金属表面超高频RFID标签天线设计要点

用于金属表面的超高频RFID标签天线的分析与设计的开题报告一、研究背景RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种通过无线电波进行数据传输和识别的技术，被广泛应用于物流、供应链管理、生产制造等领域。

RFID系统主要由RFID标签、读写器和后台系统组成，其中RFID标签是实现信息传递和标识物品的核心部件。

RFID标签根据其工作频率可分为低频、高频、超高频和超高频以上等多个种类。

在RFID标签中，天线是能够接收并回传信号的重要组成部分。

对于金属表面的物品，由于金属对于高频电磁波的反射和吸收作用，导致信号的强度衰减和多径效应，从而影响天线的性能，使得天线的设计和优化变得更加复杂和困难。

因此，研究金属表面的超高频RFID标签天线的分析与设计，对于提升RFID系统的性能和效率，具有重要的意义和现实意义。

二、研究目的本文旨在通过分析金属表面的超高频RFID标签天线的特点和问题，结合现有的相关研究成果，设计出一种能够在金属表面上运行良好的超高频RFID标签天线，并对其进行性能分析和优化。

三、研究内容1、超高频RFID标签天线的基础理论和特点2、金属表面对天线性能的影响分析与建模3、超高频RFID标签天线的设计原理和方法4、超高频RFID标签天线的性能评估和优化5、实验验证和性能测试四、研究方法本文将采用文献调研、仿真分析和实验测试相结合的方法，通过对金属表面的超高频RFID标签天线进行分析和设计，探究有关天线结构、电学参数等因素的影响和优化方式，实现优化可行的天线设计方案，并通过实验验证其性能。

五、研究意义1、对于RFID系统的性能和效率提升具有积极的推动作用。

2、对于解决金属表面标签粘贴和识别难题，具有重要的实用价值和商业应用前景。

3、对于天线设计和优化的方法和技术的研究和推广，具有科研和工程技术方面的价值。

六、预期成果本文的预期成果包括：1、对金属表面的超高频RFID标签天线进行分析和设计，实现可行的天线方案，并与现有研究成果进行比较和评估。

用于RFID系统的天线设计RFID（无线射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线电波传输信息，实现物品的自动识别和追踪。

RFID系统主要由标签和阅读器组成，而天线则是连接标签和阅读器的关键组件。

天线的设计对于RFID系统的性能和可靠性有着至关重要的影响。

RFID系统通过无线电波进行通信，通常使用的是56 MHz的频率。

标签内置天线，用于接收来自阅读器的信号，并将信号传输到芯片中。

阅读器则通过天线发送信号，同时接收来自标签的信号。

图像处理技术也常常被用于RFID系统，以识别和解析标签上的信息。

天线设计是RFID系统设计的关键部分，主要包括以下步骤：方案选择：首先需要确定天线的类型和结构，根据应用场景的不同，可以选择不同的天线方案。

参数确定：在设计过程中，需要确定的参数包括天线的频率、增益、阻抗、波束宽度等。

这些参数的计算和选择将直接影响天线的性能。

设计仿真：利用仿真软件对设计进行模拟和分析，以验证设计的可行性和性能。

实验验证：制作样品，进行实际测试，以验证设计的有效性和可靠性。

在RFID系统的天线设计中，可能会遇到以下技术难题：阻抗匹配：天线与标签和阅读器之间的阻抗匹配是影响信号传输的重要因素。

如果阻抗不匹配，将会导致信号传输效率降低，甚至无法传输。

信号噪声比较：在复杂的电磁环境中，信号可能会受到各种噪声的干扰，如何提高天线的信噪比是一个关键问题。

针对以上技术难题，以下是一些可能的解决方案：采用全向波瓣天线或圆形天线：这些类型的天线具有较好的阻抗匹配特性，可以有效提高信号传输效率。

优化天线结构：通过改变天线的结构，可以改善天线的电气性能，减少信号噪声的影响。

使用滤波技术：滤波技术可以有效地抑制噪声，提高信号的信噪比。

天线设计在RFID系统中具有至关重要的地位。

正确的天线设计可以保证RFID系统的高性能和可靠性，进而广泛应用于供应链管理、门禁系统、支付系统等领域。

本文介绍了RFID系统和天线的基本原理、设计流程以及可能遇到的技术难题和解决方案。

0 引言射频识别（RFID）是一种通过无线电信号识别物体并传递相关数据的无接触式识别技术[1-3]，具有识别距离远、制作成本低、多标签同时快速识别的优点，可应用于高速公路收费、机场行李控制、仓库库存跟踪等场合。

随着传感器芯片技术的发展，可将RFID技术和传感器芯片相结合，应用于工业探测领域[4]。

目前工业探测环境呈现多样化趋势，对RFID系统中天线的要求也越来越复杂，其中标签天线的鲁棒性、高效率、小型化是关键。

当常规标签天线放置在金属背景环境中时，其阻抗匹配、辐射效率、方向性都会产生变化，其辐射性能会受到很大的影响[5]，因此需要研究和设计专门的抗金属标签天线。

过去几年中，学者对抗金属标签天线进行了大量的研究[6-14]，其中文献[6]通过在天线内部添加开槽的矩形辅助面来实现天线在金属表面上任意滚动时具备良好的辐射特性。

文献[7]通过增加空气间隙使天线远离金属板来减小金属对天线的抑制影响。

文献[8-9]通过添加特殊的结构来达到抗金属的效果，其中添加电磁带隙对金属面产生的反射波进行抑制，添加人工磁导体提高天线的增益。

文献[10-11]采用不同的新型柔性材料来制作天线，不仅达到抗金属的作用，也能在不同尺寸和不同形状的金属面上良好工作。

文献[12-14]研究了一些特殊结构的天线，如利用U形馈线结构、平面倒S天线和正交的微带偶极子天线，它们都具备良好的抗金属特性。

但是上述研究提到的抗金属标签天线通常只能有一个特定面可以接触金属，而其他面只能作为辐射体，不能接触背景金属。

本文研究一种小型化、可滚动、高效率抗金属标签天线，采用柱状分布的弯曲辐射臂结构，使天线在金属面上以任意状态放置均能保持较高天线效率。

1 天线结构分析与设计1.1 天线结构设计图1 （a）为本文提出的滚动型抗金属标签天线的立体结构，图1 （b）是其分解结构，图1（c）是天线侧视图，图1（d）是天线俯视图。

该天线是基于倒F形天线的结构演变而成的侧馈四弯曲臂PIFA天线，天线臂弯曲角度θ=135°，天线具有4个轴线旋转对称的辐射臂，通过侧面短路面相连接。

RFID天线制造方法RFID天线是一种用于无线识别与跟踪技术的核心部件，它可以通过无线电信号与读取器进行通信，实现数据的传输。

RFID天线制造方法是指从设计到生产的一系列过程，其中包括天线结构设计、材料选取、工艺流程确定等环节。

接下来，我们将详细介绍RFID天线的制造方法。

首先，RFID天线的结构设计是RFID天线制造方法的重要环节之一、天线的结构类型主要有PCB、线圈和微带天线。

PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）是常见的天线结构类型，它一般由铜箔或其他导电材料制作而成。

