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基于LTCC技术的UHF+RFID标签天线设计

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电 波科 学 学报
第２３卷
出自身编码等应答信息。信息被读写器渎取并解码 后，传送至数据交换及管理系统处理，从而达到自动 识别物体的目的。作为ＲＦＩＤ系统的基本单元，标 签天线的性能将直接影响标签接收和发射信号的准 确性。
工作在ＵＨＦ频段的ＲＦＩＤ标签位于阅读器天 线辐射场的远区场内，标签与阅读器问的通信采用 电磁耦合方式，相应的阅读距离一般大于１ ｍ，最大 可达１０ ｍ以上［２］。目前，这个频段的标签大多采用 偶极子天线，且一般附于胶片、普通纸张等柔性衬底 上。由于基底材料的介电常数低、损耗高、介质性能 不稳定，使得天线的尺寸和增益等指标很难有所突 破，天线的性能存在不稳定性。此外，天线的制作工 艺与半导体集成电路工艺互不兼容，无法实现全集 成ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签。
摘 要ＲＦＩＤ标签天线的性能直接影响到整个系统的性能。传统制作方法及偶极
子结构使天线在尺寸、增益等重要指标上很难有所突破。依据所涉及的ＵＨＦ ＲＦＩＤ
系统的设计参数要求和标签天线高性能、小尺寸的目标，提出了一种基于ＬＴＣＣ技
术的新型片式天线结构。它由两层嵌入在ＬＴＣＣ基板中的金属线构成，平面尺寸仅
为Ｏ．８９ ｃｍＸ １．０１８ ｃｍ。测试结果证明，天线性能达到设计要求。此外，该天线具有
［４］Ｘｉａｎｍｉｎｇ Ｑｉｎｇ，Ｎｉｎｇ Ｙａｎｇ．Ａ ｆｏｌｄｅｄ ｄｉｐｏｌｅ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ＲＦＩＤ［Ｊ］．Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｙｍｐｏｓｉ。 ａｍ，２００４，ｌ（１）：２０－２５．
优良的辐射性能，但是由于天线结构本身和基板材 料性能的限制，使得天线的尺寸相对较大，更无法实 现全集成目标口一］。
ＬＴＣＣ材料克服了上述柔性天线基板材料的缺 点［５“］。充分利用ＬＴＣＣ材料介电常数高、损耗低 和介质性能稳定等特性，将使ＬＴＣＣ基片式天线具 有体积小、增益高、特性稳定等优异性能。本文采用 的ＬＴＣＣ基板型号为Ｆｅｒｒｏ Ａ６一Ｍ，其部分性能及设 计规则如表１所示：
３标签天线性能分析
采用ＡＤＳ中２．５Ｄ平面电磁仿真工具一Ｍｏ—
ｍｅｎｔｕｍ在０．８～１．０ ＧＨｚ频率范围内，对所设计
ＬＴＣＣ基ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签天线进行分析。天线输
入端馈线的特性阻抗为５０ｆｌ。
仿真得到该天线在９１５ ＭＨｚ频率下的输入阻
抗为４６．１６４＋ｊ５．１５７ｆｉ，反射系数Ｓ１１＝一２３．５ ｄＢ （＜一１０ ｄＢ），如图３所示。
ＲＦＩＤ系统中，读写器通过天线发送一定频率 的射频信号。当标签进入该区域时，标签天线从辐 射场中获得读写器命令，经标签电路处理，然后发送
＊收稿日期：２００７—１０—３１．
万☆Ｅ方－ｍ数ａｉｌ据：ｙａｎｇｅｒｗａｓ＠１２６．ｃｏｒｎ
基金项目：天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目（０７ＪＣＺＤＫＣ０６２００） ９８７
第２３卷 第５期
２００８年１０月
电波科学学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＤ！Ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ
文章编号 １００５—０３８８（２００８）０５—０９８７—０５
Ｖ０１．２３，ＮＯ．５
Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００８
基于ＬＴＣＣ技术的ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签天线设计
张 为 曾 燕☆
（天津大学电子信息工程学院，天津３０００７２）
１引 言
射频识别技术（ＲＦＩＤ）是一种新兴的自动识别 技术ｕ］，即通过无线方式进行双向数据通信，进而对 目标加以识别。典型的ＲＦＩＤ系统由电子标签、读 写器和相关软件组成。其中，标签由天线和电路部 分构成。由于ＲＦＩＤ标签和读写器之间无需物理接 触即可完成识别，因此ＲＦＩＤ系统可以工作在恶劣
环境中，并实现对多个运动目标的识别。至今， ＲＦＩＤ系统已成功地应用在诸多领域，如：物流与供 应管理，生产制造与装配，文档追踪与图书管理，身 份识别，运动计时，门禁控制与电子门票，道路自动 收费等。
仿真得到天线的方向性系数Ｄ一２．８７ ｄＢ及远 场方向图，如图４所示。可以看出所设计天线的三 维场型接近椭球形，具有很好的全向性。
０
１∞
图４天线的远场方向图
ＲＦＩＤ系统的工作频率为９１５ ＭＨｚ（Ａｏ≈３３
ｃｍ），根据读卡器发射功率Ｐ，和读卡器天线增益 Ｇ，，可得渎卡器的有效辐射功率（口ＲＰ）为只Ｇ，一
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＲＦＩＤ ｔａｇ ａｎｔｅｎｎａ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｉｐｏｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ，ｔｈｅ ｇａｉｎ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｎｔｅｎｎａ ｈａｒｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｆｕｒｔｈｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｕ ＨＦ ＲＦＩＤ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍｉｎｉｓｉｚｅ．