超高頻RＦＩＤ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)技術(shù)與優(yōu)化實(shí)踐航天信息股份有限公司金卡事業(yè)部金青松摘要:依據(jù)國家8６３計(jì)劃“先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域射頻識(shí)別（ＲＦID）技術(shù)與應(yīng)用重大項(xiàng)目”２０0６年度相應(yīng)課題要求，本文通過商量被動(dòng)式射頻識(shí)別標(biāo)簽，并基于一個(gè)有用的應(yīng)用對(duì)象的UHF標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方案——倉庫貨箱跟蹤應(yīng)用，討論不同電介特性、機(jī)械特性等因素對(duì)標(biāo)簽天線性能的影響，以及不同應(yīng)用背景的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，標(biāo)簽天線的等效電路模型及其模型參數(shù)的提取方法、設(shè)計(jì)要求等，歸納出一個(gè)一般的設(shè)計(jì)處理和測(cè)量技術(shù),為RＦIＤ標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化、快速設(shè)計(jì)供應(yīng)技術(shù)支撐；以及通過討論天線的電磁場(chǎng)建模及快速求解算法，標(biāo)簽天線的校準(zhǔn)和測(cè)試方法,提出標(biāo)簽天線的匹配特性和方向圖測(cè)試方案，為RＦIＤ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)和大批量生產(chǎn)供應(yīng)驗(yàn)證手段。關(guān)鍵詞:RFID標(biāo)簽天線，被動(dòng)調(diào)制反向散射，應(yīng)答器,前言:RFIＤ是一個(gè)應(yīng)用RF信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)并快速進(jìn)展的技術(shù)?，F(xiàn)在RFIＤ已在各種領(lǐng)域有很多應(yīng)用,例如ETC，資產(chǎn)識(shí)別,零售項(xiàng)目管理,門禁掌握,動(dòng)物跟蹤,車輛平安等；當(dāng)前幾種ＲＦIＤ系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)也在使用中(ISＯ，Claｓs0,Clａｓs１,ａndＧen2）；全球還都有它自己的RFＩＤ頻率安排，如RＦIDＵＨＦ頻段,歐洲是8６6–8６9MHｚ，南美和北美是902–９28MHz等。自１94８年發(fā)表第1篇關(guān)于調(diào)制反向散射(被動(dòng)ＲFＩD的基礎(chǔ)原理)的論文開頭,關(guān)于RＦID天線（被動(dòng)和主動(dòng)標(biāo)簽）的論文也已經(jīng)有很多，包括縫隙天線設(shè)計(jì)、圓片天線分析、彎曲天線優(yōu)化、平面反向F天線、折疊偶極子天線等.然而很少的論文給出RFIＤ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的一般標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用方面的共性分析;但是關(guān)于特殊應(yīng)用的天線設(shè)計(jì)和實(shí)踐分析論文很多。本篇論文，我們嘗試在綜合翻譯部分討論論文和引用部分實(shí)際成果的基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)現(xiàn)有的空隙.通過回顧被動(dòng)UHFRＦIＤ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)要求，略敘設(shè)計(jì)步驟,描敘射程測(cè)量技巧，提出標(biāo)簽分析性能曲線圖.