章國慶，蔣開明，特木爾朝魯

(上海海事大學(xué) 文理學(xué)院，上海201306)

1 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療、交通運輸控制管理等領(lǐng)域。射頻識別系統(tǒng)主要由標簽、讀寫器、通信與接口中間層以及進行數(shù)據(jù)接收、交換和管理的應(yīng)用管理系統(tǒng)組成［1］。應(yīng)用于集裝箱、汽車、武器裝備等一系列金屬表面的標簽天線，由于牽涉到商品適用性以及環(huán)境適應(yīng)性等復(fù)雜問題，已成為標簽天線研究與設(shè)計領(lǐng)域中的重點和難點。首先，閱讀器發(fā)射的電磁波會使金屬物體內(nèi)部形成渦流，渦流產(chǎn)生感生磁場，其磁力線方向與入射電磁波方向相反，因而它不僅削弱了入射電磁場，而且在識別區(qū)也造成一定的干擾;其次，金屬邊界條件導(dǎo)致金屬表面的磁力線分布趨于平緩，近似平行于金屬表面，當(dāng)標簽被貼附于(或靠近)金屬表面時，天線無法通過“切割”磁力線使標簽獲得足夠的電磁能量［2］;第三，當(dāng)天線與金屬板距離很近時，鏡像電流會與天線上的電流相互抵消，從而導(dǎo)致天線的阻抗性能急劇變化;第四，金屬表面對天線加感的影響會導(dǎo)致輻射電阻減小，輻射效率降低。此外，無源標簽的芯片與天線直接相連，它們的輸入阻抗都是頻率的函數(shù)，兩者的共軛匹配程度將直接影響標簽的性能。當(dāng)普通標簽直接應(yīng)用于金屬表面時，上述原因?qū)?dǎo)致天線的讀寫距離大幅度縮短，方向性、輻射特性及增益等都受到很大的影響。因此，如何根據(jù)實際情況，從天線外部環(huán)境或者天線自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合天線原理，設(shè)計一款性能優(yōu)越的超高頻(Ultra－ High Frequency，UHF)RFID 抗金屬標簽天線就成為RFID 技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題。

2 抗金屬標簽天線的發(fā)展背景

1999年，F(xiàn)oster 等人［3］發(fā)現(xiàn)金屬物體對射頻、微波波段的RFID 標簽的阻抗匹配和輻射模式的影響最為顯著。2005年，Dobkin 等人［4］研究了幾種類型的標簽天線在靠近不同物體時天線的阻抗、方向圖、輻射效率發(fā)生的變化，并指出標簽靠近金屬表面時閱讀距離下降的主要原因在于垂直于入射方向的電場減弱，且需要滿足金屬邊界條件。2006年，Griffin［5］采用無線鏈路預(yù)算(Radio Link Budgets)的方法測得折疊偶極子標簽天線在金屬鋁板表面的衰減達到了10 dB以上。2007年，Aroor 等人［6］用實驗的方法研究了無源UHF RFID 標簽天線在靠近金屬物體時性能的變化，表明UHF 近場標簽天線并不能解決標簽天線的金屬問題。2013年，Xi 等人［7］通過理論和全波仿真研究了基板厚度對抗金屬標簽的影響。

在天線設(shè)計方面，許多學(xué)者也提出了可行的方法。

(1)1999年，Sievenpiper［8］提出將高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)運用到標簽天線的設(shè)計中，高阻抗表面是從基板的設(shè)計入手，通過限制表面波的傳播來提高天線的增益，減小天線的尺寸。隨后，電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)結(jié)構(gòu)［9］和人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)結(jié)構(gòu)［10］在天線基板中逐漸得到應(yīng)用。

(2)類偶極子天線很早就應(yīng)用于RFID 中。2007年，Sim 等人［11］利用EBG 結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款偶極子型抗金屬標簽。2013年，李榮強等人［12］利用兩個彎折偶極子天線實現(xiàn)了寬頻帶。

(3)2004年，Hirvonen 等人［13］就提出將PIFA應(yīng)用到RFID 中。此后，許多學(xué)者［14－16］接連發(fā)明了各種PIFA。

