DOI:10.3969/j.issn.1009-671X.201410008
,,
射频识别(radio frequency identification,RFID)技术，作为一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象，获取其相关数据，无需人工接触、无需光学可视即可完成信息的输入和处理[1]，操作简单快捷。RFID技术具有防水、耐高温、寿命长、读写距离远、读写速度快、信息存储容量大等优点，成为近年来各国研究的热点。RFID系统主要由电子标签、读写器和计算机网络3部分组成。电子标签作为RFID系统的重要组成部分[2]，通常贴附在需要识别的物体上，存储着目标物体的相关信息，可被读写器通过射频信号读/写。RFID系统的工作波段主要有低频、高频、超高频和微波等波段，工作于UHF波段的RFID系统相对于低频和高频具有较大的读写距离，使其在更多的领域得到了广泛的关注[3]。
1 标签天线的原理与设计
随着无线通信技术的飞速发展，RFID系统如今已广泛应用于商业物流[4]、交通运输[5]、公共安全等众多领域。在银行纸币管理中，工作人员通常将100张面值相同的纸币用纸条捆绑在一起。这样做在一定层度上有利于纸币的管理。但纸币的捆数达到一定层度时，特别是不同面值的纸币堆放在一起，就不易得知纸币的相关信息。针对于这个问题，图 1介绍了一种用于纸币管理系统的RFID系统[6]。在这个系统中工作人员可用贴附有标签天线的纸条将一定数量的纸币进行捆绑，然后通过计算机将这些纸币的相关信息(例如纸币的数量、面值、序列号等)写入到电子标签的芯片内，最后核实人员将通过读写器对这些捆绑好的纸币进行信息核实。当这些处理好的纸币被运送到其他地方时，当地的工作人员只需用读写器对行扫一下就可以迅速的了解到这些纸币的相关信息。
 |
| 图 1 用于纸币管理系统的RFID系统 |
针对于上述思路，本文设计了一款小型化的UHF标签天线。天线贴附在纸基材料上，一方面纸基材料柔软可弯折，利于对纸币进行捆绑；另一方面，当纸基材料损坏后可简单的更换纸基材料，不必更换标签天线，纸基材料还可回收利用，降低的制作的成本，减小了对环境的污染[7]。
标签天线的结构如图 2所示。
 |
| 图 2 标签天线的结构 |
本文所设计的标签天线采用弯折偶极子、横条加载和T型匹配网络结构，芯片放置在T型网络匹配结构的开口处，使其对天线进行激励，利用电感耦合将能量送至整个辐射体上[8]。弯折偶极子结构主要实现天线的小型化[9]，横条加载和T型匹配网络结构保证天线和芯片之间实现良好的阻抗匹配，使天线获得更大的增益，从而达到更远的阅读距离。由于本天线是基于纸币管理系统而设计的，通常100张美元纸币的尺寸为156 mm×66 mm×10 mm,用于捆绑纸币的标签的最小长度为152 mm(66+10+66+10)。考虑标签的成本和捆绑的效果，标签的最优化长度设计为172 mm。标签天线印制在纸基材料polyester上，介质高度h=0.07 mm，介电常数ε=3.2。天线采用Impinj的Gen2_Monza1芯片，该芯片在中心频 率为915 MHz时的阻抗约为33-j112 Ω。本文所设计的标签天线工作在美国FCC规定的902~928 MHz频率范围内[10, 11]，因此天线的设计目标为在915 MHz时阻抗为33+j112 Ω。
1.1 弯折偶极子
在保持谐振频率不变的情况下，任何以减小物理大小来缩小天线尺寸的方法，都会造成天线的带宽减小，方向图扭曲，效率降低等。但采用弯折偶极子结构可以在天线性能损失可以接受的情况下实现天线的小型化。偶极子的连续弯折使其中的电流具有相反的相位，同时提供容性和感性的电抗，它们相互抵消，从而降低天线的谐振频率。所以，对于天线有尺寸限定的情况下通过改变偶极子的弯折数、弯折长度和弯折宽度是实现天线小型化设计和调节天线谐振频率，使谐振频率保持在915 MHz附近的有效途径。如图 3所示，通过仔细调节弯折长度n的大小，可实现谐振频率的改变，当n=12.1 mm时天线的谐振频率正好保持在915 MHz，天线S11<-10 dB的工作频带为908~923 MHz，覆盖在美国FCC规定的频带内。
 |
| 图 3 标签天线的S11曲线图 |
1.2 横条加载
横条加载主要应用于弯折偶极子天线，当横条靠近偶极子的双臂时就会相应的改变天线的辐射电阻和耦合电容[12]，故可通过调节横条与偶极子双臂的距离来调整天线的输入阻抗，从而实现天线与芯片的阻抗匹配。如图 4所示，当参数a分别取0.4、0.5、0.6 mm时，天线的阻抗有明显的变化。
 |
| 图 4 a值对阻抗的影响 |
1.3 T型匹配网络
T型匹配网络的结构和等效电路如图 5所示。图中长度为L的偶极子天线的输入阻抗可通过引入一个中心短路线进行调节。其中，短路线由T型匹配体和另一偶极子组成。标签芯片连接到第2个偶极子上，第2个偶极子的长度为a(a≤L),距离第1个偶极子的距离较近，距离为b。天线馈电点处的输入阻抗表示为
276lg
表示双导线传输线的特性阻抗；ZA为偶极子无T型匹配时的阻抗；re=0.5W为偶极子的等效半径；re′=8.25c为匹配短路线的等效半径；α=ln(b/re′)/ln(b/re)为2个导体之间的电流分配系数[13]。通过改变参数L、a和c可以调整天线的输入阻抗，实现与芯片的阻抗匹配[14]。
 |
| 图 5 T型匹配网络结构和等效电路 |
因此，在本文所提出的天线结构中可以通过调节e、g等参数来实现阻抗匹配的效果。图 6给出了参数e对天线阻抗的影响，当e分别取5.8、6.0和6.2 mm时，天线的输入阻抗有明显的变化，故可通过调节e的大小来实现天线的阻抗匹配。同样，图 7给出了参数g对天线阻抗的影响，从图中可以看出参数g对天线的阻抗也有很大的影响。