概述天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置。天線按工作頻段可分為低頻、高頻、超高頻及微波天線等；按方向性可分為全向天線、定向天線等；按外形可分為線狀天線、面狀天線等.在RFID系統(tǒng)中，天線分為標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩種情況。當(dāng)前的RＦＩＤ系統(tǒng)主要集中在ＬF、ＨF(1３.56ＭHｚ）、UHF和微波頻段。天線的原理和設(shè)計(jì)在LＦ、HＦ和UHＦ頻段有根本上的不同。實(shí)質(zhì)上,由于在ＬF和HF頻段系統(tǒng)近場(chǎng)區(qū)并沒有電磁波的傳播，因此天線的問題主要集中在ＵHＦ和微波頻段。天線具有多種不同的形式和結(jié)構(gòu),如偶級(jí)天線、雙偶級(jí)天線、陣列天線、八木天線、平板天線、螺旋天線、環(huán)形天線等.其中環(huán)形天線主要用于低頻和高頻,完成能量和數(shù)據(jù)的電磁耦合。在433MHＺ，915ＭＨZ，２。45GHZ射頻系統(tǒng)中,主要采納的天線形式有平板天線、八木天線和陣列天線等。2天線設(shè)計(jì)技術(shù)２．1天線參量天線參量既有作為空間器件又有作為電路器件的雙重性。下圖顯示了一個(gè)被動(dòng)RＦＩD系統(tǒng)的操作。由此構(gòu)成影響標(biāo)簽天線性能的特性參數(shù)主要有：天線類型：工作頻率、頻帶寬度:方向性增益:極化方向:天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。電場(chǎng)的方向就是天線極化的方向.天線的極化方式有線極化（水平和垂直極化）和圓極化（左旋和右旋極化）等方式。不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)采納的天線極化方式可能不同。有些應(yīng)用可以采納線極化，但大多數(shù)場(chǎng)合,由于標(biāo)簽的方位是不行知的，所以大部分系統(tǒng)采納圓極化使系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽的方位敏感性降低.波瓣寬度:將天線最大輻射方向2側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3ｄb（功率密度降低一半）的２點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄,方向性越好,作用距離越遠(yuǎn),抗干擾能力就越強(qiáng)，但同時(shí)天線的掩蓋范圍也就越小。阻抗問題：為了以最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來,天線設(shè)計(jì)多與50或7０歐姆的阻抗匹配,但是可能還有其他.例如，一個(gè)縫隙天線可以設(shè)計(jì)幾百歐姆的阻抗；一個(gè)折疊偶極子的阻抗可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的20倍；印刷貼片天線的引出點(diǎn)能夠供應(yīng)一個(gè)４0到１00歐姆寬范圍的阻抗.另一個(gè)問題是其他的與天線接近的物體可以降低天線的返回?fù)p耗。對(duì)于全向天線如雙偶極子天線，這個(gè)影響是顯著的.物體的介電常數(shù)：輻射模式：局部結(jié)構(gòu)的影響射程：最重要的標(biāo)簽性能特性是射程（即標(biāo)簽讀取距離）--－—－RＦID讀寫器能夠探測(cè)到的標(biāo)簽反向散射信號(hào)的最大的距離。由于讀寫器靈敏度明顯比標(biāo)簽高。讀取范圍對(duì)標(biāo)簽方向,標(biāo)簽的附著材料，傳播環(huán)境也敏感。讀取的范圍可以用下列公式計(jì)算：?(1）備注:———--波長－——-讀寫器傳輸功率-－—－天線傳輸?shù)脑鲆?－-－標(biāo)簽天線接受的增益--—－－供應(yīng)RFID標(biāo)簽芯片充足能源的最小的必備功率—－－－功率傳輸系數(shù)（２)備注：－－——-芯片阻抗---——天線阻抗圖:天線阻抗，芯片阻抗,典型RFＩD標(biāo)簽頻率范圍天線阻抗、芯片阻抗和讀取范圍與頻率的關(guān)系請(qǐng)見上圖.