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一种ＵＨＦ频段宽带电子标签天线的设计分析
作者：张瑞娜 赖晓铮 赖声礼 来源：《现代电子技术》2008年第09期
摘 要：针对射频识别系统UHF频段的欧洲标准866~869 MHz和美国标准902～928 MHz,以及中国标准840～
和920～925 MHz，设计并制作了一种电磁耦合馈电结构的标
签天线,其结构简单且便于调整匹配阻抗,带宽较宽且具有双频谐振特性,能同时适用于以上几种RFID标准。通过仿真和实测分析关键物理参数对天线特性的影响,结果表明该天线性能较佳且实用。
关键词：耦合馈电;双频谐振;无源标签天线;射频识别 中图分类号：
文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)09-150-
Design and Analysis of UHF Broadband Tag Antenna
(College of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,5100,China)
Abstract：Currently,each country has its own frequency allocation for RFID.For example,RFID UHF bands are:866~869 MHz in Europe,902~928 MHz in America,both 840~845 MHz and
920~925MHz in China.A dual-band passive tag antenna is designed,it can be used in both Europe and America.It is a couple feed structure antenna,which is broadband and easy to match the impedance of different chips.We also analyse the effect of the parameters which influnce the performance of the antenna.Simulation and test results demonstrated that the antenna is very practical.
Keywords：couple feed;dual-band;passive tag antenna;radio frequency identification
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1 引 言
射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术是近年来兴起的一种自动识别技术
[1]
。射频识别系统主要由读码系统和标签系统组成,通过无线射频信号传递信息,天线性能的好
坏直接影响到整个系统的读写距离和识别率。RFID标签芯片阻抗一般具有电阻较小而容抗较大的特点,且每个芯片都有其特定阻抗,因此必须针对特定芯片设计与之匹配的标签天线。
目前,RFID没有全球统一的频率划分规范,在UHF频段,主要有欧洲的866～869 MHz及美国的902～到65 MHz（
。 中国刚刚公布的频率标准为840～845 MHz和920～925 MHz两个频
[3-5]
段。2005年9月,Cho,C[2]等提出一种双支弯折偶极子加双T形馈电网络的标签天线结构,带宽达
,但是天线结构仍然较复杂,参数较多,阻抗调整不易。 Li Yang等[6]的
文章中提出一种增益很高的双辐射边天线，但是全向性不好，标签使用范围受。
本文同样采用电磁耦合馈电结构,针对Philips公司的SL3S3001 FTT芯片[7]设计了一种结构简单,阻抗匹配方便,在867 MHz和915 MHz均出现频率谐振点,具有较强的实用价值的标签天线。设计时采用Zeland公司的IE3D软件进行仿真实验,介质板采用工业上最常用、价格又低廉的FR4敷铜板,其厚度为 2 标签天线设计
值的芯片阻抗,使得匹配天
敷铜厚
介电常数4.7。
标签芯片的阻抗一般呈现大的容性电抗和小的电阻,这样高直接与芯片匹配。
线的设计变得很困难,并且了天线的阻抗带宽。但是由于成本和制造的要求,标签天线必须
以前常用的各种变形偶极子标签天线为了实现同芯片的阻抗匹配,其谐振频率与匹配的频率之间存在差异,致使阻抗带宽呈窄带特性。文献［3］中提出的电磁耦合馈电结构模型较好地解决了这个问题。此结构由一个的辐射主体和一个与之耦合的环形线圈组成,由文献［3］中的等效电路可知，在谐振频率处,天线的输入阻抗 （1） （2）
各分量为：
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其中系数
1～图3所示。
为辐射主体在谐振频率附近的辐射电阻,M为辐射主体和馈电环之间的互感为馈电环的自感系数。可见R0与
可调整,便于实现天线电阻与任意
芯片阻抗的匹配。利用此结构设计出如下对称结构的标签天线。其结构和阻抗变换特性如图
图1 耦合馈电标签结构图 图
变化时标签天线阻抗值
（L=60,W=44,L1=21,W1=18,W2=5,W3=1） 图
变化时标签天线阻抗值
