原创 RFID标签用缝隙天线分析与设计

　　1　引言

　　无线射频识别(简称为RFID)系统由标签、读写器和后台主机组成。RFID标签由专用的IC芯片和一根连接在芯片两端上的天线组成。在RFID标签天线设计中，天线与芯片之间的阻抗匹配程度决定着RFID系统性能指标，标签小型化要求其天线小型化，标签天线小型化是标签设计者永远追求的目标。

　　近来，有一些标签天线设计的报道，例如折叠型偶极天线、V型偶极天线、倒F型天线、环型天线和分形天线等等[1-3]。这些天线的轮廓外形大都是半波振子的变形，长度大约为波长的一半，显得大了点，阻抗匹配不容易也不方便，它们的带宽狭窄，加工制造复杂，因此不利于RFID技术的推广普及应用。

　　缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带和与有源器件和电路集成为统一的组件等诸多特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大

　　降低成本。近年来虽然有一些研究缝隙天线的文章[4-5]，但弯折缝隙天线的谐振特性分析与标签用缝隙天线鲜见报道。因此，弯折缝隙天线的谐振特性研究和尝试在915MHz频段用缝隙天线来设计RFID标签天线具有广阔的市场前景。

　　为此，本文矩量法研究了缝隙弯折次数、高度、位置、宽度和缝隙天线平片大小对矩形缝隙天线谐振特性的影响。最后，根据给定的标签芯片，提出了一款UHF射频识别标签用的缝隙天线，制作了相应的实物天线。仿真与测试结果表明，所设计的天线适合于RFID标签应用。

　　2　缝隙天线分析

　　缝隙天线有平面与非平面之分。平面缝隙天线按照缝隙的形状可以分为矩形缝隙和非矩形缝隙天线。理想平面矩形缝隙天线是在无限大无限薄的理想导体平板上开矩形槽缝所构成，槽缝的宽度比其长度小得多。对偶原理是分析缝隙天线辐射的基本理论。缝隙天线与其互补电振子具有相似的辐射场分布特性(方向图)，区别是其电场与磁场的位置互换。缝隙天线阻抗Z1与其互补的电振子的阻抗Z2之间存在如下的互补关系:

　　缝隙天线的馈电激励方式主要有电磁藕合和直接相联的接触式馈电。电磁藕合馈电是贴近(非接触)馈电。直接相联馈电是接触式馈电。基于标签结构特点，宜采用接触式馈电，即标签用缝隙天线与标签芯片直接相联馈电，这样不仅能简化标签结构，便于集成化，而且还能降低成本，推广普及RFID技术的应用。

　　弯折缝隙天线结构参数如图1所示，平片大小为L×W，缝隙弯折宽度和高度分别为s和h，缝隙离馈电中心距离为l。以下讨论这些参数的改变对缝隙天线谐振特性的影响。

图1　弯折缝隙天线结构

　　2.1　弯折次数的影响
　　图2(a)、(b)、(c)和(d)分别为矩形长直缝隙(没有弯折)、2、4和6个对称矩形弯折的缝隙天线结构图。分析条件是，L=120mm,W=100mm，h=10mm，缝隙的宽度为1mm,缝隙的水平长度为115mm。矩量法仿真结果的反射系数 S11曲线如图3(a)所示。4条天线具有如图3(b)所示相似的辐射方向图。

图2　平面垂直弯折缝隙天线结构

图3　S11曲线和天线辐射方向图

　　表1是图2各弯折缝隙天线的谐振频率、谐振点阻抗、反射系数S11值、增益和效率关系表。仿真结果显示，2个弯折的谐振频率比没有弯折的约小 290MHz，4个弯折的谐振频率比2个弯折的约小240MHz，6个弯折的谐振频率比4个弯折的约小160MHz。可见弯折能有效地降低缝隙天线的谐振频率，可用于缩减缝隙天线的尺寸。同时增益随着弯折数目的增大逐渐下降，阻抗带宽也随之减小,谐振点阻抗变化不大。

