一种新型UHFRFID抗金属标签天线的设计与分析

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1、一种新型UHFRFID抗金属标签天线的设计与分析o引言射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)足-种利用无线射频方式进行非接触双向数据通信，以达到bl标识别并交换数据的技术。RFID系统-•般由标签、读写器和计算机通信网络组成。标签存储着待识别对彖的相关信息，附着在待识别对象上。通常电子标签符合IS018000-4与18000-6标准，本身无源，通过读写器的射频场获得能源，采用负载调制方式。读写器利用射频信号读/写标签信息并进行处理。PC机通过RS232接口远程控制读写器。读写器接到命令后，通过天线发送射频命令实现对标签的操作，同时接收标签返冋的数据。电子

2、标签靠其内部天线获得能量，并由芯片(IC)控制接收、发送数据。国内RFID系统使用的频段主耍分为低频(135kHz以下)、髙频(13.56MHz)、超高频(UltraHighFrequency,UHF)(860〜960MHz)和微波(2.4GHz以上)等儿人类。冃前越來越多的研究聚焦在了对UHFRFID系统的研究上。由于电磁波会被金属反射导致普通电子标签在金属表面无法被止确识別，这一缺点严重限制了其在物流行业的广泛应用，因此UHF标签天线的抗金属性成为了研究的热点和攻克的难点。本文在分析了金属对标签天线电磁场影响作用的基础上，提HIT-种成本相对较低可用丁-金属环境的超高频RFID无源标签天线

3、。该天线将环形微带与偶极子结构结合实现了在金属环境下髙增益的特性。天线面积100mmx40mm满足了小尺寸金属环境的耍求，具有较高的性价比。1金属对标签天线的影响射频识别系统工作原理图如图1所示。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，在很近的区域内儿乎平行于金属表面，使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來获得电磁场能星，无源电了标签则失去正常工作的能力。RFID系统工作尼酗FIDIII：界网VM*A>w.MidWQr1dl.CQn4

4、«Gn另一方面，当天线靠近金属时，其内部产生涡流的同时述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址急剧减弱。而上述涡流也会产生口身的感应磁场，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人幅度衰减，使得标签与读吗器之间通信受阻。另外，金属还会引起额外的寄牛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。2UHF抗金属标签天线的设计与分析2.1天线设计UHF无源标签的性能主要山两个方面决定：标签天线的增益大小以及天线与芯片Z间的阻抗匹配。一种提高增益的方法是并联多个折叠型偶极子结构，因为额外的

5、偶极子的辐射阻抗能够提离犬线效率，因此本文提出在传统偶极子天线结构（见图2）上改造一段环形微带线，在不增加天线面积的情况下获得增益提高。FiDFF界网3、兴*.RibdWor1d.cvrr4.G-n该天线结构由变型弯折偶极了辐射体和环形微带线以及矩形馈电环三部分组成，将芯片贴在矩形馈电环的开口处进行激励，利用电感耦合将能量送至两个中间部分连在一起的弯折偶极子辐射体上。偶极子采用阶梯弯折状可以缩短天线的整体长度，使其结构紧凑面积缩小。天线结构如图3所示。将以上两种天线置T72mmx36mm的金属板上，采用相对介电常数为4.4,厚度为1mm的介质板，利用HFSS软件进行仿真，最终得到功率反射系数I

6、lli线图，如图4所示。从图中可以看到，本文提出的环形天线在频率为900MHz时功率反射系数可达到-22dB,其性能大大优丁-传统天线。•250.860,880.900,02094a9609«LOQ-5⑷I52I-I-■-XH盂燧FIDIII：界网^VoRfidWorldxoni.vn天线增益大小和它到金属板的距离密切相关，表1列出了传统天线和环形天线在距金属板距离人分别为2mm,3mm,5mm,10mm时的增益值;图5是环形天线在距金属板距离为2mm,3mm,4mm,6mm,8mm时功率反射系数的曲线。从表1屮可以看出，在距金属板距离相同时，本文提出的环形天线增益始终优于传统天线，验证了该环

7、形天线的高性能。同时，随着夭线到金属板距离的增加，增益值呈现出不规律的变化趋势，因此，通过大量的仿真优化，最终观察到该天线在距金属板距离为3mm时可获得最大增益，增益值为2.06dBi。从图5可以看出，该环形天线工作在900MHz时性能垠好。0.860.880.900.920.940.960.98

8、OO-25FIDIII：界网wAm.RivdWWbiu.5«1距金1■板距薦大小与天域增益的关系（9