(4)微帶天線性能優(yōu)越且具有金屬接地板，故在抗金屬標簽天線的設(shè)計中最為常見。2005年，Ukkonen 等人［17］研究了金屬面大小與微帶貼片天線性能的關(guān)系。隨后，針對微帶天線在帶寬、阻抗匹配等方面的不足，學(xué)者們提出了許多有意義的改進方法［18－20］。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，抗金屬標簽天線已經(jīng)取得了長足的進步，其中，微帶貼片、開路線結(jié)構(gòu)、可彎曲陶瓷聚合物基板、曲面共形、無芯片、嵌入金屬內(nèi)部等方面的標簽，以其小體積、低成本及其大規(guī)模生產(chǎn)和特殊應(yīng)用范圍等方面的特點，必將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域逐步展現(xiàn)它們獨特的優(yōu)勢。RFID 技術(shù)在軍事和商業(yè)中應(yīng)用不斷增多，也對抗金屬標簽天線提出了小型化、寬頻帶、高識別率、低成本及平臺適應(yīng)性等一系列要求。與此同時，天線各參數(shù)之間的“矛盾”，還需要進一步深入研究。

3 抗金屬標簽天線設(shè)計方法

3.1 調(diào)整天線與金屬面的間距

閱讀器發(fā)出垂直于金屬表面的詢問信號，經(jīng)反射后與來波疊加形成駐波，標簽與金屬邊界的距離為零處電場幅值最小，距離為四分之一波長處電場幅值最大。因此，當(dāng)標簽距離金屬表面四分之一波長時，標簽天線可獲得最大的能量，標簽的閱讀距離將會有所提高。文獻［21］通過適當(dāng)選取天線和金屬板的距離，使得彎折偶極子天線能夠較好地應(yīng)用于集裝箱表面。采用泡沫等低介電常數(shù)的填充介質(zhì)將天線提高至四分之一波長處，除了能提高一定的讀寫距離［22］，還能在一定程度上改善天線的帶寬。這種方法原理簡單，但也存在兩點不足:一是增大天線與金屬表面的間距會增加天線的整體體積，適應(yīng)性較低，安裝不方便;二是不同標簽天線的性能不相同，不同基材的性質(zhì)亦不相同，對每種甚至每個天線都要通過多次試驗才能確定最佳位置，因而給實際應(yīng)用帶來了諸多不便。

3.2 采用吸波材料

當(dāng)標簽直接貼在金屬表面時，由鏡像電流和干擾信號導(dǎo)致的天線輻射效率的降低在一定程度上可采用吸波材料來克服［23］。電磁吸波材料能阻止金屬表面的高頻反射波。將吸波材料置于標簽和金屬板之間，當(dāng)高頻能量通過吸波材料時，會與材料中的吸波介質(zhì)發(fā)生磁環(huán)路諧振以及環(huán)路的渦流損耗，最后以熱能形式損耗掉，即共振吸收。由于沒有反射波的干擾，標簽的性能會有一定程度的提高。吸波材料的種類很多，常見的有鐵氧體吸波材料、泡沫吸波材料等。吸波材料性能優(yōu)越，多用于航天設(shè)備和微波暗室中，但較高的成本使其很難在標簽設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。

3.3 引入高阻抗表面基板

當(dāng)標簽天線貼在金屬表面時，其性能的下降與表面波的存在有關(guān)。一方面，表面波將電磁能量束縛在介質(zhì)層周圍，使電磁波無法輻射，降低了天線的輻射效率;另一方面，表面波會在介質(zhì)斷截面處發(fā)生輻射與繞射，導(dǎo)致天線的方向圖產(chǎn)生波紋［8］。高阻抗表面是一種超材料結(jié)構(gòu)，在一定頻率范圍內(nèi)體現(xiàn)磁壁特性，其頻率范圍取決于結(jié)構(gòu)的基本幾何特性。高阻抗表面可以抑制貼片天線中表面波的傳播，進而提高標簽天線的定向增益，減小后向輻射和旁瓣電平，在一定程度上使天線保持較薄的厚度。因此，高阻抗表面既可以改善天線的性能，又可以使普通標簽天線(類偶極子天線)正常工作于金屬表面。EBG 結(jié)構(gòu)基板和AMC 結(jié)構(gòu)基板都具有高阻抗表面，因此在抗金屬標簽天線中得到了廣泛應(yīng)用。