线圈结构是由金属线圈绕成的，通过可变电感与外部设备进行通信。

微带天线则是利用微带传输线作为辐射单元，封装在绝缘基板上。

结构设计要根据具体应用需求进行选择。

其次，RFID天线的材料选取也是RFID天线制造方法的关键步骤之一、材料主要分为导电材料和绝缘材料两大类。

导电材料一般选择具有优良导电性的金属，如铜、铝等。

绝缘材料则可以选择PET、FR-4等常见的绝缘材料，用于制作天线的基底。

材料的选择要考虑天线的性能和成本等因素。

接下来，RFID天线的制造方法还包括工艺流程的确定。

一般来说，制造RFID天线的工艺流程包括以下几个步骤：1.材料准备：包括导电材料和绝缘材料的采购和预处理。

导电材料需要进行切割和铺设，绝缘材料需要进行切割和扩展。

2.设计绘制：根据天线结构设计绘制天线的布局图和生产图。

这一步可以使用CAD软件进行设计和绘制。

3.制作基底：将绝缘材料切割成合适的尺寸，并通过印刷等工艺将布局图转移到基底上。

4.制作导电部分：将导电材料进行成型，如将铜箔压贴在基底上，并通过蒸发或镀覆等工艺进行金属化处理。

5.电路连接：将RFID芯片与天线连接，在PCB天线中通过焊接或PAD连接等方式实现。

6.测试和调试：对制作好的天线进行测试和调试，确保其性能符合要求。

最后，制造完成的RFID天线需要进行质量检验和包装等环节。

超高频天线设计与优化超高频天线是指可用于工业、医疗和科学研究等领域的高频电磁波信号传输和接收天线。

超高频天线具有传输距离远、天线结构简单、强抗干扰、适用于数据传输等优点，广泛应用于RFID标签识别、移动通信、无线电视和雷达等领域。

1. 超高频天线的基本原理超高频天线的基本原理是将高频信号电场与磁场相互耦合，达到无线数据传输和接收的目的。

超高频天线的设计需要考虑信号频率、天线增益、方向性、辐射效率和杂散波等因素。

2. 超高频天线的设计与优化超高频天线的设计与优化需要遵循以下原则：（1）选择合适的天线结构。

超高频天线的结构包括线型天线和面型天线。

线型天线结构简单，适用于近距离传输；而面型天线传输距离更远。

（2）考虑天线工作环境。

超高频天线的工作环境会影响其天线增益和方向性。

例如，安装在金属表面或水中的天线会受到多重反射和折射的影响，从而影响信号强度和方向性。

（3）考虑天线输入阻抗。

超高频天线的输入阻抗与电路匹配有关，因此要根据实际应用需要调整。

如果未经匹配，则会导致信号反射和损失。

（4）考虑降低杂散辐射。

杂散辐射是超高频天线设计中面临的一个主要问题。

合理的设计可以减少杂散辐射，提高天线效率和性能。

3. 超高频天线的应用超高频天线广泛应用于许多行业和领域，包括RFID技术、移动通信和雷达等。

例如，RFID技术通过超高频天线实现无源标签与读卡器之间的通信；移动通信通过超高频天线实现数据传输和接收；雷达技术通过超高频天线实现目标探测和定位。

4. 超高频天线未来的发展趋势随着5G技术的发展，广泛应用于智能制造、物联网和智慧城市等领域的超高频天线将更加智能化、高效和便捷。

未来将呈现出以下发展趋势：（1）天线技术将更加模块化、可编程化。

（2）天线的性能将更加精确和稳定，并逐渐实现自适应和自校准。

（3）天线材料和结构将更加多样化和环保友好。

总之，超高频天线设计与优化是一个重要的研究领域，对促进现代通信技术的快速发展和创新发挥着重要的作用。

一种金属表面超高频RFID标签天线设计摘要：无线射频识别(RFID)系统主要由RFID读写器和电子标签组成。

近年来，RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

在很多应用中，RFID 标签应用与金属表面，但是，具有类偶极子天线的普通无缘超高频RFID标签应用于金属表面时，其阻抗匹配，辐射效率，核辐射方向图都会发生改变，从而导致标签的性能变差，设置不能被有效读取。

为解决超高频RFID 标签应用于金属表面的问题。

本文先分析应用于金属表面性能恶化的原因，介绍现有对抗金属表面的天线研究，在针对实际应用提出超高频RFID 抗金属标签天线的设计。

关键词：射频识别，超高频，标签，天线，金属表面，抗金属Abstract：Radio frequency identification(RFID）in the ultra-high-frequency(UHF)band has gained interest in supply chain management and traffic management because of its long read range.In many applications,RFID tags need to be attached on the surface of metallic objects.However,it is a challenge for label type passive UHF RFID tags with dipole-like antennas to be mounted on the surface of metal. This essay first analyzed the cause of the performance deterioration of the tag placed near the metallic objects,and the existing research against the metal surface of the antenna, in the practical application for the design of anti metal UHF RFID tag antenna is proposed.Keywords:Anti-me，tag, Antenna,Metallic,RFID,Tag,UHF.1.RFID简要1.1 RFID技术的系统组成一个典型的RFID系统如图1.1所示。

RFID标签天线及读写器设计制造RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种使用无线电频率进行数据传输和识别的技术。

它通过将信息存储在RFID标签中，然后使用RFID读写器来读取和写入标签上的数据。

在RFID系统中，天线是非常重要的组成部分，它负责将无线电信号传输到标签并接收标签返回的响应信号。

因此，合理设计和制造RFID标签天线及读写器对于正确识别和读取标签上的信息至关重要。

首先，我们先来看一下RFID标签天线的设计制造。

RFID标签天线通常由导电材料制成，如铜、铝或银，以便良好地传导电流。

RFID标签天线的形状可以是圆形、方形、矩形等，具体的形状取决于应用场景和具体需求。

通常，天线的长度（L）和宽度（W）是设计时需要考虑的重要参数，它们的选择会直接影响到天线的电性能和尺寸。

在设计RFID标签天线时，关键的参数是标签的工作频率。

RFID系统通常采用不同的频段来工作，其中常用的频率包括LF（低频，125 kHz）、HF（高频，13.56 MHz）、UHF（超高频，860-960 MHz）和Microwave（微波，2.45 GHz）。

不同的频段对应着不同的天线尺寸和工作特性。

例如，LF和HF 频段的RFID天线通常较小，而UHF频段的RFID天线通常较大。

此外，天线的劈尔因子（Q factor）也是一个非常重要的参数，它决定了天线的性能和带宽。

一般来说，RFID标签天线的制造过程包括选择导电纸、绘制天线图案、进行蚀刻和测量等步骤。

在选择导电纸时，需要考虑其电导率、厚度和柔韧性等因素。

绘制天线图案时，可以使用传统的印刷技术，如喷墨打印或丝网印刷，以及先进的微细加工技术，如电子束曝光或激光刻蚀。

蚀刻过程是将标签天线图案转移到导电材料上的关键步骤，它可以使用湿式蚀刻或干式蚀刻等方法进行。

最后，需要使用测试设备对标签天线的电性能进行测量和调整，以确保其符合设计要求。

rfid抗金属标签原理
RFID（Radio Frequency Identification）抗金属标签是一种专门
用于贴附在金属物体上的RFID标签。

由于金属具有高导电性
和高反射性，会对RFID信号的传输和接收造成干扰。

因此，
为了解决金属物体上的RFID标签读写问题，需要采用抗金属
标签。

抗金属标签的原理主要通过以下几点来实现：
1. 表面覆盖隔离材料：抗金属标签通常会在标签的底层贴上一层隔离材料，例如胶垫或泡沫材料，以隔离标签与金属的直接接触，减少金属对标签的信号干扰。

