RFID標簽天線的設計與測量

1引言

RFID標簽是RFID應用技術的主要組成部分，RFID標簽的性能通常決定整個應用技術方案的有效性和實施性，因此RFID技術的實施中大多 以解決RFID標簽性能為主導。標簽的組成可分為芯片和天線兩大組成部分，標簽的性能及其性能分析也是從這兩個組成部分展開。然而在芯片型號定型后，天線 的性能及與芯片的匹配性也就決定了標簽的性能，因此天線的設計為標簽設計主題部分。

目前關于RFID標簽天線的設計已有較多的文獻，但很少關于標簽實際應用中復雜材料環境下的設計與測量的文獻。本文著重介紹了復雜材料環境條件下進行天線的設計與測量方法，并結合工程實施例加以說明。

2 RFID標簽天線設計理論

RFID標簽天線的設計通常指在給定天線工藝條件下，針對具體應用要求，在規定尺寸范圍內進行設計與芯片相匹配的天線。在實際設計工程中主要解 決規定的尺寸范圍及工作環境件下天線的輸入阻抗與芯片在工作頻段達到共軛匹配。除了天線阻抗匹配設計外，還要關注天線輻射效率、極化方向及輻射方向圖等參 數。

2.1天線的基礎知識

天線是一種能量轉換裝置，即把導行波與空間輻射波相互轉換的裝置。天線周圍的場強分布一般都是離開天線距離和角坐標的函數，通常根據離開天線距離的不同，將天線周圍的場區劃分為感應場區、輻射近場區和輻射遠場區。

圖2.1天線周圍的場區

圖2.1(a)所示電尺寸小的偶極子天線其感應場區的外邊界是λ/2π。這里，λ是指工作波長。圖2.1(b)所示電尺寸大的孔徑天線的輻射場區又分為近場區和遠場區。

天線一般都有兩方面的特性：電路特性(輸入阻抗、效率、頻帶寬度、匹配程度等)和輻射特性(方向圖、增益、極化、相位等)。天線的測量就是用實驗方法測定和檢驗天線這些參數特性。

2.2標簽天線設計的一般步驟

根據設計要求(標簽尺寸、工作頻帶、 匹配芯片、應用條件等由要求提出)，確定設計方案及目標參數，建立天線模型，并對天線模型進行仿真計算。再根據仿真計算結果進行調整設計模型，以達到預期 目標參數。天線的設計通常是條件確定的，即各類材料參數、結構分布均為已知，否則設計無從入手。RFID標簽應用范圍廣，通常材料的介電常數等不能確定， 天線在此環境下的輸入阻抗及其他參數成為未知，這就需要通過測試確定其參數。

2.3標簽天線的等效測量

從標簽天線的一般設計方法可見，設計之關鍵是測試。 RFID標簽天線分為HF和UHF，HF的天線通常可忽略介電影響，可直接通過電橋或阻抗分析儀測量其電感及分布電容。UHF標簽天線的精確測量較難實 現，通常以等效測量方式以實現。下面就介紹兩種適用于UHF RFID標簽設計的測量方法：

2.3.1.諧振法測量等效介電常數

UHF標簽天線輸入阻抗對材料比較敏感，當貼附在不同材料上時，其阻抗變化量通常存在較大差異。等效介電常數是指把復合材料等效成一均質材料，把復合材料對天線的綜合影響等效成均質材料影響。

如圖2.2(a)一款通用型UHF RFID標簽天線，其空氣介質條件下仿真計算輸入阻抗頻率曲線如圖2.2(b)，使用磁探針實測空氣介質條件下天線耦合功率曲線如圖2.2(C)。

　　圖2.2(a)

　　圖2.2(b)

　　圖2.2(c)