射频识别RFID(Radio Frequency Identification)[1]是一种可借助无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间设立机械或光学接触的通讯科技。常用的RFID技术有低频(125 kHz~134.2 kHz)、高频(13.56 MHz)、超高频等。其中超高频以其读取距离大、传送数据速度快、存储数据量大、灵活性强、适应高速运动等各种特点受到了迅猛发展。
最基本的RFID系统[2]由标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)三个别组成。RFID系统应用中，标签是制约其整体性能的关键原因之一。实际应用中，标签多附着于塑料环境表面使用。然而，金属环境对标签的干扰大大缩小了RFID标签的应用范围。因此，针对特定环境设计带有抗金属性的标签十分必要。此外，对电子标签设计而言，标签的有效读取距离是考量标签性能的一个关键指标，提高标签的阻抗匹配度有助于优化标签的有效读取距离。所以，对所设计的标签进行阻抗匹配改进非常重要。
1 标签结构设计
1.1 金属环境对标签的影响
标签主要由标签芯片和内置天线构成，其中天线主要起至接收和发送电磁波的作用，其目的是存储尽可能大的能量进出标签芯片，为标签提供工作能量。
根据电磁场原理，场强对金属非常脆弱，容易对标签导致影响。其妨碍主要来自下列两方面：(1)金属靠近天线时，由于电磁感应作用会在其外部形成涡流，同时吸收射频能量转化成自身的电场能，从而降低了射频原有的能量;(2)金属环境造成的涡流也会形成感应电场，且由其形成的磁力线平行于金属环境表面，与射频场强相反。由金属环境造成的磁场对原磁场产生干扰，导致金属表层的磁力线趋于变形，在离金属更近的区域或者垂直于金属表层，该区域内根本没有射频场，因此直接附着于塑料物体表层的标签根本难以借助切割磁力线获得能量，不能正常工作。
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为了进一步对标签设计进行改进，在短路环偶极子天线[6]的基础上采用阻抗臂结构。短路环结构对天线输入阻抗的调节主要与环的厚度、宽度、激励两端环的宽度和构成环的金属宽度有关系抗金属RFID标签，因此在设计中采用阻抗臂，通过调节阻抗臂的厚度和长度间接调节短路环的参数，从而影响天线的串扰匹配，更容易对设计进行适应性调节。
设计出的短路环偶极子抗金属标签天线主要由弯折天线臂(辐射主体部份)、短路环和阻抗臂三部份构成。标签芯片采用中国英频杰(IMPING)公司的Monza4，并将其贴在短路环结构的开口处进行激励。将设计出的天线制作于介电常数εr=4.4，材质为FR-4， 厚度约为5 mm，尺寸约为95 mm×10 mm的基板上，如图2所示。其中L1为阻抗臂厚度，约为36 mm;L2为阻抗臂长度，约为0.75 mm。标签天线材质为铝，厚0.01 mm，尺寸约为79 mm×6 mm。将设计的标签放在面积为228 mm×80 mm的金属板表面进行仿真测试，其各方面性能均依照设计及实际应用要求。
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2 标签天线性能分析
2.1 天线输入阻抗图
对所设计天线引入Ansoft HFSS软件进行仿真，可得到天线的输入阻抗图[7]如图3所示。
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图中两条曲线分别为所设计标签天线电电压及整流值随温度的差异曲线。从图中可以看出天线谐振频率为922.625 MHz处的输入阻抗为11.23+138.55 Ω，标签电阻值匹配率为91.82%，电抗值匹配率为97.91%，整体阻抗匹配率达到了90%以上，匹配状态良好。且在900 MHz~960 MHz频率范围内差异平缓，表明标签天线和芯片的阻抗匹频带较宽，具有较强的鲁棒性。
2.2 天线回波损耗图
图4所示为所设计短路环偶极子抗金属标签天线的回波损耗[8]曲线图。