所謂EBG 結(jié)構(gòu)，就是通過合理地選擇介質(zhì)的尺寸、材料和形狀，讓一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中排列成周期性結(jié)構(gòu)。特定的EBG 結(jié)構(gòu)不僅能抑制特定頻帶的電磁波的傳播，而且在特定頻率下能夠?qū)Ψ瓷洳ǖ南辔贿M行特定的調(diào)制。最典型的EBG 結(jié)構(gòu)是蘑菇狀結(jié)構(gòu)［24］。用由兩層(具有金屬過孔的)金屬貼片陣列、兩層電介質(zhì)材料與一層金屬地板構(gòu)成的EBG 材料制成的接地板在915 MHz附近有一個禁帶隙，它不僅能抑制表面波的傳播，而且可以同相地反射電磁波，從而使得位于其上的偶極子天線能夠正常工作。當(dāng)電磁波垂直入射于此EBG 材料板時，其表面阻抗

式中，ω 是入射波頻率，該結(jié)構(gòu)的上層可視為等效電容C，連接下金屬地板的過孔可視為等效電感L，整個表面結(jié)構(gòu)類似于一個集總回路。當(dāng)諧振時，表面阻抗無窮大，可以有效地抑制表面波的泄漏。

AMC 結(jié)構(gòu)由三部分組成，如圖1所示，底部是理想電導(dǎo)體(Perfect Electric Conductor，PEC)地板，最上層是周期性排列的金屬貼片，兩者之間填充介質(zhì)，而且金屬貼片與地板之間由一個金屬過孔相連。AMC 結(jié)構(gòu)基板除了能抑制表面波的傳播、同相位地反射垂直入射的電磁波，還可以抑制金屬表面對天線電流的短路效應(yīng)，這些優(yōu)點保證了天線具有良好的性能［25］。

圖1 AMC 基板示意圖Fig.1 Schematic diagram of AMC substrate

AMC 結(jié)構(gòu)的等效電路模型如圖2所示。上層金屬貼片間的等效電容為Cequ，金屬過孔及地板形成的等效電感為Lequ，它們組成了一個并聯(lián)諧振電路，其諧振頻率即為AMC 結(jié)構(gòu)的中心頻率。等效電容和等效電感可表示為

式中，L 為方形貼片的邊長，W 為AMC 結(jié)構(gòu)單元的尺寸，ε1為頻率選擇層介質(zhì)的介電常數(shù)，ε2為嵌入金屬過孔的介質(zhì)的介電常數(shù)，g 為上層貼片之間的縫隙距離，h 為上層頻率選擇性表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)和下層地板之間的介質(zhì)層的高度。于是AMC 的諧振頻率為

圖2 AMC 結(jié)構(gòu)等效電路Fig.2 The equivalent circuit of AMC structure

由EBG 材料或AMC 材料制作的基板一般具有小型化、高增益和平臺容忍性3 個優(yōu)點。

(1)小型化

在AMC 結(jié)構(gòu)中，縫隙寬度變窄，等效電容會增大，則諧振頻率變小;介質(zhì)層厚度變薄，等效電感會減小，則諧振頻率增大。因此，減小縫隙寬度(即減小整個基板的表面尺寸)，同時降低介質(zhì)層的厚度，即可實現(xiàn)AMC 基板的小型化。Sharma 等人［26］通過中間金屬層和縫隙結(jié)構(gòu)來提高等效電容和等效電感，實現(xiàn)了天線尺寸的小型化。

(2)高增益

與一般的標簽天線相比，EBG 或AMC 材料的引入使得標簽天線的背瓣降低，從而提高了天線的輻射增益，增大了標簽的識別距離。文獻［27］采用AMC 材料基板實現(xiàn)了低剖面天線，在最小敏感度為－17 dBm條件下測得識別距離達到12.2 m。

