RFID标签天线的设计与测量

3天线设计实施例

为了更好地理理解本文RFID标签天线设计思想，下面通过一个具体设计工程实施例简单回顾一下整个设计过程。

3.1确立设计目标

确立设计目标是指针对应用需求分析转化为设计需求，从而确立设计目标。

例：开发设计一款用于美国市场药店瓶装药品盘点管理的标签，要求标签贴于药瓶标贴缝隙处，瓶子陈列于金属货架上，最大排列行数为6行，使用MOTO一款手持读写器要求达到1.5米稳定盘点。

对环境介质条件进行测试，得到设计比例系数为1.17-1.21，介质遮挡损耗最大为6dB。确定基本设计目标：

　　1、 标签天线尺寸4×50mm，

　　2、 设计频带1073-1104MHz，

　　3、 天线增益GEIRP>-2dB

　　4、 天线阻抗匹配系数>0.5

3.2建立设计模型

因标签天线尺寸较小，根据设计目标选用图3.1所示结构。为了有效增加天线臂宽度，标签天线采用对称式的双螺旋臂结构。由电磁感应定律中的楞次 定律知道，感生电流总是阻逆原生电流变化，由于天线臂螺旋结构使流经每个天线臂的电流环向相同，感生电流的阻逆作用产生叠加，相当于电流在天线臂的流速降 低，天线的谐振频率会较曲折臂和直臂天线降低。因此对称螺旋臂天线的长度相对传统的曲折臂天线臂长短，短臂天线在给定空间内可以增宽天线臂，使天线臂宽而 短。天线臂的长宽比越小，天线的阻入阻抗曲线越趋向平滑，与芯片的匹配带宽增大，因而标签的性能更稳定。

　　图3.1

3.3模型仿真与阻抗匹配调整

芯片输入阻抗已知在920MHz时为20-j145欧姆，则知天线设计阻抗目标为20+j145欧姆。套入天线等效测量技术则天线输入阻抗目标为：

　　Z=(20+j145)×1.19=23.8+j172欧姆

　　对应频率F=920×1.19=1095MHz

调整天线臂长度及闭合环的尺寸或凹陷程度使其在1095MHz时天线输入阻抗接近目标值，同时要考虑设计频带内(1073-1104MHz)阻抗波动值，控制波动范围。如图3.2通过天线调整后的天线输入阻抗曲线图。

　　图3.2

3.4模型制作与测试

设计定型后为了进一步确认设计符合性，可通过制作模型进行测试，确认与设计相符性。测试可分为天线模型测试和标签模型测试，天线测试可参照 2.3.2.所述方法进行确认天线模型样品与计算值的偏差。如图3.3(a)和图3.3(b)分别为空气环境下测试耦合功率曲线和贴于药瓶时测试耦合功率 曲线。由图可以看到模型样品的谐振频与设计基本一致，贴于药瓶时，频率变化比例为1.19亦符合。

　　图3.3(a)

　　图3.3(b)

标签性能可以通过读标签开启功率扫频法测试标签贴于药瓶时的读灵敏度，进一步可推算出标签在实际场景中应用时的读距。图3.4为扫频法测试的标 签实际应用中的读灵敏度。由灵敏度曲线图可知最佳灵敏度频段在895-920MHz，可满足目标频带应用，且灵敏度达应用要求。再通过模拟应用场景进行药 品盘点验证确认真实应用符合性。

　　图3.4

4天线匹配性的测量

标签天线会因加工工艺的偏差而产生参数偏差，芯片在绑定工艺中也会因绑定工艺产生不同的分布电容值，所以标签天线与芯片的匹配性往往与设计存在 一定偏差。为了优化匹配性，通常还要做匹配性测量。匹配性测量区别于标签性能测量，虽然测量匹配性的目的是为了优化标签性能，同时通过测量标签的性能也可 以反应出天线的匹配性，但匹配性测量更具有针对性，可以通过匹配性测量指导设计及工艺优化方向。

图4.1

如图4.1所示电路原理图是用于HF标签匹配性测量的测试选件电路，使用亥姆霍兹双线圈测试技术，

不仅可以测量标签谐振频率还可以测量出磁偶极矩和Q值。图4.2为一款HF标签产品匹配性能测试照片，可清楚地反应产品谐振频率及磁偶极矩大小。

　　图4.2

UHF标签可使用2.3.2中所述的磁探针耦合功率测试法。磁探针耦合功率测试法不仅可以对天线进行测试，也可以用于标签测试。可以清楚地反应出标签谐振频率，可以通过谐振频率进一步确定阻抗匹配情况及设计优化调整。

由磁探针耦合功率测试图谱知，标签谐振频率与天线芯片并联输入阻抗最大值相对应。可由天线输入阻抗、芯片输入阻抗及并联输入阻抗的关系，通过推算值确定匹配系数。另外附以由灵敏度测试曲线图，可确认匹配设计调整方向，优化匹配值，从而提高标签性能。

5结束语

应用于复杂介质环境下RFID标签，只要掌握了适合的设计方法，不仅易于达到预期的设计目标，还会使原本复杂的工作变得简单化，设计目标、设计 周期、设计成本透明化。不要再通过制作一大堆各种形状天线通过性能测试或试验，来选择适合的天线了，因为我们已经知道什么样的天线才是适合的。