金属表面超高频RFID标签天线设计.

1、一种金属表面超高频RFID标签天线设计摘要：无线射频识别(RFID)系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来，RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。在很多应用中，RFID标签应用与金属表面，但是，具有类偶极子天线的普通无缘超高频RFID标签应用于金属表面时，其阻抗匹配，辐射效率，核辐射方向图都会发生改变，从而导致标签的性能变差，设置不能被有效读取。为解决超高频RFID标签应用于金属表面的问题。本文先分析应用于金属表面性能恶化的原因，介绍现有对抗金属表面的天线研究，在针对实际应用提出超高频RFID抗金属标签天线的设计。关键词：射频识别，超高频，标签，

2、天线，金属表面，抗金属Abstract：Radio frequency identification(RFID）in the ultra-high-frequency(UHF)band has gained interest in supply chain management and traffic management because of its long read range.In many applications,RFID tags need to be attached on the surface of metallic objects.However,it is a chal

3、lenge for label type passive UHF RFID tags with dipole-like antennas to be mounted on the surface of metal. This essay first analyzed the cause of the performance deterioration of the tag placed near the metallic objects,and the existing research against the metal surface of the antenna, in the prac

4、tical application for the design of anti metal UHF RFID tag antenna is proposed.Keywords:Anti-me，tag, Antenna,Metallic,RFID,Tag,UHF.1.RFID简要1.1 RFID技术的系统组成 一个典型的RFID系统如图1.1所示。一般包括标签(tag) 、阅读器(reader)和应用系统(application system )三个部分。阅读器通过射频信号给标签提供能量并“询问” 标签, 标签被激活后将其存储的标签信息发送给阅读器, 阅读器再将读取的标签信息发送给应用系统以结

5、合具体的应用背景进行数据的控制、存储及管理。 标签一般由标签天线与标签芯片组成。标签天线接收阅读器发射过来的射频信号并转化为能量, 获取的能量给标签芯片供电。当获取的能量足够时, 标签芯片被激活, 并根据阅读器的询问指令完成相应的动作, 将芯片上存储的标签信息通过反向散射调制的方法反射给阅读器。每个标签具有唯一的电子编码,用于对附着物体的标识。标签能够贮存有关物体的数据信息, 一般约1k bits。在RFID管理系统中, 每一个标签中对应着一个物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面, 具有一定的无金属遮挡的视角。标签除了能被读取(Read )外, 也可以被写入(write) 或杀

6、死(kill) 。 阅读器由阅读器主机及阅读器天线组成。阅读器主机主要实现读取信号的控制及射频信号的产生。产生的射频信号通过阅读器天线发射给标签。标签的反射信号也通过阅读器天线接收, 并被阅读器主机解析与识别。阅读器一般有固定式与手持式两种形式。固定式的体积较大, 但性能一般比较好; 手持式的体积较小, 便于手持读取, 但性能要差些。至于是采用固定式还是手持式阅读器, 需要根据实际应用的需要进行选择。1.2 RFID标签分类RFID标签可以按照能量获取的方法来分, 也可以按照射频频率来分。按照能量获取的方法不同可以分为无源标签、有源标签及半有源标签; 按照射频频率的不同可以分为低频标签、高频标

7、签或超高频标签。 超高频无源RFID 技术由于读取距离较远、成本较低、读取速率快等诸多优势而被广泛关注。但是, 超高频盯ID 技术目前许多应用尚不成熟。其原因不完全在于稍高的成本, 很大程度上是由于标签对于各种不同商品的适用性以及不同环境的适应性上存在的技术问题造成的。在RF ID 的应用上没有“千篇一律” 的标签, 所以开发和生产各种用途的标签是解决问题的关键。其中, 金属物体对超高频RF ID 标签性能的影响很大。超高频RF ID 抗金属标签是一种专门针对金属物体而使用的无源超高频RF ID 标签。也称为金属标签、防金属标签或金属附着型电子标签。对于普通无源超高频标签, 当其贴在金属表面时

8、, 由于标签天线的阻抗匹配、辐射效率、方向性都发生了改变20 , 标签的读取距离迅速降低, 甚至难以被读取。因此, 需要对其进行特殊处理或采用特殊标签, 以使其可以在金属表面应用。一般有三种解决办法: 1.采用吸波材料贴于金属表面克服金属的反射效果。 2 .将标签垫高一定高度, 减小金属的边界条件影响。 3 .采用专门的抗金属标签天线设计方法。超高频RF ID 抗金属标签天线的设计目标如下: 1.标签具有较好的抗金属能力, 不受金属边界条件的影响。标签在不同大小的金属物体表面具有稳定的性能。 2. 标签的性能优良, 具有较远的读取距离。超高频RF ID 技术的优点即在于标签具有较远的读取距离。

