折叠结构双面抗金属rfid标签天线设计

 近年来折叠结构的微带贴片天线是抗金属RFID标签天线设计的热门方向。微带贴片自身的金属接地面能够有效隔绝金属环境的影响。本章基于折叠结构的微带贴片天线，研究了一种双面抗金属的超高频RFID标签天线。本章介绍了传统的微带贴片天线，为天线设计提供理论基础；通过对搭载在中间层贴片上的曲流结构和调谐贴片进行电流分析和阻抗分析，最终确定了标签天线的参数尺寸，能够有效实现与标签芯片的阻抗匹配；通过对天线模型的仿真验证了其抗金属性能以及双面使用性能。经过实测分析，该标签在金属环境和非金属环境中双面均能有效工作在我国所需的超高频 RFID频段，且体积紧凑，可广泛应用于特定的物联网识别场景中。

微带贴片天线基本理论

    微带贴片天线具有体积小、低剖面、易加工、成本低的特点，是目前超高频抗金属RFID标签天线的热门设计之一。典型的微带贴片天线由接地面、介质基板和导电贴片组成，如图1-1所示。

图1-1 微带贴片天线结构示意图

    微带贴片天线通过时变信号激励，在介质基板的两侧分别是导电贴片和金属接地面，且介质基板的厚度通常在0.01λ和0.05λ之间。当微带贴片天线工作时，导电贴片和地平面之间产生时变电场，并伴随着导电贴片表面与地平表面上的表面电流。导电贴片天线在垂直于表面电流的贴片两端产生辐射。根据趋肤效应，表面电流只存在于接地面朝向介质基板的一侧。通过如此设计，标签天线在运作时，其主体就与金属环境隔离开来，达到抗金属使用的目的。传统的微带贴片天线一般采用的馈电方式有三种：微带线馈电、同轴馈电、电磁耦合馈电。由于标签天线的无源特性，标签天线运转所需的能量由接收到阅读器天线辐射的能量提供，基于微带贴片结构设计的标签天线在仿真中可以看作特殊的微带线馈电模式，使用集总参数模拟激励，激励阻抗即标签芯片的阻抗。

天线结构设计

    所提出的标签天线的模型如图2-1所示。从图2-1(a)和2-1(b)中可以看出，它由三个金属贴片和两个基板组成，在中间层增加了一个弯折曲流结构和一个长度为l1、宽度为w1的调谐贴片，用于阻抗匹配的调节。泡棉基板的介电常数εr=1.2，损耗角正切tanδ=0.0001，尺寸为52×13×1 mm3。除了起到结构支撑的作用之外，泡棉还将三层金属贴片彼此隔离。弯折的曲流结构是RFID标签天线设计的一个极好选择，它可以在同等尺寸内增加天线的有效电长度。通过改变调谐贴片的尺寸，可以在不改变环路大小的情况下有效地调谐天线阻抗。这种标签折叠制作的过程可参考图2-1(b)，贴片#2位于中间层下方，然后将贴片#1折叠到中间层上方。图2-1(c)显示了所设计标签天线的平面展开示意图。在折叠过程前需要将标签芯片嵌入中间层的指定位置。标签芯片选用商用RFID芯片Alien Higgs-3，该芯片在中心频率915MHz时阻抗为27-j201Ω，激活标签芯片的阈值为-18dBm。

图2-1 标签天线结构示意图

天线结构分析

    图3-1展示了天线在不同阶段时的阻抗对比图。在标签设计之初，中间层中没有弯折的曲流结构，如图中的天线1所示。没有曲流结构的标签天线1具有高达1.03GHz谐振频率以及高阻抗值，如此设计的天线影响标签整体性能。为了能够有效降低谐振频率，在中间层贴片上增加了一个弯折的曲流结构来增加电气长度。通过弯折曲流结构，标签在同等面积下的电气长度得到了显著增加，并且阻抗得到了有效降低。在模拟尝试后，环路长度固定为62 mm，此时标签的谐振频率大约为920MHz，如图所示。由此可见，曲流结构可以有效地增加标签天线的电气长度，令标签频点大幅度下降。相比调谐贴片，曲流结构能够对标签的匹配范围做粗略的调整，但若想要准确的令标签天线和芯片两者间的阻抗达到匹配，调谐贴片的调整也是必不可少的。调谐贴片可以更加精准地调整天线的阻抗，在下一小节将对此做进一步分析。

