杨 凯

（厦门致联科技有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

超高频（Ultra-High Frequency，UHF）射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术以其非接触、无源低成本、高速大量读取等优势，被广泛运用于物联网底层的感知技术中[1-2]。近年来，无人零售超市、智慧餐饮和智能图书馆等物联网+应用的兴起，使得RFID系统在单品级无漏读的基础上，对误读性提出了更高要求，无疑是对RFID近场天线设计的一项新挑战。

对于RFID的UHF频段近场天线，它与标签天线之间的耦合机制可分为电感耦合（磁耦合）和电容耦合（电耦合），耦合性能受背景环境中的物体电参数影响。无人零售系统中某些液体产品具有较高的介电常数，普通电场耦合标签读取性能将会受到较大影响。同时自然界中绝大部分物体磁导率为1，采用以磁耦合原理设计的标签，对于液体环境也会有较好的读取性能。

近场天线的工作原理也可分为磁场耦合和电场耦合两种。UHF频段磁耦合天线原理与HF频段天线原理[3]类似。文献[4-5]利用分段耦合环天线的结构，实现了均匀的磁场分布。对于为增加阅读区域而总体尺寸大于半波长的近场天线，由于其上电流的反相，在天线内部也将产生磁场削弱区域，使得内部磁场分布不均匀。采用分段耦合结构，每段天线单元上的电流相位一致，避免了因大尺寸而造成的磁场削弱，对磁场感应型标签具有良好的近距离读取效果。文献[6-8]针对电场感应型标签，通过降低读写器发射功率或者采用人为失配的标签天线来实现近距离读取。但是，对于存在两种耦合形式标签的场景，为保证电场耦合形式标签的读取率且降低功率，将会造成大量磁耦合标签的漏读，无法达到实际应用的要求。Qun Wu[9]利用渐变锥形双边微带线（TDSPSL）馈电的结构，实现了天线表面均匀的分布磁场，感应面积仅为144 mm×144 mm，且天线未添加电流衰减单元。该天线仅对磁感应标签能控制良好的读取范围，对电场感应型标签的读取范围仍与远场天线类似。

本文设计了一款基于TDSPSL的均匀磁场分布和水平全向低增益的近场天线，天线尺寸大小为φ200 mm×1.6 mm，涵盖金属反射板总体尺寸为300 mm×300 mm×21.6 mm。利用TDSPSL结构对5个绕成环状的偶极子天线进行中心馈电，在较大的平面尺寸范围内得到了均匀的磁场分布。TDSPSL末端的电阻加载单元扩展了天线带宽，抑制了天线的辐射性能，对于磁耦合和电场耦合两种类型的标签都有良好的近距离读取效果。

1 天线结构的确定及参数优化

文中所述天线结构如图1、图2所示。天线由双边带状线馈电单元、环状偶极子辐射单元及电阻加载单元3部分组成。天线印制于圆形FR4介质基板上，介电常数εr为4.4，损耗角为0.02，厚度为1.6 mm。其中双边带状线的两边及每对偶极子的两臂分别印制在介质基板的上下两层，且偶极子臂绕至成圆环状。本文中天线采用5对偶极子以保证磁场在较大平面内的均匀分布。介质基板的双边带状线上流经等幅反相电流，其辐射场可忽略不计。每个环形偶极子上的电流相位保持一致，使得该环形内部能产生较均匀的磁场分布。同时在馈电线末端进行电阻加载，可有效吸收大部分来自馈源的能量，从而获得较为理想的低增益值。天线馈电方式为底轴，同轴探针和外皮分别与天线上下层单元相连。为实现天线单向辐射，在天线下方20 mm处设置金属反射板，直径为300 mm。

图1 天线俯视图

图2 天线侧视图

天线形式确定后，本文利用软件对所述天线的参数进行优化，以保证天线具备良好的电气指标，现列举部分优化过程如下：

1.1 加载电阻R0的优化与选择

利用仿真软件，本文对负载端电阻阻值R0进行步进调试，仿真结果如图3所示。

图3 加载电阻R0对S11的影响

由图3可以看出，随着电阻阻值的加大，谐振频点向高频端移动，带宽逐渐变窄。为保证谐振频点尽量接近RFID的中心频点915 MHz和足够的带宽，本文最终选定R0=62Ω作为加载电阻值。

