一种新型宽频带标签天线的设计与分析

摘要：提出一种宽带电子标签天线，该天线适用于多标准超高频射频识别(RFID)系统，由一个类偶极子辐射体和一个馈电环构成。类偶极子辐射体包含两个变形弯折偶板子天线，这两个变形弯折偶极子天线的长度有差别。它们可以形成两个相近的谐振点，使得天线的阻抗(特别是虚部)在840～956 MHz的范围内保持平稳，以获得与芯片阻抗在较宽频段内的良好的共轭阻抗匹配，从而使天线获得一个非常宽的带宽(840～975 MHz)。该带宽足以覆盖全球超高频RFID频率范围，使得标签可以全球通用，大大减少了重复设计工作量，有效降低了成本。最后基于仿真模型，加工了一个天线实物，实物测量结果与仿真结果吻合良好。
关键词：偶极子天线；阻抗匹配；射频识别；带宽

0 引言
    RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动的无线电射频识别技术，它通过无线射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。该技术自20世纪80年代以来得到迅速发展和广泛应用，是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。作为一种自动识别与数据采集技术在商业、制造业、交通运输业、物流管理、安全检查、票证管理、军事装备等领域得到广泛应用，应用行业不断扩大，理论得到丰富、发展和完善，正在发展成为一个跨专业的独立领域。许多企业纷纷投入到射频技术的应用与推广中，以此来提高运营效率和效益。美军是最早将RFID技术运用于军事物流的国家，并在实战中取得了令人瞩目的军事效益，RFID技术已逐步成为提高军事物流供应链管理水平，降低保障成本，增强物流保障能力的重要技术工具和手段。国内RFID目前主要使用的频段有125 kHz(低频)、13．56 MHz(中高频)、902～928 MHz(超高频)，越来越多的研究机构开始对超高频(UHF)REID系统进行研究，以实现系统的远距离、高速率、低成本等特性。
    由于UHF频段电子标签具有远距离、动态下读取信息的能力，所以已在停车收费、零售管理、公共交通和汽车安全防盗等领域逐渐得到应用。天线是RFID标签系统的关键器件，这是因为天线的尺寸制约着标签小型化发展，而天线的宽频带对减少标签成本都有实际意义。出于低成本和简化标签结构的需要，标签芯片与标签天线一般是直接连接，期间没有任何匹配电路。这就要求天线的阻抗设计要与阻抗匹配，以实现最大功率传输。而芯片的阻抗与传统的50 Ω不同，典型值一般是实部较小，而虚部较大的复阻抗。要匹配这样一个复阻抗，会使天线的带宽变窄，因此宽带RFID标签天线成为当前研究的热点和难点。
    本研究基于两个变型弯折偶极子天线，通过引入合适的馈电结构同时进行馈电，使天线的带宽得以拓宽。并基于电磁仿真软件Ansoft HFSS的仿真分析，设计并加工了一个实物天线。实测结果与仿真结果吻合良好，验证了该设计的有效性。

1 天线原理与设计
    根据参考文献，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。
    根据参考文献的电路分析理论，对图2回路列KVL方程可以得到：


    从式(8)可以看出，谐振状态的阻抗实部只与互感有关，而虚部与L2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。因此，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 仿真与测试结果
    本文采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS 11．0对天线进行了仿真，天线结构如图3所示。该天线结构分为矩形馈电环和变型弯折偶极子辐射体两部分，芯片贴在矩形馈电环的开口处进行激励，通过电感耦合将能量送至辐射体上。辐射体有两个中间部分连接在一起的变型弯折偶极子构成。这两个弯折偶极子的长度是有差异的，并不完全相等，通过统一馈电，可以形成两个比较靠近的谐振频率，从而拓展天线的带宽。阶梯状弯折的偶极子可以缩短天线的整体长度，使得天线结构紧凑。

    本文中采用Ansoft公司的HFSS软件和安捷伦公司的N5230A矢量分析仪进行了仿真和实测。图4为天线的回波损耗，图5为天线的增益图。从图1可以看出S11<-10 dB即VSWR<2的工作带宽为115 MHz，在860～975 MHz之间。

    本文在仿真设计的基础上加工了一个天线实物，如图6所示。天线的介质板采用介质常数为4．4，厚度为2 mm的FR4基板。实测结果如图7所示。

3 结论
    本研究提出了一个结构简单的兼容多标准的宽带RFID标签天线。通过在天线结构中引入两个形状稍有差异的变型弯折偶极子并统一馈电，形成两个相似的谐振点，使得天线的阻抗，特别是虚部，在840～956 MHz的范围内保持平稳，已获得与芯片阻抗在较宽频段内良好的匹配，从而拓宽天线的带宽。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。最后基于仿真分析，加工了一个实物天线。实际测量结果与仿真结果吻合良好，验证了该天线设计的有效性。