(3)平臺容忍性

不僅要求標簽天線能抗金屬，而且需要天線降低對環(huán)境的耦合。EBG 和AMC 材料基板僅從具體結(jié)構(gòu)出發(fā)來實現(xiàn)標簽天線的抗金屬特性，體現(xiàn)了它對天線的容忍性。大多數(shù)抗金屬標簽在設(shè)計之初就考慮到金屬的影響，因而造成其在一般物體表面性能有不同程度的下降，因此第二種容忍性體現(xiàn)為對環(huán)境的容忍性。Zuffanelli 等人［28］通過AMC 材料實現(xiàn)了應(yīng)用于光盤上的抗金屬標簽，并證實其具有良好的平臺容忍性。

一般的高阻抗表面具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這使得加工困難，而且也增加了制造成本，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、成本低廉的EBG 或AMC 材料成為抗金屬標簽天線領(lǐng)域中嶄新的研究方向。

3.4 采用PIFA 或微帶天線

微帶天線或PIFA 需要金屬接地板，因此可將金屬表面作為其地平面，從而達到抗金屬的效果。此外，微帶天線具有高方向性、體積小、重量輕、輪廓低、容易加工、價格低等優(yōu)點。因此，采用微帶天線設(shè)計抗金屬標簽天線是最常用的方法。微帶天線初始尺寸可通過以下公式確定。設(shè)基板厚度為H，介電常數(shù)為εr，天線諧振頻率為f，則等效輻射貼片寬度W 為

式中，c 為光速。天線輻射貼片的長度一般取λe/2，λe為介質(zhì)中的波長:

考慮到邊緣的短路效應(yīng)，實際的長度L 應(yīng)為

式中，εe為等效介電常數(shù)，ΔL 為等效輻射縫隙長度:

不同于研究天線的外部環(huán)境，利用微帶貼片天線來設(shè)計抗金屬標簽天線，則更加關(guān)注于天線自身結(jié)構(gòu)對阻抗匹配、帶寬及小型化等方面的影響。

3.4.1 阻抗匹配

(1)T 型匹配網(wǎng)絡(luò)

微帶天線采用共面匹配網(wǎng)絡(luò)可以使天線保持平面結(jié)構(gòu)和低剖面。在抗金屬標簽天線中，常用的T型匹配屬于并聯(lián)匹配類型，其結(jié)構(gòu)由輻射單元及彎折結(jié)構(gòu)組成，可看成是兩個不同尺寸、相互平行的耦合偶極子天線，如圖3所示。T 型匹配的等效電路如圖4所示，該結(jié)構(gòu)在保持天線輻射單元不變的條件下，通過改變匹配網(wǎng)絡(luò)的尺寸a、b、w 及w'來調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，即可實現(xiàn)天線與芯片之間的共軛匹配。

圖3 T 型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of T－match network

圖4 T 型匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路Fig.4 The equivalent circuit of T－match network

(2)開路或短路短截線結(jié)合嵌入式饋電

恰當(dāng)長度的開路或短路短截線能提供任意電抗或電納值，因此，在微帶天線中引入開路或短路短截線結(jié)構(gòu)可調(diào)整微帶天線的阻抗。

采用短截線結(jié)構(gòu)的微帶天線其阻抗主要靠饋電嵌入深度與短截線的長度來調(diào)節(jié)。嵌入式饋電的標簽天線的輸入阻抗為

式中，ZA為邊緣饋電的天線阻抗值，Linset為嵌入的深度。由式(10)可知，增加嵌入的深度Linset可以降低天線的輸入阻抗，若嵌入深度過大，則會引起交叉極化，影響輻射方向圖的形狀。

短路短截線多用于匹配具有較大電抗的芯片，且其長度在小于四分之一波長時，天線輸入阻抗的虛部值會隨著其長度的增加而增加。此外，調(diào)節(jié)短路過孔與芯片之間的距離在一定程度上也可以調(diào)節(jié)標簽天線的阻抗。

與短路短截線相比，開路短截線阻抗調(diào)節(jié)范圍較大且適用于具有較小電抗的芯片。對于確定虛部的芯片，采用開路短截線比用短路短截線要長四分之一波長，但開路短截線可以采用彎折等方法降低天線的總體尺寸。此外，采用開路短截線設(shè)計的微帶天線是完全平面結(jié)構(gòu)，無需過孔或短路墻，用導(dǎo)電油墨加工，可大大降低成本。開路短截線結(jié)構(gòu)的缺點是天線帶寬較窄。

