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用于UHF频段的近场RFID椭圆分段环天线
作者：杨子江，曹亮，李秀萍
来源：RFID世界网
日期：2011-03-22 06:59:37
摘要：本文设计了一款用于UHF 频段的近场RFID 椭圆分段环天线。通过利用分段耦合结构，在其周长大于工作波长时，天线的表面电流依然保持同向；通过采用椭圆形结构，可以调整其磁场的范围。天线印刷在FR-4 介质板上并且安置在250mm×180mm×50mm 的金属腔体内。在860-871MHz 时，这款读写器天线能达到16.1cm 的读写距离以及8cm 的读写宽度，适合用于UHF 频段的RFID 读写器。
引言
射频识别技术（RFID）是一种非接触的自动识别技术，其工作原理是利用射频信号的空间耦合特性，实现对静止或移动的物品的自动识别。典型的RFID 系统包括标签、读写器、天线和中间件四个组成部分[1]。其中，天线作为标签和读写器提供射频信号空间传递的设备，是影响RFID 系统稳定性和可靠性的关键部分，因而天线设计受到人们极大的重视。通常，RFID 系统可根据其作用距离分为两种：近场系统和远场系统。一般情况下，用于低频（LF，125-134KHz）和高频（HF，13.56MHz）的近场RFID 系统都是基于电感耦合来实现读写器和标签间的能量的转换和数据的传输，而用于超高频（UHF，840-960MHz）和微波频段（2.4GHZ 和5.8GHz）的远场RFID 系统都是基于电磁场在读写器和标签之间的传播。近年来，由于RFID 在单品识别方面的应用日益受到重视，UHF 近场天线的设计技术也成为人们研究的重点[2]。
在近场识别系统中，一般读写器和标签都采用传统的金属线环形结构，这是因为电小环形天线（直径远小于其工作波长）能在天线的轴向上产生很强的磁场。电小环天线上方的磁场强度受天线直径的影响很大，当距离天线超过其直径的长度时，磁场就会迅速的下降。增大环天线的直径可以增加读写距离，但是由于半径增大，磁场的范围也会较大，同时当天线增大到周长接近其波长时，环上的电流会反向，此时天线就不能形成稳定的磁场；此外，环天线也很难匹配到50ohm[3-5]。
针对上述问题，本文设计了一款椭圆分段环天线用于单品识别。在这个结构中，利用两个相邻的平行金属线向下一段金属线提供串联电容，每个分段都可以看作是一段谐振线，这样就避免了电感的积累，从而解决了匹配的难题。同时，在谐振时，在每段上的电压都是实数，相位不会积累，所以可以在环上形成均匀同向的电流，从而在轴向形成很强的磁场。
1 天线结构介绍
椭圆分段环天线的结构如图1（a）所示。图中，天线的介质板为FR-4（厚度h=1.6mm，介电常数4.4，损耗角正切0.02）PCB 板。图1（b）给出了椭圆分段环天线的整体结构图，包括椭圆分段环，金属腔体，匹配电路三部分。图1（c）是天线的加工实物图。
当减小相邻金属线的间距或增大交叠部分的长度时，电容值将随之增大；通过调整适当的L(θ)和d，可使每段金属线的电感与其感应电容在中心频率处工作于谐振状态，从而避免了电流相位的累积。分段环近场天线设计成椭圆形，短轴的长度是d1 = 8cm，用来控制近场天线读取宽度；长轴的长度为d 2 = 15cm，用来控制天线的读取距离。
在图1（b）中，天线位于矩形金属腔体内部，天线距离金属腔体的底部为40mm，金属腔体上方开口，覆以塑料盖，大小为250×180×50mm3。金属腔体有两个作用：一是减少外界对天线的干扰；二是控制磁场在所需要的方向，增强磁场强度。但是金属腔体会使天线的Q 值增大，这将会增加匹配的难度，减小天线的带宽[6]，因而需要在天线输入端加上一个匹配电路，在这里使用集总元件连接成一个对称平衡的匹配电路[7]，将输入阻抗匹配到50ohm。
图 2（a）和图2（b）给出了椭圆环天线和椭圆分段环天线在866MHz 的表面电流分布。从图2（a）可以看出电流的空洞以及在顶部和底部电流的反向。图2（b）中，平行的相邻金属线之间的电容和金属线本身的电感使得这个大环天线的性能和小环天线类似，电流在椭圆分段环天线的分布依然同向并且可以形成很强的近场磁场。
天线的 S11 性能的实际测量结果如图3 所示，-10dB 带宽为11MHz（860-871MHz），能够完全覆盖欧洲标准的865-868MHz。
本文设计了一款椭圆分段环天线，用于对确定的高度和宽度的位置进行安全读取。该天线设计的关键点在于使得椭圆分段环上的电流保持均匀同向，并通过对椭圆环的长轴和短轴的调整，可以使这款天线在特定的读写距离和宽度内产生很强的磁场。因而这款天线适用于RFID 近场读写器的应用，在860-871MHz 的工作带宽内，具有16.1cm 的读写距离以及8cm的读写宽度。
