RFID標簽天線的設計與測量

3天線設計實施例

為了更好地理理解本文RFID標簽天線設計思想，下面通過一個具體設計工程實施例簡單回顧一下整個設計過程。

3.1確立設計目標

確立設計目標是指針對應用需求分析轉化為設計需求，從而確立設計目標。

例：開發設計一款用于美國市場藥店瓶裝藥品盤點管理的標簽，要求標簽貼于藥瓶標貼縫隙處，瓶子陳列于金屬貨架上，最大排列行數為6行，使用MOTO一款手持讀寫器要求達到1.5米穩定盤點。

對環境介質條件進行測試，得到設計比例系數為1.17-1.21，介質遮擋損耗最大為6dB。確定基本設計目標：

　　1、 標簽天線尺寸4×50mm，

　　2、 設計頻帶1073-1104MHz，

　　3、 天線增益GEIRP>-2dB

　　4、 天線阻抗匹配系數>0.5

3.2建立設計模型

因標簽天線尺寸較小，根據設計目標選用圖3.1所示結構。為了有效增加天線臂寬度，標簽天線采用對稱式的雙螺旋臂結構。由電磁感應定律中的楞次 定律知道，感生電流總是阻逆原生電流變化，由于天線臂螺旋結構使流經每個天線臂的電流環向相同，感生電流的阻逆作用產生疊加，相當于電流在天線臂的流速降 低，天線的諧振頻率會較曲折臂和直臂天線降低。因此對稱螺旋臂天線的長度相對傳統的曲折臂天線臂長短，短臂天線在給定空間內可以增寬天線臂，使天線臂寬而 短。天線臂的長寬比越小，天線的阻入阻抗曲線越趨向平滑，與芯片的匹配帶寬增大，因而標簽的性能更穩定。

　　圖3.1

3.3模型仿真與阻抗匹配調整

芯片輸入阻抗已知在920MHz時為20-j145歐姆，則知天線設計阻抗目標為20+j145歐姆。套入天線等效測量技術則天線輸入阻抗目標為：

　　Z=(20+j145)×1.19=23.8+j172歐姆

　　對應頻率F=920×1.19=1095MHz

調整天線臂長度及閉合環的尺寸或凹陷程度使其在1095MHz時天線輸入阻抗接近目標值，同時要考慮設計頻帶內(1073-1104MHz)阻抗波動值，控制波動范圍。如圖3.2通過天線調整后的天線輸入阻抗曲線圖。

　　圖3.2

3.4模型制作與測試

設計定型后為了進一步確認設計符合性，可通過制作模型進行測試，確認與設計相符性。測試可分為天線模型測試和標簽模型測試，天線測試可參照 2.3.2.所述方法進行確認天線模型樣品與計算值的偏差。如圖3.3(a)和圖3.3(b)分別為空氣環境下測試耦合功率曲線和貼于藥瓶時測試耦合功率 曲線。由圖可以看到模型樣品的諧振頻與設計基本一致，貼于藥瓶時，頻率變化比例為1.19亦符合。

　　圖3.3(a)

　　圖3.3(b)

標簽性能可以通過讀標簽開啟功率掃頻法測試標簽貼于藥瓶時的讀靈敏度，進一步可推算出標簽在實際場景中應用時的讀距。圖3.4為掃頻法測試的標 簽實際應用中的讀靈敏度。由靈敏度曲線圖可知最佳靈敏度頻段在895-920MHz，可滿足目標頻帶應用，且靈敏度達應用要求。再通過模擬應用場景進行藥 品盤點驗證確認真實應用符合性。

　　圖3.4

4天線匹配性的測量

標簽天線會因加工工藝的偏差而產生參數偏差，芯片在綁定工藝中也會因綁定工藝產生不同的分布電容值，所以標簽天線與芯片的匹配性往往與設計存在 一定偏差。為了優化匹配性，通常還要做匹配性測量。匹配性測量區別于標簽性能測量，雖然測量匹配性的目的是為了優化標簽性能，同時通過測量標簽的性能也可 以反應出天線的匹配性，但匹配性測量更具有針對性，可以通過匹配性測量指導設計及工藝優化方向。

圖4.1

如圖4.1所示電路原理圖是用于HF標簽匹配性測量的測試選件電路，使用亥姆霍茲雙線圈測試技術，

不僅可以測量標簽諧振頻率還可以測量出磁偶極矩和Q值。圖4.2為一款HF標簽產品匹配性能測試照片，可清楚地反應產品諧振頻率及磁偶極矩大小。

　　圖4.2

UHF標簽可使用2.3.2中所述的磁探針耦合功率測試法。磁探針耦合功率測試法不僅可以對天線進行測試，也可以用于標簽測試。可以清楚地反應出標簽諧振頻率，可以通過諧振頻率進一步確定阻抗匹配情況及設計優化調整。

由磁探針耦合功率測試圖譜知，標簽諧振頻率與天線芯片并聯輸入阻抗最大值相對應。可由天線輸入阻抗、芯片輸入阻抗及并聯輸入阻抗的關系，通過推算值確定匹配系數。另外附以由靈敏度測試曲線圖，可確認匹配設計調整方向，優化匹配值，從而提高標簽性能。

5結束語

應用于復雜介質環境下RFID標簽，只要掌握了適合的設計方法，不僅易于達到預期的設計目標，還會使原本復雜的工作變得簡單化，設計目標、設計 周期、設計成本透明化。不要再通過制作一大堆各種形狀天線通過性能測試或試驗，來選擇適合的天線了，因為我們已經知道什么樣的天線才是適合的。