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基于PCB的小型化UHFRFID抗金屬標簽設計作者：蔡少雄歐陽駿來源：射頻百花潭2018-03-2809:02:36摘要：針對射頻識別標簽天線小型化、抗金屬環境的實際需求，提出了一種可應用于金屬環境的超高頻射頻識別標簽天線，并加工了相應的實物標簽。通過在矩形貼片上開槽實現小型化，天線總尺寸為71mm*28mm*0.5mm。采用Alien公司的H3芯片，通過改變槽的尺寸以及在槽上開縫調節標簽天線的輸入阻抗，實現與標簽芯片的共軛匹配。仿真和實測結果較吻合，標簽阻抗匹配良好，實測最大讀取距離達2m。關鍵詞：UHF[606篇]RFID[15104篇]標簽[5890篇]　　1引言　　射頻識別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術既是識別技術，也是短程通信技術。它通過射頻信號采集和識別目標物的相關信息，以非接觸識別和識別速率快等優點而被廣泛應用，同時也是物聯網傳感層里最主要的成員。超高頻(Ultra-HighFrequency，UHF)RFID技術由于具有識別距離遠、標簽成本低等優點，因而特別適用于物流和供應鏈管理[1]。　　抗金屬標簽廣泛應用在需要識別各種金屬物體的場合，它克服了普通標簽放置在金屬物體表面時讀寫距離迅速縮短、工作可靠性大大下降甚至不能正常讀寫的缺點。目前，國外RFID抗金屬標簽存在著體積大、成本高、性能不穩、設計工藝復雜等缺點，難以滿足我國實際行業應用需求[2]。本文主要針對在金屬表面上的自動識別問題，設計了一款UHF頻段基于PCB的小型化抗金屬標簽。標簽具有尺寸小，成本低，讀寫距離遠等優點。　　2抗金屬原理及其設計　　金屬等環境介質對電磁波有衰減作用，金屬表面對電磁波有反射作用，嚴重影響著UHF無源RFID系統性能的充分發揮。國內外對抗金屬標簽做了大量的研究，為了降低金屬表面對標簽天線的影響，目前有價值的解決方案主要有：一是合理選取天線的類型，如采用微帶貼片天線或倒F天線等;二是采用雙層介質、介質覆蓋或電磁帶隙等結構形式;三是采用吸波材料等方法進行抗金屬設計[3]。為降低成本，實現產業化推廣，本標簽采用了以下抗金屬設計方法。　　2.1天線結構設計　　標簽天線的性能指標和一般天線類似，只是在參數的要求上有所不同。這些技術性能指標主要包括方向特性(方向圖，描述輻射場振幅與方向的關系曲線)、方向性系數(表征天線向某一個方向集中輻射電磁波的程度即方向圖的尖銳程度)、天線效率(度量天線轉換能量的有效性)、天線增益(表征天線輻射能量的集中程度)、阻抗特性、頻帶寬度(天線的工作帶寬)、電壓駐波比(表征天線和饋線連接的匹配程度)等，它們在很大程度上又取決于天線本身的結構，其中阻抗特性和天線增益對RFID系統的作用距離影響最大[4]。　　初步設計的抗金屬標簽天線如圖1所示，天線總尺寸為為71mm*28mm*0.5mm。在FR4基板上覆蓋一個與基板尺寸相近的矩形銅貼片，在貼片上方開3個U型槽，通過這種設計，可以增加標簽天線的電流路徑長度，從而有效地減少抗金屬標簽天線的尺寸。通過調節U型槽的長度、寬度來調節天線的阻抗，使得標簽天線的阻抗和芯片的阻抗共軛相近，就可以認為標簽天線和芯片匹配。圖1抗金屬標簽天線的結構　　3天線仿真分析　　為了驗證設計的正確性，首先在HFSS15.0仿真平臺上對所提供的天線進行模型建立和仿真優化。將所提出的天線直接放置在一個尺寸為500mm500m的有限地板上以模擬金屬環境對標簽天線的影響。標簽芯片采用Alien公司的Higgs3芯片，接收靈敏度為-20dBm，在915MHz處的輸入阻抗為27-j201。　　根據圖1設計的模型進行仿真，天線反射系數S11如圖2所示，可以發現抗金屬標簽天線的頻偏較嚴重。　　圖2抗金屬標簽天線反射系數仿真曲線　　通過分析，我們認為，抗金屬標簽天線結構是在矩形輻射貼片的基礎上進行開縫操作，通過在貼片上開槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折過而路徑變長。而且通過改變槽的尺寸，可以方便地調節天線的輸入阻抗，從而有利于天線跟阻抗不同的標簽芯片進行匹配。所以在天線原有基礎上，進行開縫處理，在U型槽之間開6條縫隙，改進后的抗金屬標簽天線如圖3所示。圖3改進后抗金屬標簽天線的結構　　對改進后的抗金屬標簽天線進行仿真，通過調節U型槽的長度、寬度以及縫隙的位置尺寸，得到最優天線反射系數S11如圖4所示，中心頻率在917MHz附近，中心頻率處的S11在-21.5dB左右，抗金屬標簽天線可以正常工作。　　圖4改進后抗金屬標簽天線的反射系數　　通過仿真，抗金屬標簽在中心頻率的增益可以達到-1.7dB，增益方向圖如圖5所示。　　圖5抗金屬標簽天線增益方向圖　　5結論　　本文提出了一款小型化基于PCB的超高頻抗金屬標簽天線。所設計的天線在矩形貼片開3個U型槽，同時在U型槽的間隙開6條縫隙以實現小型化。改變槽的尺寸以及槽間縫隙的位置尺寸可以方便調節天線的輸入阻抗，有利于天線跟不同的標簽芯片進行匹配。與其他標簽天線相比，該標簽尺寸更小，僅為71mm*28mm*0.5mm。經過實測，最大讀寫距離可以達到2m。本文設計的標簽結構簡單，目前已進行批量生產，可以應用于各種金屬儀器或設備。1

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