電子標(biāo)簽天線的分類及如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)？

因?yàn)橄到y(tǒng)能量產(chǎn)生和傳送方式不同，對應(yīng)的RFID標(biāo)簽天線主要可分為近場感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用的是近場感應(yīng)線圈天線，由多匝電感線圈組成，電感線圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量;微波輻射系統(tǒng)使用的遠(yuǎn)場輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線，遠(yuǎn)場輻射天線通常是諧振式的，一般取半波長。天線的形狀和尺寸決定它能捕捉的頻率范圍等性能，頻率越高，天線越靈敏，占用的面積也越少。較高的工作頻率可以有較小的標(biāo)簽尺寸，與近場感應(yīng)天線相比，遠(yuǎn)場輻射天線的輻射效率較高。

標(biāo)簽天線主要分為3大類：線圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或?qū)⒔饘倬€纏繞在磁心上;偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，信號從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋人，天線的長度決定頻率范圍;縫隙型天線是由金屬表面切出的凹槽構(gòu)成，其中微帶貼片天線由一塊末端帶有長方形的電路板構(gòu)成，長方形的長寬決定頻率范圍。識別距離小于1m的中低頻近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線;1m以上的高頻或微波頻段的遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)需要采用偶極子和縫隙型天線。

RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾種：RFID天線的物理尺寸足夠小，能滿足RFID標(biāo)簽小型化的需求;具有全向或半球覆蓋的方向性;具有高增益，能提供最大的信號給RFID標(biāo)簽的芯片;阻抗匹配好，無論RFID標(biāo)簽在什么方向，RFID標(biāo)簽天線的極化都能與RFID讀寫器的信號相匹配;具有頑健性及低成本。在選擇RFID天線時(shí)主要考慮：天線的類型、阻抗、應(yīng)用到物品上的RFID性能和當(dāng)有其他物品圍繞RFID標(biāo)簽物品時(shí)的RFID性能。

線圈型天線

當(dāng)標(biāo)簽線圈天線進(jìn)入RFID讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中，RFID標(biāo)簽天線與RFID讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器。兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次級線圈。

RFID標(biāo)簽和RFID讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是當(dāng)要求標(biāo)簽天線線圈外形很小(即面積小)，且需一定的工作距離，RFID標(biāo)簽與RFID讀寫器間的天線線圈互感量(就明顯不能滿足實(shí)際需求，可以在RFID標(biāo)簽天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面小的問題)。目前,線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)已很成熟，廣泛地應(yīng)用在身份識別、貨物標(biāo)簽等RFID系統(tǒng)中，但是對于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場合，采用線圈型天線難以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo)。

偶極子天線

偶極子天線具有輻射能力好、結(jié)構(gòu)簡單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)成適用于全方位通信的RFID系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，尤其是在遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)半波偶極子天線的最大問題在于對標(biāo)簽尺寸的影響，如915MHz的半波偶極子。研究表明，端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線可以通過選擇合適的幾何參數(shù)來獲得所需的輸入阻抗，具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，性能非常出色，且與傳統(tǒng)半波偶極子天線相比尺寸要小很多，若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器，還能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。已知增加天線的彎折次數(shù)有利于在不降低天線效率的情況下減小天線尺寸，那么如何在有限的空問下進(jìn)行“彎折”，“彎折”的具體參數(shù)對標(biāo)簽天線的諧振頻率和輸入阻抗有何影響?怎樣“彎折”的RFID效率最高?

眾所周知，具有分形結(jié)構(gòu)的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點(diǎn)，應(yīng)用到RFID天線設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)天線多頻段特性和尺寸縮減特性。國內(nèi)外對具有分形結(jié)構(gòu)的天線做了大量研究工作，證實(shí)了分形結(jié)構(gòu)的天線具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線效率網(wǎng)。

對半波振子的不同位置和維度使用Hilbert分形變換，并用矩量法對Hilbert標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，能得到標(biāo)簽天線的諧振頻率和輸入阻抗隨分形維數(shù)和階數(shù)不同的仿真結(jié)果，分析結(jié)果中的天線增益和效率，判斷哪種維度和階數(shù)的標(biāo)簽天線最符合實(shí)際標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步制作實(shí)體天線，并測試RFID識別距離。

縫隙(包括微帶貼片)型天線

縫隙天線具有低輪廓、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成，根據(jù)天線輻射特性，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀。普遍應(yīng)用于頻率高于100MHz的低輪廓結(jié)構(gòu)，通常由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上的一片薄層電介質(zhì)(稱為基片)表面所組成，其貼片可采用光刻工藝制造，使之成本低，易于大量生產(chǎn)。