吳庭萬［29］提出了一種適用于金屬表面的、具有完全平面結(jié)構(gòu)的微帶標簽天線，如圖5所示。通過加載感性負載，提高了天線的帶寬;采用開路線結(jié)構(gòu)，可在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻抗。天線整體結(jié)構(gòu)簡單，有效地降低了制作成本。

圖5 彎折開路線結(jié)構(gòu)的標簽天線Fig.5 Tag antenna with bending open－circuited stub

(3)其他饋電方式

圖6所示的臨近耦合饋電屬于電感耦合饋電方式，因此可在標簽天線中引入電感效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)一般由輻射單元與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，標簽芯片多位于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上。電感的強度(耦合度)由該結(jié)構(gòu)中環(huán)的尺寸及環(huán)長與寬的比值決定，天線輸入阻抗的虛部主要與環(huán)的尺寸有關(guān)。Ryoo 等人［30］提出了一種基于臨近耦合饋電結(jié)構(gòu)的抗金屬標簽天線，該天線的3 dB帶寬為32.2%(799～1093 MHz)，識別距離超過10 m。

圖6 臨近耦合饋電結(jié)構(gòu)Fig.6 Proximity－coupled feed structure

縫隙耦合饋電［31］多用于平面偶極子天線和微帶貼片天線中，該方式通常是在接地板上開一定形狀的縫隙，天線的電抗值隨縫寬的減小而逐漸變小。該饋電方式最大的特點是隔離了輻射貼片與微帶饋線之間的輻射，使得微帶線的輻射不會對輻射貼片形成干擾。當(dāng)基板具有高介電常數(shù)時，縫隙耦合饋電方式有很強的共軛匹配能力。此外，合適的縫隙還可以實現(xiàn)天線的小型化及多頻特性。

3.4.2 寬頻帶

EPC C1G2 規(guī)定的UHF RFID 全球頻率范圍為860～960 MHz，而世界各地使用的頻率范圍都不一樣。此外，用微帶天線或PIFA 設(shè)計的抗金屬標簽天線的3 dB帶寬一般只有15～20 MHz，這在很大程度上限制了標簽的應(yīng)用范圍。為應(yīng)對全球物流的不斷發(fā)展，寬帶抗金屬標簽天線是一大發(fā)展趨勢，并且較寬的頻帶能對由不同材料、加工誤差引起的天線諧振頻率漂移和阻抗變化起到一定的緩和作用。

(1)減小天線的Q 值

微帶天線屬于諧振式天線，品質(zhì)因數(shù)較高，因此增益較高，閱讀距離也較遠，但高品質(zhì)因數(shù)往往導(dǎo)致微帶天線的帶寬比較窄。

降低天線的Q 值可以增加天線的帶寬。降低Q值的一般方法是增大基板厚度，或者采用相對介電常數(shù)較低的基板。這些方法雖然簡單有效，但會導(dǎo)致天線的輪廓變大。

(2)提高阻抗匹配的程度

阻抗匹配的程度直接影響帶寬，尤其當(dāng)偏離諧振頻率時，天線輸入阻抗的電抗分量的改變將導(dǎo)致阻抗失配。因此，要實現(xiàn)標簽天線的寬頻帶特性，就必須使標簽天線的阻抗在一定的頻帶范圍內(nèi)保持在芯片的共軛阻抗值附近。除了前文提及的方法外，縫隙耦合寄生貼片、L 型探針饋電和T 型探針饋電都可以在實現(xiàn)阻抗匹配的同時增大帶寬。

