1 引言
射频识别(RadioFrequency Identification，RFID)技术既是识别科技，也是短程通信技术。它借助射频讯号采集和辨识目标物的相关信息，以非接触识别和识别速度快等特点而被广泛应用，同时也有物联网传感层里更主要的成员。超高频(Ultra-High Frequency，UHF)RFID技术因为具备识别距离远、标签成本低等特点，因而非常适用于物流和供应链管理[1]。
抗金属标签广泛应用在必须辨别各类金属物体的场合，它消除了普通标签放置在塑料物体表层时读写距离逐渐减少、工作可靠性大大下降或者不能正常读写的劣势。目前，国外RFID抗金属标签存在着密度大、成本高、性能不稳、设计工艺复杂等特点，难以满足我国实际市场应用需求[2]。本文主要对于在金属表层上的手动识别问题，设计了一款UHF频段基于PCB的小型化抗金属标签。标签具有重量小，成本低，读写距离远等优点。
2 抗金属原理以及设计
金属等环境介质对电磁波有损耗作用，金属表层对电磁波有反射作用，严重制约着UHF无源RFID系统性能的充分发挥。国内外对抗金属标签做了长期的研究，为了减少塑料表面对标签天线的影响，目前有价值的解决方案主要有：一是合理选择天线的类别，如运用微带贴片天线或倒F天线等;二是运用双层介质、介质覆盖或电磁带隙等结构方式;三是运用吸波材料等方式进行防金属设计[3]。为减少费用，实现产业化推广，本标签采用了下面抗金属设计方式。
2.1 天线结构设计
标签天线的性能指标和通常天线类似，只是在参数的规定上有所不同。这些科技性能指标主要包含方向特征(方向图，描述辐射场振幅与方向的关系曲线)、方向性系数(表征天线向某一个方向集中辐射电磁波的程度即方向图的尖锐程度)、天线强度(度量天线转换能量的有效性)、天线增益(表征天线辐射能量的集中程度)、阻抗特性、频带宽度(天线的工作频段)、电压驻波比(表征天线和馈线连接的匹配程度)等抗金属RFID标签，它们在巨大程度上既取决于天线本身的构架，其中阻抗特性和天线增益对RFID系统的作用距离影响最大[4]。
初步设计的抗金属标签天线如图1所示抗金属RFID标签，天线总长度为为71mm*28mm*0.5mm。在FR4基板上覆盖一个与衬底尺寸相同的方形铜贴片，在贴片上方开3个U型槽，通过这些设计，可以降低标签天线的电流模式长度，从而有效地减少抗金属标签天线的宽度。通过调节U型槽的厚度、宽度来调节天线的串扰，使得标签天线的串扰和芯片的频响共轭相近，就可以觉得标签天线和芯片匹配。
图 1 抗金属标签天线的结构
3 天线仿真分析
为了验证设计的正确性，首先在HFSS15.0仿真系统上对所提供的天线进行建模建立跟仿真优化。将所强调的天线直接放置在一个尺寸为500mm×500m的有限地面上以模拟金属环境对标签天线的制约。标签芯片采用强盛科技的Higgs3 芯片，接收灵敏度为-20dBm，在915MHz处的输入阻抗为27-j201Ω。
根据图1设计的建模进行仿真，天线反射系数S11如图2所示，可以看到抗金属标签天线的频偏较严重。
图 2抗金属标签天线反射系数仿真曲线
通过预测，我们觉得，抗金属标签天线结构是在圆形辐射贴片的基础上进行开缝操作，通过在贴片上开槽，切断了原本的表层电流路径，使电流绕槽边曲折过而模式变长。而且借助改变槽的宽度，可以便捷地调节天线的输入阻抗，从而有利于天线和串扰不同的标签芯片进行匹配。所以在天线原有基础上，进行开缝处理，在弧形槽之间开6条缝隙，改进后的防金属标签天线如图3所示。
图 3 改进后防金属标签天线的结构
对改进后的抗金属标签天线进行仿真，通过调节U型槽的厚度、宽度或者空隙的位置长度，得到最优天线反射系数S11如图4所示，中心频率在917MHz附近，中心频率处的S11在-21.5dB左右，抗金属标签天线可以正常工作。
图 4 改进后防金属标签天线的反射系数
通过仿真，抗金属标签在中心频率的增益可以超过-1.7dB，增益方向图如图5所示。
图 5 抗金属标签天线增益方向图
5 结论
本文提出了一款小型化基于PCB的超高频抗金属标签天线。所设计的天线在圆形贴片开3个U型槽，同时在弧形槽的空隙开6条缝隙以推动小型化。改变槽的宽度或者槽间空隙的位置长度可以便于调节天线的输入阻抗，有利于天线和不同的标签芯片进行匹配。与其它标签天线相比，该标签长度最小，仅为71mm*28mm*0.5mm。经过实测，最大读写距离可以超过2m。本文设计的标签结构简洁，目前已进行批量生产，可以应用于各种金属器材或设施。
1
