1、一款可用于智能卡的 UHF 全频带标签天线设计郑洋 北京邮电大学电子工程学院，北京() Email (zy_)摘 要 ：本文 提出了一款 T 型网络馈 电结构的偶极子标签天线，通过调整 T 型网络 参数能方便控制天线阻抗以匹配于复数阻抗的 RFID 芯片 ，功率反射系数 10dB 带 宽为 82398MHz约 165MHz,完全覆盖了全球范围内的射频识别 UHF 频段(84 060MHz), 总尺寸大小为 82mm51mm， 适用于标准智能卡。 天线的增益约为 1dBi， 理论最大识别距离为 9m。 在此基础上， 还进一步研究了 T 型馈 电网络对天线阻抗的影响。关 键 词 ： RFID ；标
2、签天 线； UHF； 宽频带； T 型馈电网络;1. 前 言射 频 识 别 技 术 1-2（ RFID） 是 利 用 电 磁 感 应 或 微 波 能 量 进 行 非 接 触 的 双 向 通 信 的 自 动 识别技术。 对无源 RFID 标签 ， 最重要的性能指标之一是标签读写距离， 天线和芯片之间 的 匹配程度则直接影响芯片接收功率的大小。RFID 标签天线设计 3是 RFID 系统应用 的一个 关键环节。传统的 RFID 标签天线都是基于实现天线和芯片最大功率传输来设计的，但是 RFID 系 统的实际应用环境中， 标签天线受外部介质影响， 所表现的阻抗通常是非标准的， 多是复数 阻 抗 ，
3、而 且 随 着 周 围 介 质 不 同 ， 标 签 离 介 质 距 离 不 同 还 会 呈 现 出 不 一 样 的 阻 抗 特 性 。 并 且 UHF 频段 标 准 表 1全球 范围内的不统一也是目前的一个难题，例如在欧洲，RFID UHF 频 段为 865868MHz，在日本和一些亚洲国家为 950956MHz， 在南北美洲是 902928MHz， 而我国信息产业部 5 月 11 日公布 800/900MHz 频段 射频识 别 （RFID） 技术应 用规定 （试行） 则将 800/900MHz 频段划 分出来两个频段 840845MHz 和 920925MHz 用 于 RFID 应用 4。
4、为 了 解 决 这 个 难 题 ， 标 签 天 线 应 该 有 足 够 宽 的 工 作 频 段 以 适 用 于 不 同 的 国 家 、 地 区（ 840-960MHz） 。 因 此本文 设 计 一 种 S11-10dB 工 作 频 段能全 球 范 围内适 用 的 通用天 线 结 构， 低成本、 低复杂度的基础上实现足够的工作带宽， 便于实现标签天线的大规模工业化生 产。为了实现标签天线的宽频带工作，可以采用电感耦合馈电形式的 56，有电容耦合馈 电形式的 7增加寄生回路的方法 8，有利用双辐射体产生邻近的谐振频率从而增加带宽的 方法 9。还 有采用 10中的T型馈电网络，但是这些天线的尺寸都比
5、较大，设计时参数比较 多，增加了设计成本和调试难度，而且目前这些天线的S1 1-10dB工作 频段一般都为几十 MHz， 都没有能够完全包括中国的标准以及传统的全球频段及(8 40MHz960MHz)。 RFID一 种重要的应用-智能卡标准中规定，智能卡尺寸 11约为85 mm54mm，本 文则基于T-matching， 设计尺寸小于85m m54mm并且-10dB带宽包含全球UHF频段 的标签天线。H1 SW2W4表 1 世界各 国家/地区的 UHF 频段 RFID 可用频率范围国家/地区 频率范围 国家/地区 频率范围中国 840MHz845MHz920MHz925MHz韩国 908.5M
6、Hz910MHz910MHz914MHz印度 865MHz867MHz 新加坡 866MHz869MHz923MHz925MHz日本 954MHz954MHz 欧洲 865.6MHz867.6MHz加拿大 902MHz928MHz 美国 902MHz928MHz澳大利亚 920MHz926MHz 新西兰 864MHz 868MHz本文首先在偶极子天线基础上， 采用 T 型馈电 网络以实现天线和复数阻抗芯片的匹配，并进一步研究了 T 型网 络对天线阻抗的影响。 本文在前人的基础上详细的研究了 RFID 标签 天线中 T 型馈电网络 12-13的作用， 分析了馈电环的长度、宽度、线宽以及它和天线辐
7、射 体的距离对阻抗的影响。 并再此基础上针对 Alien 公司的 strap 芯片 14（阻抗为 12-j133 欧） 提 出 了 一 款耦 合 馈 电 的弯 折 线 偶 极子 天 线 ， 仿真 结 果 表 明所 设 计 的 天线 s 11-10dB 带 宽 为（8 22.7-987.5MHz） ，完全 覆盖了全球范围内的 UHF 频段(840 -960MHz） 。 天线总尺寸大小82mm51mm， 满足智能卡对天线的要求。 该天线采用的基板厚度为 0.508mm， 介电 常数 为3.55,损耗角 正切取 0.002，金属厚度为 34um,铜电 导率为 5.8E7。2. 天 线 结 构 尺 寸
8、天线总尺寸大小为 82mm51mm， 如 图 1， 主要有 外围的弯折辐射体结构和中心的馈电 结构组成， 外围弯折辐射体的长度主要由工作频段决定， 式 1 中 c 为 光速 310E8m/s， 设 计 目标为天线工作在 840MHz-960MHz,按式 3 工作中心频率为 899MHz， 根据 式 1 和式 2 可得， 实际波长约为 337mm。 本文设计的天线中外围辐射天线为弯折结构，所以辐射结构的总长度 L1+2H1-2W4 设计为 164mm，约为 1/2 波长偶极 天线。L1L2W3PORT 中心馈电结构W1图 1 UHF 全频带标签天线结构图中心馈电结构则根据天线匹配芯片的阻抗特性设