9、因此, 抗金属标签不能以牺牲读取距离为代价。 3 .标签的方向性好, 最好在金属表面上半球具有全向特性, 这样阅读器在不同的角度都能准确读取到标签。 4. 标签的轮廓小巧。为了满足实际应用的需要, 要求标签天线的面积尽可能小, 厚度尽可能薄。 5. 标签的成本低廉。成本低廉一方面要求标签的材料廉价, 另一方面要求天线的加工制作工艺简单。天线的加工制作工艺的简单则要求天线具有简单的平面结构。1.3 国内外研究现状超高频RF ID 标签的研究是随着超高频盯ID产业的逐渐成熟而兴起的, 主要研究成果集中于近五年的时间内。就研究内容而言, 主要集中于超高频盯ID标签芯片的设计、超高频RFID 标签的基

10、础理论、超高频RFID 标签的性能分析及超高频RFID标签的天线设计。在超高频RFID 标签的研究范畴中, 超高频RFID 抗金属标签的研究引人关注, 而且已经成为RFID标签研究的一个热点。超高频RF ID 抗金属标签的研究主要包括两个部分: 一, 普通偶极子RFID 标签的性能受金属环境的影响; 二, 满足各种要求的超高频RFID抗金属标签天线的设计。2.金属表面对类偶极子超高频RFID标签的影响分析 研究金属物体对标签天线的影响，首先要考虑天线靠近金属时金属表面电磁场的特性。根据电磁感应定理，这 时金属表面附近的磁场分布会发生“畸变”，磁力线趋于平缓，在很近的区域内几乎平行于金属表面，使

11、得金属表面附近的磁场只存在切向的分量而没有法向的分 量，因此天线将无法通过切割磁力线来获得电磁场能量，无源电子标签则失去正常工作的能力。另一方面，当天线靠近金属时，其内部产生涡流的同时还会吸收射频能量转换成自身的电场能，使原有射频场强的总能量急剧减弱。而上述涡流也会产生自身的感应 磁场，该场的磁力线垂直于金属表面且方向与射频场相反并对读写器产生的磁场起到反作用，致使金属表面的磁场大幅度衰减，使得标签与读写器之间通信受阻。另 外，金属还会引起额外的寄生电容即金属引起的电磁摩擦造成能源损耗，使得标签天线与读写器失谐，破坏RFID系统的性能。2.1 标签天线的性能参数对于超高频RFID标签而言, 最

12、大读取距离是其最为重要的性能指标, 它指的是标签在标准功率的阅读器测试下能够被读取到的最大距离. 由第二章介绍的超高频RFID标签理论基础可知,超高频RFID标签的最大读取距离可以表示为： （2.1）其中为自由空间波长, 为阅读器输出功率, 为阅读器天线增益, 为标签天线增益, 为标签芯片的阂值能量, 为标签天线与芯片之间的功率传输系数。如果标签芯片的阻抗为, 标签天线的阻抗为。那么功率传输系数可以表示为: ，； （2.2） 对于标签天线的增益, 由增益及方向性的定义可得: （2.3） 其中, 为标签天线的方向性, 为标签天线的辐射效率。对于同一个超高频RFID测试系统, 阅读器的输出功率、阅

13、读器天线的增益、标签芯片的阂值能量都不会变化。所以当超高频RFID 标签贴在金属附近时, 标签的最大读距离主要是受标签天线功率传输系数、标签天线方向性及标签天线辐射效率的影响。因此，可以通过标签天线功率传输系数、标签天线方向性及标签天线辐射效率来定性、定量地分析金属表面对标签性能的影响。2. 2 性能参数受金属边界的影响当超高频RFID标签贴于金属表面时, 导致标签性能变差的主要因素是金属边界条件使得阅读器询问信号的反射波与入射波的相位相反，从而导致能量被抵消, 标签难以获得足够的能量激活标签芯片。当入射波垂直于金属表面时, 由于反射波与入射波正好相差, 电场分量在金属表面呈驻波分布,如图2

