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1、超薄高增益 UHF 抗金属标签天线设计 汤炜 袁良昊 谢姣皎 华侨大学信息科学与工程学院 摘 要： 设计了一款超薄的高增益 UHF 抗金属标签天线。标签天线以高介电常数的陶瓷为介质基板, 由上层带有双 T 型槽缝的金属贴片、介质基板和下层金属贴片组成, 天线平面尺寸为 80 mm40 mm, 厚度仅为 0.8 mm。天线结构简单, 不需要短路通孔、短路销钉或短路贴片将天线上层贴片与地板相连, 通过改变天线上层贴片 T 型槽缝的尺寸, 可以对标签天线阻抗进行有效调节, 并实现天线的低剖面。天线未加金属地板最大增益为 3.4 d Bi, 加载金属地板最大增益为 6.9 d Bi, 且加载金属地板前
2、后天线的中心频率和阻抗带宽无明显变化。实际测试结果与仿真结果比较吻合, 实测未加载金属地板状态下最大识别距离为 4.5 m, 加载金属地板状态下实测最大识别距离为 6.8 m。关键词： 抗金属; 标签天线; 高增益; 阻抗带宽; 作者简介：汤炜 男, 1974 年生, 副教授, 博士, 研究生导师。主要研究方向:吸波材料、天线理论与工程等。E-mail:作者简介：袁良昊 男, 1991 年生, 硕士。主要研究方向:吸波材料, 天线及周期结构设计。作者简介：谢姣皎 女, 1987 年生, 博士。主要研究方向:双极化基站天线、多频带手机天线、电磁带隙结构。收稿日期：2017-03-28基金：福建省
3、自然科学基金 (2015J05127) Design of an Ultrathin High Gain UHF Anti-metal Tag AntennaTANG Wei YUAN Liang-hao XIE Jiao-jiao College of Information Science and Engineering, Huaqiao University; Abstract： In this paper, a high gain ultrathin UHF anti-metal tag antenna is proposed. The tag antenna is composed
4、of upper metal patch with double T slots, dielectric substrate, and under metal patch. The plane size of antenna is 80 mm40 mm and the thickness of it is just 0. 8 mm. The structure of proposed antenna is simple without short via, short patch and short pin. It is convenient to adjust the impedance o
5、f the antenna and realize low profile by modifying the dimensions of the T slots on the upper patch. The realized gain of proposed antenna is 3. 4 d Bi without metal ground and 6. 9 d Bi when it is attached to the metal ground. And there are no obvious changes in center frequency and impedance bandw
6、idth of antenna. The measured results match well to simulated results. The measured identifying distance is 4. 5 m without metal ground and 6. 8 m when it is attached to the metal ground.Keyword： anti-metal; tag antenna; high gain; impedance bandwidth; Received： 2017-03-28引言射频识别 (Radio Frequency Ide
7、ntification, RFID) 技术, 是一种通过射频信号对目标对象信息进行采集和识别的短程通信技术, 因其非接触式识别方式和高速识别效率而得到了广泛重视和发展。其中, 超高频段 (UHF) 的 RFID 技术, 由于工作性能稳定、识别距离远、成本低廉等优点, 被广泛应用于物流供应、仓储管理、商品零售和生产自动化管理等领域1-2。无源电子标签由天线单元和 RFID 芯片组成, 天线性能的优劣直接影响着整个电子标签性能的好坏。实际应用中, 普通电子标签常被贴附于金属物体表面, 由于金属表面会对标签天线近场产生影响, 故标签的输入阻抗、谐振频率、方向图和增益都会迅速恶化, 进而导致标签失效。
8、为了解决金属环境对标签天线工作性能影响的问题, 学者做过很多研究, 例如 Teerapol 等将标签天线依附于EBG (Electronic Band Gap) 介质材料上3;Ding 等将人工磁导体 AMC (Artificial Magnetic Conductor) 材料置于标签天线底部, 通过改变反射波相位从而降低金属地板对标签天线性能的影响4, 但这种方法往往成本高、加工难度大;Hirvonen 等根据微带天线需要金属地板的特性, 设计了将金属表面作为地板的微带型标签天线5, 此种结构抗金属性好, 但一般需要短路销钉或贴片将天线与地板相连, 增加了加工难度;还有 Chen 等人设计的