　　2.2　弯折高度的影响
　　改变缝隙的高度h，l=18mm，s=17mm，L×W=120mm×100mm来分析本问题。仿真结果的S11曲线如图4所示。四条天线的辐射方向图与图3(b)相似。表2是缝隙弯折高度h与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点的S11值、增益和效率关系表。
　　
　　由图4和表2可以看出，随着缝隙弯折高度h的增加，谐振频率与阻抗逐渐减小，S11值递增和增益随之递减，-10db阻抗带宽也逐渐减小。

　　2.3　弯折位置的影响
　　h=10mm，s=10mm，L×W=120mm×100mm,改变l的值来分析本问题。仿真结果的S11曲线如图5所示。4条天线的辐射方向图与图3(b)相似。

图4　S11曲线

　　表3是缝隙弯折位置与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点的S11值、增益和效率关系表。由图5和表3可以看出，随着弯折与馈电中心距离l的增大，谐振点阻抗递减，谐振点处的S11值逐渐增大，天线其它参数基本不变。

　　2.4　弯折宽度的影响
　　l=9.5mm，h=10mm，L×W=120mm×100mm，改变缝隙宽度s来分析。仿真结果的S11曲线如图6所示。
　　
　　4条天线的辐射方向图与图3(b)相似。表4是缝隙弯折宽度与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点的S11值、增益和效率关系表。可以看出，除谐振频率随弯折宽度微降外，天线其它参数的变化不大。

　　2.5　天线平片大小的影响
　　在h=l=s=10mm，L=120mm，改变W来分析本问题。仿真结果的S11曲线如图7所示。

　　4条天线的辐射方向图与图3(b)相似。表5是缝隙平片大小与谐振频率、谐振点阻抗、谐振点的S11值、增益和效率关系表。可以看出，天线谐振频率微降，谐振点阻抗随平片宽度的减小呈增大态势，但增幅减缓，说明天线对电流的阻碍增加，增益下降。以上所有天线的效率都较高，接近100%。

　　3　设计与测试

　　基于上述缝隙天线特性的分析结果，本文在FR4基板上设计了一款 RFID标签用矩形缝隙天线，结构如图8所示1工作频率为f=915MHz，与之匹配的标签芯片(Atmel公司ATA5590)端口阻抗为 Zchip=1210-j21710欧姆1金属平片大小为8010mm×6010mm,缝隙宽为110mm,缝隙水平长6010mm，缝隙高为 2010mm1仿真显示天线在915MHz处的阻抗为918+j21812欧姆，与标签芯片端口阻抗匹配得很好，S11=-4413db，天线的方向系数为3157dbi，辐射效率为80113%。相应仿真结果见图9和10，图11为制作的缝隙天线实物图。

　　测试条件:RF信号频率915MHz，衰减置于10dbm，调制为AM，调制深度100%和调制信号频率为1KHz的方波。被测试天线与标签芯片的等效输入电路相联，接收来自发射天线的信号，通过测量输入电路端口上的电压大小来说明被测试天线的性能。在相同的条件下，测量得等效输入电路端口上的电压越大，说明天线接收性能越好。测试结果见表6，表中距离为发射天线到测试天线间的距离。结果说明，该缝隙天线的性能比文献[6]的好。

　　另外，使用AWID公司的MPR-3014阅读器在天线辐射功率为4W，中心频率为915MHz，并且在标签天线与阅读器天线良好接收条件下，测得阅读距离为610m。根据文献[7]报道，文中设计的标签天线基本达到了应用要求。

　　4　结论

　　本文研究了平面矩形弯折缝隙天线结构参数对其谐振特性的影响，缝隙的弯折次数和高度能有效地降低其谐振频率，可用于缩减天线尺寸。最后基于弯折对缝隙天线性能的影响和给定芯片，提出了一款UHF射频识别标签用的缝隙天线，制作了相应的实物天线。仿真与测试结果显示，所设计的天线基本达到应用要求。可以预计，弯折缝隙天线将是UHF标签天线设计领域看好的发展方向。