14、.1 所示。由图可知, 标签与金属边界的距离为零处电场的强度最小,距离为0.25处电场的强度最大。换而言之, 当标签直接贴在金属表面时, 能够获得的能量几乎为零, 而当放在距离金属表面0.25处, 能够获得的能量是最大的。因此, 当标签天线直接贴于金属表面时, 由于边界条件的影响标签天线的辐射效率严重衰减。图2.1 除了标签天线辐射效率受到影响外, 标签天线的阻抗匹配也会变差, 从而导致天线与芯片的功率传输系数减小。天线阻抗的变化一方面是由于天线辐射电阻的减小, 另一方面是由于金属表面对天线会产生加感的影响。由金属边界条件导致的辐射效率的减小某种程度上可以采用吸波材料来克服, 但金属表面对天线

15、的加感的影响则无法消除。与天线辐射效率及功率传输系数都受到金属边界削弱相比, 天线的方向性影响不大。根据基本天线原理, 对一个偶极子天线而言, 金属表面相当于一个平面反射器。偶极子天线只要不是完全贴在金属表面上, 那么天线的方向性或增益比自由空间更高。普通偶极子天线和金属平面反射器的距离与天线增益的关系如图2.2所示。即使当标签距离金属平面很近, 标签的增益也是可观的。由于增益是方向性与辐射效率的乘积, 而辐射效率在天线非常靠近金属平面时是很小的, 则说明当天线贴近金属平面时, 天线的方向性仍然比较大。当标签天线距离金属平面时, 天线的增益减小至零。从电场的驻波分布图可知, 天线在距离金属平面

16、处辐射效率几乎为零。图2.2从天线辐射方向图的角度上来说, 偶极子标签天线在金属表面的性能变化也反映在辐射方向图上。金属板越大, 天线的主瓣就越窄, 而且瓣的数目会随着标签与金属表面的距离增加而增加。如图2.3 所示, 普通偶极子天线处于金属表面不同高度时天线的辐射方向图是不同的。当天线距离金属表面与时, 天线都是一个主瓣, 且增益都比自由空间大; 当天线距离金属表面时, 天线的瓣数变为2 , 且法线方向上天线的增益衰减比较严重。辐射方向图与天线方向性具有较好的一致性。 以上从电磁场及天线的理论分析了普通类偶极子天线置于金属表面及其附近时天线的相关参数(天线辐射效率、功率传输系数及辐射方向图)

17、 的变化趋势及原因。但是并没有系统地分析这些参数随着标签与金属表面距离变化的定量关系及对标签性能的影响。也没有给出大约标签垫高一个什么样的高度可以让标签获得一个可以接受的性能。这些定量的变化及关系对于实际工程应用与对于理解标签的性能变化有非常重要的指导作用。因此, 接下来将采用两种电磁场仿真的方法定量地分析标签天线的相关性能参数随与金属平面距离的增加而发生的变化, 以及对标签最大读取距离的影响。图2.33. 无源抗金属的UHF RFID标签天线设计3.1微带贴片天线的结构及工作原理 微带贴片天线也称为微带天线，具有低剖面、易加工、成本低等优点，其结构通常由一矩形金属贴片置于金属地上的一层基质的

18、上表面，如图3.1所示，最底层为金属地，金属地的上面是一层基质材料，矩形贴片贴在基质材料的上表面。矩形贴片与基质、金属地构成了一个谐振腔，矩形贴片的长度三决定了天线的谐振长度，工作的时候是依靠矩形贴片与金属地间的缝隙向外进行辐射，如图3.2所示。矩形贴片的谐振长度三稍稍小于基质材料中的半波长，基质厚度h远小于波长。谐振长度的近似公式是：式3.1其中，是介质中的波长，是空间中的自由波长，是基质的相对介电常数。对于具体的无源UHF RFID标签天线，天线的长度、尺寸需要根据具体情况来确定，并且在初步确定模型的基础上进行一些开槽、弯折等等操作，使天线实现尺寸小型化、性能最优化。 图3.1 图3.23

19、.2电感耦合馈电的优势电感耦合馈电是指在天线辐射体旁边设计一个馈电环，馈电环与天线辐射体之间相互耦合来实现对天线的馈电工作。电感耦合馈电方式的优点有：1方便调节天线的阻抗电感耦合馈电的天线结构是由一个馈电环与天线辐射体组成，两者彼此之间存在着电感耦合，耦合的强度可以由馈电环与辐射体间的距离控制，也可以由馈电环的形状来控制。图3.3（a）表示了电感耦合馈电的基本天线模型，图3.3（b）为电感耦合馈电的等效电路图。其中，天线的输入阻抗可以表示为：式3.2 其中和分别是天线辐射体与馈电环各自的阻抗，M表示馈电环与辐射体间的耦合强度。图3.3 在天线辐射体的谢振频率附近，其阻抗可以被写成包含天线辐射阻