標(biāo)簽射程帶寬可描述成標(biāo)簽供應(yīng)一個(gè)可接受的超過那個(gè)波段的最小讀取范圍的頻率帶寬.從公式(1）可以看出讀取范圍是由讀寫器的乘積（放射EIRP）、標(biāo)簽天線增益和傳輸系數(shù)決定的。很明顯，在頻率附屬和起初決定標(biāo)簽響應(yīng)（發(fā)生在芯片與天線最佳阻抗匹配時(shí)的頻率)時(shí)是占主導(dǎo)地位的.這個(gè)頻率與５0Ｏhｍ載荷天線共振頻率和自身響應(yīng)天線是不同的.(1)中的射程可用一個(gè)因素來標(biāo)準(zhǔn)化。這個(gè)因素是固定頻率時(shí)0dBｉ天線與芯片阻抗最佳匹配（=1）的標(biāo)簽射程。（1）中的連續(xù)射程的等高線,可被增益?zhèn)鬏斚禂?shù)平面劃分,如下圖所示，標(biāo)注有標(biāo)準(zhǔn)值.下圖可作為一個(gè)類似史密斯表中線圈阻抗介紹的介紹任何RFID標(biāo)簽天線性能的一般參考系。射程符合多個(gè)增益?zhèn)鬏斚禂?shù)綜合。圖：標(biāo)簽天線特性圖表：增益?zhèn)鬏斚禂?shù)平面中的標(biāo)準(zhǔn)化射程的常數(shù)等高線RFIＤ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)步驟包括必要的天線增益、阻抗和帶寬的權(quán)衡。上圖的性能曲線圖可幫助設(shè)計(jì)者評(píng)估阻抗匹配和增益的權(quán)衡范圍。此性能表的歸一化因素可簡(jiǎn)潔的計(jì)算出任何場(chǎng)合的EＩRP和給定頻率的芯片的極限功率。2。2設(shè)計(jì)要求抽象的講,天線必須足夠小以至于能夠貼到需要的物品上；有全向或半球掩蓋的方向性；供應(yīng)最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問信號(hào)相匹配;具有魯棒性；格外廉價(jià)等。同時(shí)天線涉及到標(biāo)簽天線和讀寫器天線.從讀寫器到標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸過程中，全部已知的數(shù)字調(diào)制方法都可以選用，而與工作頻率和耦合方式無關(guān)。常用的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式有幅度調(diào)制鍵控(ASK)、頻移鍵控（FSK)和相移鍵控(PSＫ)等方式。為了簡(jiǎn)化電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)并降低成本，多數(shù)射頻識(shí)別系統(tǒng)采納ASK調(diào)制方式。a。RFＩD標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配。當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。始終以來,標(biāo)簽天線的開發(fā)基于的是50或者75歐姆輸入阻抗,而在RＦID應(yīng)用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值,并且很難在工作狀態(tài)下精準(zhǔn)測(cè)試，缺少精準(zhǔn)的參數(shù),天線的設(shè)計(jì)難以達(dá)到最佳.天線的設(shè)計(jì)面臨很多難題，相應(yīng)的小尺寸以及低成本等要求的挑戰(zhàn)；所標(biāo)識(shí)物體的外形及物理特性,標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離，貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)，金屬表面的反射，局部結(jié)構(gòu)對(duì)輻射模式等影響,都將影響標(biāo)簽天線特性.b。ＲＦIＤ讀寫器天線設(shè)計(jì)對(duì)于近距離１3。