近年來折疊結構的微帶貼片天線是抗金屬RFID標簽天線設計的熱門方向。微帶貼片自身的金屬接地面能夠有效隔絕金屬環(huán)境的影響。本章基于折疊結構的微帶貼片天線，研究了一種雙面抗金屬的超高頻RFID標簽天線。本章介紹了傳統(tǒng)的微帶貼片天線，為天線設計提供理論基礎；通過對搭載在中間層貼片上的曲流結構和調諧貼片進行電流分析和阻抗分析，最終確定了標簽天線的參數尺寸，能夠有效實現(xiàn)與標簽芯片的阻抗匹配；通過對天線模型的仿真驗證了其抗金屬性能以及雙面使用性能。經過實測分析，該標簽在金屬環(huán)境和非金屬環(huán)境中雙面均能有效工作在我國所需的超高頻 RFID頻段，且體積緊湊，可廣泛應用于特定的物聯(lián)網識別場景中。

微帶貼片天線基本理論

    微帶貼片天線具有體積小、低剖面、易加工、成本低的特點，是目前超高頻抗金屬RFID標簽天線的熱門設計之一。典型的微帶貼片天線由接地面、介質基板和導電貼片組成，如圖1-1所示。

圖1-1 微帶貼片天線結構示意圖

    微帶貼片天線通過時變信號激勵，在介質基板的兩側分別是導電貼片和金屬接地面，且介質基板的厚度通常在0.01λ和0.05λ之間。當微帶貼片天線工作時，導電貼片和地平面之間產生時變電場，并伴隨著導電貼片表面與地平表面上的表面電流。導電貼片天線在垂直于表面電流的貼片兩端產生輻射。根據趨膚效應，表面電流只存在于接地面朝向介質基板的一側。通過如此設計，標簽天線在運作時，其主體就與金屬環(huán)境隔離開來，達到抗金屬使用的目的。傳統(tǒng)的微帶貼片天線一般采用的饋電方式有三種：微帶線饋電、同軸饋電、電磁耦合饋電。由于標簽天線的無源特性，標簽天線運轉所需的能量由接收到閱讀器天線輻射的能量提供，基于微帶貼片結構設計的標簽天線在仿真中可以看作特殊的微帶線饋電模式，使用集總參數模擬激勵，激勵阻抗即標簽芯片的阻抗。

天線結構設計

    所提出的標簽天線的模型如圖2-1所示。從圖2-1(a)和2-1(b)中可以看出，它由三個金屬貼片和兩個基板組成，在中間層增加了一個彎折曲流結構和一個長度為l1、寬度為w1的調諧貼片，用于阻抗匹配的調節(jié)。泡棉基板的介電常數εr=1.2，損耗角正切tanδ=0.0001，尺寸為52×13×1 mm3。除了起到結構支撐的作用之外，泡棉還將三層金屬貼片彼此隔離。彎折的曲流結構是RFID標簽天線設計的一個極好選擇，它可以在同等尺寸內增加天線的有效電長度。通過改變調諧貼片的尺寸，可以在不改變環(huán)路大小的情況下有效地調諧天線阻抗。這種標簽折疊制作的過程可參考圖2-1(b)，貼片#2位于中間層下方，然后將貼片#1折疊到中間層上方。圖2-1(c)顯示了所設計標簽天線的平面展開示意圖。在折疊過程前需要將標簽芯片嵌入中間層的指定位置。標簽芯片選用商用RFID芯片Alien Higgs-3，該芯片在中心頻率915MHz時阻抗為27-j201Ω，激活標簽芯片的閾值為-18dBm。

