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：L1L2L3L4W1W2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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212.50.4(mm3),弯折偶极子天线的参数尺寸如表5-1所示：表5-1天线尺寸详细对照表尺寸参数L1L2L3L4W1W2大小单位（mm）1817162240.5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，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1.87j197.13，实测标签天线频率在920MHz时的阻抗为2.07j196.30，S11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：860880900920940960050100150200250输入阻抗Freq(MHZ)meaimmearesimimsimre860880900920940960-26-24-22-20S11(dB)Freq(MHZ)mea(S11)sim(S11)图5.4实测和仿真输入阻抗对比图图5.5S11实测和仿真数据对比图0.80.91.01.101.151.201.251.301.351.401.45VSWRFreq(GHZ)VSWR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(1VSWR1.5)，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。天线的3D方向增益图如图5.7所示：天线的方向图具有全向性特性，辐射增益达到8dBi左右。由图5.8，天线在方向图上半圆和下半圆，皆具有较好的全向特性。图5.7天线三维辐射方向图图5.8天线辐射方向图介质的尺寸和材质对天线性能的影响本论文没有针对天线的各个尺寸参数进行分析，一方面是所设计的天线本身就是一款结构简易，易于加工的天线，若写出各个参数分析，不具备实际的应用价值；第二方面标签天线在实际应用中，会接触到各种不同的复杂环境，如：衣服polyester即涤纶材质，polyethylene（聚乙烯）以及常用的FR4材质等等。介质的不同尺寸对天线参数S11的影响，如图5.9所示：860880900920940960-26-25-24-23-22-21-20-19S11(dB)Freq(MHZ)abcd图5.9不同尺寸大小—S11a为28*28，b为29*29，c为32*32，d为34*34（单位mm2），根据图5.9能得出随着介质尺寸的增大，谐振频率向右偏移，对应的阻抗变化如图5.10所示：根据5.10图的变化可以看出，随着尺寸的变大，天线复数阻抗的实部变化很小，主要是围绕在阻抗的虚部在变化，且是一种变小的趋势。860880900920940960020406080100120140160180200220输入阻抗Freq(MHZ)a(im)b(im)c(im)a(re)b(re)c(re)图5.10不同尺寸大小对应的输入阻抗对比图介质厚度H对天线S参数的影响如图5.11，对天线输入阻抗（实部和虚部）的影响变化如图5.12和5.13,天线厚度H1H2H3H4H5，H1为0.2mm，H2为0.25mm，H3为0.3mm，H4为0.4mm，H5为0.45mm。860880900920940960-26-25-24-23-22-21-20S11(dB)Freq(MHZ)H5H4H3H2H1图5.11介质厚度H对天线谐振频点的影响对比图860880900920940960170180190200210220230240输入阻抗虚部Freq(MHZ)H5H4H3H2H1图5.12天线输入阻抗介质厚度H的变化对应的虚部阻抗的变化860880900920940960-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10输入阻抗实部Freq(MHZ)H5H4H3H2H1图5.13天线输入阻抗介质厚度H的变化对应的实部阻抗的变化图由图5.11所知天线的谐振频点随着介质厚度H的增加向左偏移；而由图5.12虚部阻抗随着介质厚度H的增加而增加；由图5.13，介质厚度H越大，天线输入阻抗的实部也相应线性增加。接着分析介质材质对本节设计天线性能参数的影响，材质为FR4，介电常数和损耗分别为4.4、0.02；polyester（涤纶）的介电常数和损耗分别是3.2和0.008；polyethylene（聚乙烯）介电常数和损耗分别是2.25和0.001。其S11对比图如图5.14，输入阻抗的变化对比如图5.15所示：860880900920940960-25.92-24.96-24.00-23.04-22.08-21.12-20.16S11(dB)Freq(MHZ)FR4polyesterpolyethylene860880900920940960056112168224输入阻抗Freq(MHZ)FR4imPOLYESTERrePOLYESTERimFR4rePOLYELENEimPOLYELENEre图5.14不同材质的S11对比图图5.15不同材质的输入阻抗变化对比根据图5.14可知，所用介质材质的介电常数越小时，谐振频率向右偏移；而材质的介电常数越大，则其输入阻抗的虚部也越大，实部相对变化较小（几乎无差异）。