５6ＭHzRFID應(yīng)用（<10cm)，比如門禁系統(tǒng),天線一般和讀寫器集成在一起；對(duì)于遠(yuǎn)距離13。５6ＭＨz（10cｍ~1ｍ）或者UHF頻段（<３ｍ）的RFＩD系統(tǒng)，天線和讀寫器實(shí)行分離式結(jié)構(gòu),并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。讀寫器由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化進(jìn)展，天線設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn).讀寫器天線設(shè)計(jì)要求低剖面、小型化以及多頻段掩蓋。對(duì)于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計(jì)問題。以及小型化帶來的低效率、低增益問題，這同樣是國內(nèi)外共同關(guān)注的討論課題。國外已經(jīng)開頭討論讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣,讀寫器可以依據(jù)肯定的處理挨次，＂智能”的打開和關(guān)閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線掩蓋區(qū)域的標(biāo)簽，增大系統(tǒng)掩蓋范圍。也可以實(shí)行特殊的設(shè)計(jì)手段使讀寫器能夠判定目標(biāo)的方位、速度和方向信息.在某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，也可能使用智能天線相位掌握技術(shù)，使射頻識(shí)別系統(tǒng)具有空間感應(yīng)能力等。下面商量與標(biāo)簽應(yīng)用相對(duì)重要的幾個(gè)通用的ＲFＩD標(biāo)簽設(shè)計(jì)要求。這些要求很大程度上用于測(cè)定ＲＦIＤ標(biāo)簽天線的選擇標(biāo)準(zhǔn)。頻率帶寬：期望的工作頻率帶寬依靠與標(biāo)簽使用地的規(guī)定。尺寸和版式：標(biāo)簽版式和尺寸必須能夠被封裝或粘貼到需要的目標(biāo)上（紙版箱,航空行李票，識(shí)別卡等)，或者可被固定在一個(gè)印刷好的標(biāo)簽內(nèi)。讀取范圍：需要讀取的最小范圍通常是特定的、不同的.EＩＲＰ:EIＲP是由本地國家規(guī)定測(cè)定的目標(biāo)：當(dāng)固定在不同目標(biāo)上時(shí),或當(dāng)別的目標(biāo)消滅在標(biāo)識(shí)目標(biāo)四周,標(biāo)簽性能將轉(zhuǎn)變(例如各種容量的紙版箱).標(biāo)簽天線可依據(jù)特殊目標(biāo)上的最佳性能來設(shè)計(jì)或調(diào)諧,或設(shè)計(jì)成對(duì)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)目標(biāo)的容量敏感度最小。方向性:讀取距離依靠天線方向性.一些應(yīng)用需要標(biāo)簽具備特定方向性，如全向性或半球型掩蓋.應(yīng)用的靈敏性：RFＩＤ標(biāo)簽可能被用在下列情況，如速度到６0０ｆｔ/ｍin或10ｍｐｈ的傳輸帶上的貨盤或箱體。此時(shí)91５ＭHｚ下多普勒變化轉(zhuǎn)變少于30Hz，不影響ＲＦID工作.然而，標(biāo)簽在RFID讀寫器讀取區(qū)域時(shí)間很少，必要求很高的讀取速率。所以,RＦID系統(tǒng)必須保證標(biāo)簽識(shí)別的牢靠性.成本：ＲFID標(biāo)簽必須是低成本.這約束了天線結(jié)構(gòu)和依據(jù)結(jié)構(gòu)包括AＳＩC的使用的材料選擇.標(biāo)簽天線多是銅,鋁或銀油墨。牢靠性：RFID標(biāo)簽必須牢靠,并保證因溫度、濕度、壓力和在標(biāo)簽插入、印刷和層壓處理中的存活率。２.3設(shè)計(jì)步驟RFID標(biāo)簽天線性能很大程度地依靠于芯片的附屬頻率復(fù)數(shù)阻抗。