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超高频弯曲偶极子射频识别天线的设计
摘要
为满足天线小型化的设计要求，提出了一种超高频弯曲偶极子射频识别标签天线。标签天线的外形尺寸仅为55times;12 ,天线的输入阻抗约为43 j800，使用的RFID标签芯片为飞利浦EPCUCODE Gen 2。仿真结果表明，所设计的天线阻抗带宽宽可以覆盖840-845MHz和920-925MHz超高频频段，具有良好的回波损耗值和全向性，能够满足RFID标签天线的实际要求。
关键词：微型标签天线；弯曲偶极子；射频识别（RFID）；超高频（UHF）
绪论
RFID技术作为最具潜力的技术之一，被广泛应用于工业自动化、商业自动化、运输控制管理、安全等领域。射频识别天线在射频识别系统中发送和接收载波信息，其特性直接影响整个系统的性能[1]。在实际应用中，小型化和超高频标签天线是射频标签天线研究的热点。
针对RFID标签天线的小型化技术研究。P Geng等人提出了一种减小天线面积的I形环形谐振器方法。在引用的论文“Miniaturization Design of Tag Antenna for RFID System in 910 MHz band”中，为了实现标签天线的小型化结构设计，提出了一种折叠偶极子弯曲线。为了满足超高频频段的要求，Son等人提出了一种实现宽带匹配的电感耦合阻抗匹配方法，但天线结构仍然较大，不适合RFID标签的实际应用。在“Compact wideband tag antenna for UHF RFID,”一文中，Lim等人提出了一种圆形弯曲标签天线，其尺寸较小，几乎是全向辐射模式，并且具有足够宽的带宽覆盖整个超高频波段，但天线的圆形弯曲线结构增加了天线的复杂性和制造难度。
本文提出了一种采用弯曲偶极子结构的超高频RFID标签天线。该标签天线具有高输入阻抗，结构简单紧凑，覆盖了所有的超高频波段（808-1049MHz）。该天线的特点能够满足小型化和实用化的要求，因此在射频识别中具有一定的应用价值。
第二章 天线设计
一开始打算用于设计的RFID天线结构如图1所示。这种天线结构简单，面积小。整个面积仅为12times;55，与同类天线相比具有明显的优势（如引文3中天线面积为50times;40，引文7中天线面积为78times;78，引文8中天线面积为106times;40）。天线主体由两个圆和一个矩形组成。为了扩大频带宽度，增加了对称弯曲矩形结构。天线制作在介电常数εr=4.4，损耗角正切为0.02，厚度h=0.8 mm的FR4基板上。天线的输入阻抗为43 j800，采用飞利浦EPC UCODE Gen 2 RFID标签芯片。其他参数信息如图1所示。
第三章 结果和讨论
模拟输入回波损耗如图2所示。原型天线的模拟输入阻抗带宽（回波损耗lt;-10dB）约为241MHz（808~1049MHz），几乎覆盖了整个工作频率范围（860~960MHz）。与同类研究相比，该设计在带宽方面具有明显的优势。在引文8中，设计天线的半功率带宽（回波损耗lt;-3db）为102MHz（852-954MHz）。在引文9中，天线的输入阻抗带宽（回波损耗lt;-10db）为约87MHz（802~880MHz）。在引文中，设计天线的输入阻抗带宽（回波损耗lt;-10dB）为910~934MHz。天线的输入阻抗如图3所示，表明虚部约为815，实部约为44，因此与芯片具有良好的阻抗匹配。良好的阻抗匹配可以保证较长的天线读取距离，这是射频识别应用的重要前提。900MHz和1050MHz下的E面和H面辐射图如图4所示。可以看出，该天线具有偶极天线的一些辐射特性，即全向辐射特性，这样就可以使放置在任意位置和角度的RFID标签都能被RFID阅读器识别。天线的最大增益为1.6dB，在引文11中尺寸为52times;122 的天线的最大增益仅为0.73dB。因此，本文提出的天线在增益方面具有明显的优势。
第四章 结论
为了满足天线小型化的要求，提出了一种超高频弯曲偶极子射频标签天线。仿真结果表明，所设计的天线阻抗带宽宽可覆盖840-845MHz和920-925MHz超高频频段，具有良好的回波损耗值和全向性，能够满足RFID标签天线的实际要求。因此，所提出的标签天线可以成为超高频射频识别系统的一个很好的候选方案。
超高频射频标签天线的设计与仿真及金属表面下的性能评价
摘要