圖2-1 標簽天線結構示意圖

天線結構分析

    圖3-1展示了天線在不同階段時的阻抗對比圖。在標簽設計之初，中間層中沒有彎折的曲流結構，如圖中的天線1所示。沒有曲流結構的標簽天線1具有高達1.03GHz諧振頻率以及高阻抗值，如此設計的天線影響標簽整體性能。為了能夠有效降低諧振頻率，在中間層貼片上增加了一個彎折的曲流結構來增加電氣長度。通過彎折曲流結構，標簽在同等面積下的電氣長度得到了顯著增加，并且阻抗得到了有效降低。在模擬嘗試后，環(huán)路長度固定為62 mm，此時標簽的諧振頻率大約為920MHz，如圖所示。由此可見，曲流結構可以有效地增加標簽天線的電氣長度，令標簽頻點大幅度下降。相比調諧貼片，曲流結構能夠對標簽的匹配范圍做粗略的調整，但若想要準確的令標簽天線和芯片兩者間的阻抗達到匹配，調諧貼片的調整也是必不可少的。調諧貼片可以更加精準地調整天線的阻抗，在下一小節(jié)將對此做進一步分析。

圖3-1 不同設計階段天線的阻抗對比圖

    為了對折疊后的天線有更直觀的了解，圖3-2(a)給出了標簽天線的三層示意圖，將天線兩側的饋電墻做了夸張?zhí)幚?，并隱去了天線夾層中用于支撐的泡棉基板。天線的電流示意圖如圖3-2(b)所示，標簽天線由模擬標簽芯片的集總參數激勵饋電，通過中間層右側的饋電墻流入貼片#2，再由貼片#2左側的饋電墻流入貼片#1。從圖中的電流流向可以看出，在貼片#1和貼片#2中的電流在靠近曲流結構位置會受到一定的耦合效應，但總體都朝向一個方向。由于貼片#1和貼片#2單一的電流走向，克服了金屬環(huán)境對中間層天線的反向電流影響，提升了標簽整體的抗金屬性能，使得天線放置在金屬面上時能夠正常使用。圖中貼片#1和貼片#2都有單一流向的電流經過，天線翻轉使用時同理，因此依然能夠有良好的抗金屬性能。

圖3-2 標簽天線示意圖

天線參數分析

    經過上節(jié)的分析可得知，曲流結構通過增長天線在同等尺寸內的有效電氣長度能夠大幅度地對自身的阻抗做粗略的調整。但若想準確的將阻抗調節(jié)至匹配狀態(tài)，單一的曲流結構并不能夠滿足要求。因此，通過改變調諧貼片的尺寸，可以在不改變環(huán)路大小的情況下進一步更加細致地調諧天線阻抗。下面將通過控制變量法對天線調諧貼片的參數進行掃頻分析，探究在同等長度的曲流結構下，調諧貼片長度l1、寬度w1對天線阻抗的影響，從而將天線的阻抗調整至最優(yōu)狀態(tài)。

    (1)調諧貼片的長度l1對天線阻抗的影響

    控制單一變量l1從5mm以5mm的步長增加到20mm，觀察該變量對標簽天線阻抗的影響。如圖4-1所示，當調諧貼片的長度l1遞增至15mm時，標簽天線的輸入阻抗的曲線向左偏移，表明阻抗在隨著l1的增加而降低；當調諧貼片的長度l1達到20mm時，輸入阻抗的曲線相較于15mm時向右偏移，表明此時天線的阻抗增大了。輸入阻抗的改變是因為調諧貼片等效于并聯(lián)電感，改變調諧貼片的長度l1將會影響等效電感的感抗。阻抗幅度趨勢的改變是因為當調諧貼片過長時，調諧貼片與曲流結構距離過近，導致二者之間發(fā)生耦合效應。

    可見，在一定范圍內通過調整調節(jié)貼片長度l1的大小可以有效調整標簽天線的阻抗，使其盡量靠近芯片的共軛阻抗，但調節(jié)貼片的長度不宜太長，否則將靠近彎折曲流結構，產生耦合作用從而影響標簽的整體性能。從圖4-1中的趨勢可以得出，調諧貼片的長度l1在5mm步進的情況下才能明顯看出天線阻抗的變化，所以可以將其視為精調所使用的調整參數，通過調節(jié)曲流長度將標簽阻抗粗調至所需大小附近后，再調整調諧貼片參數將阻抗控制到精確值。