2. 反射性削弱：抗金属标签通常会在标签的设计中采用一些结构或材料，例如陶瓷等，来降低金属对标签背面的反射信号强度，从而减少对标签前面信号的干扰。

3. 天线设计优化：抗金属标签的天线设计需要考虑金属的反射和介质的衰减等因素，采用合适的天线形状和布局，以最大限度地提高标签与读写设备之间的通信距离和性能。

4. 高功率和双频技术：为了增强金属物体上标签的读写能力，抗金属标签通常会采用高功率和双频技术。

高功率可以提高信号的传输功率和接收灵敏度，双频可以在不同频段上进行通信，以克服金属对特定频段的信号干扰。

总的来说，抗金属标签通过表面隔离材料、反射性削弱、天线设计优化和高功率双频技术等方式来降低金属对RFID信号的
干扰，从而实现在金属物体上的可靠读写。

金属表面超高频RFID印刷标签天线设计高浩;郭勇【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)007【摘要】为满足对金属表面物体智能识读的应用需求,设计了一款可用于金属表面的超高额RFID电子标签天线,使用时将标签贴合在厚度仅为5 mm的泡沫介质上,然后置于金属表面,利用金属表面作为自身反射板增加了天线的读取距离.整个天线的面积大小为95 mm45 mm,标签的最远读取距离可迭4.5 m.同时由于表面印刷结构的采用,使得整个标签成本低廉、易于批量生产.%A RFID tag antenna mountahle on the metallic surface for UHF band is designed For the demand of intelligent identification of the metallic surface objects. The tag is pasted on the foam whose thickness is only 5 mm and then put on the surface of a metal plate when it is used. The reading range of the antenna is increased by the metallic surface which can be treatcd as a reflector. The area of the whole antcnna is 95 mm×45 mm. The farthest reading distance of the tag can be up to 4. 5 m. Because of its printcd structurc, the whole tag has the advantage of low-cost and is apt to mass-production.【总页数】3页(P97-99)【作者】高浩;郭勇【作者单位】成都理工大学信息工程学院,四川成都610059;成都理工大学信息工程学院,四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】TN82-34【相关文献】1.多应用环境下超高频RFID标签天线设计 [J], 刘志飞;王玲2.金属介质对超高频RFID被动标签读取效能的影响及可用于金属表面标签的设计[J], 赵犁;郜笙;虞俊俊3.具有感应反馈环的超高频RFID标签天线设计 [J], 詹杰;刘宏立;唐志军4.适应多环境的小型化超高频RFID标签天线设计 [J], 赵志强;马润波;鲁志红;韩丽萍5.小尺寸超高频RFID标签天线设计 [J], 淡江因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

面向金属环境高可靠读取的RFID读写器天线设计物联网是继计算机和互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮,射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)是物联网的核心技术之一。

RFID读写器天线直接影响着系统的读写范围、距离和稳定性。

本文主要针对复杂金属环境下的远场和近场RFID读写器天线展开研究,主要的研究内容和创新点如下:提出一款基于4个平面倒F天线单元和射频开关轮询馈电结构的多极化波束扫描天线。

在45×90×90 cm3的金属柜中,该天线实现了远近场标签和抗金属标签的100%读取。

提出加载接地金属壁的宽波束弯折偶极子结构,通过威尔金森功分器馈电两款正交放置的弯折偶极子结构实现圆极化宽波束性能。

本设计的天线带宽覆盖中国、欧洲和美国的UHF频段,在842和915 MHz的增益分别为3.78和4.78 dBi,整个频段内xoz和yoz平面波束宽度均大于106度。

提出一款双微带线加载(DMLL,Dual Microstrip Line Loaded)环单元并分析其等效电路,该环单元磁场均匀、结构简单、适用于读写区域可配置阵列。

本文基于DMLL环单元实现了 1×8、2×3和1×4环阵列天线。

其中,1×8阵列的阻抗带宽为70 MHz,读取面积为570× 150 mm2,近场标签、远近场标签和抗金属标签的读取距离分别为22、43和45 mm;2×3阵列阻抗带宽为15 MHz,实现了270×240 mm2的读取面积,三种标签的读取距离分别为23、43和40 mm;1×4阵列阻抗带宽为13 MHz,实现了400×170 mm2的读取面积。

