隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)的應(yīng)用也日漸廣泛。在貨物供應(yīng)鏈、資產(chǎn)管理、物流識別和跟蹤貨物u中，標(biāo)簽得到了廣泛的使用。然而，在某堅特定領(lǐng)域,例如金屬物體表面,標(biāo)簽性能會大幅下降甚至無法被識別，這便要求一種新型的抗金屬標(biāo)簽來取代常規(guī)的標(biāo)簽以實現(xiàn)對物品的識別和管理。

　　常用的方法是將標(biāo)簽墊高一定距離，使標(biāo)簽距離金屬有一定高度，但此法不能無限地遠(yuǎn)離金屬表面且不易小型化;還有在標(biāo)簽下方附著一定特殊材料，如AMC( Artificial Magnetic Conductor)材料或EBG( Electronic Band Gap)介質(zhì)材料，使得電場在標(biāo)簽附近的相位有所改變，但此法對提高標(biāo)簽性能有限且成本過高;另一種方法則是采用特殊的天線結(jié)構(gòu)，如縫隙結(jié)構(gòu)引、耦合結(jié)構(gòu)等使標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片阻抗匹配，而該方法已成為設(shè)計抗金屬標(biāo)簽的一種趨勢。

　　文中涉及的便是一種利用雙層耦合結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)對標(biāo)簽天線的阻抗調(diào)整，由于標(biāo)簽天線具有實部和虛部，要實現(xiàn)與標(biāo)簽芯片阻抗的共軛匹配。文獻(xiàn)[6-8]提到用短路貼片方式設(shè)計標(biāo)簽天線，即用短路貼片與地板形成耦合結(jié)構(gòu)，類偶極子標(biāo)簽天線與芯片相連放置于上層介質(zhì)板耦合縫隙處，從而激活標(biāo)簽芯片，達(dá)到被識別的目的。此外，天線的翼型結(jié)構(gòu)，對展寬阻抗帶寬起著一定作用，實際應(yīng)用中可滿足天線設(shè)計要求。

　　1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　天線的模型如圖1所示，標(biāo)簽為雙層結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)板是厚度為1.5 mm的FR4材料上，該介質(zhì)的相對介電常數(shù)為4.4，耗損角正切為0. 02。下層為低損耗聚丙烯(pp材料)，該介質(zhì)的相對介電常數(shù)為2.6，損耗角正切為0. 001。如圖l(b)所示，下層由導(dǎo)電金屬(鋁箔等)包裹，形成空腔結(jié)構(gòu)，中間留有寬度為3 mm的縫隙。下層介質(zhì)板的上表面兩側(cè)為金屬貼片與底部通過兩側(cè)金屬形成短路結(jié)構(gòu)，耦合結(jié)構(gòu)通過縫隙與上層貼片標(biāo)簽天線產(chǎn)生諧振，從而激活標(biāo)簽芯片。在915 MHz，標(biāo)簽芯片阻抗為24.5-j190 Q，通過優(yōu)化對天線阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計標(biāo)簽天線詳細(xì)尺寸如下：W=25 mm,L =84 mm,g =3 mm,L₁=55 mm,W₁=3mm,r₁=7mm,L_l=7mm,H_up=1.5 mm,H_down =3 mm。

　　2 結(jié)果分析

　　設(shè)計標(biāo)簽天線采用雙層耦合結(jié)構(gòu)，標(biāo)簽天線的等效電路如圖2所示。下層耦合腔縫隙與上層標(biāo)簽產(chǎn)生諧振，耦合縫隙g會對標(biāo)簽諧振頻率產(chǎn)生影響，標(biāo)簽天線距離地板的高度，即上層介質(zhì)板厚度H_up具有電容效應(yīng)，會對諧振頻率產(chǎn)生一定影響，類偶極子標(biāo)簽天線的粗細(xì)W₁主要影響感抗。

圖l 天線的結(jié)構(gòu)

　　此外翼型結(jié)構(gòu)相對于單純的類偶極子結(jié)構(gòu)具有展寬帶寬的作用。仿真結(jié)果表明標(biāo)簽天線具有較好的方向性。

圖2 標(biāo)簽天線等效電路圖

　　(l)耦合縫隙g的寬度對諧振頻率的影響。如圖3所示，參數(shù)g的變化對天線諧振頻率的影響。隨著g從2 mm增加到5 mm，4個諧振點依次為889 MHz、915 MHz、935 MHz和952 MHz，可見縫隙每增加1mm，諧振頻率向高頻漂移大約20 MHz。分析可知，諧振頻率公式W=1/√LC縫隙的寬度主要影響標(biāo)簽天線的容值，假設(shè)感抗不變，則電容：

　　其中g(shù)為下層介質(zhì)板的介電常數(shù)。由此可見，隨著g的增加，諧振頻率必然向高頻偏移。標(biāo)簽傳輸系數(shù)t=P_th/P_r其中P_th，為標(biāo)簽芯片的激活功率，P_r為標(biāo)簽天線接收到的電磁功率。