图3-1 不同设计阶段天线的阻抗对比图

    为了对折叠后的天线有更直观的了解，图3-2(a)给出了标签天线的三层示意图，将天线两侧的馈电墙做了夸张处理，并隐去了天线夹层中用于支撑的泡棉基板。天线的电流示意图如图3-2(b)所示，标签天线由模拟标签芯片的集总参数激励馈电，通过中间层右侧的馈电墙流入贴片#2，再由贴片#2左侧的馈电墙流入贴片#1。从图中的电流流向可以看出，在贴片#1和贴片#2中的电流在靠近曲流结构位置会受到一定的耦合效应，但总体都朝向一个方向。由于贴片#1和贴片#2单一的电流走向，克服了金属环境对中间层天线的反向电流影响，提升了标签整体的抗金属性能，使得天线放置在金属面上时能够正常使用。图中贴片#1和贴片#2都有单一流向的电流经过，天线翻转使用时同理，因此依然能够有良好的抗金属性能。

图3-2 标签天线示意图

天线参数分析

    经过上节的分析可得知，曲流结构通过增长天线在同等尺寸内的有效电气长度能够大幅度地对自身的阻抗做粗略的调整。但若想准确的将阻抗调节至匹配状态，单一的曲流结构并不能够满足要求。因此，通过改变调谐贴片的尺寸，可以在不改变环路大小的情况下进一步更加细致地调谐天线阻抗。下面将通过控制变量法对天线调谐贴片的参数进行扫频分析，探究在同等长度的曲流结构下，调谐贴片长度l1、宽度w1对天线阻抗的影响，从而将天线的阻抗调整至最优状态。

    (1)调谐贴片的长度l1对天线阻抗的影响

    控制单一变量l1从5mm以5mm的步长增加到20mm，观察该变量对标签天线阻抗的影响。如图4-1所示，当调谐贴片的长度l1递增至15mm时，标签天线的输入阻抗的曲线向左偏移，表明阻抗在随着l1的增加而降低；当调谐贴片的长度l1达到20mm时，输入阻抗的曲线相较于15mm时向右偏移，表明此时天线的阻抗增大了。输入阻抗的改变是因为调谐贴片等效于并联电感，改变调谐贴片的长度l1将会影响等效电感的感抗。阻抗幅度趋势的改变是因为当调谐贴片过长时，调谐贴片与曲流结构距离过近，导致二者之间发生耦合效应。

    可见，在一定范围内通过调整调节贴片长度l1的大小可以有效调整标签天线的阻抗，使其尽量靠近芯片的共轭阻抗，但调节贴片的长度不宜太长，否则将靠近弯折曲流结构，产生耦合作用从而影响标签的整体性能。从图4-1中的趋势可以得出，调谐贴片的长度l1在5mm步进的情况下才能明显看出天线阻抗的变化，所以可以将其视为精调所使用的调整参数，通过调节曲流长度将标签阻抗粗调至所需大小附近后，再调整调谐贴片参数将阻抗控制到精确值。

图4-1 参数l1对天线阻抗的影响

     (2)调谐贴片的宽度w1对天线阻抗的影响

    将调谐贴片的宽度w1设为单一变量，探究参数w1对标签天线阻抗的影响。将调谐贴片的宽度w1从5mm以1mm的步长增加到8mm，标签天线的阻抗的变化如图4-2所示。当调谐贴片的宽度w1递增至8mm时，标签天线的输入阻抗的曲线向不断左偏移，表明阻抗在随着宽度w1的增加而降低。与调节调谐贴片长度l1的原理相同，对调谐贴片宽度w1的改变也会改变并联电感的容性。因此，从调谐贴片的长度和宽度两个维度，均能对标签天线的整体阻抗进行细调。

图4-2 参数w1对天线阻抗的影响

    (3)优化后标签天线的最终阻抗

    在确定了弯折曲流结构总长度的基础上，不断调整优化调节贴片的参数，最终使标签天线与标签芯片两者之间的阻抗达到共轭匹配。根据天线设计理论，电阻值远小于电抗值的绝对值，因此优先满足电抗值匹配，在此基础上尽可能实现电阻值匹配。图4-3给出了优化后的标签天线阻抗，此时标签天线在915MHz时阻抗为11+ j309 Ω，虽然电阻值方面与芯片仍有一定误差，但电抗方面两者共轭匹配良好，符合天线设计的要求。在表1-1中给出了天线优化后的详细参数。

图4-3 优化后的天线阻抗

表1-1 天线结构尺寸（单位：mm）

天线性能与测试

    自由空间中的标签天线|S11|如图5-1所示，-10dB带宽达120 MHz(840-960 MHz)。频率在915 MHz时标签天线的|S11|值为 -25.2 dB，表明所设计天线与芯片两者间阻抗匹配良好，能够覆盖多个地区的RFID系统工作频段。

    图5-2为标签天线的方向特性，Phi = 0 deg时指的是垂直天线方向，即天线在XOY平面的辐射特性；Phi = 0 deg指的是水平天线方向，即天线在YOZ平面的辐射特性。从图5-2中可以看出，处在无干扰的自由空间中的天线方向图为饼状，具有全向特性，可在天线周围实现稳定读取。