第４２卷第１期２０２１年３月上㊀海㊀海㊀事㊀大㊀学㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ.４２㊀Ｎｏ.１Ｍａｒ.２０２１ＤＯＩ:１０.１３３４０/ｊ.ｊｓｍｕ.２０２１.０１.０２０文章编号:１６７２－９４９８(２０２１)０１￣０１１９￣０８一类平面ＵＨＦＲＦＩＤ抗金属标签天线的设计蒋开明ꎬ王秀梅ꎬ特木尔朝鲁(上海海事大学文理学院ꎬ上海２０１３０６)摘要:针对超高频(ｕｌｔｒａ￣ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎬＵＨＦ)射频识别(ｒａｄｉｏ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬＲＦＩＤ)标签天线在物流领域中的实际应用ꎬ设计一类可工作于金属表面的平面ＵＨＦＲＦＩＤ标签天线ꎮ此标签天线由辐射贴片㊁弯折开路短截线㊁介质基板和金属接地板组成ꎬ不需要短路墙或短路通孔将辐射贴片与接地板相连ꎬ更易于加工ꎮ与常用的直开路短截线结构相比ꎬ采用弯折开路短截线结构不仅可以对标签天线的阻抗进行更有效的调节ꎬ而且能够显著地减小辐射贴片的尺寸ꎮ利用曲流技术原理在辐射贴片上开槽ꎬ实现天线的小型化ꎮ仿真结果表明ꎬ此标签天线(尺寸为２０ｍｍˑ８０.５ｍｍˑ２ｍｍ)阻抗匹配良好ꎬ而且将其置于２０ｃｍˑ２０ｃｍ的金属表面上ꎬ实测得到其最大阅读距离可达到为９ｍꎮ与其他标签天线相比ꎬ此类天线具有阅读距离远㊁尺寸小㊁结构简单和成本低等优点ꎬ有潜在的实际应用前景ꎮ关键词:超高频(ＵＨＦ)ꎻ射频识别(ＲＦＩＤ)ꎻ抗金属标签天线ꎻ弯折开路短截线ꎻ阻抗共轭匹配中图分类号:ＴＮ８２８.４㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ收稿日期:２０１９￣１１￣１１㊀修回日期:２０２０￣０５￣１２基金项目:国家自然科学基金(１１５７１００８)作者简介:蒋开明(１９６７ )ꎬ男ꎬ江苏姜堰人ꎬ副教授ꎬ硕导ꎬ博士ꎬ研究方向为凝聚态物理理论㊁微波天线理论与设计ꎬ(Ｅ￣ｍａｉｌ)ｋｍｊｉａｎｇ＠ｓｈｍｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎻ王秀梅(１９９４ )ꎬ女ꎬ山东济南人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为天线理论与设计ꎬ(Ｅ￣ｍａｉｌ)７６０４８６９８５＠ｑｑ.ｃｏｍꎻ特木尔朝鲁(１９６２ )ꎬ男ꎬ内蒙古通辽人ꎬ教授ꎬ博导ꎬ博士ꎬ研究方向为交通运输规划与管理中建模与新算法研究㊁吴方法与偏微分方程对称及应用研究㊁智能算法ꎬ(Ｅ￣ｍａｉｌ)ｔｍｃｈａｏｌｕ＠ｓｈｍｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎＤｅｓｉｇｎｏｆｐｌａｎａｒＵＨＦＲＦＩＤａｎｔｉ￣ｍｅｔａｌｔａｇａｎｔｅｎｎａｓＪＩＡＮＧＫａｉｍｉｎｇꎬＷＡＮＧＸｉｕｍｅｉꎬＴｅｍｕｅｒＣｈａｏｌｕ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｔｓ＆ＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１３０６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａ￣ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ(ＵＨＦ)ｒａｄｉｏ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａ￣ｔｉｏｎ(ＲＦＩＤ)ｔａｇａｎｔｅｎｎａｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｌｏｇｉｓｔｉｃｓꎬａｐｌａｎａｒＵＨＦＲＦＩＤｔａｇａｎｔｅｎｎａｔｈａｔｃａｎｗｏｒｋｏｎａｍｅｔａｌｓｕｒｆａｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｉｔｓｐｌａｎａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｃｈꎬａｂｅｎｔｏｐｅｎ￣ｃｉｒｃｕｉｔｅｄｓｔｕｂꎬａｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｓｔｒａｔｅａｎｄａｍｅｔａｌｇｒｏｕｎｄｐｌａｎｅꎬｉｓｅａｓｉｅｒｔｏｂｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｉｎｃｅａｓｈｏｒｔ￣ｃｉｒｃｕｉｔｅｄｗａｌｌｏｒａｓｈｏｒｔ￣ｃｉｒｃｕｉｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｈｏｌｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｃｈｔｏｔｈｅｇｒｏｕｎｄｐｌａｎｅｉｓｎｏｔｎｅｅｄｅｄ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈａｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｓｔｒａｉｇｈｔｏｐｅｎ￣ｃｉｒｃｕｉｔｅｄｓｔｕｂꎬｔｈｅｂｅｎｔｏｎｅｃａｎｂｅｅｍｐｌｏｙｅｄｎｏｔｏｎｌｙｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｔａｇａｎｔｅｎｎａｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｂｕｔａｌｓｏｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｃｈｍａｒｋｅｄｌｙ.Ｂｙｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｅａｎｄｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬａｓｌｏｔｉｓｃｕｔｏｎｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｃｈｔｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｔｈｅａｎｔｅｎｎａ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｔｈｅｔａｇａｎｔｅｎｎａ(２０ｍｍˑ８０.