基于感应耦合的UHF宽频带电子标签设计

射频识别(RFID)技术是利用射频信号对帖有电子标签的物品进行自动识别并交换数据的无线通信技术。RFID系统主要由阅读器和电子标签组成。电子标签按照供电方式的不同分为有源电子标签和无源电子标签。阅读器能够接收到的电子标签反射信息的距离是RFID系统最重要的技术指标之一。阅读距离不仅与标签天线的方向图、天线放置的基板材料有关，而且与电磁波传输的环境有关。一般情况下，无源电子标签芯片的阻抗的实部较小，而虚部较大，标签芯片较高的Q值使得很难设计合适的天线与标签芯片实现阻抗匹配，尤其是要求在较宽的频带范围之内。
　　参考文献[1]指出，在产品电子代码(EPC)应用中，近距离工作的RFID频率统一集中在13.56 MHz，而远距离工作的RFID频率定位于UHF频段。由于各国、各地区对UHF频段RFID应用的界定存在不同，例如：美国标准为902 MHz～928 MHz，欧洲为865 MHz～868 MHz，日本为950 MHz～956 MHz,中国为840 MHz～845 MHz和920 MHz～925 MHz两个频段。因此，设计UHF RFID全频段覆盖的电子标签以满足世界各国的要求，使电子标签具有通用性，是电子标签(天线)设计的一个目标。
　　对于无源电子标签，仅当标签芯片接收的能量大于它的最小门限功率Pth时才能正常工作。为了提高阅读距离，就需要实现标签芯片与标签天线阻抗间的共轭匹配。但是，标签天线一般采用变形偶极子天线，其谐振点并不一定是阻抗匹配点。参考文献[2]提出的电磁耦合馈电很好地解决了这个问题。参考文献[3]采用一个馈电单元，2个均匀分布的辐射单元组成双辐射边天线达到很高的增益，但全向性不好。参考文献[4]提出一种UHF全向性天线，尽管带宽可以达到要求，但是谐振深度不够（S₁₁<-10 dB）而且具有较大的尺寸。本文采用非均匀分布的弯折支节为耦合单元，设计了一款标签天线，带宽（S₁₁<-22 dB）为180 MHz，不仅覆盖了UHF全频带，而且具有较好的谐振深度和较小的标签天线尺寸。在此基础上，进一步研究了感应单元与馈电单元的距离，以及馈电单元的形状为矩形、三角形、梯形时标签天线的性能。
1  耦合原理分析
　　根据参考文献[5]，这种天线模型可以等效为如图1所示的天线模型。当寄生单元无限长时，图1模型可以等效为图2所示的等效电路模型。

　　图2中，寄生单元等效为左回路的L1、R、C，其中R等效为辐射体的自电阻。而馈电单元等效为右回路，L2等效为馈电单元的自电感。由于馈电单元的自阻抗非常小，所以在等效电路中被忽略了。
　　根据参考文献[6]的电路分析理论，对图2回路列KVL可以得到：

　　从式(8)可以看到，谐振状态的阻抗实部只与互感有关，而虚部与L2有关。由于互感M与耦合距离有关，所以天线阻抗的实部与寄生单元离馈电单元的距离有关，而虚部只与馈电单元自身的形状有关。由此，可以看到在谐振点附近耦合加载对天线实虚部可起到单独调节的作用。
2  天线的设计与研究
　　参考文献[7]提出一种标签天线结构，寄生单元部分的分支采用均匀分布。而本文为了实现标签天线和标签芯片之间的阻抗匹配，寄生单元的分支采用非均匀分布。标签天线的建模如图3所示，结构参数如表1所示。该天线由馈电环和辐射体两部分组成。馈电单元由矩形构成，与标签芯片直接相连。而辐射体是由非均匀分布的弯折支节构成。在本设计中，当所选用的芯片在915 MHz时，对外呈现的阻抗为Z=18.1-j149 Ω，遵循ISO-18000 6C协议。为了实现标签芯片与标签天线之间最大功率传输,所要求的天线阻抗在谐振频率处应为18.1+j149 Ω。

　　图3所示天线蚀刻在厚度为0.2 mm，相对介电常数为4.4的FR4介质基板上,天线的大小为50 mm×20 mm。HFSS建模仿真分析的结果如图4所示。从图4可以看到，在S11<-22 dB，即VSWR<1.2时,天线的带宽为0.82 GHz～1 GHz，完全覆盖了UHF全频段(0.84 GHz～0.96 GHz)，且具有较好的VSWR。方向图如图4(c)所示。

