两者之间的耦合度，进而影响标签天线的阻抗值达到与标签芯片阻抗的共轭匹配。

3.2 天线仿真及结果分析

通过各参数进行分析、仿真，对比参数不同值对天线性能的影响，从而选取最佳值，进行优化，最后达到的仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，在频率f0=920MHz，阻抗为20+188jΩ，反射系数S11为-28dB的情况下，完成了与标签芯片阻抗良好的共轭匹配。

从图5(a)(b)看出，天线的方向性为全向性。在f0=920MHz处，标签天线的增益为1.9dB。天线在840MHz和925MHz附近有两个谐振峰。电子标签天线在-24dB的带宽为160MHz，为宽频带。频带不仅覆盖840～960MHz频带设计的目标，而且将上频带提高了40MHz。

4 结束语

本文设计了一款工作于UHF频段的直接匹配芯片的RFID标签天线。通过天线的仿真结果表明，本天线与特定芯片之间具有良好的阻抗匹配特性。标签天线的辐射特性良好，基本可以满足实际应用的要求。天线的结构简单，且采用的制作材料大大降低了其生产成本。由于天线的小尺寸和薄膜特性，由此天线生产出的标签可以广泛地粘贴在平面的物体上，可以促进RFID技术在物联网等方面的广泛应用。大多数情况下，RFID系统中标签天线需要在不同环境下工作，在很多实际应用时，标签天线需要粘贴在高电导率物体的表面，由于高电导率物体边界条件，这时标签识别距离、辐射效率、输入阻抗及其增益等参数都会受到极大的影响，为了解决上述问题，人们提出了倒F天线，或者是平面倒F天线类型的天线。因为为了实现其功能，倒F天线、平面倒F天线自身需要有一个金属接地板，这还需要改进。