標(biāo)簽讀取范圍必須在設(shè)計(jì)步驟嚴(yán)密監(jiān)控,以滿意設(shè)計(jì)要求。由于天線尺寸和工作頻率限制了最大可達(dá)到的增益和帶寬,為獲得最佳的標(biāo)簽性能以滿意設(shè)計(jì)要求，需要做折衷。通常在標(biāo)簽構(gòu)成變更和不同材料不同頻率帶寬的天線性能優(yōu)化時(shí)，采納可調(diào)天線設(shè)計(jì)供應(yīng)偏差.RFIＤ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)步驟如下圖的流程圖所示。一旦RＦＩD應(yīng)用選定,系統(tǒng)需求變成標(biāo)簽需求。這些需求決定了標(biāo)簽天線構(gòu)成和ＡSＩC封裝材料。選定的AＳIC的阻抗(如倒貼封裝等）與天線的匹配，可用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測(cè).選擇應(yīng)用，定義標(biāo)簽需求選擇應(yīng)用，定義標(biāo)簽需求確定天線構(gòu)成材料確定天線構(gòu)成材料確定封裝的ASIC的RF阻抗?確定封裝的ASIC的RF阻抗定義天線類型和其參數(shù)定義天線類型和其參數(shù)執(zhí)行變量研究和優(yōu)化執(zhí)行變量研究和優(yōu)化構(gòu)建和測(cè)量原型構(gòu)建和測(cè)量原型設(shè)計(jì)完成設(shè)計(jì)要求滿足？設(shè)計(jì)完成設(shè)計(jì)要求滿足？否是執(zhí)行天線變量討論和優(yōu)化,直到設(shè)計(jì)要求滿意仿真。如很多天線,由于使用環(huán)境簡(jiǎn)潔，往往ＲＦID標(biāo)簽天線解析方法也很簡(jiǎn)潔。標(biāo)簽天線通常用電磁模型和仿真工具來分析，典型的是有限元FEM的瞬間平面設(shè)計(jì)(如薄的柔韌標(biāo)簽）法ＭOM，或有限差異時(shí)域法FDＴD的更簡(jiǎn)潔的三維設(shè)計(jì)法(如厚的金屬固定標(biāo)簽)?？焖伲臡分析工具對(duì)有效的標(biāo)簽設(shè)計(jì)很重要。一個(gè)典型的設(shè)計(jì)步驟，模型和仿真工具可作為測(cè)量的基準(zhǔn)。讀取范圍計(jì)算可直接在ＥＭ軟件中執(zhí)行.標(biāo)簽天線首先是模型化;仿真；以及通過監(jiān)測(cè)標(biāo)簽射程、天線增益和供應(yīng)應(yīng)設(shè)計(jì)者更好理解天線行為的阻抗，在計(jì)算機(jī)上優(yōu)化。設(shè)計(jì)步驟的最后一步，建立原型和充分測(cè)量性能。如果需求滿意，可以開頭天線設(shè)計(jì);否則，進(jìn)一步調(diào)整設(shè)計(jì)和優(yōu)化，直到滿意要求。2．４不同應(yīng)用背景的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)針對(duì)不同應(yīng)用的電子標(biāo)簽,需要實(shí)行不同形式的標(biāo)簽天線,因而也會(huì)具有不同的性能。實(shí)際電子標(biāo)簽采納的天線形式有如圖所示的I形、Ｍ形和花形、雞冠等異形的多種形式;供應(yīng)廠家也涉及全球知名的ＴI、Ａlｉen、Avery、Imｐinｊ、ＫSW、Rafｓｅｃ、Syｍbｏl、Oｍｒon、Matｒicｓ、X—Ident等.形式示例標(biāo)簽尺寸標(biāo)簽間距基材寬度花形（矩形)９８．2x12。3mm15．９ｍm101。2mmＭ形98.4x3２．８mm35．９mm101．6mmI形（線形）1５２.5x１5。9mｍ19。1ｍm15５。7mm異形（雞冠）１0０X10０mm異形（神劍)10１。6X1７2。7mm１2７mm異形（４Ｔ）1０1.6X1７2.７mm10７．９5mｍ異形（蝴蝶)10１．6X172．7ｍm７6.２ｍm異形（船錨）1０１．6X1７2．7ｍm152.4ｍｍ２。5不同電介特性、機(jī)械特性等因素對(duì)標(biāo)簽天線性能的影響下圖反映了不同產(chǎn)品類型、包裝類型(包裝材料和封裝容量)與射頻系統(tǒng)的“友好程度”。