圖4-1 參數l1對天線阻抗的影響

     (2)調諧貼片的寬度w1對天線阻抗的影響

    將調諧貼片的寬度w1設為單一變量，探究參數w1對標簽天線阻抗的影響。將調諧貼片的寬度w1從5mm以1mm的步長增加到8mm，標簽天線的阻抗的變化如圖4-2所示。當調諧貼片的寬度w1遞增至8mm時，標簽天線的輸入阻抗的曲線向不斷左偏移，表明阻抗在隨著寬度w1的增加而降低。與調節(jié)調諧貼片長度l1的原理相同，對調諧貼片寬度w1的改變也會改變并聯(lián)電感的容性。因此，從調諧貼片的長度和寬度兩個維度，均能對標簽天線的整體阻抗進行細調。

圖4-2 參數w1對天線阻抗的影響

    (3)優(yōu)化后標簽天線的最終阻抗

    在確定了彎折曲流結構總長度的基礎上，不斷調整優(yōu)化調節(jié)貼片的參數，最終使標簽天線與標簽芯片兩者之間的阻抗達到共軛匹配。根據天線設計理論，電阻值遠小于電抗值的絕對值，因此優(yōu)先滿足電抗值匹配，在此基礎上盡可能實現(xiàn)電阻值匹配。圖4-3給出了優(yōu)化后的標簽天線阻抗，此時標簽天線在915MHz時阻抗為11+ j309 Ω，雖然電阻值方面與芯片仍有一定誤差，但電抗方面兩者共軛匹配良好，符合天線設計的要求。在表1-1中給出了天線優(yōu)化后的詳細參數。

圖4-3 優(yōu)化后的天線阻抗

表1-1 天線結構尺寸（單位：mm）

天線性能與測試

    自由空間中的標簽天線|S11|如圖5-1所示，-10dB帶寬達120 MHz(840-960 MHz)。頻率在915 MHz時標簽天線的|S11|值為 -25.2 dB，表明所設計天線與芯片兩者間阻抗匹配良好，能夠覆蓋多個地區(qū)的RFID系統(tǒng)工作頻段。

    圖5-2為標簽天線的方向特性，Phi = 0 deg時指的是垂直天線方向，即天線在XOY平面的輻射特性；Phi = 0 deg指的是水平天線方向，即天線在YOZ平面的輻射特性。從圖5-2中可以看出，處在無干擾的自由空間中的天線方向圖為餅狀，具有全向特性，可在天線周圍實現(xiàn)穩(wěn)定讀取。

圖5-1 自由空間中的標簽天線|S11|

圖5-2自由空間中的標簽天線的方向圖

天線抗金屬性分析

    為檢驗該標簽天線的抗金屬性能，在仿真軟件中選用20×20cm2的金屬平面模擬金屬環(huán)境，通過仿真標簽天線放置于金屬平面上時的輻射特性來確定標簽天線實際的抗金屬性能。

    為了對天線的雙面性能分析更直觀，定義貼片#1朝上、貼片#2緊貼金屬時為A面接觸金屬；同理，貼片#2朝上、貼片#1緊貼金屬時為B面接觸金屬，不同情況下天線的|S11|曲線如圖6-1所示。A面接觸金屬時，標簽的|S11|的-10dB帶寬為860-980 MHz；B面接觸金屬時，標簽的|S11|的-10dB帶寬為840-960MHz。在兩種情況下帶寬都為120MHz，但A面接觸金屬時的反射系數相較于B面向高頻偏移了20MHz。得益于標簽天線寬頻帶特性，偏移20MHz后的反射系數仍處于-10dB以下，理論上對正常使用并無影響。產生頻點偏移的原因是當A面接觸金屬時貼片#1為輻射面，B面接觸金屬則是貼片#2為輻射面。天線不同放置朝向導致其接觸金屬的貼片不同，造成天線阻抗上受到金屬影響程度的不同，引起了|S11|曲線的偏移。