20、抗如和质量因数的关于频率f的函数：式3.3馈电环的阻抗如下：式3.4其中，为天线馈电环的自感强度。由式(3.3)到式(3.4)，电阻和电抗表示为： 式3.5 式3.6其中，当时，式3.72可以增加天线的带宽电感耦合馈电的另一个优点就是可以增加天线的带宽，它通过与天线辐射体之间相互耦合的方式进行馈电工作，这一特性使得天线的工作带宽得到了一定的提升。而在目前的一些UHF RFID抗金属标签天线设计中，普遍存在的一个问题就是带宽比较窄，不能够同时满足世界大部分地区的工作频率标准，所以，在抗金属标签天线设计中引入电感耦合馈电可以在一定程度上弥补抗金属标签天线的这一劣势，从而提高天线的整体性能。3.3标

21、签天线的设计本课题中无源抗金属UHF RFID标签天线的设计初期主要目标是实现天线宽带、廉价的优点。因为现在比较常见的几种UHF RFID抗金属标签天线都普遍存在这带宽窄这一劣势，为了提升带宽，本课题在设计过程中经历了大量的实验以及理论性研究并成功攻克这一难题。另外，为了达到预期制定的廉价这一目标，设计过程中避免了使用短路针及短截片等比较复杂的结构设计。天线设计之前首先要确定好天线的工作中心频率，其次要选定天线所使用的材料以及所要绑定的芯片的一些基本参数信息。本设计的目标是完成一种可以工作在中心频率为915MHz的宽频带的抗金属RFID标签天线设计，所采用的芯片是Alien公司的Higgs-3

22、系列芯片，芯片的内部等效电路如图3.4所示，基本的参数信息参见表3.1。通过电路并联与串联间的转换，再代入表3.1中的芯片阻抗数据信息，可以得到在915MHz附近芯片的阻抗值为。在基质的选择上，选择了聚四氟乙烯(FR-4)材质，在915MHz频率附近时基本的参数信息为：介电常数，损耗正切。图3.4表3.1首先确定了使用微带贴片天线的结构类型，并且将电感耦合馈电技术引入抗金属标签天线中。接下来，在HFSS软件中建立最初的天线模型，如图3.5(a)所示，这是一个最基本的电感耦合馈电的UHF RFID微带贴片天线，在一块贴片的旁边设计一个馈电环来对天线进行馈电。但是，可以看到，这个时候天线模型的尺寸

23、比较大，约为，由于标签天线经常用在直接贴于物体表面，所以，对于一些体积小的物品的使用上则会受到限制，为了其使用价值的最大化，一个切实可行的办法就是对天线进行小型化操作。 由于天线馈电环会占据一定的面积，所以我们首先考虑的就是将馈电环嵌入到天线辐射片内部，如图35(b)所示，这样设计的好处是：既可以减小天线的尺寸，又可以在一定程度上增加馈电环与辐射体间的耦合强度。其次，就是要对天线辐射体部分进行小型化设计，微带贴片天线的小型化技术应用中，比较常见的是：对天线进行开槽设计，增加天线的电长度，从而达到减小天线的物理尺寸的目的，具体操作如图3.5(c)和图3.5(d)所示。在图3.5(c)中，先对天线

24、的贴片部分设计一个U型槽，使天线的电流可以沿着U型槽的路径进行流动，从而达到天线物理尺寸减小的情况下使得电流可以流经同样的路径长度，图3.5(c)经开槽后，尺寸得到了明显的减小，达到了。当尺寸达到图3.5(c)情况的时候，天线的尺寸已经与最初的设计图3.5(a)减小了近26%，已经达到了预期的目标，但是，天线的小型化可以说没有一定的绝对值，为了使天线的面积尽可能降到最低，还需要对天线形状做进一步的仿真、优化。 本设计中，我们引入了电感耦合馈电方式用来增加天线的工作带宽，但是这样还是与许多应用在非金属上的宽带天线的带宽有一定差距。为了使抗金属天线的宽带性能得到进一步提升，学习、研究宽带UHF R