５ｍｍˑ２ｍｍ)ｉｓｇｏｏｄꎬａｎｄｉｔｓｍａｘｉｍｕｍｒｅａｄｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｏｎａｍｅｔａｌｓｕｒｆａｃｅｏｆ２０ｃｍˑ２０ｃｍｃａｎｒｅａｃｈ９ｍ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｔａｇａｎｔｅｎｎａｓꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｔｅｎｎａｈａｓｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｓｉｎｃｅｉｔｈａｓｓｏｍｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌａｒｇｅｒｅａｄｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅꎬｓｍａｌｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓꎬｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｕｌｔｒａ￣ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ(ＵＨＦ)ꎻｒａｄｉｏ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ(ＲＦＩＤ)ꎻａｎｔｉ￣ｍｅｔａｌｔａｇａｎｔｅｎｎａꎻｂｅｎｔｏｐｅｎ￣ｃｉｒｃｕｉｔｅｄｓｔｕｂꎻｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｊｕｇａｔｅｍａｔｃｈｉｎｇ０㊀引㊀言㊀㊀随着物联网概念的不断推广和发展ꎬ射频识别(ｒａｄｉｏ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬＲＦＩＤ)技术已经在生产和生活的各个领域越来越普及ꎮ采用ＲＦＩＤ系统ꎬ在制造业中可以提高财产管理效率ꎬ强化生命周期管理ꎬ提供生产线实时信息等ꎻ在物流业中可以实现自动分类管理系统的高速化ꎬ减少货物的滞留时间等ꎻ在公共服务业中可以追踪医疗用品的流程ꎬ协调车辆调度ꎬ实现门票和门禁系统的规范管理等ꎮ由此可见ꎬ在生产和生活的诸多领域ꎬＲＦＩＤ系统都发挥着至关重要的作用ꎮＲＦＩＤ是一种非接触的近距离自动识别技术ꎬ其基本原理就是利用射频信号或电磁场耦合的能量传输特性ꎬ实现对物体的自动识别ꎮ与传统的二维码和条形码相比ꎬＲＦＩＤ标签具有阅读距离远㊁响应速度快㊁使用寿命长㊁抗干扰能力强㊁存储量大等优势ꎮ目前ꎬＲＦＩＤ技术及其应用正处在迅猛发展阶段ꎬ其技术门槛较高ꎬ应用环境复杂ꎬ技术本身仍不够完善:一是标签成本较高ꎬ不适合大规模的商业化应用ꎻ二是标签性能还不能满足特殊领域的应用要求ꎬ比如小型化㊁抗金属性以及全向性等ꎮ标签天线作为ＲＦＩＤ系统的重要组成部分ꎬ当其应用于不同的物体时ꎬ需要考虑一些特殊的因素对标签天线甚至ＲＦＩＤ系统造成的影响ꎮ１９９９年ＦＯＳＴＥＲ[１]等发现金属物体对射频㊁微波波段的ＲＦＩＤ标签的阻抗匹配和辐射模式的影响最为显著ꎮ２００６年ＧＲＩＦＦＩＮ等[２]采用无线链路预算的方法测得折叠偶极子标签天线在金属铝板表面的衰减达到了１０ｄＢ以上ꎮ２００７年ＡＲＲＯＲ等[３]用实验的方法研究了无源超高频(ｕｌｔｒａ￣ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎ￣ｃｙꎬＵＨＦ)ＲＦＩＤ标签天线在靠近金属物体时性能的变化ꎬ结果表明ＵＨＦ近场标签天线并不能解决金属对标签天线的影响问题ꎮ２０１３年ＸＩ等[４]通过理论和全波仿真研究了基板厚度对抗金属标签的影响ꎮ２０１５年闫昕[５]通过仿真实验和推导解释了理想导体边界的驻波效应和阻抗边界效应ꎬ并分析了提升标签抗金属性的影响因素ꎬ包括空腔反射层和电磁基板大小等ꎮＲＦＩＤ标签的性能受应用环境的影响很大ꎮ在金属环境中ꎬ普通标签的识别距离会明显缩短ꎬ甚至无法正常工作[６]ꎮ金属物体对标签的不良影响主要体现在两个方面:①金属表面需要满足理想导体边界条件ꎬ这使得金属表面附近的电场严重衰减ꎬ也导致天线的辐射方向图发生严重变化ꎬ其增益大大下降ꎬ以至于无法正常工作ꎻ②金属物体严重影响天线阻抗ꎬ使得标签天线与标签芯片的阻抗不匹配ꎬ因而导致反射损耗的増加ꎮ为提高普通ＲＦＩＤ标签在金属环境中的应用性能ꎬ学者们提出了一些改进的方法ꎮ赵犁等[７]采用垫高标签的方法消除金属干扰的负面影响ꎬ利用金属对电磁波的反射加强标签的读取性能ꎬ但标签天线的尺寸较大ꎮＰＨＡＴＡＲＡＣＨＡＩＳＡＫＵＬ等[８]利用电磁带隙(ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｂａｎｄｇａｐꎬＥＢＧ)结构在特定频率对反射波的相位进行调制ꎬ从而降低了金属板对标签天线性能的不利影响ꎬ但这种方法不仅加工难度大而且制作成本过高ꎮ利用微带天线[９]或平面倒Ｆ天线[１０](ｐｌａｎａｒｉｎｖｅｒｔｅｄ￣ＦａｎｔｅｎｎａꎬＰＩＦＡ)结构将金属物体表面看作标签天线的接地板ꎬ是目前最广泛采用的一种抗金属方法ꎬ但一般需要短路墙或短路通孔连接辐射贴片与接地板ꎬ加工难度大ꎬ而且标签天线的制作成本远远高于普通类偶极子标签天线ꎮＲＦＩＤ标签天线能否得到应用推广的一个重要因素就是其成本ꎬ只有成本降低了才可能进行大规模的商业化应用ꎮ在标签的制作工艺中ꎬ印刷工艺能够大大降低标签的制作成本ꎬ但要求标签必须具有完全的平面结构ꎮＭＯ等[１１]基于微带贴片提出了一类完全平面结构的标签天线ꎬ可以采用印刷工艺制作ꎬ极大地降低了标签的生产成本ꎮ然而ꎬ此类标签尺寸较大ꎬ可能不适合某些应用场合ꎬ因此需要设计一类厚度薄㊁尺寸小的抗金属标签天线ꎮ鉴于标签天线的抗金属性㊁小型化㊁低成本等性能要求ꎬ本文基于微带天线结构设计了一类平面ＵＨＦ抗金属标签天线ꎮ与传统的偶极子天线相比ꎬ此类标签天线的质量轻ꎬ而且具有完全的平面结构ꎬ更易于加工ꎬ其成本也大大降低ꎮ在标签的平面结构上嵌入弯折开路短截线ꎬ不仅可以有效地调节阻０２１上㊀海㊀海㊀事㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷㊀抗还可以减小尺寸ꎮ此外ꎬ为更好地调节标签天线的阻抗和实现小型化ꎬ在辐射贴片上开一个矩形槽ꎮ此矩形槽可以改变贴片表面电流的原有路径ꎬ使得电流蜿蜒流过缝隙周围ꎬ贴片表面电流的路径长度增加ꎬ使得对天线输入阻抗的调节更加有效ꎮ１㊀天线的抗金属性与结构优化原理１.１㊀金属对标签天线的影响应用于集装箱㊁汽车㊁武器装备等一系列金属表面的标签天线ꎬ由于涉及商品适用性以及环境适应性等复杂问题ꎬ已成为标签天线研究与设计领域的重点和难点ꎮ金属对标签天线性能的影响主要体现在以下几个方面:(１)阅读器发射的电磁波会使金属物体内部形成涡流ꎬ涡流会进一步产生感应磁场ꎬ感应磁场的磁感线方向与入射电磁波的方向相反ꎬ因而它不仅会削弱入射电磁场的部分能量ꎬ而且会对识别区造成一定的干扰ꎮ(２)金属边界条件导致金属表面的磁感线分布趋于平缓ꎬ并近似平行于金属表面ꎮ当标签贴附于(或靠近)金属表面时ꎬ标签天线无法通过 切割 磁感线使标签芯片获得足够的电磁能量ꎬ进而造成芯片无法激活或识别距离大幅度减小的情况ꎮ(３)当天线与金属板距离很近时ꎬ金属表面产生的镜像电流会与标签天线上的电流相互抵消ꎬ从而导致天线的阻抗性能急剧变化ꎬ进而造成标签天线与标签芯片之间原有的良好匹配条件遭到破坏ꎮ(４)金属表面会对天线产生加感的影响ꎬ导致标签天线的辐射电阻减小ꎬ辐射效率降低ꎮ当普通标签直接应用于金属表面时ꎬ上述４个方面的影响将导致天线的读写距离大幅度缩短ꎬ方向性㊁辐射特性及增益等都受到很大的影响ꎮ目前常用的抗金属方法是利用微带天线结构的ꎮ微带天线属于谐振天线ꎬ典型的微带天线结构是由上层的辐射贴片㊁中间层的介质基板和下层的金属接地板构成的ꎬ这三者构成了一个谐振腔ꎬ电磁波在介质基板中传播ꎬ并在微带天线两端缝隙处向空间辐射ꎮ采用微带天线设计标签天线ꎬ将金属物体表面看作标签天线的接地板ꎬ自然能够达到抗金属的目的ꎮ此外ꎬ微带天线具有高方向性㊁体积小㊁质量轻㊁轮廓低㊁容易加工㊁价格低等优点ꎬ因此本文所设计的抗金属标签天线以微带天线为原型ꎮ１.