无源UHF超高频标签天线设计与研究
摘 要： 无源UHF频段RFID技术信号传输速度快，覆盖距离远，通过与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。该技术由射频模拟前端电路、控制逻辑电路等组成的无源UHF超高频射频识别标签系统，由外接天线与读写器完成通信，天线既要与识别标签相匹配，又要与读写器较好地通信，天线决定了标签是否能正常工作，同时也决定了信号传输的距离。为此，通过研究天线的匹配阻抗、形状尺寸与大小，以及频带的设计，探索出了低成本、高可靠的天线设计方案。
关键词： 超高频； 射频识别； 标签； 天线； 阻抗匹配
中图分类号：TN82 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）01-07-04
0 引言
RFID射频识别技术具有非接触性识读、可识别高速运动物体、信息容量大、保密性好、抗恶劣环境、准确性和安全性高、可识别多个识别对象、硬件体积小、寿命长、可重复使用等优点。RFID射频识别技术广泛应用于工业生产和日常生活的各个方面，如：物流运输、商品零售、医疗系统、防伪标识、智能交通等。
1 射频识别系统概述
射频识别技术（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术，利用射频信号空间传输特性，实现自动识别和数据交换，RFID系统由电子标签（TAG）、射频识别阅读器（Reader）和计算机数据交换管理系统等三部分组成，典型RFID系统如图1所示。
计算机通过软件控制整个系统的工作过程，并向读写器发送信号，读写器通过天线发送出一定频率的射频信号给标签，标签识别来自读写器的信号后，通过天线发送相应的信号响应到该读写器。计算机同时接收并处理读写器返回的信息，进行相关控制与处理，然后发出相应的指令信号；RFID标签进入读写器的工作场范围内时，通过其天线产生感应电流，从而使RFID标签被激活后向阅读器发出编码等，RFID电子标签的数据信息从接收到的射频脉冲信号中解调出来，并将数据发送到相关的控制逻辑系统，逻辑控制系统接收到信息指令后进行数据的存储、发送以及其他相关操作；阅读器接收到来自于电子标签的相应载波信号后，对接收到的信号实施解调、解码，然后送到计算机主机，由计算机主机进行数据处理；标签和阅读器之间的交互通信操作会遵从一个特定命令协议，此协议已规定了阅读器对在其通信工作范围内的单个电子标签或多个电子标签进行操作通信全过程。
其中阅读器通过天线与电子标签通过电磁波传输，传输过程如图2所示。
无源超高频射频识别（UHF RFID）电子标签一般由天线、射频模拟前端电路、控制逻辑电路、数字基带电路和存储器等部分组成。而射频模拟前端电路又由射频前端电路、电源管理模块、时钟产生电路组成[2]。典型的RFID电子标签系统如图3所示。
2 无源UHF超高频标签天线
天线是电子标签惟一的外接部分，它主要负责接收来自阅读器的射频信息能量以及阅读器发送给电子标签数据信号，同时通过反向散射调制处理将电子标签的信息发送返回给阅读器。
UHF RFID电子标签使用的天线应具备以下特点：全向性[3]，或至少半球辐射的特性；尺寸尽量小，满足电子标签的面积要求，能方便地将标签贴到物体上；能与标签芯片阻抗能良好地匹配；具备线极化或者是双极化的特性；满足设计要求的增益；成本低。
根据这些设计要求，我们在对天线几种设计方式的主要性能指标作详细分析的基础上，设计出最符合要求的UHF RFID标签的天线。
3 偶极子天线性能指标
偶极子天线的主要性能包括：天线的输入阻抗、增益、谐振频率、极化方式、波瓣宽度、频带宽度等设计参数。
3.1 天线的输入阻抗
经计算后可得到半波长偶极子天线辐射电阻Rr等于73Ω，若RFID系统在工作频率范围之内，该天线阻抗就可以与电子标签芯片的阻抗进行极好匹配。
当阻抗不能极好地匹配时，就存在着入射波以及反射波，反射系数G是反射波的幅度同入射波的幅度比值，此时回波损耗是反射系数导数，也就是说S11=20lg（Γ），并且驻波比VSWR是波腹电压同波节电压的幅度之比，也就是，当反射系数G越小，回波损耗 S11的值也就越大，当VSWR驻波比的值趋近于1时，天线的匹配阻抗肯定会更好一些。
3.2 天线的增益
天线增益在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，增益与天线方向图的关系是方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。相同的条件下，增益越高，信号传播能力超强，传输距离越远。dBi 是相对于全向性天线的增益，dBd是相对于对称振子天线的增益，二者之间的关系为dBi=dBd+2.15。
3.3 天线谐振频率
天线谐振频率为天线工作的中心频率，UHF RFID标签载波的中心频率为915MHz，天线谐振频率即为915MHz，通过矢量网络分析仪扫描 S11参数来测定，S11参数越小表示反射越小，同时表明匹配性能越好，一般典型S11参数值为-10dB。
3.4 天线的极化方式
天线辐射时形成的电场强度方向，天线的极化方式分为垂直与水平极化和±45̊极化两种方式，后者性能上优于前者，因此天线的设计一般采用±45̊极化方式。
3.5 天线的波瓣宽度
