基于非对称缝隙的射频标签天线设计

第29卷 第5期 2008年 1O月 暨南大学学报(自然科学版) Journal of Jinan University(Natural Science) Vo1．29 No．5 Oct． 20o8 基于非对称缝隙的射频标签天线设计 周永明 ， 赖晓铮 ， 赖声礼 (I．韶关学院电子系，广东 韶关 512005；2．华南理工大学电子与信息学院，广东广州510640) [摘 要] 为缩减射频标签用缝隙天线的尺寸，提高标签芯片与缝隙天线的匹配性能，提出了射频标签用非对称 缝隙天线．给出了非对称缝隙天线的阻抗随缝隙的长度和弯折角度的变化曲线．尝试将非对称缝隙天线与Philips 公司提供的标签测试芯片进行阻抗匹配，制作了相应的实物天线，仿真与测试结果说明所设计的天线基本能满足 RFID标签应用要求． [关键词] 射频识别； 标签天线； 非对称缝隙天线； 阻抗特性； 匹配设计 [中图分类号] TN821 ．4 [文献标识码] A [文章编号] 1000—9965(2008)05—0466—04 Design of RFID tag antenna based on non-symmetrical slot antenna ZHOU Yong—ming ， LAI Xiao．zheng ， LAI Sheng—li (1．Department of Electronic Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 5 12005，China； 2．School of Electronic and Information，South China University of Technology，Guangzhou 510640 ， China) [Abstract] To reduce the size of the slot antenna for RFID(radio~equency identification)tag and to improve the performance of the matching between tag chip and slot antenna，we presents a non—symmetri— cal slot antenna for RFID tag at 9 15 MHz band．The curves of impedance of slot antenna Mong with its length and folded angle are presented．The presented slot antenna has been matched with the testing chip of Philips’Company．A reciprocal slot antenna for tag has been fabricated．Both simulated and measured results show that the designed antenna can basically meet the needs of RFID application． [Key words] radio~equency identification； tag antenna； non—symmetrical slot antenna； imped— ance characteristic； matching design 无线射频识别(简称为 RFID)系统由标签、读 写器和后台主机组成．RFID标签由专用的 IC芯片 和一根连接在芯片两端上的天线构成．按使用的频 率分类，RFID系统可分为低频、高频和超高频三个 部分．文中讨论的是超高频(915 MHz)标签天线设 计．在 RFID标签天线设计中，天线与芯片之间的阻 抗匹配程度决定着 RFID系统性能指标，标签小型 化要求其天线小型化，标签天线小型化是标签设计 者孜孜以求的目标． 传统的超高频标签天线，如倒 F型天线、折叠 型偶极天线、折合振子天线、窗式振子天线等 I¨2 J， 大多是半波振子的变形，长度约为波长的一半，显得 有些大，阻抗匹配不容易也不方便，带宽狭窄，加工 制造复杂．近年来，本文作者对超高频标签用领结 [收稿日期] 2008—01—04 [基金项目] 广东珠海市科技攻关项 目(PC20032001)；韶关市技术创新项 目(韶科2007—01) [作者简介] 周永明(1963一)，男，副教授，博士，研究方向：电磁场与天线．电话：15303081258；E—mail：gzyyzynd000@tom．corn 暨南大学学报(自然科学版) 第 29卷 示．因此，要增大缝隙天线的阻抗来与标签芯片匹 配，可以考虑采用非对称直缝隙天线的形式来实现． 1．2 非对称垂直弯折缝隙长度对阻抗的影响 缝隙天线平片大小为L X =50 mm×50 mm， 缝隙宽度s=2 mm，馈源位于缝隙的下端，如图1 (b)所示．缝隙天线工作于915 MHz时的阻抗随缝 隙长度z的变化关系如图4所示． 