ａ ｎｏｖｅｌ ａｎｔｅｎｎａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＴＣＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｏｆ ｔＷＯ ｍｅｔａｌ ｗｉｒｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ＬＴＣＣ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｌａｎａｒ ｓｉｚｅ ｏｆ ０．８９ ｃｍ×１．０１８ ｃｍ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｓ１ １ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ＶＳＷＲ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ａｒｅ ｅｑｕａｌ ｔｏ一２３．８ ｄＢ ａｎｄ １．１８９２ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｕｓ，ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉＳ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｏｖｅｒ ｔｗｏ ｍｅｔｅｒｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｏｍｎｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ ｅｔｃ．Ａｌｓｏ ＬＴＣＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍａｋｅｓ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＵＨＦ ＲＦＩＤ ｔａｇ ｐｏｓｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔａｇ ａｎｔｅｎｎａ；ＬＴＣＣ；ＵＨＦ ＲＦＩＤ
２００３，２：３１３－３１５．
［２］广东省无线电监测站．利用实时频谱分析仪发现ＵＨＦ 频段ＲＦＩＤ信号一例［Ｊ３．中国无线电，２００６，９：５５—５６．
［３３ Ｐ Ｒ Ｆｏｓｔｅ，Ｒ Ａ Ｂｕｒｂｅｒｒｙ．Ａｎｔｅｎｎａ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ＲＦＩＤ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥ Ｃｏｌｌｏｑｕｉｕｍ Ｏｎ ＲＦＩＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １９９９，（１０）：２５—２９．
全向性好，性能稳定等优点。ＬＴＣＣ技术也为实现ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签的全集成化奠定
了基础。
关键词 标签天线；ＬＴＣＣ；ＵＨＦ ＲＦＩＤ
中图分类号ＴＮ８２１＋．４
文献标志码Ａ
ＵＨＦ ＲＦＩＤ ａｎｔｅｎｎａ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＴＣＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ ＺＥＮＧ Ｙａｌｌ
４Ｗ，则在２ ｍ处的功率密度为
Ｓ一２—＿Ｅ■Ｉ了—Ｒ下Ｐ
（Ｌｌ１Ｊ）
４７ｃ广
其中ｒ为作用距离。计算得到Ｓ为０．０７９Ｗ／ｍ２。根据
天线的有效面积公式［１妇
Ａ一半
（２）
鼍７１＂
其中Ｇ为标签天线的增益，得到天线的有效面积为
０．０１７ ｍ２。由下式
Ｐｒ一垫ｊ堕
（３）
４７ｃ
可得标签天线的接收功率Ｐ，大Fra bibliotek为１．３４７ ｍＷ，大
９９０
基本吻合，制作样品符合设计要求。
电 波科 学 学报
第２３卷
５ 结论
设计了一种基于ＬＴＣＣ技术的新型结构片式 天线，并完成了制作。测试结果表明，该天线具有较 好的电压驻波比和回波损耗，可确保工作距离满足 ９１５ＭＨｚ ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签应用要求。
图５天线实体
（ａ）输入阻抗
、一 ＼
厂 ，＿、
ＣＥＮＴＥＲ ０１５ ００００００ ＧＨｚ
第５期
张 为等：基于ＬＴＣＣ技术的ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签天线设计
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负载情况，只需改变Ｌ形接地金属线的长度就可以 实现与负载阻抗匹配［８．９］。设计中还通过将辐射金 属线设计为螺旋绕线结构，将馈线设计为曲折线形 有效地减小天线面积。所设计天线的具体结构为： 在上层ＬＴＣＣ基板上制作螺旋形微带辐射单元、曲 折线形馈入金属线和Ｌ形接地金属线结构；在下层 ＬＴＣＣ基板上制作接地金属面，覆盖辐射单元以下 直至输入端的部分。天线的平面尺寸为０．８９ ｃｍ× １．０１８ ｃｍ，约为普通ｌＣ卡面积的１／５０。
片式天线结构。
卜——竺竺一ｌ
旋 辐
逼孔 接地增
■入埔
（ａ）俯视图
层微带金属线 接地金属面
（ｂ）剖面图 图２新型ＵＨ．ＦＲＦＩＤ标签天线
图１偶极子天线的基本结构
万方数据
该天线设计采用电磁场镜像原理，利用接地金 属面和偶极子天线的上半部分构成天线，从而得到 与偶极子天线相似的辐射性能［７］。天线主要由微带 辐射单元、天线的馈线和接地金属面组成。为了增 加整体天线的输入阻抗，在微带辐射单元的尾端，增 加一个Ｌ形金属线，将尾端接地。这样，根据实际
设计的天线应用符合ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００—６ Ｔｙｐｅ Ｂ协议的ＵＨＦ ＲＦＩＤ标签。其工作频率为９１５ ＭＨｚ，ＲＦＩＤ标签电路的输入阻抗为５０ｆｌ，激活功率 约为５００／ｔＷ，读卡器发射功率为４Ｗ，读卡器天线增 益为１，要求标签的工作距离大于２ ｍ。
２新型标签天线设计