２㊀标签天线结构的优化利用微带天线设计的抗金属标签天线ꎬ可以采用嵌入式馈电实现天线与芯片的阻抗匹配ꎮ本文使用的标签芯片为ＭＯＮＺＡＲ６芯片[１２]ꎬ其阻抗值为复数ꎬ且存在一定的容抗ꎮ此外ꎬ标签芯片直接与标签天线相连ꎬ两者的阻抗匹配对整个标签性能的影响很大ꎮ嵌入式馈电虽然能够在一定程度上对阻抗进行匹配ꎬ但该方法对芯片阻抗的虚部影响有限ꎬ因此需要采用其他的方法进行改善ꎮ恰当长度的开路或短路短截线能够提供任意电抗值[１３]ꎬ因此采用开路或短路短截线能够实现天线与芯片阻抗虚部的匹配ꎮ在实际应用中ꎬ需要根据实际情况具体选用开路或短路短截线实现天线与芯片阻抗虚部的匹配ꎮ开路短截线具有完全平面结构ꎬ制造工艺简单ꎬ成本较低ꎬ且在阻抗调节方面性能较为优越ꎬ可实现任意电抗的匹配ꎮ采用开路短截线结合嵌入式馈电的微带天线能够较好地实现天线与芯片的阻抗共轭匹配ꎮ然而ꎬ开路短截线在结构上的缺陷使得微带天线整体体积增大ꎬ尤其是基板长度增加给天线设计带来了额外的成本ꎬ此外较大的尺寸也将限制天线的实际应用范围ꎮ因此ꎬ在不改变天线原有结构的基础上ꎬ采用弯折开路短截线代替原来的直开路短截线可以在一定程度上缩小天线的整体体积ꎮ在天线与芯片的阻抗匹配方面ꎬ弯折开路短截线也可以通过耦合作用改变天线的阻抗值ꎬ为实现天线与芯片的阻抗匹配提供了新的途径ꎮ虽然弯折开路短截线会使辐射方向图产生一定的变形ꎬ但并不影响天线在主辐射方向的特性ꎬ且对识别距离的影响也较小ꎮ在天线的辐射贴片表面或金属接地板上开槽或细缝后ꎬ电流会绕着槽边曲折流动ꎬ电流路径长度增加[１４]ꎮ在天线等效电路中ꎬ曲流技术相当于引入了额外的级联电感ꎬ降低了天线的谐振频率ꎮ为保证天线的谐振频率不变ꎬ必然要减小贴片的尺寸(即减小天线谐振电路的等效电容值)ꎮ槽或缝隙不会改变天线原有的结构ꎬ能够保持天线低剖面的特点ꎮ因此ꎬ采用曲流技术实现抗金属标签的小型化无论是在效果上还是工艺上都是切实可行的ꎮ２㊀天线结构设计在此标签天线的设计中ꎬ采用ＭＯＮＺＡＲ６芯片激励其辐射贴片ꎬ此芯片的读取灵敏度为－２０ｄＢｍꎮ标签天线的首要设计性能指标就是它的最大读取距离ꎬ即标签获得最小激活能量时对应的读取距离ꎮ因此ꎬ选择芯片读取最小典型功率值时的阻抗值作为需要匹配的芯片参考阻抗ꎮ当工作频率为９１５ＭＨｚ时ꎬ芯片的阻抗值为(１６－ｉ１１０)Ωꎮ在规定的等效全向辐射功率下ꎬ为实现能量的最大传输１２１第１期蒋开明ꎬ等:一类平面ＵＨＦＲＦＩＤ抗金属标签天线的设计以获得更远的阅读距离ꎬ标签天线的阻抗设计值就必须等于此芯片阻抗值的共轭值ꎮ图１展示了设计的标签天线的结构模型ꎬ图中对各尺寸参数进行了标示ꎮ这类标签天线结构由辐射贴片㊁弯折开路短截线㊁介质基板和金属接地板组成ꎮ介质基板的选择关系到标签天线的损耗㊁成本和体积ꎮ虽然ＦＲ４介质基板有较大的损耗角正切(为０.０２)ꎬ但其相对介电常数(为４.４)较大ꎬ且价格便宜也适合于表面覆铜工艺ꎬ因此本设计采用厚度为２ｍｍ的ＦＲ４介质基板材料ꎮ介质基板的正面和背面分别为辐射贴片和金属接地板ꎮ图１　标签天线的结构模型㊀㊀为有效地调节标签天线的阻抗ꎬ采用嵌入式馈电结构ꎮ嵌入深度和宽度分别用Ｌｉｎ和Ｗｉｎ表示ꎮ开路短截线的电抗调节范围为(－ɕꎬ＋ɕ)[１１]ꎬ因此利用开路短截线结构可以较大范围地调节标签天线的电抗值ꎮ虽然文献[１１]中的直开路短截线结构可以有效地调节标签天线的输入阻抗ꎬ但因长度太长而导致标签天线的总尺寸过大ꎮ为显著降低标签天线的总尺寸ꎬ本设计采用弯折开路短截线结构来调节其输入阻抗ꎮ许多实际应用环境对抗金属标签的尺寸有严格的要求ꎬ因此为提高标签天线的辐射效率ꎬ应充分利用有限的设计空间ꎮ本设计根据曲流技术原理ꎬ通过在辐射贴片表面开槽增加贴片表面上的电流路径长度ꎬ这相当于引入了额外的级联电感ꎬ从而降低天线的谐振频率ꎮ因此ꎬ为不改变天线的谐振频率ꎬ就必须减小天线的尺寸ꎬ也就是减小天线谐振电路的等效电容ꎮ用这种开槽的方法ꎬ也可以达到小型化标签天线的目的ꎮ如图１所示ꎬ槽的宽度和长度分别用Ｗｍ和Ｌｍ表示ꎮ３㊀天线仿真分析应用有限元电磁仿真软件ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ１４.０对设计的标签天线进行建模㊁仿真和优化ꎮ在模式驱动求解类型下ꎬ采用集总端口激励ꎬ频率扫描范围为８６０~９６０ＭＨｚꎮ当分析某一特定参数对标签天线的影响时ꎬ其他参数取值(见表１)保持不变ꎮ对仿真结果进行优化分析ꎬ最后获得标签天线的最佳尺寸ꎮ根据传输线理论ꎬ当标签天线阻抗与标签芯片阻抗达到共轭匹配时ꎬ标签天线可以获得最远的阅读距离ꎮ为实现两者阻抗的共轭匹配ꎬ天线阻抗的调节需要更加灵活ꎮ因为标签芯片的电抗值远大于其电阻值ꎬ所以其电抗的匹配比其电阻的匹配更重要ꎮ根据微带天线理论ꎬ嵌入式馈电结构能够有效调节贴片天线的输入阻抗ꎮ嵌入式馈电结构的输入阻抗为Ｚｉｎｓｅｔ＝ＺＡｃｏｓ２(πＬｉｎ/Ｌ)(１)式中:ＺＡ是微带天线谐振时的输入电阻值ꎻＺｉｎｓｅｔ为边缘馈电时的天线阻抗值ꎮ经仿真分析ꎬ嵌入式馈电结构的深度和宽度对标签天线的电抗影响较小ꎬ但对其电阻影响较大ꎬ而弯折开路短截线的长度对标签天线阻抗的影响正好相反ꎬ即对其电抗影响较大但对其电阻影响较小ꎮ因此ꎬ改变嵌入式馈电结构尺寸和弯折开路短截线的长度可以有效地调节标签天线的阻抗ꎬ实现标签天线与标签芯片良好的阻抗共轭匹配ꎮ图２ａ和图２ｂ分别给出了嵌入深度Ｌｉｎ从９.５ｍｍ增加至１０ｍｍ㊁１０.５ｍｍ和嵌入宽度Ｗｉｎ从７ｍｍ增加至８ｍｍ㊁９ｍｍ时标签天线的输入电阻随频率变化的曲线ꎮ结果表明ꎬ随着嵌入深度Ｌｉｎ和宽度Ｗｉｎ逐渐增大ꎬ标签天线的输入电阻皆逐渐减小ꎮ由式(１)可知ꎬ对于嵌入式馈电的微带天线ꎬ在一定程度上增加嵌入深度Ｌｉｎ可以降低天线的输入阻抗值ꎬ本文所得仿真结果与此相符ꎮ因此ꎬ通过改变嵌入馈电结构尺寸可以有效地调节天线的输入电阻值ꎮ在图２ｃ中ꎬ针对弯折开路短截线中长度为Ｌ３的一段(见图１)ꎬ当其长度Ｌ３从２.９ｍｍ增大到３.９ｍｍ㊁４.９ｍｍ时ꎬ标签天线的输入电抗值显著增大ꎻ在９１５ＭＨｚ的谐振频率处ꎬ其电抗值依次为８５.３Ω㊁１０９Ω和１２５.５Ωꎬ变化幅度比较大ꎻ当Ｌ３＝３.９ｍｍ时其阻抗虚部接近共轭匹配电抗值１１０Ωꎮ在图２ｄ中ꎬ针对弯折开路短截线中长度为Ｌ４的一段(见图１)ꎬ当其长度Ｌ４从１５ｍｍ增大到１７ｍｍ㊁１９ｍｍ时ꎬ标签天线的输入电抗值也不断增大ꎮ在９１５ＭＨｚ的谐振频率处ꎬ其电抗值依次为９６.１Ω㊁１０９Ω和１２１.８Ωꎮ以上结果表明ꎬ采用弯折开路短截线可以在较大范围内调节标签天线的电抗ꎮ文献[１１]中直开路短截线的长度为４６ｍｍꎬ而本设计中沿着贴片长度方向的弯折开路短截线的长度仅为１４.