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由计算结果推测天线具有很好的回波损耗特性和良好的频带特性，性能体现良好，满足实际项目应用设计标准。
2.3 天线方向图
天线方向图[9]是方向性函数的图形表示，它形象地描绘天线辐射特征随空间方向坐标变化的关系。图5为所设计短路环偶极子抗金属标签天线的H平面(φ=0°~360°,θ=90°)方向增益图。从图中可以看出其在φ=0°时的最大增益为-5.82 dB。图6为所设计标签天线的E平面(φ=0°,θ=-180°~180°)方向增益图，在θ=90°处的增益为-5.82 dB。分析图中数据断定，靠近金属环境一侧天线因为遭到金属吸附电磁波的干扰，天线增益锐减，可以忽视。而金属环境的相反两侧，天线表现出了对上半球面的覆盖，增益超过了应用要求。
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3 对标签基板硬度L跟阻抗臂的研究
3.1基板硬度L对天线各性能的影响
将短路环偶极子抗金属标签天线制作于介电常数?着r=4.4，材质为FR-4， 尺寸约为95 mm×10 mm， 厚度为5 mm的基板上，使标签与塑料表面磁场垂直的区域进行防护，标签达到了防金属的规定。且经Ansoft HFSS软件仿真测试，标签各方面性能均超过了实际应用标准。但在实际制作电子标签时，加工5 mm厚的FR-4基板会有一定的项目误差，所以研究标签天线与塑料之间的距离即基板硬度L对标签各方面性能的妨碍更有必要。 表1列出了基板厚度L对天线各特征参数的影响。
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分析表1数据可以看出，随着标签天线与塑料环境距离的增大，天线谐振频率、谐振频率处的回波损耗及输入阻抗整体呈增长态势，而绝对带宽和相对带宽整体呈下滑态势。当基板硬度L小于4 mm时抗金属RFID标签，阻抗匹配程度未大于80%，不符合实际应用需求，因此，实际加工时基板硬度要高于4 mm。
3.2 阻抗臂对标签天线输入阻抗影响
设计中采用阻抗臂用于改进标签天线芯片的串扰匹配，研究阻抗臂的宽度对短路环偶极子天线输入阻抗的调节作用对天线性能的改进更有必要。
如表2和表3分别列出了阻抗臂厚度L1及长度L2变化时对标签天线输入阻抗的阻值值Re和电抗值Im的影响。分析表中数据断定，当改变阻抗臂的宽度L1时，天线的阻值值与频域臂厚度L1成正相关，而电抗值相对只表现出微小的波动。可见，阻抗臂的宽度L1只影响天线输出电压值，通过调节阻抗臂L1的宽度可以超过调整天线输出电压值的目的;当改变阻抗臂的长度L2时，天线的阻值值跟电抗值都有较大的差异，且随着尺寸的降低，电阻值与其重量成正相关，而电抗值与之负相关，由此预测得出阻抗臂的长度L2能够影响天线的输出阻抗，可以用来改进天线的阻抗值。同时调节阻抗臂的厚度L1和长度L2可以对天线的阻值值和电抗值的数值大小及比重进行调节，从而改进标签天线与标签芯片的阻抗匹配，使匹配达到最佳，提高天线各方面的性能。
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本文基于短路环偶极子天线结构，设计了一款谐振频率为922.625 MHz的短路环偶极子抗金属标签。通过将天线制作于FR-4(?着r=4.4)材质基板上，使标签天线与塑料表面磁场垂直的区域相隔离，标签具有了防金属性，可以应用于金属物体表层，而短路环结构的采用增加了标签阻抗匹配的难度。同时本文分析了基板厚度对标签各方面性能的制约，得出基板厚度L>4 mm时，标签各方面性能能够超过实际应用需求;通过采用阻抗臂，可对天线的串扰进行调节，从而改进标签阻抗匹配，使其超过最佳。所设计标签电阻值匹配率为91.82%，电抗值匹配率为97.91%，整体阻抗匹配率达到了90%以上。经过Ansoft HFSS软件仿真，并对仿真结果进行预测，天线各性能参数都依照实际设计规定。
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