 |
| 图 6 e值对阻抗的影响 |
 |
| 图 7 g值对阻抗的影响 |
表 1列出了最终设计天线的各项结构参数。此时，天线在915 MHz时的输入阻抗为32.5+j110 Ω，与Impinj的Gen2_Monza1的芯片阻抗33-j112 Ω基本上形成了良好的阻抗共轭匹配。图 8为天线的辐射方向图，由图可以看出，天线在H面具有良好的全向性，天线的最大增益为2.33 dBi。天线的阅读距离公式为
 |
| 图 8 天线在915 MHz时的方向图 |
本文设计了一款用于银行纸币管理系统的小型化超高频RFID标签天线，该天线采用折叠偶极子、横条加载和T型网络结构。通过调节横条和T型网络结构的大小可实现标签天线与芯片之间的阻抗匹配，通过采用折叠偶极子结构可以调节天线的谐振频率，同时实现小型化的设计。天线贴附在纸基材料上，可方便地用于纸币的捆绑。该天线的辐射方向图具有良好的全向性，而且最大理论读取距离约为10 m，获得了较远的读写距离，有较强的实际应用性。接下来的工作就是进一步拓展工作带宽，优化天线增益，使天线获得更高的性能。
| [1] | FAUDZI N M, ALI M T, ISMAIL I, et al. UHF-RFID tag antenna with miniaturization techniques[C]// 10th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology. Krabi, Thailand, 2013: 1-5. |
| [2] | XU L, TIAN L B, HU B J. A novel broadband UHF RFID tag antenna mountable on metallic surface[C]// International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing. Wuhan, China, 2007: 2128-2131. |
| [3] | 刘洋, 滕建辅. 新型贴片偶极子UHF RFID标签天线的设计[J]. 电子测量技术, 2013, 36(6): 97-99. |
| [4] | 段艳敏, 廖成, 夏小勇. 新型弯折偶极子RFID天线的小型化分析与设计[J]. 微波学报, 2010, 26(5): 64-67. |
| [5] | TASHI, HASAN M S, YU H. Design and simulation of UHF RFID tag antennas and performance evaluation in presence of a metallic surface[C]// 5th International Conference on Software, Knowledge Information, Industrial Management and Applications. Benevento, Italy, 2011: 1-5. |
| [6] | TAEIK KIM, UISHEON KIM, GYUBONG JUNG, et al. Design of an UHF RFID tag antenna for paper money management system[C]// Asia Pacific Microwave Conference. Singapore, 2009: 1056-1059. |
| [7] | 赖晓铮, 刘焕彬, 张瑞娜, 等. 基于分形结构的纸基RFID标签天线研究[J]. 微波学报, 2008, 24(3): 36-39. |
| [8] | 许长青, 王朱丹, 盛喆, 等. 一种新型UHF RFID抗金属标签天线的设计与分析[J]. 现代电子技术, 2013, 36(15): 59-64. |
| [9] | 傅舟, 罗国清. UHF频段RFID标签天线的小型化设计[J]. 电子器件, 2013, 36(3): 295-298. |
| [10] | 唐涛, 廖成, 杜国宏. 小型化UHF弯折偶极子抗金属RFID标签天线的设计[J]. 微波学报, 2012, 28(4): 35-38. |
| [11] | ZHOU Xue, LUO Guoqing. A broadband and miniaturized UHF RFID tag antenna with T-matching network[C]// Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications. Nanjing, China, 2012: 1-3. |
| [12] | 章伟, 甘泉. UHF RFID 标签天线设计、仿真及实现[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 38-39. |
| [13] | MARROCCO G. The art of UHF RFID antenna design: impedance-matching and size-reduction techniques[J]. Antennas and Propagation Magazine, 2008, 50(1): 66-79. |
| [14] | 王平, 文光俊. 集装箱表面的超高频RFID标签天线设计[J]. 微波学报, 2011, 27(2): 42-46. |
| [15] | 龙平, 叶明. UHF频段超小型RFID无源抗金属标签天线设计[J]. 微波学报, 2012, 28(2): 45-48. |