无源超高频射频识别系统因具有读取范围长、数据速率高、天线尺寸小等特点，而受到了人们的广泛关注。然而，由于导电材料对标签天线性能的影响，无源超高频射频识别系统对金属物体的标签具有挑战性。研究了金属表面对常用标签式偶极子标签天线性能的影响。根据标签天线的回波损耗和谐振频率的变化，对标签天线的性能进行了评估。为了进行性能分析，提出了一种折叠偶极和弯曲偶极天线作为无源标签。该天线设计在英国和欧洲的超高频射频识别（RFID）频段，工作频率为866兆赫。该设计还考虑了无源超高频标签天线的阻抗匹配、馈入技术、尺寸减小和带宽。最后，仿真结果表明，当标签天线安装在金属表面附近时，标签天线的回波损耗显著增加，共振频率也从所需频率偏移。
关键词：金属效应、折叠偶极天线、弯曲偶极天线、标签天线性能。
1 绪论
目标物体追踪、门禁、电子收费、车辆安全等各个领域对自动识别需求的快速增长，加速了对射频识别（RFID）的需求。
RFID是一种普及的计算技术。它由读卡器、标签和应用计算机三部分组成。被动式射频识别系统的基本配置如图1所示。基于供电方式，射频识别系统分为无源、有源和半有源。基于读卡器与标签耦合的方法，将射频识别系统分为近场系统和远场系统。近场作用于电磁感应，它在125-134kHz左右的低频（LF）或13.8 MHz高频（HF）下工作。另一方面，远场对后向散射传播起作用，它在860-960兆赫左右的超高频（UHF）或2.5GHz的微波频率（MWF）下工作。
近几年来，无源超高频射频识别系统由于具有读取范围长、数据速率高、天线尺寸小等优点，受到了人们广泛关注。许多应用要求标签天线是小型化，易于安装或嵌入任何物体。低成本标签型偶极子天线印刷在非常薄的薄膜上，通常被用作无源超高频RFID应用中的作标签天线。然而，当安装在金属物体上时，天线的参数如辐射模式、带宽、增益、输入阻抗等会发生相应变化。天线阻抗的电抗变化，阻抗等的变化会引起整体效率严重下降。在最坏的情况下，阅读器可能无法在正常的读取范围内检测到标记。
RFID系统的标签天线问题首先由Foster和Burberry报道。关于天线附近金属效应的研究还很有限。Raumonen等人模拟了金属反射面对折叠偶极子天线的影响，模拟结果发现，当天线靠近金属反射面时，天线的辐射方向图减小。Dobkin和Weignand展示了测量金属板和充水容器附近标签读取距离的实验装置。他们实验结果显示说，标签靠近金属板时，阅读距离会减少。他们还报告说当标签离金属板更近时标签天线阻抗会进一步发生变化。 'RF Tag Antenna Performance on Various Materials Using Radio Link Budgets,' 一文中研究了功率和反向散射通信无线电链路预算，该预算允许标签设计者量化标签材料附着的影响。他们还报告说，当把标签天线放置在金属表面附近时，增益会下降。通过Radi等人的实验，研究了纸张和塑料薄膜对天线参数的影响，发现当天线衬底发生变化时，天线的谐振频率会发生变化。Mittra和Hoenschel设计了一种使用电磁带隙(EBG)表面基板的标签天线，以降低对环境的敏感度。然而，当它们被放置在金属或玻璃上时，它们的标签天线参数如辐射模式和阻抗特性变化不大。在 'Effect of the substrate, metal-line and surface material on the performance of RFID tag antenna,' 中研究了基板、金属线和表面材料对RFID标签天线性能的影响。本文报道了在高介电常数和高损耗目标物体上附加标签后，标签的可读性急剧下降。引文13研究了基于铜、铝、条子等天线跟踪材料的RFID标签天线的性能。观察到在使用1毫米天线跟踪宽度时，铜沉积物和银墨水比铝更具竞争力。然而，沉积铜具有优越的导电性，并且与银相比，沉积材料较少，且线宽窄。
本文研究和分析了金属表面对标签偶极子天线回波损耗和共振频率变化的影响。提出了两种不同的偶极天线：折叠偶极和弯曲偶极天线来研究金属表面的影响。首先，在自由空间中对所提出的标签天线进行了设计和分析。然后，分析了金属表面对天线的影响。论文的其他部分安排如下。第二节讨论了天线设计理想设计。第三节给出了所提出天线的仿真结果。第四节介绍了金属表面附近或金属表面上的标签天线的性能。，第五节是结论。
2 理想天线设计
提出的折叠偶极子和弯曲偶极子天线的设计如下：
a.折叠偶极子天线：