５ｍｍ(即Ｌ１＋２Ｌ３－２Ｗｓ)ꎬ但其总长度达到了５９ｍｍ(即Ｌ１＋Ｌ２＋２Ｌ３＋２Ｌ４)ꎮ因此ꎬ采用嵌入式弯折开路短截线不仅能有效地调节标签天线的阻抗值而２２１上㊀海㊀海㊀事㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷㊀且能实现标签天线的小型化ꎮ图２㊀嵌入式开路短截线结构对标签天线输入阻抗的影响㊀㊀下面研究在辐射贴片表面开槽对标签天线性能的影响ꎮ图３ａ和图３ｂ分别给出了槽长Ｌｍ取不同值时标签天线的输入电阻和输入电抗随频率变化的曲线ꎮ结果表明ꎬ随着槽长Ｌｍ从１１ｍｍ增加到１２ｍｍ㊁１３ｍｍꎬ在９１５ＭＨｚ的谐振频率处ꎬ标签天线的输入阻抗分别为(１７＋ｉ９４.４)Ω㊁(２２＋ｉ１０９)Ω㊁(３２＋ｉ１２９.１)Ωꎮ随着槽长Ｌｍ的增大ꎬ辐射贴片表面电流的路径长度增加ꎬ导致标签天线的电感变大ꎬ因而其输入阻抗就具有更大的感抗ꎬ因此调节槽长Ｌｍ可以改变标签天线的阻抗值ꎮ特别地ꎬ当Ｌｍ＝１２ｍｍ时ꎬ标签天线与芯片几乎达到了阻抗共轭匹配ꎮ其阻抗共轭匹配是为了获得最大传输功率ꎮ最大功率传输系数对应标签天线的谐振频率ꎮ随着槽长Ｌｍ逐渐增大ꎬ标签天线的谐振频率逐渐降低ꎬ见图３ｃꎮ当标签天线获得最大传输功率时ꎬ反射系数Ｓ１１最小ꎬ见图３ｄꎮ随着槽长Ｌｍ增大ꎬ对应的谐振频率向低频方向移动ꎮ图３㊀矩形槽长Ｌｍ对标签天线性能的影响㊀㊀图４ａ和图４ｂ分别给出了槽宽Ｗｍ取不同值时标签天线的输入电阻和输入电抗随频率变化的曲线ꎮ随着槽宽Ｗｍ从１２ｍｍ增加到１２.５ｍｍ㊁１３ｍｍꎬ在同一频率处标签天线的电阻值和电抗值不断增加ꎬ变化幅度较大且总体变化保持一致ꎬ在９１５ＭＨｚ处ꎬ天线的阻抗值分别为(１５＋ｉ８９)Ω㊁(２２＋ｉ１０９)Ω㊁(３９.２＋ｉ１４１.８)Ωꎮ特别地ꎬ当Ｗｍ＝１２.５ｍｍ时ꎬ标签天线与芯片几乎达到了阻抗共轭匹配ꎮ从图４ｃ和图４ｄ可以看出ꎬ随着槽宽Ｗｍ的增加ꎬ标签天线的谐振频率逐渐降低ꎬ其阻抗值改变ꎬ导致Ｓ１１最小值逐渐增大并向低频方向偏移ꎮ仿真分析表明ꎬ辐射贴片表面矩形槽的尺寸在很大程度上决定其表面电流路径的长度进而影响标签天线的等效电感和阻抗ꎮ当矩形槽尺寸增大时ꎬ贴片表面电流路径长度相应增加ꎬ从而导致标签天线的等效电感增加ꎬ于是其阻抗随之增大ꎬ而其谐振频率随之降低ꎻ当矩形槽尺寸减小时ꎬ电流路径长度减少ꎬ导致标签天线的阻抗减小而其谐振频率升高ꎮ因此ꎬ矩形槽的长宽仅需做出很小的改变即可在较大范围内调节天线的阻抗ꎮ图４㊀矩形槽宽Ｗｍ对标签天线性能的影响４㊀天线仿真及实物测试结果为检测标签天线在金属环境中的性能ꎬ将标签天线附在一个２０ｃｍˑ２０ｃｍ的金属板上进行仿真及测试ꎮ通过对参数进行优化调谐ꎬ得到标签天线的最优尺寸ꎬ见表１ꎮ标签天线的谐振频率主要由电抗匹配点控制ꎬ在谐振频率处ꎬ经仿真优化其输入阻抗为(２２＋ｉ１０９)Ωꎮ最优尺寸标签天线的反射系数和增益见图５ꎮ由图５ａ可知ꎬ在谐振频率９１５ＭＨｚ处ꎬ反射系数Ｓ１１为－１５.４ｄＢꎬ小于－１０ｄＢꎬ说明标签天线与芯片实现了良好的阻抗共轭匹配ꎮ标签天线的－３ｄＢ带宽达到了２９ＭＨｚ(９００~９２９ＭＨｚ)ꎬ而其－１０ｄＢ带宽达到了８ＭＨｚ(９１１~９１９ＭＨｚ)ꎬ覆盖了许多国家和地区(包括中国和美国)所使用的部分或全部频段ꎬ因此此标签天线可以在ＲＦＩＤ应用中发挥一定的作用ꎮ由图５ｂ可见ꎬ在谐振频率９１５ＭＨｚ处ꎬ标签天线的增益为－６.５ｄＢꎮ此标签天线增益和文献[１５￣１６]中提出的标签天线的增益都比较低ꎮ标签天线的增益取决于其电尺寸ꎬ而此标签天线的工作频率较低ꎬ即波长较大ꎬ因而其电尺寸较小ꎬ因此其增益就相对较低ꎮ将标签３２１第１期蒋开明ꎬ等:一类平面ＵＨＦＲＦＩＤ抗金属标签天线的设计天线置于２０ｃｍˑ２０ｃｍ的金属板上ꎬ实测得到标签天线在Ｅ面和Ｈ面的２Ｄ辐射方向图ꎬ见图６ꎮ可见ꎬ安放于金属平面上的标签天线在Ｅ面具有半球形辐射方向图ꎬ其主瓣很宽且具有半球形全向性ꎬ而在Ｈ面则接近全向ꎬ这有助于标签在大的空间角范围内被快速地识别ꎮ表１㊀标签天线的最优尺寸ｍｍ图５㊀最优尺寸标签天线的反射系数Ｓ１１和增益图６㊀２Ｄ辐射方向图㊀㊀ＵＨＦＲＦＩＤ标签天线的优势在于其识别范围大ꎬ因此其最大识别距离为最重要的设计参数ꎮ根据Ｆｒｉｉｓ公式[１７]ꎬ标签天线的阅读距离计算公式为ｒ＝λ４πＰＥＩＲＰＧτＰｔｈ(２)式中:ＰＥＩＲＰ为阅读器天线的等效全向辐射功率ꎻλ是天线的谐振波长ꎻＧ为标签接收天线的增益ꎻτ是标签天线与标签芯片之间的功率传输系数ꎻＰｔｈ为标签芯片的最小激活功率ꎮ因此ꎬ标签天线的最大阅读距离主要取决于Ｇ㊁τ和Ｐｔｈꎮ由文献[１８]可知ꎬ功率传输系数τ的公式为τ＝４ＲａＲｃＺａ＋Ｚｃ２(３)式中:Ｚａ＝Ｒａ＋ｉＸａꎬＺｃ＝Ｒｃ＋ｉＸｃꎬＲａ和Ｘａ分别表示标签天线的电阻和电抗ꎬＲｃ和Ｘｃ分别表示芯片的电阻和电抗ꎮ当功率传输系数τ＝１时ꎬ标签天线与芯片达到了完全的阻抗共轭匹配ꎬ标签天线的阅读距离最大ꎮ图７㊀制作的标签天线实物㊀㊀图７展示了根据最终的仿真结构优化参数制作的标签ꎮ采用ＶｏｙａｎｔｉｃＴａｇｆｏｒｍａｎｃｅ测量系统对设计的标签天线的性能进行测试ꎮ图８展示了是该测量系统的各部分的图片ꎮ它是ＲＦＩＤ行业内标志性的标签测试设备ꎬ具有频带宽㊁响应速度快等优点ꎬ能够精确测量ＵＨＦ标签的前向灵敏度㊁反向灵敏度㊁读取距离和方向图等一系列性能参数ꎮ该测量系统使用的阅读器天线的增益为８ｄＢꎬ用于发射无线电波来激活芯片和接收来自标签的反向散射信号ꎮ如图９所示ꎬ在暗室中将标签放置在２０ｃｍˑ２０ｃｍ的金属板中间进行测试ꎮ图１０为标签天线仿真与实测的阅读距离结果对比ꎮ根据式(２)计算可得ꎬ在９０２~９２８ＭＨｚ的ＵＨＦＲＦＩＤ频带内ꎬ标签天线的最大阅读距离为９.８ｍ(标签天线的读取距离采用有效各向同性辐射功率ＰＥＩＲＰ＝４Ｗ计算)ꎬ而在暗室里实测得到标签天线的最大阅读距离为９ｍꎮ实测得到标签天线的谐振频率为９０５ＭＨｚꎬ比仿真时谐振频率(９１５ＭＨｚ)低１０ＭＨｚꎮ产生以上差异的主要原因是测试环境和阅读器以及天线制作公差等因素的影响ꎬ但是该结果完全满足当前对ＵＨＦ标签天线的技术要求ꎮ为进一步检测标签天线的性能ꎬ将标签天线置于不同尺寸的金属板上测试其阅读距离(如图１０所示)ꎬ随着金属板的尺寸由１０ｃｍˑ１０ｃｍ增至２０ｃｍˑ２０ｃｍ㊁３０ｃｍˑ３０ｃｍꎬ标签天线的阅读距离在一定程度上逐渐增加但变化幅度并不太大ꎬ这说明标签天线的性能较为稳定ꎮ因此ꎬ本文设计的抗金属标签天线在金属表面具有较好的阅读性能ꎬ适合应用于对阅读距离㊁标签成本要求较高的金属环境中ꎮ㊀㊀将本文设计的抗金属标签天线与文献[１１ꎬ１５ꎬ１８￣２０]中的其他抗金属标签天线在尺寸和性能上进行比较ꎬ见表２ꎮ文献[１１]提出的基于开路短截线结构的平面ＵＨＦ抗金属标签天线其最小反射系数Ｓ１１为－１５ｄＢꎬ最大阅读距离可达６.５ｍꎬ其辐射方向图中交叉极化程度较小ꎬ在金属表面以上空间具有较好的方向性ꎬ但由于其厚度㊁长度都过大导致其体积也大许多ꎬ因此此标签无法应用在某些空间较４２１上㊀海㊀海㊀事㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷㊀。