　　此外，由公式可看出，標(biāo)簽寬度W，下層耦合介質(zhì)板厚度hdown也舍對標(biāo)簽天線輸入阻抗容值產(chǎn)生影響。在標(biāo)簽完成特定指標(biāo)情況下，應(yīng)盡量滿足小型化要求，即W和h_down應(yīng)盡量小，文中主要對影響標(biāo)簽性能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由于抗金屬標(biāo)簽主要工作于902 -928 MHz，故設(shè)計諧振頻率在915 MHz，優(yōu)化結(jié)果g=3 mm。

圖3標(biāo)簽傳輸系數(shù)隨縫隙g的寬度的變化

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　　(2)翼型結(jié)構(gòu)的影響。如圖4所示，標(biāo)簽天線在有無翼型結(jié)構(gòu)時的S參數(shù)，S₁在-15 dB以下時，無翼型結(jié)構(gòu)，仿真帶寬為42 MHz，有翼型結(jié)構(gòu)帶寬可達(dá)70 MHz?？梢?，翼型結(jié)構(gòu)具有明顯的展寬帶寬的作用。

圖4有無翼型結(jié)構(gòu)的類偶極子標(biāo)簽天線S參數(shù)對比

　　由于標(biāo)簽天線通過耦合地板獲取輻射能量，翼型結(jié)構(gòu)能夠影響偶極子天線的輸入阻抗，由圖5(a)可看出，標(biāo)簽天線在915 MHz時，上層標(biāo)簽天線在有無翼型結(jié)構(gòu)時的輸入電阻較為接近。而圖5(b)可知輸入電抗變化較大。由于，所設(shè)計的標(biāo)簽天線使用的是Alien公司的H₃芯片，標(biāo)簽芯片在915 MHz時阻抗約為24.5-j190Ω。其中，具有翼型結(jié)構(gòu)的輸入阻抗在

　　915 MHz為II +j197Ω較好的與標(biāo)簽芯片共軛匹配。

圖5 標(biāo)簽天線在有無翼型結(jié)構(gòu)時的輸入阻抗對比

　　(3)標(biāo)簽天線的輻射特性。由圖6(a)可見，標(biāo)簽在金屬表面丁作時，其在遠(yuǎn)離金屬的一側(cè)具有較好的輻射特性，標(biāo)簽天線的最大增益G_r=-0.73 dBi，完全可被閱讀器天線所識別。圖6(b)為標(biāo)簽上層的類偶極子天線的表面電流分布，在任意時刻，表面電流同向，這與偶極子天線的電流分布相吻合。

圖6標(biāo)簽天線在915 MHz的增益圖及類偶極子天線的表面電流分布

　　(4)標(biāo)簽實測結(jié)果。圖7給出了標(biāo)簽的實物比例以及標(biāo)簽在微波暗室中的測試圖。標(biāo)簽被放置在厚度為2 mm，200 mm×200 mm的金屬板上，實測結(jié)果如圖8所示。結(jié)合圖3，由于標(biāo)簽實測結(jié)果與傳輸系數(shù)趨勢較為吻合，驗證了仿真結(jié)果。

　　實測采用增益G_t=7.5 dBi圓極化天線，天線發(fā)射功率P_t= 30 dBm，(EIRP 2W)，由Friis傳輸方程：r=

　　可推算標(biāo)簽理論讀取距離r，λ為工作波長，Pt為天線輻射功率P_t= 30 dBm，仿真可得標(biāo)簽天線增益G_r= -0.73 dBi，標(biāo)簽芯片激活功率P_th=- 18 dBm，可由傳輸系數(shù)關(guān)系得標(biāo)簽天線獲得的功率P_r=P_th/t，在915 MHz時，傳輸系數(shù)取0.9，帶入公式，可得標(biāo)簽理論讀取距離r_max=19. 17 m。實際由于天線極化匹配、傳輸損耗等因素，實際讀取距離，在暗室最佳距離約為16 m，而在常規(guī)環(huán)境測試約為12 m，該結(jié)果已滿足現(xiàn)有對超高頻抗金屬標(biāo)簽的技術(shù)要求。

圖7 標(biāo)簽實物與測試圖

　　3結(jié)束語

　　文中提出了一種新型的具有雙層介質(zhì)板耦合結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽主要應(yīng)用于金屬物體表面，通過下層耦合腔的引入，形成與上層的類偶極子天線的諧振，從而將電磁能量傳遞給標(biāo)簽芯片。通過電磁仿真軟件HFSS13仿真計算，確定了標(biāo)簽的幾何尺寸。并在暗室對天線實物進(jìn)行了輻射方向圖和讀取距離的測試，表明標(biāo)簽與仿真具有較好的一致性。當(dāng)標(biāo)簽工作

　　在902 -928 MHz時，在此頻率范圍內(nèi)標(biāo)簽具有較好的阻抗帶寬和輻射特性。測試結(jié)果表明該標(biāo)簽相對于常規(guī)的抗金屬標(biāo)簽，具有較遠(yuǎn)的讀取距離優(yōu)勢，適用于對金屬物體進(jìn)衍資產(chǎn)管理和物流應(yīng)用。