CN102709688A - Rfid标签天线仿真设计方法及标签天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种RFID标签天线仿真设计方法及标签天线。本发明的RFID标签天线在芯片短路状态时，标签的本征频率与阅读器发射频率都是915MHz，此时标签谐振，标签回波最多，用于表示二进制1。芯片匹配状态时，标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，芯片获得最大输入功率，标签回波最少，用于表示二进制0。该RFID标签天线为单面结构，介质基板选用RF-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成。利用本发明设计的RFID标签天线，在RFID系统中应用，使得整个RFID阅读器对1和0的区分程度最好，调制比最大，阅读器的读取误码率也将达到最低，提高了可读性指标。

Description

RFID标签天线仿真设计方法及标签天线

技术领域

本发明涉及无线射频识别领域，特别涉及RFID标签天线仿真设计方法及标签天线。

背景技术

射频识别技术（RFID），通过无线射频方式进行非接触双向数据通信。RFID系统主要包括阅读器和标签两部分；标签由标签天线和芯片组成。通常RFID系统有两种工作模式，一是适用于低频、高频的电磁耦合模式；另一种是适用于超高频、微波波段的反向散射调制模式。从标签供电方式看，可分为有源式标签，无源式标签和半无源式标签三类。从标签天线的类型上看，可分为偶极子天线、微带天线和缝隙天线等等。标签芯片由于其内部结构，一般具有复阻抗，实部约为0Ω到80Ω左右，虚部一般约为-400Ω到-100Ω左右。这与设计输入阻抗为50Ω或75Ω的天线相比，增加了匹配难度。

应用于超高频段（860MHz-960MHz）的RFID标签，一般采用反向散射调制模式。芯片一般工作在短路和匹配两种状态之间，并将这两种工作状态的电磁散射分别定义为二进制的1和0。芯片通过两种状态的转换，将其内部数据流信息，调制为数字1和0进行通信。此原理类似于通信原理中的ASK调制。通常一个标签天线能否准确地将芯片内部的数据信息调制发射，取决于阅读器对这两种状态的区分程度，又称调制比。反向散射的原理基础是调制RCS。根据雷达原理，当电磁波被大小超过波长一般的物体所反射时，物体发射电磁波的效率可由其反射横截面（RCS）来体现。故可用芯片两种工作状态的反射截面的差值∆RCS来反应调制比会更直观。

目前，大多数RFID标签天线的设计者都只注重匹配和增益的设计，因为根据friis公式，功率传输系数和增益是影响RFID识别距离的最直观参数。当然小部分设计者，也会考虑查看天线的匹配和短路两种状态下∆RCS，但还仅仅限于查看阶段，并没有把∆RCS的最大化作为设计标签天线的一个重要指标，这就不能保证标签天线有最大调制比。随着，RFID应用领域不断扩展，人们对准确有效地识别芯片的携带信息，提高芯片可读性能的要求也越来越高。因此，芯片在匹配和短路两种状态转换时，设计标签的回波差值∆RCS达到极值，将有着不容忽视的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种RFID标签天线仿真设计方法及标签天线。

RFID标签天线仿真设计方法：

芯片短路状态时，标签的本征频率与阅读器发射频率都是915MHz，此时标签谐振，标签回波最多，用于表示二进制1，所述的短路状态是指芯片阻抗实部为零，虚部保留。

芯片匹配状态时，标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，此时芯片获得最大输入功率，标签回波最少，用于表示二进制0。

也就是说，标签满足：芯片短路状态时回波最多、芯片匹配状态时回波最少，∆RCS达到极值。

利用上述方法所设计的RFID标签天线：

该RFID标签天线为单面结构，介质基板选用RF-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成。

所述的主辐射体对称设置在谐振匹配单元两侧，所述的谐振匹配单元通过两根馈线与芯片连接。

所述的主辐射体呈凹口状，其靠近RFID标签天线中心的一边上部内凹，该边同时与谐振匹配单元和馈线连接。

所述的谐振匹配单元呈Π型，谐振匹配单元的横边与两侧的主辐射体不相连；谐振匹配单元的纵边与馈线连接。

RFID标签天线包覆有薄型透明材料，用于防止RFID标签天线被损坏。

本发明的有益效果：利用本发明设计的RFID标签天线，在RFID系统中应用，使得整个RFID阅读器对1和0的区分程度最好，调制比最大，阅读器的读取误码率也将达到最低，提高了可读性指标。

附图说明

图1是本发明的RFID标签天线的实施例的组成结构示意图。

图2是图1中RFID标签天线与芯片Monza4共轭匹配时，回波损耗的仿真图形。

图3是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j143Ω，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形。

图3（a）是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j143Ω，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。

图3（b）是图1中标签天线馈电端口阻抗设为11-j143Ω，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。

图4是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j145Ω（等价于1.2pF电容），入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形。

图4（a）是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j145Ω（等价于1.2pF电容），入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。

图4（b）是图1中标签天线馈电端口阻抗设为10-j145Ω（等价于10Ω电阻和1.2pF电容串联），入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。

图5是标准喇叭天线的回波损耗测量图形。

图5（a）是图1中标签天线馈电端口焊接1.2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标准天线的回波损耗测量图形。