9、计，其中最关键的参数为 S 和 L2，S为馈电处离外围辐射结构的距离， 该距离很大程度上决定了这两个臂的耦合强度， 对天线阻3免费查阅标准与论文：http:/ r*抗的实部影响很大，L 2 则是馈电环的长度，主要影响环自身的引线电感等参数，是影响天线阻抗虚部的主要参数。W 2 和 W4 的比例则决定了天线虚部阻抗值在工作频段（本文的840-960MHz）内的变化强弱程度，虚部值在越宽的频率范围内实现较小的浮动，则能得到 更宽的功率反射系数小于-10d B 带宽 。 本文基于阻 抗特性为 12-j133 欧的 strap 芯片设计天 线 ， 天线具体尺寸如表 2。 c f （ 1） r（ 2）f
10、0 fh fl （ 3）表 2-天线 尺 寸L1 H1 W1 W2 W3 W4 S L282mm 51mm 5mm 2mm 2mm 10mm 12mm 8mm3. 天 线 性 能3.1 天 线 仿 真 结 果 分 析根据文献 15-16中，RFID 芯片和天线之间匹配关系用功率反射系数表征，该参数基于 复数阻抗系统的反射系数，如式（4 ）中 Za 和 Zc 分别代表天线阻抗和芯片阻抗共轭值。如 图中所示，功率反射系数小于 -10dB 带宽为 165MHz（M 1822.7MHz- M2987.5MHz） ， 覆盖 了全球 UHF 频段 840-960MHz。22 Z Z *RL 10 log
11、s 10 log A C Z A ZC (4)M1M2图 1 天线功 率反射系数 随频率的变化曲线天线的阻抗特性如图 2 所示， 从图中可以看出， 天线阻抗实部、 虚部都接近于芯片的阻抗共轭值即 12+j133 欧， 天 线阻抗虚部在工作频段 800MHz-1GHz 范围内在 133 附近震 荡，从而在较宽频段能实现共轭匹配。芯片阻抗虚部共轭芯片阻抗实部图 2 天线的 阻抗特性图 3 天线的 方向图图 4 天线增 益天线的远场辐射方向图如图 3 所示 ，从图中可以看出，该天线有良好的全向性，满足5免费查阅标准与论文： http:/ 系统对标签天线的需求。天线的增益曲线如上图（4 ） 所示，在
12、RFID 系统 UHF 频段(840MHz-960MHz)内，天线的增益为 1.2dBi 到 1.4dBi。3.2 天 线 尺 寸 对 参 数 影 响 分 析图 5 H1 对天 线阻抗的影响H1 和 L1 主要 是影响天线的有效长度， H1 +L1 约 等于工作波长的 1/2。如 上图，随着H1 的增大，工作频率逐渐降低。同样研究天线的其他尺寸对天线阻抗参数的影响。1.随着 W1 和 W3 的减小，天线阻抗的虚部逐渐增大，但是在工作频段内变化幅度呈减 弱趋势，选择恰当的值能微调天线阻抗虚部，达到更好的天线带宽性能。2.参数 W2 和 W4 的比例大小影响天线阻抗虚部的变化激励程度 17-18，
13、 W4 固定，W 2 减小的时候，或者 W2 固 定， W4 增大，即 W4/W2 增大，此时天线虚部在工作频段内变化幅 度稍微减小。3.参数 S 和 L2 则为控制天 线阻抗关键参数：改变这两个值能在较大范围能调节天线以 匹配于不同芯片阻抗。图 6 关键参 数 S 对天线阻抗的影响图 7 关键参 数 L2 对天线 阻抗的影响从 S 和 L2 变 化对天线的影响可以看出，L 2 对阻 抗实部的影响比较大，S 则对阻抗实部 影响比较大。从上图可以看出，本文提出的 T 型网络馈电弯折偶极子天线可以匹配于阻抗 实部值在( 5-100)、 虚 部值 在 （5 0-500 ） 范 围内的 RFID 芯片
14、， 天线阻抗的可调性良 好。总之， 本文提出的天线设计步骤为， 首先根据工作频率范围先初步确定 H1 和 L1， 针对 不同芯片阻抗设计天线时，可先根据芯片阻抗实部值确定 L2 的大致范 围，再调整 S 的值， 然后再微调 W1，W 2，W 3，W 4 等参数以达到最佳性能。4. 结 论本文提出了一款功率反射系数小于-10d B 工作带 宽覆盖了全球 RFID 系统 UHF 频段 (840-960MHz)的天线结构，该天线由 T 型馈电网络和外围偶极辐射单元构成。馈电网络的 尺寸参数决定了天线的阻抗特性， 馈电结构线宽和外围辐射单元宽度主要影响天线阻抗虚部 变化的剧烈程度，文中还详细研究了各尺
15、寸参数对天线性能的影响。文中基于 Alien higgs strap14（P th 为-14dBm ） 设计了一款工作频段为(822-9 89MHz)的天线，理论识别距离大于8m，天线增 益大于 1.2dBi，方向图全向性良好。下一步工作主要研究准确测试 RFID 标签天线阻抗的方法以及结合一种通过设计天线确 定 RFID 芯片封装过程对阻抗特性的影响，加速 RFID 标签天线设计设计周期，减轻设计难 度。参 考 文 献1 德Klaus Fi nkenzeller著. 陈 大才编译 射频识别技术( RFID) 电子工业出版社, 2001,78-89.2 RFID 技 术系统工程与应用指南,谭民