抗金属rfid标签原理
抗金属RFID标签的原理是通过采用特殊的设计和结构来解决
金属材料对RFID标签的干扰问题。

一般的被动RFID标签是
基于电磁感应原理工作的，当射频信号被标签接收后，标签内的天线会感应到电磁场，并通过改变自身的电流来回复射频信号。

然而，当标签放置在金属表面上时，金属会对射频信号产生反射和干扰，使得标签无法正常工作。

为了解决这个问题，抗金属RFID标签通常使用以下几种技术：
1. 天线设计：抗金属RFID标签的天线通常采用特殊的结构，
例如将天线折叠或嵌入标签背面，以降低金属对信号的干扰。

2. 衬垫层：在标签和金属之间添加衬垫层，可以减少金属对射频信号的反射和干扰。

衬垫层一般由绝缘材料制成。

3. 引导层：部分标签还会添加金属引导层，可以将射频信号从金属表面引导到标签天线中，从而实现正常的通信。

4. 多天线技术：一些抗金属RFID标签会使用多个天线，并采
用多路径信号传输技术，以提高信号的传输效果。

通过以上技术的结合应用，抗金属RFID标签可以有效克服金
属对射频信号的干扰，实现在金属表面上的正常工作。

RFID抗金属标签天线设计及测量开题报告一、研究背景随着智能物联网技术的快速发展，RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术被广泛应用于物流、库存管理、跟踪等领域。

然而，RFID技术在应用中会受到环境影响，其中尤以金属干扰最为常见。

由于金属材质具有良好的导电性，会引发RFID技术的信号反射、干扰和信号丢失等问题，从而影响RFID技术的正常应用。

为了解决RFID技术在金属环境下的应用问题，需要开发设计一种能够有效抵抗金属干扰的RFID抗金属标签天线。

抗金属标签天线是一种新型的射频天线，具有可以消除金属反射信号的特点，因此能有效提高RFID技术在金属环境中的应用性能。

因此，本文将研究RFID抗金属标签天线的设计及测量，以提高RFID技术在金属环境下的应用性能。

二、研究内容1. RFID抗金属标签天线原理和设计本文将综合利用天线理论、电磁学原理和天线模型等知识，设计一种具有抗金属干扰特点的RFID标签天线，并对其原理进行解析。

同时，将根据实际应用需求，对标签天线的参数进行合理选择和优化，包括频率范围、天线大小、天线型号等。

2. RFID抗金属标签天线测量本文将利用天线测量技术，针对所设计的RFID抗金属标签天线进行实验研究。

针对天线的反射损耗、天线带宽、天线增益、阻抗匹配等关键参数进行测量、分析和优化。

通过实验数据的分析和处理，验证所设计的RFID抗金属标签天线的性能和实用性。

三、研究意义本文旨在通过对RFID抗金属标签天线的设计及测量研究，提高RFID技术在金属环境中的应用性能，为在物流、库存管理、跟踪等领域的RFID应用提供有效解决方案。

同时，还能促进天线理论研究的发展，丰富射频天线的设计和制造技术，提高射频天线的应用性能和效果。

四、研究方法本文将综合应用理论与实验相结合的方法，包括天线理论研究、天线仿真设计、天线制作、天线测量和实验数据分析等。

1. 天线理论研究通过图书文献和网络数据索引，汇总和阅读国内外有关RFID技术、抗金属标签天线和天线理论等方面的文献资料，了解相关技术的理论基础和发展现状。

一种新型UHF-RFID抗金属标签天线的设计与分析一种新型UHF RFID抗金属标签天线的设计与分析0 引言射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种利用无线射频方式进行非接触双向数据通信，以达到目标识别并交换数据的技术。

RFID系统一般由标签、读写器和计算机通信网络组成。

标签存储着待识别对象的相关信息，附着在待识别对象上。

通常电子标签符合IS018000-4与18000-6标准，本身无源，通过读写器的射频场获得能源，采用负载调制方式。

读写器利用射频信号读/写标签信息并进行处理。

PC机通过RS 232接口远程控制读写器。

读写器接到命令后，通过天线发送射频命令实现对标签的操作，同时接收标签返回的数据。

电子标签靠其内部天线获得能量，并由芯片(IC)控制接收、发送数据。

国内RFID系统使用的频段主要分为低频(135 kHz以下)、高频(13.56 MHz)、超高频(Ultra High Frequency，UHF)(860～960 MHz)和微波(2.4 GHz以上)等几大类。

目前越来越多的研究聚焦在了对UHF RFID系统的研究上。

由于电磁波会被金属反射导致普通电子标签在金属表面无法被正确识别，这一缺点严重限制了其在物流行业的广泛应用，因此UHF标签天线的抗金属性成为了研究的热点和攻克的难点。

本文在分析了金属对标签天线电磁场影响作用的基础上，提出了一种成本相对较低可用于金属环境的超高频RFID无源标签天线。

该天线将环形微带与偶极子结构结合实现了在金属环境下高增益的特性。

天线面积100 mmx40 mm满足了小尺寸金属环境的要求，具有较高的性价比。

1 金属对标签天线的影响射频识别系统工作原理图如图1所示。

研究金属物体对标签天线的影响，首先要考虑天线靠近金属时金属表面电磁场的特性。

根据电磁感应定理，这时金属表面附近的磁场分布会发生“畸变”，磁力线趋于平缓，在很近的区域内几乎平行于金属表面，使得金属表面附近的磁场只存在切向的分量而没有法向的分量，因此天线将无法通过切割磁力线来获得电磁场能量，无源电子标签则失去正常工作的能力。

无源超高频抗金属标签天线设计方法综述章国庆;蒋开明;特木尔朝鲁【摘要】射频识别( RFID)技术的不断发展，对标签天线提出了更高的要求。

普通标签天线直接应用于金属表面时，由于受到金属边界的影响，其性能会出现一定程度的下降。

详细介绍了4种无源超高频抗金属标签天线的设计方法，包括调整天线与金属面的间距、采用吸波材料、引入高阻抗表面基板、采用平面倒F天线( PIFA)或微带天线结构，并分析了每种方法的优缺点及其对标签天线的阻抗匹配、带宽、尺寸、识别距离以及成本等方面的影响。

微带贴片天线不仅具有低剖面、高方向性等优点，而且含有金属接地板，常用作抗金属标签天线的设计原型。

在抗金属标签天线的设计与实际应用中，研究者可针对具体要求灵活运用这些设计方法。

%With the development of radio frequencyidentification(RFID)technology,tag antennas are re-quired to possess higher performance. However,when a common tag antenna is directly placed on a metal surface,its performance degrades a lot due to the metallic boundary. For passive ultra-high frequency ( UHF) anti-metal tag antennas,this paper introduces four design methods including adjustingthe distance between antenna and metal surface, using absorbing material, introducing a substrate of high-impedance surface,and utilizing planar inverted-F antenna( PIFA) or microstrip antenna,and discusses each method's properties and influences on impedancematching,bandwidth,size,recognition distance and cost etc. Mi-crostrip antenna has not only low profile and high directivity,but also a metallic ground floor,so it is usual-ly used as the prototype of anti-metal tagantennas. According to specific requirements,these methods can flexibly be applied to actual anti-metal tag antenna design.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】9页(P704-712)【关键词】抗金属标签天线;微带贴片天线;吸波材料;高阻抗表面;阻抗匹配;设计方法【作者】章国庆;蒋开明;特木尔朝鲁【作者单位】上海海事大学文理学院，上海201306;上海海事大学文理学院，上海201306;上海海事大学文理学院，上海201306【正文语种】中文【中图分类】TN82射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)作为一种新兴的短距离无线通信技术,被广泛应用于工业自动化、医疗、交通运输控制管理等领域。