RFID標簽天線的小型化技術研究

陳又鮮　陳玉墩

【摘 要】無線射頻識別（RFID）模塊主要包括應答器和閱讀器，其中，天線扮演著發射和接收信號的角色，是必不可少的部件。本文結合實際課題對無線射頻識別標簽天線的5種小型化方法如加載短路探針、表面開槽、提高介質基片相對介電常數、附加有源網絡及采用特殊結構進行了比較，論述了各自優缺點，這為天線設計及小型化提供了一定的技術參考。

【關鍵詞】天線；射頻識別技術（RFID）；電子標簽；小型化

1 射頻識別技術概述

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術屬于無線通信技術，是一種非接觸式的自動識別技術，通過交變磁場或電磁波耦合自動識別目標對象并獲取相關數據[1]。射頻識別主要由電子標簽和讀寫器兩部分組成，皆包含天線、射頻模塊、控制模塊和存儲器等。當標簽進入讀寫器中天線發射出的電磁場時，接收解讀器由天線發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發送某一頻率的信號，解讀器讀取信息并解碼再進行有關數據處理[2]。其中天線完成高頻信號的發射接收，是標簽和讀寫器之間的信息橋梁，其實現方式直接關系到通信信號的后續處理以及整個射頻識別的性能。因此，在設計射頻識別硬件時，天線的設計采用何種方案是至關重要的。

天線的一般設計流程如圖1所示，首先確定設計指標，也就是確認是否完成設計的衡量指標，然后根據設計目標如天線尺寸、方向性、讀取距離等選擇天線材料及類型，對天線進行仿真分析并優化參數確定設計方案，并制作天線原型進行驗證并調試，得出最佳參數達到指標要求完成天線設計。

圖1 天線的一般設計流程圖

射頻識別有高可靠性、高保密性和快速跟蹤、管理對象、小巧便攜等要求。而天線作為一種接收與發送信息的裝置，射頻識別系統的重要部件，隨著RFID對天線越來越高的要求，通信設備趨于小型化發展，天線的小型化研究也是至關重要的。

2 天線的小型化

2.1 天線的小型化要求

一般RFID標簽天線的特性有以下要求：（1）方向性要求具有全向或者半球覆蓋，以便于讀寫器能在各個方向有效檢測到攜帶電子標簽的物體。（2）要求標簽芯片與天線阻抗達到良好阻抗匹配，盡可能使標簽天線傳遞最大信號給標簽芯片以便于信號的讀取。（3）結構尺寸要求便于嵌入到小型物件中，則需要研究緊湊的天線物理結構。（4）考慮到產品的成本問題，要求標簽天線材料成本低。在設計天線時，要達到標簽天線與標簽芯片阻抗匹配又要綜合考慮產品的成本和便攜性，則天線與芯片的阻抗匹配需避免采用附加的匹配網絡。天線的結構或尺寸改變會影響天線的增益、方向性、效率、頻帶寬度及效率等特性，所以天線的小型化設計要求在不降低天線性能的條件下達到減小天線的尺寸的目的。

2.2 天線的小型化技術

天線的小型化一般有加載短路探針、表面開槽、提高介質基片相對介電常數、附加有源網絡及采用特殊結構等幾種方法。標簽天線可以分為線圈型天線、偶極子天線和縫隙天線三類?；谖炀€成本低、量輕、體積小、易于集成等諸多優點，目前RFID天線多采取微帶天線，如吉林大學研究應用于車聯網頻率為2.45GHz的整流天線，采用特殊結構，通過參照微波光子晶體結構天線，設計了一款光子晶體結構改進型微帶天線，使其盡量小型化，較普通天線減小了尺寸，此款天線還適用于低功耗的無線傳感器網絡系統以及其它低功耗用電設備[3]。

加載短路探針可以加載天線的零勢面和地面，這對天線來說相當于引入了電容和電感。根據傳輸線理論，兩條開路線的場在傳輸線方向上是呈駐波分布的，那么將這兩條兩端開路的傳輸線之間的零位點對地短接，就可使開路傳輸線形成短路駐波結構，從而使天線尺寸減小1/2。然而加載短路探針存在一定的缺點，會導致天線的帶寬變窄以及增益下降。

表面開槽是在貼片尺寸不變的前提下，通過貼片開槽構成特殊形狀的微帶輻射貼片使其表面電流沿著槽或縫隙曲折流過，表面電流路徑彎曲繞行從而增加等效路徑，這樣可以增加天線的有效長度，因此達到天線小型化的目的。但是，輻射貼片表面開槽是有限制的，因為表面開槽會減小天線的輻射面積從而導致天線的增益下降，而且還會增加天線垂直于主激發面電流的額外電流分布，這會導致天線交叉極化增大，天線的輻射效率變差。所以需要適當開槽，這樣還可使天線實現圓極化和雙頻工作。本文針對應用于射頻識別的微帶天線采用了表面開槽方法來減小標簽天線的尺寸，仿真和實驗表明天線的性能指標隨天線的尺寸變化而變化，在一定尺寸范圍內，稍稍改變天線的尺寸對天線性能參數影響較小。也可發現尺寸變化對天線性能的影響規律，如本文實驗中的一種彎折型微帶貼片天線，其中一邊貼片的長度在10.5mm到16.5mm變化時，貼片的長度越長，天線的諧振頻率越偏低頻，貼片的長度越短，天線的諧振頻率越偏高頻，如表1所示。

從上式也可以看出，矩形片長度L一定時，介電常數越高，諧振頻率越低。本文實驗表明在同一頻率點不同介電常數的介質基板的天線其介電常數高的尺寸比介電常數低的尺寸小，所以采提高介質基片相對介電常數有利于實現天線的小型化。但是增大介質基板的相對介電常數會減小天線的頻帶寬度，而且還會降低天線的增益。而介質基板對天線的性能影響較大，且介質厚度適當的增加可以調高天線的帶寬和增益，那么在設計該種標簽天線之前，需在選擇介質基板時對介質的介電常數和介質損耗、介質基片的厚度等綜合考慮。

射頻識別無源天線的尺寸縮小后會引起天線的性能變差，如降低其輻射電阻以及天線效率，針對這種情況可采用附加有源網絡。有源網絡對信號具有放大作用，并對天線具有阻抗補償作用，從而緩和天線尺寸減小與性能下降的矛盾。有源天線可實現工作頻帶寬，其帶寬高低頻比值可達20到30之間。而且，有源網絡可使天線的增益高達10dB以上，達到良好阻抗匹配及方向性好等優點，而對于有源天線陣單元間可能存在弱互耦。對天線引入有源網絡會引入噪聲和非線性失真，所以針對這些問題也需綜合考慮。

3 結論

本文介紹了射頻識別標簽天線小型化的5種主流技術，天線的尺寸改變勢必會影響天線的性能如帶寬、效率及增益等，需權衡利弊找到最佳平衡值。這為天線設計及天線的小型化提供了一定的技術參考。

【參考文獻】

[1]文述波.RFID系統中的天線小型化技術研究與應用[D].成都：電子科技大學 2010：1-2.

[2]宋小偉，胡圣波.輪胎嵌入式小型化UHFRFID電子標簽完這天線設計[J].微波學報，2014（10）：46-48.

[3]范基春.基于車聯網的RFID讀寫器微帶天線的研究[D].長春：吉林大學 2015：33-37.