16、等编著,机械工业出版社,2007,231-2503 李秀萍.基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计J.北京邮电大学学报,2006,29(5)7免费查阅标准与论文： http:/ 李秀萍.刘禹.基于RFID应用的印刷偶极子天线受环境影响测试J.电子器件.Aug.2007,30(4):1289-1291.5 Li Yang; Serkan Basat, S.; Tentzeris, M.M .Design and development of novel inductively coupled RFID antennasC, Antennas and Propagation Society I
17、nter national Symposium 2006, IEEE 9-14 July 2006 Page(s):1035 - 10386 Son, H.-W.; Pyo, C.-S .Design of RFID tag antennas using an inductively cou pled feedJ, Electronics Letters Volume 41, Issue 18, 1 Sept. 2005 Page (s):994 9967 Chang, C.C.; Lo, Y.C .Broadband RFID tag antenna with capacitively co
18、upled structureJ Electronics Letters Volume 42, Issue 23, November 9 2006 Page (s):1322 13238 RongLin Li; Laskar, J.; Tentzeris, M.M, broadband circularly polarized rectangular loop antenna with impedance matchingJ, Microwave and Wireless Comp onents Letters, IEEE, Volume 16, Issue 1, Jan. 2006 Page
19、(s):52 549 Woosung Lee; Kihun Chang; Young Joong Yoon, Small RFID tag antenna with ban dwidth-enhanced characteristicC, Antennas and Propagation Society Internat ional Symposium 2006, IEEE 9-14 July 2006 Page(s):1359 - 136210 Gaetano Marrocco,The art of UHF RFID antenna design:impedance matching and
20、 size reduction techniques,IEEE antennas and propagation magazine,Vol.50,No.1,F ebruaruy 2008 Page(s):67-7911 http:/www.iso.org ISO/IEC 781612 谭娟娟.李秀萍.新型双U-T结构宽频带RFID 标签天线设计.电子器件.Oct.2008,30(5):1643-164613 Li Zhang; XiuPing Li,A New Resonant Frequency Tunable RFID Tag Antenna Des ign, ICMMT2008 Proc
21、eedings14 http:/ Pavel V. Nikitin K. V. Seshagiri Rao, Power Reflection Coefficient Analys is for Complex Impedances in RFID Tag Design, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE TH EORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 9, SEPTEMBER 2005,2721-272416 K.V.Seshagiri Rao, P.V.Nikitin and S.F.Lam, Antenna design for UH
22、F RFID ta gs:A review and a practical application, IEEE Trans.Antennas Propag,vol.53, No.12, Dec.2005.pp.3870-387617 S. Uda and Y. Mushiake, Yagi-Uda Antenna, Tokyo, Sasaki Printing and Publi shing Co., 1954, pp. 119-131.18 C. A. Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design, Second Edition, New Yo rk, John Wiley tag antenna ; UHF; wideband; T-matching;作 者 简 介 ： 郑洋，男，硕士，主要研究领域为移动通信系统中新型天线设计、RFID天线等；