图5（b）是图1中标签天线馈电端口串联10Ω贴片电阻和1.2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标签天线的回波损耗测量图形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的各实施例做详细的说明：所述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，RFID标签天线：该RFID标签天线为单面结构，介质基板1选用FR-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成。所述的主辐射体2-1和2-2对称设置在谐振匹配单元3的两侧，主辐射体2-1和2-2均经过四次矩形弯折，由五条弯折线组成；所述的谐振匹配单元3通过两根馈线（4-1和4-2）与芯片5连接；所述的主辐射体2-1和2-2均呈凹口状，其靠近RFID标签天线中心的一边上部内凹，该边同时与谐振匹配单元3和馈线（4-1和4-2）连接；所述的谐振匹配单元3呈Π型，谐振匹配单元3的横边与两侧的主辐射体不相连，谐振匹配单元3的纵边与馈线（4-1和4-2）连接；RFID标签天线包覆有薄型透明材料6，用于防止RFID标签天线被损坏。

首先，需要说明：本发明RFID标签天线是使用HFSS11电磁仿真软件设计的，在915MHz频率条件下，芯片的输入阻抗参考Monza4的单端模式阻抗11-j143Ω。

参见图2，是所述标签天线与芯片共轭匹配时的回波损耗。其中，介质基板厚度为1mm；主辐射体2-1的五条弯折线的总长为63.8mm；谐振匹配单元3的横边长为44mm，纵边长为1.7mm；谐振匹配单元3的横边与主辐射体最外侧边间距是0.975mm；所述标签天线，除馈线4-1和4-2宽度为1mm之外，其他所有线宽均为2mm。另外，由于主辐射体的四次弯折，以及所采用Π型结构的谐振匹配单元，在不同厚度、不同介电常数的介质基板上调节结构的各个尺寸，可以很方便地设计天线和较多芯片匹配。

参见图3，是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j143Ω，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形，即指芯片短路状态。从图中可以看出，标签在915MHz频点单站RCS最大，得出结论：此时标签谐振，回波最大。

参见图3（a），是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j143，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形；参见图3（b），是图1中标签天线馈电端口阻抗设为11-j143Ω，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。从图3（a）和图3（b）中我们可以计算得出：芯片两种工作状态的仿真∆RCS约为7.5dB。

其次，为了实物测量∆RCS，需要对芯片的短路和匹配两种状态的阻抗做一个近似：入射频率为915MHz时，选用工程上存在的1.2pF电容（阻抗为-j145Ω）代替芯片的短路状态（阻抗为-j143Ω）；选用10Ω电阻和1.2pF电容串联（阻抗为10-j145Ω），来替代芯片的匹配状态(阻抗为11-j143Ω)，

参见图4，是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j145Ω（等价于1.2pF电容），入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形，即指芯片短路状态。从图中可以看出，标签仍约在915MHz频点单站RCS最大，得出结论：此时标签谐振，回波最大。证明在入射波频率为915MHz的条件下，端口阻抗设置可以选用-j145Ω替代-j143Ω进行实物测量。

参见图4（a），是图1中标签天线馈电端口阻抗设为-j145Ω（等价于1.2pF电容），入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形；参见图4（b），是图1中标签天线馈电端口阻抗设为10-j145Ω（等价于10Ω电阻和1.2pF电容串联），入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。从图4（a）和图4（b）中我们可以计算得出：工程电阻和电容近似后，芯片两种工作状态的仿真∆RCS约为6.5dB。

最后给出RFID标签间接测量∆RCS的方案：在微波暗室中，将短路和匹配两个状态的标签天线，分别置于离标准喇叭天线相同距离的地方，用矢量网络分析仪观察两种状态下，标准天线回波损耗的差值，即可体现芯片处于短路和匹配时标签回波差值∆RCS。并基于本发明公开的标签天线，给出∆RCS仿真和测量的对比结果。

参见图5，标准喇叭天线的回波损耗。

参见图5（a），是图1中标签天线馈电端口焊接1.2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标准天线的回波损耗测量图形；参见图5（b），是图1中标签天线馈电端口串联10Ω贴片电阻和1.2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标签天线的回波损耗测量图形。从图5（a）和图5（b）中我们可以计算得出：工程电阻和电容近似后，芯片两种工作状态的测量回波差值∆RCS约为6dB。

综上所述，本发明公开的标签天线，在芯片阻抗经过工程近似之后：仿真的∆RCS为6.5dB；测量的∆RCS为6dB。仿真和测量结果存在一定的误差，这是由天线加工损耗、天线外部透明包层等不确定因素所造成的，但是主要性能趋势仍是存在的，可以说明该测量方案的可行性。

Claims (2)

1.RFID标签天线仿真设计方法，其特征在于：

芯片短路状态时，标签的本征频率与阅读器发射频率都是915MHz，此时标签谐振，标签回波最多，用于表示二进制1，所述的短路状态是指芯片阻抗实部为零，虚部保留；

芯片匹配状态时，标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，此时芯片获得最大输入功率，标签回波最少，用于表示二进制0；

也就是说，标签满足：芯片短路状态时回波最多、芯片匹配状态时回波最少，∆RCS达到极值。

2.RFID标签天线，其特征在于：该RFID标签天线为单面结构，介质基板选用RF-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成；

所述的主辐射体对称设置在谐振匹配单元两侧，所述的谐振匹配单元通过两根馈线与芯片连接；

所述的主辐射体呈凹口状，其靠近RFID标签天线中心的一边上部内凹，该边同时与谐振匹配单元和馈线连接；

所述的谐振匹配单元呈Π型，谐振匹配单元的横边与两侧的主辐射体不相连；谐振匹配单元的纵边与馈线连接；

RFID标签天线包覆有薄型透明材料，用于防止RFID标签天线被损坏。

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