基于感應(yīng)耦合的UHF全頻帶天線設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是利用射頻信號(hào)對(duì)帖有電子標(biāo)簽的物品進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。RFID系統(tǒng)主要由閱讀器和電子標(biāo)簽組成。電子標(biāo)簽按照供電方式的不同分為有源電子標(biāo)簽和無源電子標(biāo)簽。閱讀器能夠接收到的電子標(biāo)簽反射信息的距離是RFID系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。閱讀距離不僅與標(biāo)簽天線的方向圖、天線放置的基板材料有關(guān)，而且與電磁波傳輸?shù)沫h(huán)境有關(guān)。一般情況下，無源電子標(biāo)簽芯片的阻抗的實(shí)部較小，而虛部較大，標(biāo)簽芯片較高的Q值使得很難設(shè)計(jì)合適的天線與標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，尤其是要求在較寬的頻帶范圍之內(nèi)。

在產(chǎn)品電子代碼（EPC）應(yīng)用中，近距離工作的 RFID頻率統(tǒng)一集中在13.56 MHz，而遠(yuǎn)距離工作的RFID頻率定位于UHF頻段。由于各國(guó)、各地區(qū)對(duì)UHF頻段RFID應(yīng)用的界定存在不同，例如：美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為902 MHz～928 MHz，歐洲為865 MHz～868 MHz，日本為950 MHz～956 MHz，中國(guó)為 840 MHz～845 MHz和920 MHz～925 MHz兩個(gè)頻段。因此，設(shè)計(jì)UHF RFID全頻段覆蓋的電子標(biāo)簽以滿足世界各國(guó)的要求，使電子標(biāo)簽具有通用性，是電子標(biāo)簽（天線）設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)。

對(duì)于無源電子標(biāo)簽，僅當(dāng)標(biāo)簽芯片接收的能量大于它的最小門限功率Pth時(shí)才能正常工作。為了提高閱讀距離，就需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線阻抗間的共軛匹配。但是，標(biāo)簽天線一般采用變形偶極子天線，其諧振點(diǎn)并不一定是阻抗匹配點(diǎn)。電磁耦合饋電很好地解決了這個(gè)問題。采用一個(gè)饋電單元，2個(gè)均勻分布的輻射單元組成雙輻射邊天線達(dá)到很高的增益，但全向性不好。一種UHF全向性天線，盡管帶寬可以達(dá)到要求，但是諧振深度不夠（S11《-10 dB）而且具有較大的尺寸。本文采用非均勻分布的彎折支節(jié)為耦合單元，設(shè)計(jì)了一款標(biāo)簽天線，帶寬（S11《-22 dB）為180 MHz，不僅覆蓋了UHF全頻帶，而且具有較好的諧振深度和較小的標(biāo)簽天線尺寸。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了感應(yīng)單元與饋電單元的距離，以及饋電單元的形狀為矩形、三角形、梯形時(shí)標(biāo)簽天線的性能。

1 耦合原理分析

這種天線模型可以等效為如圖1所示的天線模型。當(dāng)寄生單元無限長(zhǎng)時(shí)，圖1模型可以等效為圖2所示的等效電路模型。

圖2中，寄生單元等效為左回路的L1、R、C，其中R等效為輻射體的自電阻。而饋電單元等效為右回路，L2等效為饋電單元的自電感。由于饋電單元的自阻抗非常小，所以在等效電路中被忽略了。

根據(jù)參考的電路分析理論，對(duì)圖2回路列KVL可以得到：

從式（8）可以看到，諧振狀態(tài)的阻抗實(shí)部只與互感有關(guān)，而虛部與L2有關(guān)。由于互感M與耦合距離有關(guān)，所以天線阻抗的實(shí)部與寄生單元離饋電單元的距離有關(guān)，而虛部只與饋電單元自身的形狀有關(guān)。由此，可以看到在諧振點(diǎn)附近耦合加載對(duì)天線實(shí)虛部可起到單獨(dú)調(diào)節(jié)的作用。

2 天線的設(shè)計(jì)與研究

一種標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，寄生單元部分的分支采用均勻分布。而本文為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配，寄生單元的分支采用非均勻分布。標(biāo)簽天線的建模如圖3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。該天線由饋電環(huán)和輻射體兩部分組成。饋電單元由矩形構(gòu)成，與標(biāo)簽芯片直接相連。而輻射體是由非均勻分布的彎折支節(jié)構(gòu)成。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)所選用的芯片在915 MHz時(shí)，對(duì)外呈現(xiàn)的阻抗為Z=18.1-j149 Ω，遵循ISO-18000 6C協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線之間最大功率傳輸，所要求的天線阻抗在諧振頻率處應(yīng)為18.1+j149 Ω。

圖3所示天線蝕刻在厚度為0.2 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上，天線的大小為50 mm×20 mm。

現(xiàn)在根據(jù)以上討論，研究寄生單元距饋電點(diǎn)的距離和饋電單元的形狀對(duì)天線性能的影響。

2.1 耦合間距對(duì)天線性能的影響

從以上分析可以看到，根據(jù)（8）式，當(dāng)天線在諧振狀態(tài)時(shí)，阻抗的實(shí)部是只受互感影響的，而互感與寄生單元和饋電單元的間距有關(guān)。從圖5（b）可以看到，隨著間距的增加，天線阻抗的實(shí)部在減小，而虛部基本保持不變，這一點(diǎn)與理論分析的結(jié)果基本相同。