图5-1 自由空间中的标签天线|S11|

图5-2自由空间中的标签天线的方向图

天线抗金属性分析

    为检验该标签天线的抗金属性能，在仿真软件中选用20×20cm2的金属平面模拟金属环境，通过仿真标签天线放置于金属平面上时的辐射特性来确定标签天线实际的抗金属性能。

    为了对天线的双面性能分析更直观，定义贴片#1朝上、贴片#2紧贴金属时为A面接触金属；同理，贴片#2朝上、贴片#1紧贴金属时为B面接触金属，不同情况下天线的|S11|曲线如图6-1所示。A面接触金属时，标签的|S11|的-10dB带宽为860-980 MHz；B面接触金属时，标签的|S11|的-10dB带宽为840-960MHz。在两种情况下带宽都为120MHz，但A面接触金属时的反射系数相较于B面向高频偏移了20MHz。得益于标签天线宽频带特性，偏移20MHz后的反射系数仍处于-10dB以下，理论上对正常使用并无影响。产生频点偏移的原因是当A面接触金属时贴片#1为辐射面，B面接触金属则是贴片#2为辐射面。天线不同放置朝向导致其接触金属的贴片不同，造成天线阻抗上受到金属影响程度的不同，引起了|S11|曲线的偏移。

    图6-2为标签天线的方向特性，Phi = 0 deg时指的是垂直天线方向，即天线在XOY平面的辐射特性；Phi = 0 deg指的是水平天线方向，即天线在YOZ平面的辐射特性。与自由空间中的饼状方向图不同，图中可明显看出金属环境对标签天线辐射方向性的影响。当天线一侧贴近金属后，天线的辐射方向图呈现半球状，只在朝向金属前的方向能够在一定的偏转角度内具备稳定的可读取性，在金属面的背后几乎没有辐射信号，无法成功读取。图6-2(a)和图6-2(b)中可以看出，A面贴近金属和B面贴近金属的方向图大小和形状都相似，都具有定向辐射的特性。

图6-1 不同情况下标签天线|S11|

 (a)A面贴近金属 

(b)B面贴近金属

图6-2 标签天线贴近金属时的方向图

天线实测分析

    天线通过腐蚀法制作，并剪裁了2块泡棉基板作为支撑。图7-1展示了标签天线的实物。其中，图7-1(a)为折叠后的标签天线实物图，图7-1(b)为展开的标签天线实物图。

(a)折叠后的标签天线 

 (b)展开的标签天线

图7-1标签天线实物图

    使用Voyantic Tag-formance Pro测试系统对标签天线的理论数据进行测量。将标签置于阅读器上方30cm处，使用20×20cm2的金属板模拟金属环境，即可测得标签天线在金属环境使用时的理论性能数据，测试的场景如图7-2所示。由于测试系统许可证的限制，测试频段限定在860-960MHz，最终测得的标签天线理论上的性能数据如图7-3、图7-4所示。由于标签的性能将由前向散射功率和反向散射功率共同决定，前向散射功率表明了天线被激活所需要的阈值，即天线灵敏度；反向散射功率表明了天线激活后传输到阅读器的能量大小。因此根据图中曲线的趋势可得：当B面贴近金属时天线的可读取性能最优，在自由空间中的可读取性能最差。

图7-2 Voyantic Tag-formance Pro测试系统

图7-3 标签的前向散射系数

图7-4 标签的反向散射系数

    经理论数据测试后，将对标签天线的读取距离进行实测。测试场景如图7-5所示，同样采用增益为12dBi的线极化阅读器天线BR4-44。采用第二章中介绍的直接测量读取距离的方法，将标签天线垂直地面放置并贴近金属面，正对阅读器天线，等到标签天线被读取后，不断增加二者间距直到停止响应，即可得到标签天线的最大读取距离。

    实测结果表明，标签在无金属环境干扰的自由空间中，最远可读取距离为5.4m；在金属环境中，标签A面贴近金属时最远可读取距离为7.6 m，B面贴近金属时最远可读取距离为8.9 m；该结果与理论上测量得到的性能数据一致。上述测试结果验证了标签双面抗金属的性能，由于采用在自由环境中直接架设测量的方式，测试结果可能存在一定的误差。

图7-5 标签读取距离测试场景

本章小结

    本章研究了折叠结构双面抗金属超高频RFID标签天线。该标签由在柔性材料上腐蚀出的金属贴片折叠后制成，在金属贴片之间有泡棉基板提供支撑。标签芯片搭载在中间层的金属贴片上。中间层的贴片设计有曲流结构以及调谐贴片，通过调整它们的尺寸能够有效实现阻抗匹配。外层的金属贴片起到了隔绝外部金属环境的作用，以此实现标签能够双面抗金属使用的性能，当标签的每一面接触到金属时都能够正常工作。经过实测，该标签在金属环境和非金属环境中双面均能有效工作在我国所需的超高频 RFID频段，最远可读取距离为8.9 m，且体积紧凑，可广泛应用于特定的物联网识别场景中。