折叠偶极子天线的几何结构如图2所示，折叠偶极子常被用于仓库环境中纸箱标签的智能标签。它在865到868MHz的范围内可调谐，所以在英国和欧洲的超高频射频识别频段常采用折叠偶极子天线。因此，所设计的标签天线的工作频率选择为866MHz。它印刷在介电常数为3.5，损耗角正切为0.003的聚酰亚胺薄基板，基板厚度为0.05 mm。这种基板非常便宜，而且很容易安装到纸板箱上。顶部天线轨迹由铜制成，厚度为0.018 mm。选择Alien Higgs-3 作为标签芯片，其在866MHz共振频率下标签天线的输入阻抗应为=（31-j212）。为了将标签天线的最大功率传送到芯片，在共振频率下的=（31 j212）。该折叠偶极子天线具有两个单元：主辐射单元和寄生单元。天线的主要参数有：天线长度L、、天线轨迹宽度W、折叠臂长度A、主元辐射与寄生元的平行距离D、折叠臂与寄生单元的分离间隙S。
b.弯曲偶极子天线：
弯曲偶极子天线的几何结构如图3所示。所述弯曲偶极子天线的工作频率、芯片阻抗、基板特性和应用与上面讨论的折叠偶极子天线相同。使用T-匹配馈送技术馈送所述天线以使天线阻抗与芯片阻抗匹配。提出的弯曲偶极子天线几个关键参数：天线长度L、弯曲台阶高度H、弯曲台阶宽度W、导线间距S、最后一个弯曲导线长度B以及馈源元件和主辐射元件之间的间隔距离D。
3.仿真结果
在基于矩量法（MOM）的Sonnet Lite电磁（EM）模拟器中对所提出的标签天线进行了仿真。
a折叠偶极天线：
对折叠偶极天线进行了大量的参数扫描，并对每个结果进行了验证。初步设计折叠偶极天线的最终优化参数如表一所示。图4显示了折叠偶极天线的不同间隔对UHF频率输入电阻的影响，图5显示了折叠偶极天线不同间隔的对UHF频率模拟输入电抗率的影响。仿真结果表明，当S=5mm时，天线输入阻抗与芯片输入阻抗是共轭匹配的。图6显示了866MHz共振频率下折叠偶极天线的回波损耗。共振频率下模拟回波损耗（s11）的最小值为-21.59 dB。在半功率回波损耗（lt;-3db）下，折叠偶极天线覆盖了整个超高频射频识别频率范围（即860MHz-960MHz）。该天线可用于全球超高频射频识别系统。
b弯曲偶极子天线
表二给出了弯曲偶极子天线的最终优化参数。图7显示了不同间隔距离的弯曲偶极子天线对UHF 频率下的模拟输入电阻的影响。图8显示了不同间隔距离的弯曲偶极子天线对超高频频率的模拟输入电阻。很明显，输入电阻和电抗可以增加。仿真结果表明，当d=5mm时，天线的输入阻抗与芯片的输入阻抗是共轭匹配的。图9显示了866MHz共振频率下的弯曲偶极天线的回波损耗。共振频率下模拟回波损耗（s11）的最小值为-22.76db。半功率带宽（回波损耗lt;-3 dB）为77 MHz（8.89%），从829.5 MHz到906.5 MHz。天线的模拟带宽lt;-10db为25MHz（2.89%），从855MHz到880MHz。在-3dB和-10dB的回波损耗下，该标签天线可用于英国和欧洲的超高频射频识别系统。
c.折叠和弯曲偶极天线的比较
图10显示了折叠偶极和弯曲偶极天线的面积比较。利用弯曲偶极子天线，可使天线面积减小50.53%。因此，弯曲偶极子天线将提供一个紧凑和强大的标签结构，这是大多数射频识别应用所要求的。然而，与折叠偶极子天线相比，所提出的弯曲偶极子天线具有更窄的带宽特性，如图11所示。因此，需要根据标签天线的类型和RFID应用在面积、带宽和性能参数之间进行权衡或折衷。例如，如果射频识别标签的尺寸要求是一个关键因素，那么就可以使用弯曲偶极天线。
4 标签天线放置在金属表面时的性能
在Sonnet Lite EM模拟器中建立了标签天线安装在金属表面时的性能模拟环境。金属表面对标签天线的影响通过标签天线的回波损耗和共振频率来评估。图12显示了如何在电磁模拟器中将标签天线安装在金属表面上，以评估金属表面的效果。标签天线放置在金属表面上方，保持空气作为它们之间的介质。标签天线与金属之间的间隔为d。电磁模拟器的无限接地平面用作0.2 mm厚的金属表面。此分析所选用的的金属表面类型为铜。在每一步中，金属表面靠近标签天线d=10 mm。每一步都要检查回波损耗值、带宽和谐振频率。经过多次模拟后发现，当标签天线置于金属表面上方超过天线共振频率的四分之一波长时，金属表面就没有太多的副作用。因此，性能评估强调标签天线与金属表面之间的距离小于波长的四分之一。图13和图14分别显示了所建议的折叠偶极子和弯曲偶极子天线对不同间隔d的模拟结果。在这两种情况下，当通过步骤d=10 mm使标签靠近金属表面时，返回损耗和共振频率从中心频率的变化显著增加。折叠和弯曲偶极天线在自由空间的回波损耗和共振频率分别如图6和图9所示。当d小于40 mm时，天线的回波损耗大于-3 dB，且标签天线
资料编号：[5350]
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