　　现在根据以上讨论，研究寄生单元距馈电点的距离和馈电单元的形状对天线性能的影响。
2.1  耦合间距对天线性能的影响
　　从以上分析可以看到，根据(8)式，当天线在谐振状态时，阻抗的实部是只受互感影响的，而互感与寄生单元和馈电单元的间距有关。距离对天线的影响如图5所示。从图5(b)可以看到，随着间距的增加，天线阻抗的实部在减小，而虚部基本保持不变，这一点与理论分析的结果基本相同。

　　对于寄生单元加载技术，寄生单元的电流是由场感应产生的，而且这种单元不与传输线相连接。当λ/2的寄生单元为电感性(长度大于谐振长度)时，起反射器的作用；为电容性(长度小于其谐振长度)时，起引向器的作用[8]。下面简单分析寄生单元对天线的性能影响。
　　记受激单元为1#，寄生单元为2#，则带有寄生单元的偶极子阵与单独λ/2偶极子的增益之比为[8]:
　　

　　从(9)式可以看出，如果让Z₂₂足够大，即让寄生单元失谐，则(9)式接近于1，这样，带有寄生单元的偶极子阵列将与普通偶极子的辐射场基本相同。从图5(b)可以看到随着距离的增大，阻抗的实部减小，从(8)式可以看到，当阻抗的实部减小时，寄生单元的电阻R增大，在其他参数不变的条件下，由(9)式可以看到，随着间距的增大，辐射方向图更接近普通偶极子的方向图。从式(9)也可以看出，寄生单元相对于受激单元的电流幅度及相位关系也依赖于寄生单元的调谐。这也体现在图4(b)上。尽管天线不具有偶极子的结构，却具有偶极子的低的方向性。

2.2  馈电单元形状对天线的影响
　　从(8)式可以看出，馈电单元自身的形状将影响天线阻抗的虚部。可以推断，如果改变馈电环的形状，则会改变天线阻抗的虚部，由于阻抗共轭匹配点并不一定是谐振点，谐振状态只与阻抗的虚部有关，这样不难推出，当馈电环的形状改变时，天线的谐振状态也会随之发生变化。而谐振频点是偏大还是偏小取决于虚部的变化情况。为了排除馈电点的位置对天线性能的影响，这里分别在保持馈电的位置和底边距离寄生单元的距离不变的状态下，分别对比了矩形加载、三角形加载和梯形加载对天线性能的影响。
　　三种状态下的天线模型如图6所示，仿真分析结果如图7所示。

　　从图7可以看到，不同形状的馈电单元对阻抗的实部影响很小，在915 MHz频点，阻抗变化在1 Ω左右，而阻抗虚部变化很大，范围在90～140 Ω之间，由于虚部变化较大，导致谐振频点偏移。由于标签芯片对外呈现容性，所以需要标签天线呈感性来匹配。从图7(b)可以看到，当采用三角形加载时，阻抗的虚部很小，而谐振频率是和电感与电容的乘积成反比的。这样不难分析，当采用三角形加载时，由于阻抗虚部减小，导致谐振频率偏大。从阻抗匹配的角度来说，阻抗虚部的减小，又使标签天线与标签芯片失配，这样反射系数明显增大，如图7(c)所示的S11变化。
　　从以上的仿真结果可以看到，仿真结果与理论分析基本吻合，这也证明了图2电路近似等效的正确性。此外，通过分析验证可以发现，这种天线的制作和调谐是非常方便的，而且可以对天线的实部和虚部进行单独调节。标签天线样品在制作调试过程中也验证了上述分析的有效性。
　　本文设计了一款UHF全频带天线，仿真结果表明，在0.82 GHz～1 GHz，VSWR<1.2，S₁₁<-22 dB时，可以同时满足中国、欧洲和美国的UHF射频频段标准。
　　这种标签天线是由弯折的感应单元和环状的馈电单元组成。通过理论分析可以知道，当天线谐振时，天线阻抗的实虚部可以单独调节。仿真分析的结果与理论分析基本吻合，样品制作调试的过程也验证了分析与仿真所呈现出的规律，从而证明了理论分析的正确性。