一种用于金属表面的RFID天线设计

　　随着物联网技术的发展，RFID技术的应用也日渐广泛。在货物供应链、资产管理、物流识别和跟踪货物u中，标签得到了广泛的使用。然而，在某坚特定领域,例如金属物体表面,标签性能会大幅下降甚至无法被识别，这便要求一种新型的抗金属标签来取代常规的标签以实现对物品的识别和管理。

　　常用的方法是将标签垫高一定距离，使标签距离金属有一定高度，但此法不能无限地远离金属表面且不易小型化;还有在标签下方附着一定特殊材料，如AMC( Artificial Magnetic Conductor)材料或EBG( Electronic Band Gap)介质材料，使得电场在标签附近的相位有所改变，但此法对提高标签性能有限且成本过高;另一种方法则是采用特殊的天线结构，如缝隙结构引、耦合结构等使标签天线与标签芯片阻抗匹配，而该方法已成为设计抗金属标签的一种趋势。

　　文中涉及的便是一种利用双层耦合结构以实现对标签天线的阻抗调整，由于标签天线具有实部和虚部，要实现与标签芯片阻抗的共轭匹配。文献[6-8]提到用短路贴片方式设计标签天线，即用短路贴片与地板形成耦合结构，类偶极子标签天线与芯片相连放置于上层介质板耦合缝隙处，从而激活标签芯片，达到被识别的目的。此外，天线的翼型结构，对展宽阻抗带宽起着一定作用，实际应用中可满足天线设计要求。

　　1天线结构设计

　　天线的模型如图1所示，标签为双层结构，上层介质板是厚度为1.5 mm的FR4材料上，该介质的相对介电常数为4.4，耗损角正切为0. 02。下层为低损耗聚丙烯(pp材料)，该介质的相对介电常数为2.6，损耗角正切为0. 001。如图l(b)所示，下层由导电金属(铝箔等)包裹，形成空腔结构，中间留有宽度为3 mm的缝隙。下层介质板的上表面两侧为金属贴片与底部通过两侧金属形成短路结构，耦合结构通过缝隙与上层贴片标签天线产生谐振，从而激活标签芯片。在915 MHz，标签芯片阻抗为24.5-j190 Q，通过优化对天线阻抗进行调节，设计标签天线详细尺寸如下：W=25 mm,L =84 mm,g =3 mm,L₁=55 mm,W₁=3mm,r₁=7mm,L_l=7mm,H_up=1.5 mm,H_down =3 mm。

　　2 结果分析

　　设计标签天线采用双层耦合结构，标签天线的等效电路如图2所示。下层耦合腔缝隙与上层标签产生谐振，耦合缝隙g会对标签谐振频率产生影响，标签天线距离地板的高度，即上层介质板厚度H_up具有电容效应，会对谐振频率产生一定影响，类偶极子标签天线的粗细W₁主要影响感抗。

图l 天线的结构

　　此外翼型结构相对于单纯的类偶极子结构具有展宽带宽的作用。仿真结果表明标签天线具有较好的方向性。

图2 标签天线等效电路图

　　(l)耦合缝隙g的宽度对谐振频率的影响。如图3所示，参数g的变化对天线谐振频率的影响。随着g从2 mm增加到5 mm，4个谐振点依次为889 MHz、915 MHz、935 MHz和952 MHz，可见缝隙每增加1mm，谐振频率向高频漂移大约20 MHz。分析可知，谐振频率公式W=1/√LC缝隙的宽度主要影响标签天线的容值，假设感抗不变，则电容：

　　其中g为下层介质板的介电常数。由此可见，随着g的增加，谐振频率必然向高频偏移。标签传输系数t=P_th/P_r其中P_th，为标签芯片的激活功率，P_r为标签天线接收到的电磁功率。

　　此外，由公式可看出，标签宽度W，下层耦合介质板厚度hdown也舍对标签天线输入阻抗容值产生影响。在标签完成特定指标情况下，应尽量满足小型化要求，即W和h_down应尽量小，文中主要对影响标签性能的结构进行分析。由于抗金属标签主要工作于902 -928 MHz，故设计谐振频率在915 MHz，优化结果g=3 mm。

图3标签传输系数随缝隙g的宽度的变化

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　　(2)翼型结构的影响。如图4所示，标签天线在有无翼型结构时的S参数，S₁在-15 dB以下时，无翼型结构，仿真带宽为42 MHz，有翼型结构带宽可达70 MHz。可见，翼型结构具有明显的展宽带宽的作用。

图4有无翼型结构的类偶极子标签天线S参数对比

　　由于标签天线通过耦合地板获取辐射能量，翼型结构能够影响偶极子天线的输入阻抗，由图5(a)可看出，标签天线在915 MHz时，上层标签天线在有无翼型结构时的输入电阻较为接近。而图5(b)可知输入电抗变化较大。由于，所设计的标签天线使用的是Alien公司的H₃芯片，标签芯片在915 MHz时阻抗约为24.5-j190Ω。其中，具有翼型结构的输入阻抗在

　　915 MHz为II +j197Ω较好的与标签芯片共轭匹配。

图5 标签天线在有无翼型结构时的输入阻抗对比

　　(3)标签天线的辐射特性。由图6(a)可见，标签在金属表面丁作时，其在远离金属的一侧具有较好的辐射特性，标签天线的最大增益G_r=-0.73 dBi，完全可被阅读器天线所识别。图6(b)为标签上层的类偶极子天线的表面电流分布，在任意时刻，表面电流同向，这与偶极子天线的电流分布相吻合。

图6标签天线在915 MHz的增益图及类偶极子天线的表面电流分布

　　(4)标签实测结果。图7给出了标签的实物比例以及标签在微波暗室中的测试图。标签被放置在厚度为2 mm，200 mm×200 mm的金属板上，实测结果如图8所示。结合图3，由于标签实测结果与传输系数趋势较为吻合，验证了仿真结果。

　　实测采用增益G_t=7.5 dBi圆极化天线，天线发射功率P_t= 30 dBm，(EIRP 2W)，由Friis传输方程：r=

　　可推算标签理论读取距离r，λ为工作波长，Pt为天线辐射功率P_t= 30 dBm，仿真可得标签天线增益G_r= -0.73 dBi，标签芯片激活功率P_th=- 18 dBm，可由传输系数关系得标签天线获得的功率P_r=P_th/t，在915 MHz时，传输系数取0.9，带入公式，可得标签理论读取距离r_max=19. 17 m。实际由于天线极化匹配、传输损耗等因素，实际读取距离，在暗室最佳距离约为16 m，而在常规环境测试约为12 m，该结果已满足现有对超高频抗金属标签的技术要求。

图7 标签实物与测试图

　　3结束语

　　文中提出了一种新型的具有双层介质板耦合结构的RFID标签，该标签主要应用于金属物体表面，通过下层耦合腔的引入，形成与上层的类偶极子天线的谐振，从而将电磁能量传递给标签芯片。通过电磁仿真软件HFSS13仿真计算，确定了标签的几何尺寸。并在暗室对天线实物进行了辐射方向图和读取距离的测试，表明标签与仿真具有较好的一致性。当标签工作

　　在902 -928 MHz时，在此频率范围内标签具有较好的阻抗带宽和辐射特性。测试结果表明该标签相对于常规的抗金属标签，具有较远的读取距离优势，适用于对金属物体进衍资产管理和物流应用。