作者介绍：北京邮电大学电子工程学院 杨子江，曹亮，李秀萍
射频识别技术（RFID）是一种非接触的自动识别技术，其工作原理是利用射频信号的空间耦合特性，实现对静止或移动的物品的自动识别。典型的RFID 系统包括标签、读写器、天线和中间件四个组成部分[1]。其中，天线作为标签和读写器提供射频信号空间传递的设备，是影响RFID 系统稳定性和可靠性的关键部分，因而天线设计受到人们极大的重视。通常，RFID 系统可根据其作用距离分为两种：近场系统和远场系统。一般情况下，用于低频（LF，125-134KHz）和高频（HF，13.56MHz）的近场RFID 系统都是基于电感耦合来实现读写器和标签间的能量的转换和数据的传输，而用于超高频（UHF，840-960MHz）和微波频段（2.4GHZ 和5.8GHz）的远场RFID 系统都是基于电磁场在读写器和标签之间的传播。近年来，由于RFID 在单品识别方面的应用日益受到重视，UHF 近场天线的设计技术也成为人们研究的重点[2]。
在近场识别系统中，一般读写器和标签都采用传统的金属线环形结构，这是因为电小环形天线（直径远小于其工作波长）能在天线的轴向上产生很强的磁场。电小环天线上方的磁场强度受天线直径的影响很大，当距离天线超过其直径的长度时，磁场就会迅速的下降。增大环天线的直径可以增加读写距离，但是由于半径增大，磁场的范围也会较大，同时当天线增大到周长接近其波长时，环上的电流会反向，此时天线就不能形成稳定的磁场；此外，环天线也很难匹配到50ohm[3-5]。
针对上述问题，本文设计了一款椭圆分段环天线用于单品识别。在这个结构中，利用两个相邻的平行金属线向下一段金属线提供串联电容，每个分段都可以看作是一段谐振线，这样就避免了电感的积累，从而解决了匹配的难题。同时，在谐振时，在每段上的电压都是实数，相位不会积累，所以可以在环上形成均匀同向的电流，从而在轴向形成很强的磁场。
1 天线结构介绍
椭圆分段环天线的结构如图1（a）所示。图中，天线的介质板为FR-4（厚度h=1.6mm，介电常数4.4，损耗角正切0.02）PCB 板。图1（b）给出了椭圆分段环天线的整体结构图，包括椭圆分段环，金属腔体，匹配电路三部分。图1（c）是天线的加工实物图。
图1 椭圆分段环RFID 读写器天线结构（a）椭圆分段环天线结构
（b）天线整体结构（c）加工实物图
当减小相邻金属线的间距或增大交叠部分的长度时，电容值将随之增大；通过调整适当的L(θ)和d，可使每段金属线的电感与其感应电容在中心频率处工作于谐振状态，从而避免了电流相位的累积。分段环近场天线设计成椭圆形，短轴的长度是d1 = 8cm，用来控制近场天线读取宽度；长轴的长度为d 2 = 15cm，用来控制天线的读取距离。
在图1（b）中，天线位于矩形金属腔体内部，天线距离金属腔体的底部为40mm，金属腔体上方开口，覆以塑料盖，大小为250×180×50mm3。金属腔体有两个作用：一是减少外界对天线的干扰；二是控制磁场在所需要的方向，增强磁场强度。但是金属腔体会使天线的Q 值增大，这将会增加匹配的难度，减小天线的带宽[6]，因而需要在天线输入端加上一个匹配电路，在这里使用集总元件连接成一个对称平衡的匹配电路[7]，将输入阻抗匹配到50ohm。
图 2（a）和图2（b）给出了椭圆环天线和椭圆分段环天线在866MHz 的表面电流分布。从图2（a）可以看出电流的空洞以及在顶部和底部电流的反向。图2（b）中，平行的相邻金属线之间的电容和金属线本身的电感使得这个大环天线的性能和小环天线类似，电流在椭圆分段环天线的分布依然同向并且可以形成很强的近场磁场。
图 2 电流分布对比（866MHz）
天线的 S11 性能的实际测量结果如图3 所示，-10dB 带宽为11MHz（860-871MHz），能够完全覆盖欧洲标准的865-868MHz。
图 3 椭圆分段环天线的S11 性能
图 4 Impinj UHF Button 近场标签
图 5 读取宽度测量结果
图6 椭圆分段环天线的增益随频率变化曲线
图7 XOZ，YOZ 平面上的增益图(866MHz)
本文设计了一款椭圆分段环天线，用于对确定的高度和宽度的位置进行安全读取。该天线设计的关键点在于使得椭圆分段环上的电流保持均匀同向，并通过对椭圆环的长轴和短轴的调整，可以使这款天线在特定的读写距离和宽度内产生很强的磁场。因而这款天线适用于RFID 近场读写器的应用，在860-871MHz 的工作带宽内，具有16.1cm 的读写距离以及8cm的读写宽度。
作者介绍：北京邮电大学电子工程学院 杨子江，曹亮，李秀萍