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UHF频段RFID读写器天线小型化设计

UHF频段RFID读写器天线小型化设计

UHF频段RFID读写器天线小型化设计摘要：RFID天线通过贴片切角、挖方形槽以及接地板开十字形缝隙的方法来减小尺寸、实现圆极化和提高天线增益，通过对参数的优化仿真最终使天线轴比接近1dB，增益达到-0.69dB，尺寸比传统天线减小了21%，满足我国UHF 频段的要求。

关键词：RFID 微带天线圆极化贴片开槽小型化中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）10-0138-02Abstract：RFID patch antenna by Cutaway，dig a square cross open ground plate groove and ways to reduce the size of the gap，to achieve circular polarization and increase the antenna gain by optimizing the parameters of the final simulation antenna axial ratio close to 1dB，gain of -0.69dB，reduce antenna size than the traditional 21% to meet the requirements of the UHF band.Key Words：RFID；microstrip antenna；circular polarization；slotted patch；miniaturization根据读写器的类型可以把读写器分为以下三种：固定式读写器、便携式读写器、手持式读写器。

对于固定式读写器而言，影响他的关键因素是如何有效地传送功率来延长电池寿命，而极化方式和读写范围并不是十分重要。

便携式读写器中的读写器天线在设计的过程中主要受到尺寸和重量的限制，因此设计出可应用于其中的轻型小型化读写器天线至关重要。

UHF频段RFID读写器天线和标签天线的研究与设计的开题报告

UHF频段RFID读写器天线和标签天线的研究与设计的开题报告

UHF频段RFID读写器天线和标签天线的研究与设计的开题报告一、选题背景和意义随着物联网技术的快速发展和应用，无线射频识别（RFID）技术也得到了广泛应用。

尤其是在工业物流、零售管理、智能医疗、安防监控等领域，RFID技术的应用越来越广泛，其中UHF频段RFID系统应用较多，具有长距离传输、高防冲突、大规模标签管理等优势。

在UHF频段的RFID系统中，天线起着重要的作用，其优良性能直接影响到整个RFID系统的性能。

因此，对UHF频段RFID天线的研究和设计，具有重要意义。

本文旨在对UHF频段RFID读写器天线和标签天线的研究和设计进行探讨，为RFID技术的进一步推广提供技术支持。

二、选题内容和目标本文主要研究和设计UHF频段RFID读写器天线和标签天线，主要包括以下内容：1. UHF RFID系统概述：介绍UHF RFID系统的概念、组成和工作原理等内容。