常用介質(zhì)材料性能可查有關(guān)數(shù)據(jù)表。為監(jiān)測(cè)不同電介特性、機(jī)械特性等因素對(duì)標(biāo)簽天線的影響,我們?cè)谝粋€(gè)無反射的環(huán)境中測(cè)試天線模式，包括各種需要貼標(biāo)簽的物體，在使用全向天線的時(shí)候性能嚴(yán)重下降.圓柱金屬罐引起的性能下降是最嚴(yán)重的,在它與天線距離50ｍｍ的時(shí)候,返回信號(hào)下降大于2０dB.天線與物體的中心距離分開到100—１50ｍm的時(shí)候，返回信號(hào)下降約10—－12ｄB.在與天線距離100mm的時(shí)候，測(cè)量了幾瓶水（玻璃，塑料和金屬罐包裝），見下圖示，反回信號(hào)降低大于10dＢ。蠟紙盒中的液體，甚至蘋果上做試驗(yàn)得到了類似的結(jié)果。玻璃瓶中的水塑料瓶中的水金屬罐中的水２。6標(biāo)簽天線的等效電路模型及其模型參數(shù)的提取方法標(biāo)簽天線的等效電路模型及其模型參數(shù)的提取方法，請(qǐng)見3—RFＩD天線設(shè)計(jì)示例.２.7標(biāo)簽天線的匹配特性和方向圖測(cè)試方案標(biāo)簽天線的匹配特性和方向圖測(cè)試方案，請(qǐng)見3-RＦID天線設(shè)計(jì)示例。2．８標(biāo)簽天線的校準(zhǔn)和測(cè)試方法精確的標(biāo)簽射程測(cè)量可在可控的環(huán)境中操作,如消聲室或橫向電磁蜂房TEM.2種方法中標(biāo)簽位置可固定，放射機(jī)輸出功率能依據(jù)可控的衰減變化.它支持精確的標(biāo)簽射程特性,避開了大的和受限制的貴的房間或蜂房.緊湊的ＴＥM蜂房測(cè)量小標(biāo)簽很便利；消聲室能夠測(cè)量各種目標(biāo)上的標(biāo)簽性能。消聲室內(nèi)，標(biāo)簽放置在一個(gè)離讀寫器天線固定距離的位置，如下圖所示。各種頻率下，與標(biāo)簽進(jìn)行通訊需要的最小功率要有記錄.由于連接導(dǎo)線損失，放射天線增益和標(biāo)簽距離是已知的，任意放射機(jī)ＥＩRＰ影響下的標(biāo)簽射程,可由(3）測(cè)定。(3）選擇消聲室內(nèi)標(biāo)簽位置的一般指導(dǎo)方針如下：距離必須是標(biāo)簽在遠(yuǎn)區(qū)即將響應(yīng)；標(biāo)簽在消聲室內(nèi)靜止且路徑最短.標(biāo)簽放在TEＭ蜂房里面,蜂房通過各種輸出功率跟RFIＤ讀寫器連接,如上圖所示.各種頻率下,需要測(cè)量與標(biāo)簽通訊的TＥM蜂房所需要的最小輸入功率。標(biāo)簽射程可由ＴＥM蜂房?jī)?nèi)部區(qū)域已知的公式計(jì)算出來（４）備注: －－－RFID標(biāo)簽放置的代表性的ＴＥM蜂房高度－——ＴEM蜂房輸入阻抗在測(cè)量中，標(biāo)簽與消聲室距離3英尺(0．9１m），線極化讀寫器天線6。２dBｉ;ＴEM蜂房參數(shù)2２0mm，5０Ohm。2種情況下導(dǎo)線損失－0．５ｄＢ。3RＦＩD標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)示例３.１應(yīng)用場(chǎng)合智能標(biāo)簽用在倉庫里的紙版箱上,可被跟蹤。標(biāo)簽表面有一個(gè)印刷條碼；標(biāo)簽下面是天線和芯片；能裝在各種容量的紙版箱上;箱體在傳輸帶上行進(jìn),或使用叉車通過配有RＦIＤ讀寫器的大的入口，如下圖所示.標(biāo)簽設(shè)計(jì)的要求如下:可簡(jiǎn)潔地調(diào)到8６0–960MHz內(nèi)的任意頻率,并適應(yīng)紙版箱最后裝配的各種容量；4WEIRP,9１5ＭHｚ（9０２–928ＭHz，美國）時(shí)標(biāo)簽應(yīng)當(dāng)具備至少2.5ｍ的射程;以及２WＥRＰ（或3.３WＥIRP）,868ＭＨｚ（或８６6–86９ＭＨz）至少２．2m的射程，滿意最壞情況下的應(yīng)用需求;適合6X4英寸的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，并有適合封裝進(jìn)42英寸和４1英寸的小標(biāo)簽；首選具備全向讀取范圍性能的標(biāo)簽.3。