350 300 250 c=200 至】5o 1O0 50 0 3O l／mm 图4 垂直弯折缝隙长度与阻抗的关系图 l6 14 12 10 8 6 4 2 0 非对称垂直弯折缝隙天线的阻抗随其缝隙长度 的变化明显，实部数值大小可达十几欧姆以上，虚部 也为感抗，大小也可达几百欧姆以上，并且阻抗大小增 加速率适中，方便与虚部为容抗大小为几百欧姆和实 部10欧姆左右的标签芯片直接匹配．由于缝隙的弯折 可以加长缝隙的长度，增大天线阻抗，所以在相同的谐 振频率时，相应缝隙天线的尺寸可以得到缩减． 1．3 非对称弯折角度对阻抗的影响 缝隙天线平片大小为L X =50 mm×50 i／l／n， 缝隙宽度s=2 I／ln'l，馈源位于缝隙的下端，缝隙长 度为47 lnl'n，缝隙弯成 0度，如图5所示．缝隙天线 工作于915 MHz时的阻抗随角度0的变化规律如图 6所示．图6显示，在缝隙长度不变时，阻抗随弯折 角度的增大而增大． _ 图5 非对称弯折缝隙天线结构图 图6 弯折角度与阻抗的关系图 2 设计与试验测试 基于上述非对称缝隙天线阻抗特性的分析结 果，拟采用如图7所示的非对称缝隙天线，来与 Philips公司的测试用标签芯片(SL3$3001FTF，其 端口阻抗为 11．5一j422欧姆)相匹配． L 图7 标签用非对称缝隙天线结构图 考虑平片大小为L× =50 mm×40 rnn'l，缝隙 高度为h=33．5 mm，缝隙与侧边相距 Al=9 mm，缝 隙的宽度为2 mm，缝隙弯折段长度为z．采用基于 矩量法的IE3D分析，仿真结果s 曲线和辐射波瓣 图如图8和图9所示．在谐振点 915 MHz处的．s = 一 48．5 dB，相应的阻抗为 l5．03+j422．49 Q，与 所给标签芯片的阻抗匹配很好，一l0 dB阻抗带宽 约 300 MHz，辐射效率为70．87％，方向系数 1．65， 全向性较好，很适合标签天线的要求． 根据上面的分析结果，在 FR4基板上制作了相 应的标签用非对称弯折缝隙天线．使用AWID公司 的MPR一3014阅读器在天线辐射功率为4 w，中心 频率为915 MHz，并且在标签天线与阅读器天线良 好接收条件下，测得读写距离为 1．5 m．根据文献 [7]中的参数指标，文中设计的标签天线基本达到 了应用要求． 第5期 周永明，等：基于非对称缝隙的射频标签天线设计 — +_dBtS(U)J 好的匹配性能，制作了相应的实物天线．读写器测 试结果显示，所设计的天线基本达到应用要求．然 而，设计测试中发现，在与相同的标签芯片匹配条件 下，虽然非对称弯折缝隙天线匹配性能优于对称弯 折缝隙天线，尺寸也比对称弯折缝隙天线的小，但是 非对称弯折缝隙天线的读写距离比对称弯折缝隙天 线的要短些 ]．其主要原因是非对称缝隙天线的有 效接收面积比对称缝隙天线的小．因此，在保持非 对称缝隙天线优良匹配性能和尺寸明显缩减优势的 前提下，如何提高标签用非对称弯折缝隙天线的读 写距离，将是我们未来工作的重要努力方向． [参考文献] [1] QING X M，YANG N．A folded dipole antenna for RFID [C]．Proceedings of IEEE Antennas and Propagation So- ciety International Symposium ， Monterey， California： 2004(1)：97—100． [2] 达华智能科技有限公司发展部．电子标签的工艺分类 与特点[J]．金卡工程，2005，12：78—80． [3] ZHOU Y M，LAJ S L．A Design of RFID Tag Antenna Based on Bowtie[C]．Proceedings on Wireless，Mobile ＆ Multimedia Networks， Hangzhou，China，IEE 2006 (1)：374—377． [4] 赖晓铮，张小燕，赖声礼，等．基于Hilbert分形结构 的 RFID标签天线[J]．华南理工大学学报：自然科学 版，2006，34(6)：26—28． [5] 周永明，赖声礼．RFID标签用缝隙天线分析与设计 [J]．暨南大学学报：自然科学版，2007，28(1)：74— 78． [6] 周永明，赖晓铮，赖声礼，等．基于缝隙的射频识别标 签天线设计[J]．华南理工大学学报：自然科学版， 2007，35(9)：6一l0． [7] RAO K V S．An overview of backscattered radio frequen— cy identification system(RFID)[C]．Asia Pacific Mi- crowave Conference，IEEE 1999(3)：746—749． [8] ZHOU Y M．Study on UHF Tag Antenna and Signal De- noise of RFID[D]．PhD．Thesis，South China University of Technology，Guangzhou，China，2007：79—80． [责任编辑：刘蔚绥]