    圖6-2為標簽天線的方向特性，Phi = 0 deg時指的是垂直天線方向，即天線在XOY平面的輻射特性；Phi = 0 deg指的是水平天線方向，即天線在YOZ平面的輻射特性。與自由空間中的餅狀方向圖不同，圖中可明顯看出金屬環(huán)境對標簽天線輻射方向性的影響。當天線一側貼近金屬后，天線的輻射方向圖呈現(xiàn)半球狀，只在朝向金屬前的方向能夠在一定的偏轉角度內具備穩(wěn)定的可讀取性，在金屬面的背后幾乎沒有輻射信號，無法成功讀取。圖6-2(a)和圖6-2(b)中可以看出，A面貼近金屬和B面貼近金屬的方向圖大小和形狀都相似，都具有定向輻射的特性。

圖6-1 不同情況下標簽天線|S11|

 (a)A面貼近金屬 

(b)B面貼近金屬

圖6-2 標簽天線貼近金屬時的方向圖

天線實測分析

    天線通過腐蝕法制作，并剪裁了2塊泡棉基板作為支撐。圖7-1展示了標簽天線的實物。其中，圖7-1(a)為折疊后的標簽天線實物圖，圖7-1(b)為展開的標簽天線實物圖。

(a)折疊后的標簽天線 

 (b)展開的標簽天線

圖7-1標簽天線實物圖

    使用Voyantic Tag-formance Pro測試系統(tǒng)對標簽天線的理論數據進行測量。將標簽置于閱讀器上方30cm處，使用20×20cm2的金屬板模擬金屬環(huán)境，即可測得標簽天線在金屬環(huán)境使用時的理論性能數據，測試的場景如圖7-2所示。由于測試系統(tǒng)許可證的限制，測試頻段限定在860-960MHz，最終測得的標簽天線理論上的性能數據如圖7-3、圖7-4所示。由于標簽的性能將由前向散射功率和反向散射功率共同決定，前向散射功率表明了天線被激活所需要的閾值，即天線靈敏度；反向散射功率表明了天線激活后傳輸到閱讀器的能量大小。因此根據圖中曲線的趨勢可得：當B面貼近金屬時天線的可讀取性能最優(yōu)，在自由空間中的可讀取性能最差。

圖7-2 Voyantic Tag-formance Pro測試系統(tǒng)

圖7-3 標簽的前向散射系數

圖7-4 標簽的反向散射系數

    經理論數據測試后，將對標簽天線的讀取距離進行實測。測試場景如圖7-5所示，同樣采用增益為12dBi的線極化閱讀器天線BR4-44。采用第二章中介紹的直接測量讀取距離的方法，將標簽天線垂直地面放置并貼近金屬面，正對閱讀器天線，等到標簽天線被讀取后，不斷增加二者間距直到停止響應，即可得到標簽天線的最大讀取距離。

    實測結果表明，標簽在無金屬環(huán)境干擾的自由空間中，最遠可讀取距離為5.4m；在金屬環(huán)境中，標簽A面貼近金屬時最遠可讀取距離為7.6 m，B面貼近金屬時最遠可讀取距離為8.9 m；該結果與理論上測量得到的性能數據一致。上述測試結果驗證了標簽雙面抗金屬的性能，由于采用在自由環(huán)境中直接架設測量的方式，測試結果可能存在一定的誤差。

圖7-5 標簽讀取距離測試場景

本章小結

    本章研究了折疊結構雙面抗金屬超高頻RFID標簽天線。該標簽由在柔性材料上腐蝕出的金屬貼片折疊后制成，在金屬貼片之間有泡棉基板提供支撐。標簽芯片搭載在中間層的金屬貼片上。中間層的貼片設計有曲流結構以及調諧貼片，通過調整它們的尺寸能夠有效實現(xiàn)阻抗匹配。外層的金屬貼片起到了隔絕外部金屬環(huán)境的作用，以此實現(xiàn)標簽能夠雙面抗金屬使用的性能，當標簽的每一面接觸到金屬時都能夠正常工作。經過實測，該標簽在金屬環(huán)境和非金屬環(huán)境中雙面均能有效工作在我國所需的超高頻 RFID頻段，最遠可讀取距離為8.9 m，且體積緊湊，可廣泛應用于特定的物聯(lián)網識別場景中。