2天線設(shè)計(jì)天線設(shè)計(jì)步驟簡(jiǎn)要描敘如下:材料?？紤]成本和應(yīng)用，使用薄的柔韌聚酯基材,絕緣介電常數(shù)3。5，厚度=２mｉｌ（０。0５1mm）；天線輪廓由銅制成，厚度＝０。７ｍil(０。0１８ｍm)。ＡSIC。此類小標(biāo)簽應(yīng)用，如下圖所示,使用倒貼技術(shù)封裝(已經(jīng)被廣泛確定為一種普遍低成本技術(shù)).芯片的輸入阻抗，依據(jù)不同功率級(jí)別,在頻率范圍用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。天線類型。在超高頻ＲFID標(biāo)簽中,可以選擇下表中所示的天線形式.它們重點(diǎn)考慮了天線的尺寸.這樣的小天線的增益是有限的,增益的大小取決于HＹPＥRＬIＮK＂http：/／www.rfｉdｃｈinａ。ｏrｇ／indｅｘ．phｐ？opｔｉon=ｓearch＆seａrchworｄ=輻射模式＂＼t”＿blaｎk”輻射模式的類型,全向天線峰值增益從0—-—２ｄbi;方向性天線的增益可以達(dá)到6ｄbi。增益的大小影響著天線的作用距離。表中前３類的天線都是線極化的,但是微帶面天線可以是圓極化的，對(duì)數(shù)螺旋天線只能是圓極化的。由于RＦID標(biāo)簽的方向性是不行控的，所以讀頭天線必須是圓極化的。表：可選的標(biāo)簽天線天線模式類型自由空間帶寬（％）尺寸(波長）阻抗(歐姆)雙偶極子全向１0-—1５０.5５０-80折疊偶極子全向1５—20０.５Ｘ0。０5１０0—300印刷偶極子方向性１0—１５0。５X0.5X0。１5０—１0０微帶面方向性2—3０．5X0.530—10０對(duì)數(shù)螺旋方向性1000.３高X０。25底直徑50—100考慮到天線的阻抗問題、輻射模式、局部結(jié)構(gòu)、作用距離等因素的影響,為了以最大功率傳輸,邦定芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配?？紤]到這個(gè)要求，在電子標(biāo)簽中應(yīng)該使用方向性天線。它具有更少的輻射模式和更小的返回?fù)p耗干擾。天線圖形如下圖所示。由于尺寸和調(diào)諧要求,彎曲偶極子天線是一個(gè)自然的選擇。其中參數(shù)lwsｄab值９６０。70．7９6１40.０5１0.０18彎曲允許天線緊湊并供應(yīng)了與彎曲軸垂直的平面上的全向性的性能.為更好掌握天線電阻,我們?cè)黾恿艘粋€(gè)同等寬度的載荷棒作為彎曲輪廓;為供應(yīng)芯片一個(gè)好的電容性阻抗，進(jìn)一步彎曲彎曲截面以獲得額外的感應(yīng)系數(shù)。天線可通過調(diào)整簡(jiǎn)潔調(diào)制。彎曲輪廓的長度和載荷棒可以變更,以獲得適宜的電抗和阻抗匹配。調(diào)整由指定位置的穿透天線輪廓的沖切孔實(shí)現(xiàn)?？烧{(diào)的設(shè)計(jì)對(duì)交貨時(shí)間常常需要最小是值得的.變量討論和優(yōu)化。載荷彎曲天線有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù):載荷棒寬度,距離,間距,彎曲步幅寬度，彎曲步幅高度.允許最大的天線長度,由尺寸要求規(guī)定。上面提汲的參數(shù)影響天線增益和阻抗，并決定標(biāo)簽的諧振、最高射程和帶寬。這種薄平面天線可用AnｓoftDeｓignｅr設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。使用模擬增益、阻抗值和極限功率下芯片阻抗的測(cè)量值,標(biāo)簽射程可通過(1)得出。盡管AnsofｔＤesigｎer設(shè)計(jì)軟件有很強(qiáng)的參變量和優(yōu)化工具,但當(dāng)考慮設(shè)計(jì)要求的適當(dāng)?shù)某杀緯r(shí)，它的后加工能力不是充分的。天線最佳的可實(shí)現(xiàn)的組合參數(shù)，可依據(jù)劃分和檢查曲線圖表進(jìn)行識(shí)別。