[ 導讀 ] 提出了一種用于金屬物體表面的RFID天線。該天線包含一個耦合地板和翼型輻射貼片。天線尺寸為84 mm x25 mm x4.5 mm，當圓極化閱讀器天線增益為7.5 dBi，輻射功率為30 dBm時，在902 - 928 MHz范圍內閱讀距離可達10 m。標簽天線在金屬物體表面的實測結果顯示，該標簽具有較

 　　隨著物聯網技術的發展，RFID技術的應用也日漸廣泛。在貨物供應鏈、資產管理、物流識別和跟蹤貨物u中，標簽得到了廣泛的使用。然而，在某堅特定領域,例如金屬物體表面,標簽性能會大幅下降甚至無法被識別，這便要求一種新型的抗金屬標簽來取代常規的標簽以實現對物品的識別和管理。

 　　常用的方法是將標簽墊高一定距離，使標簽距離金屬有一定高度，但此法不能無限地遠離金屬表面且不易小型化;還有在標簽下方附著一定特殊材料，如AMC( Artificial Magnetic Conductor)材料或EBG( Electronic Band Gap)介質材料，使得電場在標簽附近的相位有所改變，但此法對提高標簽性能有限且成本過高;另一種方法則是采用特殊的天線結構，如縫隙結構引、耦合結構等使標簽天線與標簽芯片阻抗匹配，而該方法已成為設計抗金屬標簽的一種趨勢。

 　　文中涉及的便是一種利用雙層耦合結構以實現對標簽天線的阻抗調整，由于標簽天線具有實部和虛部，要實現與標簽芯片阻抗的共軛匹配。文獻[6-8]提到用短路貼片方式設計標簽天線，即用短路貼片與地板形成耦合結構，類偶極子標簽天線與芯片相連放置于上層介質板耦合縫隙處‘9。101，從而激活標簽芯片，達到被識別的目的。此外，天線的翼型結構，對展寬阻抗帶寬起著一定作用，實際應用中可滿足天線設計要求。

　　1天線結構設計

 　　天線的模型如圖1所示，標簽為雙層結構，上層介質板是厚度為1.5 mm的FR4材料上，該介質的相對介電常數為4.4，耗損角正切為0. 02。下層為低損耗聚丙烯(pp材料)，該介質的相對介電常數為2.6，損耗角正切為0. 001。如圖l(b)所示，下層由導電金屬(鋁箔等)包裹，形成空腔結構，中間留有寬度為3 mm的縫隙。下層介質板的上表面兩側為金屬貼片與底部通過兩側金屬形成短路結構，耦合結構通過縫隙與上層貼片標簽天線產生諧振，從而激活標簽芯片。在915 MHz，標簽芯片阻抗為24.5-j190 Q，通過優化對天線阻抗進行調節，設計標簽天線詳細尺寸如下：W=25 mm,L =84 mm,g =3 mm,L1=55 mm,W1=3mm,r1=7mm,Ll=7mm,Hup=1.5 mm,Hdown =3 mm。

　　2 結果分析

 　　設計標簽天線采用雙層耦合結構，標簽天線的等效電路如圖2所示。下層耦合腔縫隙與上層標簽產生諧振，耦合縫隙g會對標簽諧振頻率產生影響，標簽天線距離地板的高度，即上層介質板厚度Hup具有電容效應，會對諧振頻率產生一定影響，類偶極子標簽天線的粗細W1主要影響感抗。

圖l 天線的結構

 　　此外翼型結構相對于單純的類偶極子結構具有展寬帶寬的作用。仿真結果表明標簽天線具有較好的方向性。

圖2 標簽天線等效電路圖

 　　(l)耦合縫隙g的寬度對諧振頻率的影響。如圖3所示，參數g的變化對天線諧振頻率的影響。隨著g從2 mm增加到5 mm，4個諧振點依次為889 MHz、915 MHz、935 MHz和952 MHz，可見縫隙每增加1mm，諧振頻率向高頻漂移大約20 MHz。分析可知，諧振頻率公式W=1/√LC縫隙的寬度主要影響標簽天線的容值，假設感抗不變，則電容：

 　　其中g為下層介質板的介電常數。由此可見，隨著g的增加，諧振頻率必然向高頻偏移。標簽傳輸系數t=Pth/Pr其中Pth，為標簽芯片的激活功率，Pr為標簽天線接收到的電磁功率。