25、FID标签天线的设计方法是很有必要的，通过查阅资料了解到：当将天线的辐射体变为两部分，使馈线连接到天线的两个不同的辐射体的时候，天线的两个辐射体尺寸有一些差异，尺寸较大的部分影响着天线低频的部分，尺寸较小的部分负责天线的高频部分，经过调节天线的一些尺寸，可以使天线出现双谐振。于是，我们可以用类似的方法，将此项技术引入到电感耦合馈电的微带贴片天线中，即只需要将微带贴片天线的辐射体设计成两个相互独立的部分，而天线的金属地、基质材料无需更改。考虑到之前的一些设计思路，为了不增大天线的尺寸，只能将天线的两个大小不同的辐射片设计在馈电环的同一侧。于是，在设计的时候选择了在原来的辐射体上开一个闭环的回路槽

26、，如图3.5(d)所示。在天线工作的时候，馈电环分别与两个辐射片进行耦合，与此同时，两个辐射片之间也存在着一定程度的耦合，这样，便会形成两个处于不同频率的谐振峰，经过调试可以实现两个频率相互接近且都位于中心频率(915MHz)附近的谐振峰，从而实现增加天线的带宽。图3.53.4天线在HFSS软件中的设计模型天线在HFSS软件中的设计图形如图3.6所示，天线的辐射体与馈电环已经被标示出来，辐射体下面为天线的基质材料(FR-4)，在仿真的时候需要将基质FR-4一些具体参数设置完成，从而实现模拟真实的工作环境。在基质下面，有一层与天线基质面积相同的金属铜片作为金属地。对于基质与铜片的尺寸，在设计的时

27、候并未按照天线正面的大小来设计，而是比天线的正面大出一些尺寸。这一方面在设计的时候，考虑到此天线设计为抗金属天线，同时又希望其可以应用在自由空间环境中，所以可以通过设计一个大小比较合理的金属地来实现。通过反复研究、实验，发现当金属地的尺寸比天线辐射体的平面距离大于u=15mm的时候，金属地可以近似的模拟工作在无限大平面的金属表面的工作环境，所以，采取此种设计方法，当天线各项参数达到预期目标后，无论是当其在自由空间中工作的时候还是在金属表面工作的时候，其参数、性能都不会发生较大的改变，从而使RFID标签既可以应用在自由空间中，也可以在金属环境下正常工作。图3.6下面简单介绍一下天线的主体部分：馈

28、电与辐射体。由图3.7中可以看到，在天线的下方有一个封闭的环即为馈电环，其中黑色部分为馈电点，即芯片的焊接点。标签天线工作的时候，馈电环与辐射体进行耦合，由于辐射体部分通过开槽操作，已经被分成两部分，这样馈电环就可以分别和两个辐射体进行耦合，从而可以形成两个天线自谐振点，这样，通过调节天线的尺寸及图形可以将两个谐振点控制在工作中心频率915MHz附近，从而使得天线的工作带宽增大。具体的天线仿真结果将在下面的内容中向进行介绍。天线的整体大小为，辐射体及馈线的尺寸为，其中一些关键尺寸已经用字母标出，天线具体尺寸如表3.2所示。表3.2图3.7经过生产加工，前面所设计完成的可以用于金属上的UHF R

29、FID标签天线的加工样品如图3.8所示。图(a)为标签天线的正面照片，图(b)为天线背面金属地的照片。图3.84. 总结与展望 随着物联网技术的快速发展，作为其关键技术之一的RFID技术近些年也得到了越来越广泛的应用。但是，当UHF RFID标签工作在金属环境，由于金属的影响，标签天线的性能会急剧下降，使得标签无法进行正常工作，而这也极大地限制了RFID技术的应用和发展。目前已经研究出来的绝大多数RFID抗金属标签天线普遍存在着结构复杂、成本高、带宽较窄等缺点，无法同时满足大多数应用的需求。为了解决这一难题，越来越多的研究人员致力于研究并设计可以应用在金属表面的RFID标签天线，已经逐渐发展成为一个研究热点。本文中介绍了两种自主设计的UHF RFID抗金属标签天线，并对其参数及性能进行了研究、分析。参考文献【1】游战清，李苏剑等无线射频识别技术(RFID)理论与应用【M北京：电子工业出版社，2004【2】郎为民射频识颖J(RFID)技术原理与应用M】北京：机械工业出版社，2006【3】宁焕生RFID重大工程与国家物联网M】北京：机械工业出版社，2009【4】慈新新，王苏滨，王硕无线射频识另J(RFID)系统技术与应用【M】北京：北京人民邮电出版社，2007【5】陈华君, 林凡, 郭东辉, . RF ID 技术原理及其射频天线设计J .