龙源期刊网 一种小型化 UHF RFID 抗金属标签天线的 设计 作者：陈志芳 万德松等 来源：《现代电子技术》2013 年第 07 期 摘 要： 针对射频识别（RFID）标签天线小型化、抗金属环境的实际需求，利用 PIFA 天 线的设计原理跟开槽线科技，设计了一种基于微带天线结构的抗金属标签天线，将原有标签尺 寸缩小近 2/3，该标签天线工作频段为 860～960 MHz，尺寸约 30 mm× 30 mm× 4 mm，置于 180 mm× 180 mm 的金属板上，增益大小为 3 dBi 左右，频段内驻波小于 1.5，满足了标签小型化、 抗金属、低成本的要求。 关键词： 射频识别； 抗金属； 标签天线； 小型化 中图分类号： TN82? 34 文献标识码： A 文章编号： 1004? 373X（2013）07? 0083? 03 0引言 超低频无源 RFID 技术因为其读取距离较远、成本较低、读取速度较快等各种优势而被广 泛应用。但是，超低频无源 RFID 技术在现在这些应用尚不成熟，很大程度上是因为标签对于 各类不同物品的适用性以及不同场景的适应性上存在的技术性问题导致的。尤其是金属物体对 超低频 RFID 标签性能有巨大影响，超低频无源 RFID 抗金属标签是一种专门对于塑料物体而 使用的无源超低频 RFID 标签，也称为金属标签[1]。
对于普通无源超低频标签，当其贴在金属表层时，由于标签天线的串扰匹配、辐射强度、 方向性都出现了差异，标签的读取距离逐渐减少，甚至无法被读取。因此必须对其进行特殊处 理或采取特殊标签，以适应在塑料表面使用。同时 UHF 频段的标签普遍规格较大，无法使用 在密度较小的物体上抗金属RFID标签，极大地限制了 UHF 频段 RFID 系统的使用范围。 本文对现有的抗金属 PCB 标签进行型号增加设计抗金属RFID标签，在牺牲较少增益的前提下，大大缩减 了标签天线的宽度，满足了小长度金属环境要求，同时相比利用高介电常数材料来进行缩减尺 寸的标签，更具性价比。采用 Impinj 的 Monza4 芯片为例进行仿真设计，该芯片在中心频率为 915 MHz 时的阻抗约为（11+134j）Ω。 1 现有的标签天线结构 常见的一种抗金属标签，是运用传统的微带天线科技，文献[2]已对该类别抗金属标签做 了设计跟分析。典型的微带天线结构，是由圆形贴片与衬底，接地平面构成了一个谐振腔，谐 振长度由圆形贴片的宽度 L 决定。贴片长边两端的空隙产生的边缘场暴露在上半空间，并形成 龙源期刊网 辐射。基本长度 h 远大于波速，矩形贴片的滤波长度 L 略大于基板介质中的半波长。
谐振长度 的近似公式为： [L=0.49λd=0.49×λεr] （1） 式中：[λ]是自由空间波长；[λd]是介质中的波长；[εr]是基本的相对介电常数。 选用介电常数为 4.5，厚度为 4 mm 的介质板，经公式（1）计算得，微带贴片长度 L=75 mm，因此设计整个标签天线的规格（包含介质板），大小约为 90 mm× 25 mm× 4 mm，如图 1，图 2 所示。 常见微带结构标签天线 置于金属板的标签仿真 将该种标签天线置于 180 mm× 180 mm 的金属板上，利用 HFSS 软件进行仿真，最终受到 的增益图跟驻波曲线图， 标签天线增益 标签天线驻波 2 PIFA 结构优化的标签天线 为了减缩尺寸，结合 PIFA 天线（平面倒 F 天线）的设计原理，PIFA 天线由地板、贴片、 馈线和接地线构成，可以看成在贴片长度为半波长的微带贴片天线的基础上，根据镜像原理， 将贴片中间接地，贴片长度缩小为[12][3]。PIFA 天线的地线使得天线的串扰波长由传统的半 波长增加为[14]波长，这是天线小型化的一个主要方式。本文利用在贴片中间位置，放置接地 过孔，由此产生贴片与地面的短路，排列密集的过孔可看做短路墙（电壁）[4]， PIFA 原理改进的标签天线 置于金属板的标签仿真（PIFA） 龙源期刊网 因此，利用 PIFA 天线的机理进行常用微带结构标签天线的优化设计，可以将标签长度缩 短一半左右， 标签天线增益（PIFA） 3 引入十字开槽的标签天线 同时为了进一步增加标签天线的宽度，利用打孔线方式进行小型化设计。
在微带贴片上开 槽，切断了原本的表层电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在等效电路中相当于引 入了级联电感[5]。随着槽尺寸的降低，天线的谐振频率也会增加，这是现今小型化技术中的 主要方式，同时开槽不仅无法增加天线的谐振频率，而且能够够保证一定的增益和带宽，对天 线性能的制约不大，也容易推动圆极化和双频双极化特性[6]。本文利用十字开槽线，在标签 天线外侧分别对称的倒角，最终标签天线设 标签天线驻波（PIFA） 十字开槽线改进的标签天线 置于金属板的标签仿真（十字开槽） 同样将优化的标签天线放在 180 mm× 180 mm 的金属板上，利用 HFSS 软件进行仿真，最 终得到的增益图和频域曲线图， 减缩尺寸后标签的增益 对比去掉地面金属板时，也就是标签在非金属环境仿真，得到的增益方向图跟驻波对比发 现，抗金属标签在金属环境下才具备良好的性能，因为在设计中，把塑料附着地成为标签天线 的一部分来预测设计，一般来讲，背面金属板的大小，影响了标签天线的增益大小[7]，当没 有附着在金属环境时，增益急剧减少，性能也会大大降低。 减缩尺寸后标签的驻波 无金属板时的增益 龙源期刊网 无金属板时的串扰 标签尺寸跟增益对比 [＼&尺寸＼&增益（置于 180 mm× 180 mm 金属板） /dBi＼&现有标签天线＼&90 mm× 25 mm＼&5.2＼&PIFA 结构改进＼&50 mm× 25 mm＼&4.3＼&十字开槽线＼&30 mm