優(yōu)化后，我們獲得標(biāo)簽天線最后的參數(shù)值，如上表--載荷彎曲標(biāo)簽天線參數(shù)表。天線電抗和阻抗可被調(diào)整掌握，如左下圖所示。舉例說明，通過mm移動(dòng)調(diào)整彎曲跡線,使共振頻率到20ＭHz，增益因調(diào)整的影響并不明顯，如右下圖所示。沒有調(diào)整時(shí)，標(biāo)簽的性能在上圖標(biāo)簽天線特性圖表：增益?zhèn)鬏斚禂?shù)平面中的標(biāo)準(zhǔn)化射程的常數(shù)等高線中有顯示.模型和確認(rèn)。制作好幾個(gè)類似下圖的標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，在消聲室和TEM蜂房進(jìn)行射程測(cè)量設(shè)置的測(cè)試。比較一個(gè)調(diào)制到91５ＭHｚ波段空間的理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量讀取范圍可以看到，理論曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)格符合。ＴＥM蜂房數(shù)據(jù)和消聲室數(shù)據(jù)的差異，主要由于消聲室的不完整性和ＴＥＭ蜂房里的電氣區(qū)域不全都。圖:載荷彎曲ＲＦＩD標(biāo)簽自由空間中的理論和實(shí)驗(yàn)讀取范圍(ＥIRＰ＝４W）芯片變化的敏感度.無論ASIC裝配和封裝過程是何變化，標(biāo)簽設(shè)計(jì)必須滿意射程要求.由于全部的制作細(xì)節(jié)預(yù)先并不知道,制作后的標(biāo)簽共振頻率可能與期望值有很大不同。為供應(yīng)應(yīng)標(biāo)簽共振頻率以足夠的誤差,我們把彎曲天線設(shè)計(jì)成自由空間里與一典型芯片阻抗共振顯示如變量討論和優(yōu)化右下圖（85５MHｚ）所示.這保證了當(dāng)標(biāo)簽裝在箱體上，它應(yīng)掩蓋最低的ＲＦIＤ波段(８66–8６9MHz），甚至制作過程引起重大的共振頻率偏離時(shí)。盡管制作后延長長度不容易，標(biāo)簽天線仍能夠常常調(diào)整到一個(gè)較短的長度。圖：針對(duì)ＡSＩC封裝過程變化的ＲFＩD標(biāo)簽射程與頻率變化（ERＰ=2W)模型制作后，標(biāo)簽共振頻率的傳播大約是2０MHz,如上圖所示。這種傳播受倒貼過程影響，如封裝寄生效應(yīng)影響和封裝芯片的虛部阻抗的變異。箱體容量的敏感度.當(dāng)標(biāo)簽裝在相同容量的紙版箱上,它的共振頻率下降但是標(biāo)簽?zāi)軌蛐拚驼{(diào)諧到適當(dāng)?shù)念l率和射程性能，如下左圖所示（ＥRP=2W）。彎曲輪廓和載荷棒對(duì)應(yīng)的修整，如下右圖示。箱體1是空紙版箱，2是有塑料材料在內(nèi)的紙版箱（=２．8７）.一旦調(diào)諧決定，它將適用與全部將用在特定箱體容量、特定頻率波段的標(biāo)簽。當(dāng)前的標(biāo)簽設(shè)計(jì)滿意8６8MHz和９15MHz頻率波段的各種箱體容量期望的射程要求。4結(jié)論本文通過商量被動(dòng)式射頻識(shí)別標(biāo)簽，并基于一個(gè)有用的應(yīng)用對(duì)象的UHＦ標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方案——倉庫貨箱跟蹤應(yīng)用,討論不同電介特性、機(jī)械特性等因素對(duì)標(biāo)簽天線性能的影響，以及不同應(yīng)用背景的標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu),標(biāo)簽天線的等效電路模型及其模型參數(shù)的提取方法、設(shè)計(jì)要求等，歸納出一個(gè)一般的設(shè)計(jì)處理和測(cè)量技術(shù)，為RFID標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化、快速設(shè)計(jì)供應(yīng)技術(shù)支撐；以及通過討論天線的電磁場(chǎng)建模及快速求解算法,標(biāo)簽天線的校準(zhǔn)和測(cè)試方法,