基于PCB的小型化UHF RFID抗金属标签设计

　　1 引言

　　射频识别(RadioFrequency Identification，RFID)技术既是识别技术，也是短程通信技术。它通过射频信号采集和识别目标物的相关信息，以非接触识别和识别速率快等优点而被广泛应用，同时也是物联网传感层里最主要的成员。超高频(Ultra-High Frequency，UHF)RFID技术由于具有识别距离远、标签成本低等优点，因而特别适用于物流和供应链管理[1]。

　　抗金属标签广泛应用在需要识别各种金属物体的场合，它克服了普通标签放置在金属物体表面时读写距离迅速缩短、工作可靠性大大下降甚至不能正常读写的缺点。目前，国外RFID抗金属标签存在着体积大、成本高、性能不稳、设计工艺复杂等缺点，难以满足我国实际行业应用需求[2]。本文主要针对在金属表面上的自动识别问题，设计了一款UHF频段基于PCB的小型化抗金属标签。标签具有尺寸小，成本低，读写距离远等优点。

　　2 抗金属原理及其设计

　　金属等环境介质对电磁波有衰减作用，金属表面对电磁波有反射作用，严重影响着UHF无源RFID系统性能的充分发挥。国内外对抗金属标签做了大量的研究，为了降低金属表面对标签天线的影响，目前有价值的解决方案主要有：一是合理选取天线的类型，如采用微带贴片天线或倒F天线等;二是采用双层介质、介质覆盖或电磁带隙等结构形式;三是采用吸波材料等方法进行抗金属设计[3]。为降低成本，实现产业化推广，本标签采用了以下抗金属设计方法。

　　2.1 天线结构设计

　　标签天线的性能指标和一般天线类似，只是在参数的要求上有所不同。这些技术性能指标主要包括方向特性(方向图，描述辐射场振幅与方向的关系曲线)、方向性系数(表征天线向某一个方向集中辐射电磁波的程度即方向图的尖锐程度)、天线效率(度量天线转换能量的有效性)、天线增益(表征天线辐射能量的集中程度)、阻抗特性、频带宽度(天线的工作带宽)、电压驻波比(表征天线和馈线连接的匹配程度)等，它们在很大程度上又取决于天线本身的结构，其中阻抗特性和天线增益对RFID系统的作用距离影响最大[4]。

　　初步设计的抗金属标签天线如图1所示，天线总尺寸为为71mm*28mm*0.5mm。在FR4基板上覆盖一个与基板尺寸相近的矩形铜贴片，在贴片上方开3个U型槽，通过这种设计，可以增加标签天线的电流路径长度，从而有效地减少抗金属标签天线的尺寸。通过调节U型槽的长度、宽度来调节天线的阻抗，使得标签天线的阻抗和芯片的阻抗共轭相近，就可以认为标签天线和芯片匹配。

图 1 抗金属标签天线的结构

　　3 天线仿真分析

　　为了验证设计的正确性，首先在HFSS15.0仿真平台上对所提供的天线进行模型建立和仿真优化。将所提出的天线直接放置在一个尺寸为500mm×500m的有限地板上以模拟金属环境对标签天线的影响。标签芯片采用Alien公司的Higgs3 芯片，接收灵敏度为-20dBm，在915MHz处的输入阻抗为27-j201Ω。

　　根据图1设计的模型进行仿真，天线反射系数S11如图2所示，可以发现抗金属标签天线的频偏较严重。

　　图 2抗金属标签天线反射系数仿真曲线

　　通过分析，我们认为，抗金属标签天线结构是在矩形辐射贴片的基础上进行开缝操作，通过在贴片上开槽，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折过而路径变长。而且通过改变槽的尺寸，可以方便地调节天线的输入阻抗，从而有利于天线跟阻抗不同的标签芯片进行匹配。所以在天线原有基础上，进行开缝处理，在U型槽之间开6条缝隙，改进后的抗金属标签天线如图3所示。

图 3 改进后抗金属标签天线的结构

　　对改进后的抗金属标签天线进行仿真，通过调节U型槽的长度、宽度以及缝隙的位置尺寸，得到最优天线反射系数S11如图4所示，中心频率在917MHz附近，中心频率处的S11在-21.5dB左右，抗金属标签天线可以正常工作。

　　图 4 改进后抗金属标签天线的反射系数

　　通过仿真，抗金属标签在中心频率的增益可以达到-1.7dB，增益方向图如图5所示。

　　图 5 抗金属标签天线增益方向图

　　5 结论

　　本文提出了一款小型化基于PCB的超高频抗金属标签天线。所设计的天线在矩形贴片开3个U型槽，同时在U型槽的间隙开6条缝隙以实现小型化。改变槽的尺寸以及槽间缝隙的位置尺寸可以方便调节天线的输入阻抗，有利于天线跟不同的标签芯片进行匹配。与其他标签天线相比，该标签尺寸更小，仅为71mm*28mm*0.5mm。经过实测，最大读写距离可以达到2m。本文设计的标签结构简单，目前已进行批量生产，可以应用于各种金属仪器或设备。