（L=60,W=44,d＝7,W1=18,W2=5,W3=1）
仿真结果显示，此结构天线的谐振频率主要由辐射主体的有效电长度决定。由图2可见,辐射主体与耦合环的大小均不变,两者间距d增加时,输入阻抗的实部减小,虚部负斜率部分逐渐减弱消失,耦合减弱,但谐振频率基本不变。其他值保持不变,W1变化时天线输入阻抗变化规律与图3相似,可见辐射主体大小不变,辐射主体与耦合环间距也不变,耦合环的长度L1或宽度W1增加时,输入阻抗的实部和虚部均增加,耦合强度不变,谐振频率略为降低。
可见此结构的天线输入阻抗及谐振频率的调整十分方便,通过调节设计出一种覆盖欧洲和美国两种标准频带宽度的标签天线,其尺寸如表1所示,仿真结果如图4所示。 表1 耦合馈电标签天线尺寸 (单位
604421.418517
图4 耦合馈电标签天线仿真结果
由图4可见天线输入阻抗的虚部在谐振频率附近比较平坦，使得天线和芯片阻抗在一个较宽的频段内共轭匹配，阻抗带宽达到77 MHz（ 3 天线性能分析
在实际制作天线前,我们先对仿真结果进行了评价分析。 由于IE3D软件模拟分析得到的天线增益是建立在系统特征阻抗为50 Ω的系统上的,而本文所设计的标签天线是输入阻抗为与芯片阻抗共轭匹配,因此模拟分析结果需要对天线正规化才能得到正确的方向性（D0）与有效接收面积。
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S （3） （4） （5） 4 试验测量
－(1－
－
－
根据所设计的标签天线尺寸,制作了如图5所示的标签天线实物。 图5 耦合馈电标签天线实物图
标签天线的大小为60 mm×44 mm,满足一般应用对标签面积的要求.标签使用的是Philips公司的SL3S3001 FTT芯片,符合ISO 18000标准。应用支持该标准的AWID公司的阅读器进行测量,在辐射功率为4 W,标签天线与阅读器天线面平行的测量条件下,中心频率为阅读距离为
中心频率为915 MHz时阅读距离可达
验室制作条件所限,我们采用蚀刻技术制作的标签天线精度不到离应该可以进一步增加。 5 结 语
时
基本达到应用要求。由于实
而从仿真结果可见
只有保证±0.05 mm的精度,制作公差的影响才可忽略不记,因此在保证制作精度的条件下,阅读距
耦合馈电结构的电子标签天线具有结构简单,阻抗实[LL]部虚部可单独调节,阻抗带宽较宽等优点,本文设计的电子标签结构非常简单,针对不同芯片的阻抗匹配方便,带宽达到77 MHz,在867 MHz和915 MHz处有两个谐振频率,可同时满足欧洲和美国的UHF射频频段标准。 参 考 文 献
［1］Foster P R,Burberry R A.Antenna Problems in RFID Systems.in Proc.Inst.Elect.Eng.Colloquium RFID Technology,1999:3/1-3/5.
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［2］Cho C,Choo H,Park I.Broadband RFID Tag Antenna with Quasi-isotropic Radiation Pattern,2005,41(20):1 091-1 092.
［3］Choo H,Ling H.Design of Electrically Small Planar Antennas Using an Inductively Coupled Feed\\[J\\].Electron.Lett.,2003,39:3 080-3 081.
［4］Chihyun Cho,Hosung Choo,Park I.Design of UHF Small Passive Tag Antennas.Antennas and Propagation Society International Symposium,2005 IEEE,2005,2B:349-352.
［5］Son H W,Pyo C S.Design of RFID Tag Antennas Using an Inductively Coupled Feed\\[J\\].Electronics Letters,2005,41(18):994-996.
［6］Li Yang,Serkan Basat S,Tentzeris M M.Design and Development of Novel Inductively Coupled RFID Antennas.Antenna& Propagation Society International Symposium 2006,IEEE 9-14,2006:1 035-1 038.
［7］SL3S30 01 FTT TSSOP8 Package Specification,2003.
［8］林家平.915 MHz射频识别天线设计［D］.中国:国立台北科技大学电脑通讯与控制研究所,2004.
作者简介
张瑞娜 女，1983年出生，河南人，华南理工大学电信学院在读研究生。主要研究方向为微波天线理论与设计。
赖晓铮 男，1979年出生，广东人，华南理工大学电信学院博士。主要研究方向为射频电路和天线设计。
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赖声礼 男，1939年出生，四川人，华南理工大学电信学院教授，博导。主要从事电磁场微波技术和RFID系统研究。