9、采用缝隙结构的标签天线6-9, 此类标签具有工艺简单、低剖面的优点。本文基于缝隙结构标签天线的特性, 提出了一款缝隙结构的高增益超薄抗金属标签天线, 通过采用高介电常数介质基板和带有双 T 型缝隙的辐射贴片, 实现天线的高增益和小型化。当该标签被置于金属表面时, 中心频率和阻抗带宽无明显变化, 标签性能无明显衰减, 且增益显著提升, 识别距离更远。1 标签天线结构分析与设计文献6中提出的轻薄型抗金属标签天线采用开路缝隙, 模型厚度只有 1.5 mm, 工作机制类似于高阻态表面, 结构简单, 但仍带有不利于加工制造的短路销钉。文献9中叶明教授等设计了一款带有开路槽缝的超小型标签天线, 采用高介电
10、常数、高 Q 值的陶瓷作为介质基板, 有效缩减了天线尺寸, 并提高了抗金属性, 尺寸仅为 12 mm7 mm3 mm, 但厚度仍较厚, 且识别距离仅为 1.2 m。文献7和文献8分别提出了两款缝隙带有长短臂结构的标签天线, 且无与地板的短路结构, 天线的谐振频率和阻抗主要取决于缝隙的长度和宽度。文献7中提出的标签天线识别距离可达 6.8 m, 但整体尺寸仍较大, 为 76 mm76 mm3.2 mm;文献8中刘玉伟等人设计的采用 T 型槽缝的标签天线, 整体尺寸较文献7的设计有一定缩小, 但是识别距离也缩短至 5m。由以上标签天线可知, 带有长短臂结构的 T 缝隙可有效调节标签天线的阻抗和谐振
11、频率;且开路型槽缝在实现标签的小型化同时, 更易于调节天线阻抗。故本文基于以上特点, 提出了一款低剖面的带有开路 T 型缝隙的超薄高增益标签天线。本文设计的标签天线的正视图和侧视图如图 1 所示, 介质基板采用介电常数 r为 9.8, 正切损耗角 tan为 0.0015 的氧化铝陶瓷, 天线上层有两个相互垂直的 T 型槽缝的金属贴片, 下层为全金属贴片。两个垂直的 T 型槽缝可以增加电流的路径, 高介电常数介质基板可以缩小等效谐振长度, 从而达到减小标签天线的体积的目的。因为标签芯片的电抗远高于标签芯片的电阻, 所以标签天线虚部的匹配相对而言比实部匹配更重要, 且标签天线的实部和虚部的变化不是
12、完全独立的。故通过调节 T型槽缝的尺寸可以有效调节标签天线的阻抗, 使天线阻抗可以和标签芯片阻抗实现良好共轭匹配。标签天线的等效电路如图 2 所示, R G、C G和 LG为上、下层金属贴片和介质层之间构成的谐振等效电路, R C、C C、L C为标签芯片内部等效电路, L S和 CS为上层 T 槽缝形成的耦合电感和电容, R S为金属贴片形成的电阻。图 1 抗金属标签天线正视图和侧视图 下载原图图 2 标签天线等效电路图 下载原图2 标签天线仿真与优化基本模型确定后, 本文采用有限元仿真软件 Ansoft HFSS 对天线尺寸进行仿真优化。标签芯片采用美国意联科技 (Alien Techno
13、logy) 生产的 Higgs3 芯片, 该芯片具有-18 d Bm 读取灵敏度, 在 915 MHz 时的阻抗值为 Zc=27-j201, 单位。由图 3 和图 4 可以看出随着两 T 型槽缝短臂间距 d 和槽缝短臂的宽度 W2不断增大, 天线的输入阻抗的实部和虚部都会随之增大, 即天线的谐振频率会随着 d 和 W2的不断增大而向低频移动。另外, 从图 3 和图 4 可以看出标签天线的阻抗特性曲线随频率变化较陡峭, 这表明标签天线等效谐振回路的 Q 值较高, 因此带宽较小, 为了减小体积而牺牲了带宽特性。当 d=10.9 mm、W 2=4.3 mm 时, 标签天线的阻抗达到 17.85+j2
14、02.83, 反射系数 S11为-31 d B, 标签天线与标签芯片达到良好的共轭匹配, 能够正常地工作在美标 (902928 MHz) 的 UHF 频段, 标签天线的最终结构参数如表 1 所示。表 1 天线各参数尺寸 下载原表 为了模拟实际金属环境, 本文将标签天线直接置于 400 mm400 mm 的有限金属地板上, 以模拟金属环境对天线性能的影响。图 5 和图 6 分别展示了加入金属地板前后对标签天线的 S11和增益的影响。由图 5 可以看出, 将标签天线置于金属地板上时, 标签天线的谐振频率向高频偏移, 谐振频率比未加入金属地板时向高频偏移了 5 MHz, 偏移量不大, 阻抗带宽变化较
15、小, 标签天线依然稳定工作在美标 (902928 MHz) 的 UHF 频段。图 3 两槽缝短臂间距 d 对天线输入阻抗和 S11 的影响 下载原图图 6 为读写器发送 3.2 W 等效功率下的标签加载金属地板和未加金属地板时的增益, 从图中可以看出, 标签天线在置于金属地板上时, 标签天线增益从 3.4 d Bi 左右提高到 6.9 d Bi 左右, 标签天线的增益有了明显的提高。标签的识别距离是系统最重要的性能指标, 根据 Friis 公式可以得出计算标签天线理论读取距离的公式10。其中, P EIRP为阅读器天线的等效全向发送功率, P th为标签芯片的最小启动功率 (可从芯片产品说明书
16、中查到, 为-18 d Bm) , 为标签与阅读器之间的极化匹配系数, G tag为标签的实际增益, 可表示为 Gtag=Gt, 其中 Gt为标签的读取增益, 为标签天线与芯片之间的功率传输系数。若标签芯片的阻抗为Zc=Rc+j Xc, 标签天线的阻抗为 Zt=Rt+j Xt, 则可表示为图 4 槽缝短臂宽度 W2 对天线输入阻抗和 S11 的影响 下载原图图 5 加入金属地板后对标签天线 S11 的影响 下载原图图 6 加入金属地板后对标签天线增益的影响 下载原图实际工程中由于标签摆放的随机性, 为保证识别效率, 一般会采用圆极化的阅读器天线, 而线极化标签天线与圆极化阅读器天线之间存在 3 d B 极化损耗, 故此时 约为 0.5。针对本文所设计的标签天线, 在中心频率 915 MHz 处, 为空气中中心频率的波长, P EIRP为 3.2 W, Gt为 3.37 d Bi,