(3)開縫或開槽

微帶天線中常采用開槽的方法實現(xiàn)雙頻和增大帶寬。開槽(縫)就是在微帶天線輻射面上嵌入合適的隙縫，用以激發(fā)新的諧振頻率來展寬帶寬，一般經(jīng)開槽后，微帶天線的帶寬可以增大到原來的2～3倍，從而大大改善了微帶天線帶寬窄的缺點，同時還保留了微帶天線小型化及低輪廓的特征。常見的槽或縫隙有U 形、L 形和E 形等。Bashri 等人［32］利用電感耦合饋電網(wǎng)絡(luò)對兩個C 形貼片饋電，實測3 dB帶寬達到了155 MHz。Lin 等人［33］提出了一種頻率可重構(gòu)的抗金屬標簽天線，也可認為是展寬頻帶的一種方法。

3.4.3 小型化

天線的輻射效率與其電尺寸成比例，電尺寸越大則輻射效率越高。在實際的應(yīng)用中，很多環(huán)境對抗金屬標簽的尺寸都有嚴格的要求，為提高天線的輻射效率，應(yīng)充分利用有限的設(shè)計空間。

一般要求微帶天線的有效長度為諧振波長的一半，某些領(lǐng)域無法滿足小型化的需要，因此需進行一些必要的改進。PIFA 尺寸小，但PIFA 的制造較為復(fù)雜，成本也高。在微帶貼片天線和PIFA 的設(shè)計中，有下面幾種方式可實現(xiàn)小型化。

(1)采用高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的介質(zhì)作為天線基板

如矩形微帶天線其諧振頻率為

結(jié)合式(8)和式(11)知，為保證天線的諧振頻率不變化，增加εr就必須相應(yīng)地減小天線尺寸，但較高的εr會導(dǎo)致天線的Q 值很大，并造成天線帶寬變窄、匹配困難等問題。因此，在高介電常數(shù)基板上設(shè)計易于匹配、寬帶和高增益的微型化標簽天線就顯得非常重要。同樣，采用高磁導(dǎo)率的基板也有類似效果，但仍有天線帶寬變窄、表面波增強等缺點。

高介電常數(shù)基板不僅可以減小天線的尺寸，而且還能提高金屬和天線間的隔離度。陶瓷材料因具有介電常數(shù)高、損耗值低的優(yōu)點逐漸在抗金屬標簽天線的設(shè)計中得到應(yīng)用。文獻［34］利用了陶瓷材料和PIFA，在很大程度上實現(xiàn)了天線的小型化。

(2)曲流技術(shù)

貼片表面或接地板的槽或細縫使電流繞著槽邊曲折流過，增加了電流路徑，在天線等效電路中相當(dāng)于引入了級聯(lián)電感，降低了天線的諧振頻率。為保證天線的諧振頻率不變，必然要減小貼片的尺寸(即減小等效電容值)。

槽或縫隙不會改變天線原有的結(jié)構(gòu)，保持了天線低剖面的特點。此外，選擇適當(dāng)?shù)牟劭梢约顦O化簡并模，以實現(xiàn)雙頻工作。雖然曲流技術(shù)應(yīng)用廣泛，但槽或縫的尺寸過小會引起帶寬和增益的減小。

(3)短路加載技術(shù)

常見的短路加載有短路銷釘、短路金屬面與短路片。在天線貼片與接地面之間接短路單元，使得微帶貼片在電位零線處形成對地短路，可以使半波微帶貼片的電長度從二分之一波長縮減為四分之一波長。對于PIFA，在靠近同軸探針饋電點附近加載短路探針并在零電位線處對地端接，也具有同樣的效果，而且短路探針和同軸饋電探針距離很近，形成強耦合，等效于加載了一個電容，從而降低了天線諧振頻率，進一步減小貼片尺寸。加載短路銷釘?shù)娜秉c主要有匹配困難(銷釘?shù)奈恢眉捌渑c饋電點的距離需要精確定位)、帶寬窄、H 面交叉極化電平相對較高、成本增加、天線輻射效率大大降低(天線的輻射邊減少了一半)。因此，短路加載技術(shù)的應(yīng)用范圍有限。

(4)采用分形結(jié)構(gòu)