 　　此外，由公式可看出，標簽寬度W，下層耦合介質板厚度hdown也舍對標簽天線輸入阻抗容值產生影響。在標簽完成特定指標情況下，應盡量滿足小型化要求，即W和hdown應盡量小，文中主要對影響標簽性能的結構進行分析。由于抗金屬標簽主要工作于902 -928 MHz，故設計諧振頻率在915 MHz，優化結果g=3 mm。

圖3標簽傳輸系數隨縫隙g的寬度的變化

 　　(2)翼型結構的影響。如圖4所示，標簽天線在有無翼型結構時的S參數，Sl1在-15 dB以下時，無翼型結構，仿真帶寬為42 MHz，有翼型結構帶寬可達70 MHz。可見，翼型結構具有明顯的展寬帶寬的作用。

圖3標簽傳輸系數隨縫隙g的寬度的變化

 　　(2)翼型結構的影響。如圖4所示，標簽天線在有無翼型結構時的S參數，Sl1在-15 dB以下時，無翼型結構，仿真帶寬為42 MHz，有翼型結構帶寬可達70 MHz。可見，翼型結構具有明顯的展寬帶寬的作用。

圖4有無翼型結構的類偶極子標簽天線S參數對比

 　　由于標簽天線通過耦合地板獲取輻射能量，翼型結構能夠影響偶極子天線的輸入阻抗，由圖5(a)可看出，標簽天線在915 MHz時，上層標簽天線在有無翼型結構時的輸入電阻較為接近。而圖5(b)可知輸入電抗變化較大。由于，所設計的標簽天線使用的是Alien公司的H3芯片，標簽芯片在915 MHz時阻抗約為24.5-j190Ω。其中，具有翼型結構的輸入阻抗在

　　915 MHz為II +j197Ω較好的與標簽芯片共軛匹配。

 

圖5 標簽天線在有無翼型結構時的輸入阻抗對比

 　　(3)標簽天線的輻射特性。由圖6(a)可見，標簽在金屬表面丁作時，其在遠離金屬的一側具有較好的輻射特性，標簽天線的最大增益Gr=-0.73 dBi，完全可被閱讀器天線所識別。圖6(b)為標簽上層的類偶極子天線的表面電流分布，在任意時刻，表面電流同向，這與偶極子天線的電流分布相吻合。

圖6標簽天線在915 MHz的增益圖及類偶極子天線的表面電流分布

 　　(4)標簽實測結果。圖7給出了標簽的實物比例以及標簽在微波暗室中的測試圖。標簽被放置在厚度為2 mm，200 mm×200 mm的金屬板上，實測結果如圖8所示。結合圖3，由于標簽實測結果與傳輸系數趨勢較為吻合，驗證了仿真結果。

 　　實測采用增益Gt=7.5 dBi圓極化天線，天線發射功率Pt= 30 dBm，(EIRP 2W)，由Friis傳輸方程：r=

 　　可推算標簽理論讀取距離r，λ為工作波長，Pt為天線輻射功率Pt= 30 dBm，仿真可得標簽天線增益Gr= -0.73 dBi，標簽芯片激活功率Pth=- 18 dBm，可由傳輸系數關系得標簽天線獲得的功率Pr=Pth/t，在915 MHz時，傳輸系數取0.9，帶入公式，可得標簽理論讀取距離rmax=19. 17 m。實際由于天線極化匹配、傳輸損耗等因素，實際讀取距離，在暗室最佳距離約為16 m，而在常規環境測試約為12 m，該結果已滿足現有對超高頻抗金屬標簽的技術要求。

圖7 標簽實物與測試圖

　　3結束語

 　　文中提出了一種新型的具有雙層介質板耦合結構的RFID標簽，該標簽主要應用于金屬物體表面，通過下層耦合腔的引入，形成與上層的類偶極子天線的諧振，從而將電磁能量傳遞給標簽芯片。通過電磁仿真軟件HFSS13仿真計算，確定了標簽的幾何尺寸。并在暗室對天線實物進行了輻射方向圖和讀取距離的測試，表明標簽與仿真具有較好的一致性。當標簽工作

 　　在902 -928 MHz時，在此頻率范圍內標簽具有較好的阻抗帶寬和輻射特性。測試結果表明該標簽相對于常規的抗金屬標簽，具有較遠的讀取距離優勢，適用于對金屬物體進衍資產管理和物流應用。

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