基于PCB的小型化UHF RFID抗金屬標簽設(shè)計
1 引言
射頻識別(RadioFrequency Identification，RFID)技術(shù)既是識別技術(shù)，也是短程通信技術(shù)。它通過射頻信號采集和識別目標物的相關(guān)信息，以非接觸識別和識別速率快等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，同時也是物聯(lián)網(wǎng)傳感層里最主要的成員。
超高頻(Ultra-High Frequency，UHF)RFID技術(shù)由于具有識別距離遠、標簽成本低等優(yōu)點，因而特別適用于物流和供應(yīng)鏈管理[1]。
抗金屬標簽，其廣泛應(yīng)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(wěn)、設(shè)計工藝復雜等缺點，難以滿足我國實際行業(yè)應(yīng)用需求[2]。本文主要針對在金屬表面上的自動識別問題，設(shè)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(yōu)點。
2 抗金屬原理及其設(shè)計
金屬等環(huán)境介質(zhì)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(tǒng)性能的充分發(fā)揮。國內(nèi)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(zhì)、介質(zhì)覆蓋或電磁帶隙等結(jié)構(gòu)形式;三是采用吸波材料等方法進行抗金屬設(shè)計[3]。為降低成本，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，本標簽采用了以下抗金屬設(shè)計方法。
2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計
標簽天線的性能指標和一般天線類似，只是在參數(shù)的要求上有所不同。這些技術(shù)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(guān)系曲線)、方向性系數(shù)(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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，其中阻抗特性和天線增益對RFID系統(tǒng)的作用距離影響最大[4]。
初步設(shè)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(shè)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(diào)節(jié)U型槽的長度、寬度來調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)
3 天線仿真分析
為了驗證設(shè)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(yōu)化。將所提出的天線直接放置在一個尺寸為500mm×500m的有限地板上以模擬金屬環(huán)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-j201Ω。
根據(jù)圖1設(shè)計的模型進行仿真，天線反射系數(shù)S11如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)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(shù)仿真曲線
通過分析，我們認為，抗金屬標簽天線結(jié)構(gòu)是在矩形輻射貼片的基礎(chǔ)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(diào)節(jié)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(chǔ)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(jié)構(gòu)
對改進后的抗金屬標簽天線進行仿真，通過調(diào)節(jié)U型槽的長度、寬度以及縫隙的位置尺寸，得到最優(yōu)天線反射系數(shù)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(shù)
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
4 結(jié)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(shè)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(xiàn)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(diào)節(jié)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(jīng)過實測，最大讀寫距離可以達到2m。本文設(shè)計的標簽結(jié)構(gòu)簡單，目前已進行批量生產(chǎn)，可以應(yīng)用于各種金屬儀器或設(shè)備。