1.2 TDSPSL参数W1和W2的优化与选择

如图4、图5所示。

图4 参数W1对S11的影响

图5 参数W2对S11的影响

加载电阻值一定时，天线谐振频点受TDSPSL两端长度的影响，W1的值增大，谐振频点向低频端移动，而W2的值增大，谐振频点向高频端移动。为保证天线谐振频点接近RFID的中心频点，本文最终选定W1=0.6 mm、W2=2.8 mm作为最终参数值。

按照上述过程，本文得到最终天线优化结果，其参数如表1所列。

表1 天线优化参数

2 仿真优化及实测分析

在完成天线参数优化后，本文利用三维电磁仿真软件对天线结构进行仿真。图6、图7给出了距离天线表面高度分别为3 cm和5 cm的平面上，在300 mm×300 mm的区域内法向磁场强度（Hz）的二维分布图。其中，天线轮廓处表示天线上表面的偶极子环金属辐射部分。可见在偶极子环内部具有均匀的磁场分布，表明该天线具有良好的近场性能。

根据近场天线设计和电磁近远场变换规则，要使得天线具有较为均匀的近场特性，其远场增益应尽可能小。图8给出了该天线位于远场的天线增益情况。可以看到，天线的远场增益达-9 dBi以下，也从侧面反映了所设计天线具有优良的近场性能。

图6 天线正上方3 cm处Hz分布

图7 天线正上方5 cm处Hz分布

图8 天线增益方向图

根据仿真优化认定的最终天线参数，制作了天线样品实物，如图9所示。采用矢量网络分析仪对天线S11参数进行测试，天线回波损耗测试与仿真结果如图10所示。可以看出，天线的工作频段较宽，-10 dB频率范围为790～1 067 MHz，绝对带宽277 MHz，覆盖了全球RFID通用频段（840～960 MHz），说明本文天线具有良好的频率特性。

图9 天线实物

图10 天线S11实测与仿真结果

为进一步验证该天线的近场读取性能，本文采用Impinj M6e模块读写器构建如图11所示的测试环境来读取标签。读写器输出功率为30 dBm，测试标签分别为电场感应型标签ZL001和磁感应型标签Impinj J41。

图11 近场天线读取测试场景

在此本文对2款RFID标签进行测试，如图12所示，分别为电场感应型标签（上）和磁场感应型标签（下）。将标签距离天线一定高度，对此高度内的平面读取范围进行测试。测试场景如图11所示，磁感应标签测试数据和电场感应标签测试结果如图13、图14所示。

图12 电耦合型与磁耦合型RFID标签

图13 磁感应型标签距离天线高度与读取范围测试

图14 电感应型标签距离天线高度与读取范围测试

图13显示了当高度z分别为0 cm、2 cm、2.5 cm、5 cm、9 cm和11 cm时，平面内天线对磁场感应型标签J41的读取范围。在距离天线面高度为0 cm的平面内，标签可读大致区域为直径23cm的圆，且不存在盲区。随着标签距离天线垂直距离的不断加大，标签可读范围不断缩小至最远读距处。可见，存在小部分的空读区域，与预期结果较为吻合。

图14显示了高度0 cm、25 cm和50 cm时，不同高度平面内天线对电场感应型标签的读取范围。对于电场感应型标签，标签测试读距为50 cm，标签可读平面区域基本控制在距离天线边缘50 cm以内，较好地实现了电耦合型标签的近场读取。

3 结 语

设计了一款宽带RFID近场天线，总体尺寸为300 mm×300 mm×21.6 mm。在偶极子绕至的环形内部，存在较为均匀的磁场分布，并通过添加加载电阻，实现了水平全向低增益，实测阻抗带宽277 MHz（790～1 067 MHz）。测试结果表明，设计的天线对电感耦合和电容耦合型标签都有良好的近场读取效果。

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