2. RFID天线基础知识：介绍天线的种类、结构和参数等基础知识，为后续的设计提供理论支持。

3. RFID天线设计方法：介绍RFID天线设计的主要方法，如基于理论计算、基于仿真模拟和基于实际测试等方法。

4. RFID读写器天线设计：对UHF频段RFID读写器天线的设计进行分析和研究，着重考虑其天线增益、辐射方向和阻抗匹配等问题。

5. RFID标签天线设计：对UHF频段RFID标签天线的设计进行分析和研究，着重考虑其尺寸、形状、阻抗匹配和工作频率等问题。

本文的目标是通过对UHF频段RFID读写器天线和标签天线的研究和设计，提高RFID系统的性能和可靠性，并为RFID技术的应用提供技术支持。

三、研究方法和思路本文的研究方法主要包括理论计算、仿真模拟和实际测试三种方法。

1. 理论计算：通过对RFID天线理论知识的研究和应用，采用电磁场理论、电路分析方法等进行计算和分析。

2. 仿真模拟：利用各种电磁仿真软件对RFID天线进行模拟，分析其辐射特性、阻抗匹配等性能。

一款实用的UHF RFID标签天线设计

一款实用的UHF RFID标签天线设计

超高频标签天线快速设计标签天线设计指标与结构分析本论文所设计的天线就小型化，结构简单易加工，与相应的标签芯片共轭匹配，并且保持天线各项性能完全达到指标。

标签天线设计指标：1、天线阻抗与选用芯片阻抗共轭匹配；2、工作频带为920MHz，带内驻波比低于2；3、线极化，带宽内增益不低于2dBi，具有全向辐射特性；4、小尺寸，结构紧凑。

设计了如下标签天线，如图5.1所示：L1L2图5.1简易天线的结构天线结构介质基底所采用的为FR4材质，介质尺寸32×32(mm2)介电常数ε是4.4，厚度为0.4mm，损耗是0.02，芯片尺寸0.2mm*0.2mm，天线整体尺寸为2π⨯(mm3),弯折偶极子天线的参数尺寸如表5-1所示：12.50.4表5-1天线尺寸详细对照表天线的实物图如图5.2以及天线接上测试架的实物图，天线和测试架之间通过导电银胶粘连进行测试，如图5.3所示：图5.2 实物天线图5.3接上测试架的天线标签天线仿真及测试结果的分析本论文使用HFSS作为本文天线的仿真软件，以及测试所采用的仪器是安捷伦E8357A矢量网分仪，双端口S参数测试方法，以及设计标签天线依据的是IT 公司研发的UI型超高频RFID标签芯片。

测得该芯片在920MHz的阻抗约为1.9j198.4-Ω，标签天线的仿真结果和实际测试分析如图5.4所示，标签天线输入阻抗的虚部，位于谐振频率附近时，相对平坦，可以让标签天线与标签芯片在较宽的频段内实现共轭匹配，标签天线仿真的阻抗在920MHz 时阻抗约为1.87j 197.13+Ω，实测标签天线频率在920MHz 时的阻抗为2.07j 196.30+Ω，S 11相比于仿真结果，谐振频率向左偏移了2MHz 左右，不影响天线的实际应用，实测结果和仿真结果近似，能达到和芯片实现共轭匹配。

11S 用来描述标签天线和芯片间阻抗匹配程度，11S 如图5.5所示：输入阻抗Freq(MHZ)S 11(d B )Freq(MHZ)图5.4实测和仿真输入阻抗对比图 图5.5 S11实测和仿真数据对比图V S W RFreq(GHZ)图5.6 电压驻波比VSWR图5.4和图5.6反应了标签芯片和天线的阻抗匹配状况，由实测图的结果可以得天线在谐振频率918MHz处的回波损耗为-25.34dB，由图5.6得电压驻波比为1.107(1<VSWR<1.5)，由电压驻波比的值可以推算近97%的能量可以辐射出去，符合天线设计的要求。

一文读懂UHF RFID天线的设计技术

一文读懂UHF RFID天线的设计技术

一文读懂UHF RFID天线的设计技术本文提出了一种用抗金属的超高频射频识别标签天线，该天线适用于多标准超高频射频识别系统。

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。

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。

另一方面，当天线靠近金属时，其内部产生涡流的同时还会吸收射频能量转换成自身的电场能，使原有射频场强的总能量急剧减弱。