波瓣宽度即为波束宽度、主瓣的宽度或者是半功率角，是在主瓣的最大辐射两侧方向，若辐射的强度降低到3dB（也就是降低一半功率密度）时的两点之间夹角。当波瓣越窄，方向性就越好，作用距离也越远，它的抗干扰能力也就越强。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。
3.6 天线工作频带的宽度
天线工作频带的宽度一般有两种定义方法：一是指驻波比VSWR≤1.5的条件下，天线工作频带的宽度；二是天线增益下降到3dB范围时工作频带的宽度。
天线载体也就是衬底，对天线电性能也会造成影响，若考虑成本的话，RFID天线载体一般会选择聚乙烯和聚丙烯二种材料。由此，天线衬底的材料介电常数（εr）、损耗角正切（tanδ）均会影响天线工作的性能，εr是表明电荷储存能力，而tanδ表示的是天线能量的损失大小。由于天线输入阻抗会随着频率变化，因此经常将阻抗的带宽称为天线的带宽，天线衬底的厚度影响到天线工作频带的宽度。
4 UHF RFID偶极子天线设计
通过电磁场三维平面仿真器对UHF RFID电子标签的天线实施设计以及仿真，通常计算带状线、共面波导、微带线等天线的电磁特性，以及天线辐射特性时使用矩量法，对于PCB板的耦合、寄生等这类效应，通过仿真均能准确地形成EM模型，结合寄生和耦合时效应，能准确地仿真出S参数以及远区产生的辐射场的形状，还有天线表面电流的分布情况。
4.1 标准的偶极子天线设计
我们设计了一款标准的偶极子天线，能较好地与所设计的 UHF RFID电子标签芯片匹配。标准偶极子的天线使用金属铜，采用1mm厚度、3.4的介电常数、0.018损耗角正切值的PCB 板作为底板，并将天线单臂长度设计成6.5cm，中间作为输入馈点，其结果如图4所示。
经仿真后测试出S11参数结果如图5所示，天线谐振频率阻抗结果如图6所示，其增益与效率关系曲线如图7所示。
4.2 变形后的偶极子天线
在标准偶极子天线上进行微小的调整，减小天线的双臂长，并且同时通过增加附属天线臂展宽度，从而实现对天线的工作带宽的调整，同时调整了天线的阻抗。具体形状如图8所示。
经测试天线在920.8MHz频率处进行谐振，该谐振点S11是-44dB，工作频率的带宽是73MHz，谐振点频率处的阻抗是51.001+j6.278W，峰值增益是1dBi，效率达到90%，以上几个指标基本上能满足UHF RFID系统工作的需求。
4.3 增加天线的阻抗
为实现更好阻抗的匹配，增加了天线阻抗虚部，以实现天线与电子标签芯片的输入阻抗良好匹配。
经测试，天线大约在742MHz频率处进行谐振，在915.6MHz频率的S11是-1.013dB，工作频率的带宽是42MHz，在该频率处的天线的阻抗是73.111+j247.310W，峰值增益是1.2dBi，效率是81%，通过调整天线的阻抗，天线与电子标签芯片的输入阻抗能良好匹配，几项指标基本上能满足UHF RFID系统工作的需求。
5 天线其他几种设计方案
5.1 折弯天线
在实际的应用中，天线长度有时会受到应用场合限制，如体积小、粘贴不方便等情况，因此需将偶极子天线进行折弯[6]处理，以符合工作场合的实际需要。具体形状如图9所示。
经测试，工作在915MHz频率时天线的阻抗是7.7-j98W，主要因为天线在弯折后对其谐振频率有较大的影响，会产生感抗，造成了该天线与电子标签并没有达到阻抗匹配，因此需要对此天线进行结构改造，改造后的阻抗匹配结构才能满足阻抗的匹配。一般会采用耦合法和T型性[7]来进行结构的改造，从而完成二者阻抗的匹配。
5.2 液体底版对RFID电子标签的影响
在实际的应用中，若RFID电子标签贴附在药品、农药、清洁剂等液体的外包装上，由于底版的液体是电介质，液体的介电常数远远大于1，液体不仅会改变标签天线的阻抗，使其与电子标签芯片之间阻抗完全失配，而且还会改变天线的辐射方向，使其天线的增益减小、谐振频率减小，阻抗也随之发生变化。因此当标签贴附在液体物品表面时，其读取距离必定会变得很近，有时甚至无法读取。这时需对天线进行改进，以满足RFID系统的要求。
5.3 微带天线
在带有导体接地介质基板上贴加导体薄片的天线是微带天线[8]。用同轴线或微带线进行馈电，在接地板和金属导体贴片之间进行激励产生电磁场，并通过贴片周边缝隙向外进行福射。具体形状如图10所示。
微带天线具有的优点是：体积小、重量轻，低剖面，并且能与载体共形；其电性能更加多样化；能与有源器件、电路集成为一体的组件。
微带天线也存在一些缺点，如：频带窄；损耗较大，造成效率低；单个微带天线的功率容量比较小；另外就是介质基片也对性能的影响较大。
在实际应用中，其优点远远超过了缺点，通过其他的技术手段可以克服其缺点，因此，微带天线在RFID系统中同样得到了广泛的应用。
6 结束语
通过对RFID系统中天线设计的基础理论研究，再基于天线方向性、增益、效率等几个主要性能参数的研究，重点关注天线与芯片的阻抗匹配，实现对电子标签芯片的能量最大化的传输。本文研究并设计出几种与芯片良好匹配的偶极子天线，所设计的天线，其增益、效率以及方向性等参数基本能满足设计要求，通过仿真测试，对一些结构或参数进行调整，就可以设计出适应不同应用场合与条件，各种不同尺寸和形状的标签天线，此方法在天线设计中应用面极广。
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