分形天線具有分數(shù)維特性和自相似性兩個顯著特點［35］，在天線的設(shè)計中則體現(xiàn)為尺寸縮減特性和多頻段特性。分形結(jié)構(gòu)的自相似性決定了電流分布的自相似性，因此可以提高天線的功率容量和阻抗帶寬。在有限的空間區(qū)域內(nèi)，如果天線采用分形幾何結(jié)構(gòu)，那么隨著分形維數(shù)的增加，曲線的總長度也不斷增加，就會導(dǎo)致天線具有多頻特性。文獻［36］利用分形結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗金屬標簽天線尺寸僅為36.7 mm×18.1 mm×3.2 mm。由此可見，分形天線在減小天線尺寸方面具有很大的潛力。

4 展 望

閱讀器天線一般為圓極化，標簽天線多數(shù)為線極化，這樣有利于識別，但存在極化損失。理論上，如果標簽天線也是圓極化的，則接受的能量可提高3 dB，最大閱讀距離可增大41%。因此，圓極化抗金屬標簽天線發(fā)展前景良好。如圖7所示，Chen 等人［37］在方形貼片中央嵌入了一個十字形槽用以激發(fā)圓極化，同時一個L 形開路線連接到芯片的一個引腳，芯片另一端通過一個容性耦合的短路探針連接接地板，選擇合適的微帶線長度和耦合距離，可以方便實現(xiàn)阻抗匹配。圓極化天線需要解決帶寬窄的缺點。

圖7 圓極化抗金屬標簽天線Fig.7 Anti－metal tag antenna with circular polarization

采用單個天線是造成閱讀距離短的一個原因。陣列天線具有高方向性、高增益等優(yōu)點，因此陣列抗金屬標簽天線也逐漸得到了研究和應(yīng)用。文獻［38］將陣列天線交叉連接到芯片上，在866 MHz及915 MHz實現(xiàn)了雙頻。目前，陣列天線基本上都位于同一個平面內(nèi)，整體體積較大，與小型化相違背。

抗金屬標簽天線多為平面結(jié)構(gòu)，難以彎曲，因此應(yīng)用于曲面的共形標簽天線成為另一個研究熱點。Cho 等人［39］提出的由導(dǎo)電織物和易彎曲的聚四氟乙烯材料構(gòu)成的寬帶抗金屬標簽天線適合用于曲面物體上，兩個臺階結(jié)構(gòu)的槽不僅能夠調(diào)節(jié)天線阻抗，還能獲得84 MHz的帶寬。Jain 等人［40］研究了標簽天線在金屬圓柱物體表面的性能，發(fā)現(xiàn)標簽沿著軸線放置比圍繞圓柱表面放置性能好，尤其在半徑較小時。

無芯片標簽早在2006年就被提出，且在節(jié)約成本方面有著巨大的潛力。表面聲波標簽采用時域模塊編碼信息并發(fā)射信號，但區(qū)域編碼比特有限。另一類無芯片標簽利用諧振結(jié)構(gòu)將信息編碼成頻譜，具有信息存儲大、識別距離遠、費用低的優(yōu)點，但天線尺寸隨信息量的增大而劇烈增加。隨后，兩個垂直極化的天線結(jié)構(gòu)、基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的無芯片標簽［41］相繼出現(xiàn)。Rezaiesarlak等人［42］采用space－time－frequency 防沖突方法來識別極點和區(qū)分處于不同位置的標簽，為提升無芯片標簽的性能提供了一定的依據(jù)。

抗金屬標簽天線與算法的結(jié)合也引起了人們的研究興趣［43］。嵌入金屬內(nèi)部的標簽［44］適用于絕密軍事裝備或高昂油井鉆頭內(nèi)部，無法拆卸和仿制，今后必將成為標簽領(lǐng)域的研究重點。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)概念的推廣、射頻識別技術(shù)的不斷發(fā)展對標簽天線提出了新的要求。金屬邊界使普通標簽天線的阻抗匹配、帶寬和輻射方向圖等性能出現(xiàn)不同程度的下降。本文從外部環(huán)境和天線設(shè)計出發(fā)，詳細介紹了4 種無源超高頻抗金屬標簽天線的原理及設(shè)計方法，在分析各方法優(yōu)缺點的同時，討論了其對標簽天線各方面的影響，最后展望了無源超高頻抗金屬標簽天線在今后比較具有潛力的發(fā)展方向，以期為從事此方面研究的人員提供參考。

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