因此，彎折型天線有利于減小標(biāo)簽天線的物理尺寸，滿足標(biāo)簽小型化的設(shè)計(jì)要求。對于縫隙天線來說，同樣可以利用彎折的概念。事實(shí)上，彎折縫隙天線適用于高頻微波段的RFID標(biāo)簽，能有效減小天線尺寸，性能優(yōu)，具有廣闊的市場前景。研究方法和彎折偶極子天線類似，用矩量法研究縫隙彎折的次數(shù)、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對矩形天線諧振特性的影響。

基于彎折的各參數(shù)對縫隙天線性能的影響，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)UHF射頻識別標(biāo)簽用的縫隙天線，制作具體的實(shí)物天線?？梢灶A(yù)計(jì)，彎折縫隙天線將是UHF標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域比較看好的發(fā)展方向。

在介紹完標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)之后，接下來要討論的是標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)過程。超高頻RFID標(biāo)簽天線的性能主要取決于隨頻率變化而變化的標(biāo)簽芯片復(fù)數(shù)阻抗。在天線設(shè)計(jì)過程中，為了滿足設(shè)計(jì)要求，必須密切關(guān)注標(biāo)簽的識別范圍。由于天線大小和工作頻率限制了天線的最大可達(dá)增益和帶寬，所以必須對標(biāo)簽性能進(jìn)行優(yōu)化，以便滿足設(shè)計(jì)要求。通常，不同材料不同的工作頻段上，可調(diào)諧的天線設(shè)計(jì)更傾向于為標(biāo)簽制造的誤差和標(biāo)簽性能的優(yōu)化提供容差。

標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)過程與閱讀器天線設(shè)計(jì)過程類似，但又有所區(qū)別，主要包括以下幾個(gè)基本步驟，如圖4-67所示。

確定超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用環(huán)境，一旦確定應(yīng)用類別，對標(biāo)簽的要求就可以確定，再根據(jù)要求準(zhǔn)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備工作;

由于天線是標(biāo)簽的核心組成部分，對標(biāo)簽的設(shè)計(jì)要求可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求，而標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)要求主要有頻段、尺寸和形狀、阻抗帶寬、輻射特性、識別范圍、應(yīng)用時(shí)的可移動(dòng)性、成本和可靠性等;

確定天線的材料，即根據(jù)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)要求確定天線的構(gòu)建材料，Inlay天線的材料選取主要是指輻射導(dǎo)體和絕緣基底材料的選擇。目前，多數(shù)inlay使用PET作為絕緣基底材料，使用鋁作為輻射導(dǎo)體;

確定標(biāo)簽天線的負(fù)載阻抗。傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中的天線輸入阻抗大多采用50歐姆或75歐姆特性阻抗，而超高頻RFID標(biāo)簽天線輸入阻抗則需根據(jù)所選用的專用芯片阻抗來確定。通常情況下，標(biāo)簽天線輸入阻抗為類似20+j200Ω的復(fù)數(shù)形式(如標(biāo)簽芯片阻抗為20-j200Ω);

確定天線類型及其參數(shù)指標(biāo)。目前，標(biāo)簽天線通常采用微帶天線(含縫隙天線)，偶極子天線，以及變形的微帶和偶極子天線等類型。微帶天線由于具有很多優(yōu)點(diǎn)而成為閱讀器天線和抗金屬標(biāo)簽的首選天線類型，而普通Inlay多采用偶極子天線類型。天線的參數(shù)指標(biāo)主要針對具體應(yīng)用來確定，一旦應(yīng)用確定后，標(biāo)簽天線的工作頻段、阻抗帶寬、增益、輻射模式等特性就基本確定;

通過對標(biāo)簽天線建模，并對標(biāo)簽天線參數(shù)進(jìn)行多次仿真研究和優(yōu)化，直到設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。目前，標(biāo)簽天線建模和仿真計(jì)算及優(yōu)化的工具較多，比較具有典型性的建模和仿真軟件有HFSS，F(xiàn)EKO，CST，ADS和IE3D等，而具有代表性的電磁計(jì)算方法有矩量法(MOM)、有限元法(FEM)和有限差分時(shí)域法(FDTD)等;

建模和仿真是標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)分析和測量則是對前者取得結(jié)果的驗(yàn)證，并且通過實(shí)驗(yàn)也可以幫助分析和優(yōu)化天線設(shè)計(jì);

將仿真和實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與具體應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較，就可以得出設(shè)計(jì)評價(jià)。設(shè)計(jì)評價(jià)的積累至關(guān)重要，有經(jīng)驗(yàn)的天線設(shè)計(jì)工程師都是在每一次的設(shè)計(jì)評價(jià)積累中練就出來的。