1 引言

　　射頻識(shí)別(RadioFrequency Identification，RFID)技術(shù)既是識(shí)別技術(shù)，也是短程通信技術(shù)。它通過(guò)射頻信號(hào)采集和識(shí)別目標(biāo)物的相關(guān)信息，以非接觸識(shí)別和識(shí)別速率快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，同時(shí)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(shí)別距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適用于物流和供應(yīng)鏈管理[1]。

　　抗金屬標(biāo)簽廣泛應(yīng)用在需要識(shí)別各種金屬物體的場(chǎng)合，它克服了普通標(biāo)簽放置在金屬物體表面時(shí)讀寫(xiě)距離迅速縮短、工作可靠性大大下降甚至不能正常讀寫(xiě)的缺點(diǎn)。目前，國(guó)外RFID抗金屬標(biāo)簽存在著體積大、成本高、性能不穩(wěn)、設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以滿足我國(guó)實(shí)際行業(yè)應(yīng)用需求[2]。本文主要針對(duì)在金屬表面上的自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款UHF頻段基于PCB的小型化抗金屬標(biāo)簽。標(biāo)簽具有尺寸小，成本低，讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 抗金屬原理及其設(shè)計(jì)

　　金屬等環(huán)境介質(zhì)對(duì)電磁波有衰減作用，金屬表面對(duì)電磁波有反射作用，嚴(yán)重影響著UHF無(wú)源RFID系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮。國(guó)內(nèi)外對(duì)抗金屬標(biāo)簽做了大量的研究，為了降低金屬表面對(duì)標(biāo)簽天線的影響，目前有價(jià)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(jìn)行抗金屬設(shè)計(jì)[3]。為降低成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，本標(biāo)簽采用了以下抗金屬設(shè)計(jì)方法。

　　2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　標(biāo)簽天線的性能指標(biāo)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(biāo)主要包括方向特性(方向圖，描述輻射場(chǎng)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(gè)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?cè)诤艽蟪潭壬嫌秩Q于天線本身的結(jié)構(gòu)，其中阻抗特性和天線增益對(duì)RFID系統(tǒng)的作用距離影響最大[4]。

　　初步設(shè)計(jì)的抗金屬標(biāo)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(gè)與基板尺寸相近的矩形銅貼片，在貼片上方開(kāi)3個(gè)U型槽，通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以增加標(biāo)簽天線的電流路徑長(zhǎng)度，從而有效地減少抗金屬標(biāo)簽天線的尺寸。通過(guò)調(diào)節(jié)U型槽的長(zhǎng)度、寬度來(lái)調(diào)節(jié)天線的阻抗，使得標(biāo)簽天線的阻抗和芯片的阻抗共軛相近，就可以認(rèn)為標(biāo)簽天線和芯片匹配。

圖 1 抗金屬標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)

　　3 天線仿真分析

　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，首先在HFSS15.0仿真平臺(tái)上對(duì)所提供的天線進(jìn)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(gè)尺寸為500mm×500m的有限地板上以模擬金屬環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線的影響。標(biāo)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(jì)的模型進(jìn)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(biāo)簽天線的頻偏較嚴(yán)重。

　　圖 2抗金屬標(biāo)簽天線反射系數(shù)仿真曲線

　　通過(guò)分析，我們認(rèn)為，抗金屬標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)是在矩形輻射貼片的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)縫操作，通過(guò)在貼片上開(kāi)槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折過(guò)而路徑變長(zhǎng)。而且通過(guò)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(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配。所以在天線原有基礎(chǔ)上，進(jìn)行開(kāi)縫處理，在U型槽之間開(kāi)6條縫隙，改進(jìn)后的抗金屬標(biāo)簽天線如圖3所示。

圖 3 改進(jìn)后抗金屬標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)

　　對(duì)改進(jìn)后的抗金屬標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)U型槽的長(zhǎng)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(biāo)簽天線可以正常工作。

　　圖 4 改進(jìn)后抗金屬標(biāo)簽天線的反射系數(shù)

　　通過(guò)仿真，抗金屬標(biāo)簽在中心頻率的增益可以達(dá)到-1.7dB，增益方向圖如圖5所示。

　　圖 5 抗金屬標(biāo)簽天線增益方向圖

　　5 結(jié)論

　　本文提出了一款小型化基于PCB的超高頻抗金屬標(biāo)簽天線。所設(shè)計(jì)的天線在矩形貼片開(kāi)3個(gè)U型槽，同時(shí)在U型槽的間隙開(kāi)6條縫隙以實(shí)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(biāo)簽芯片進(jìn)行匹配。與其他標(biāo)簽天線相比，該標(biāo)簽尺寸更小，僅為71mm*28mm*0.5mm。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，最大讀寫(xiě)距離可以達(dá)到2m。本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前已進(jìn)行批量生產(chǎn)，可以應(yīng)用于各種金屬儀器或設(shè)備。