趙文婧++楊蓉++厲丹++吳雙江

摘 要： 為了對(duì)內(nèi)含鋁箔的卷煙包裝進(jìn)行防偽識(shí)別，設(shè)計(jì)了一種無(wú)源超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)。該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可印刷于煙盒表面，并能與包裝的金屬拉線(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化，增強(qiáng)標(biāo)簽的防偽性能。采用Ansoft HFSS軟件建模仿真，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)輸入阻抗的影響。優(yōu)化后的結(jié)果表明，該天線(xiàn)具有較高的增益、較遠(yuǎn)的讀取距離、良好的方向性和阻抗匹配特性，且?guī)捘軌蚋采w915 MHz UHF RFID頻段范圍。制作標(biāo)簽樣品并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明：實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果較吻合，讀取距離可達(dá)8 m，能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

關(guān)鍵詞： 超高頻； 射頻識(shí)別； 抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)； 阻抗匹配； 卷煙包裝

中圖分類(lèi)號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0072?06

Design of UHF RFID anti?metal tag antenna for cigarette package

ZHAO Wenjing1， YANG Rong2， LI Dan1， WU Shuangjiang3

（1. School of Information and Electrical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221000， China；

2. Shanghai ZTE Software Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China； 3. Department of Flight Support Command， Air Force Logistics University， Xuzhou 221000， China）

Abstract： A passive UHF RFID anti?metal tag antenna was designed for anti?counterfeit identification of the cigarette pa?ckage containing aluminum foil. The antenna has simple structure， and can be printed on the surface of the cigarette package and integrated with the package′s metal wire structure to enhance the anti?counterfeiting performance of the tag. The Ansoft HFSS software is used for modeling and simulation. The influences of the main structure parameters on input impedance of the tag antenna are analyzed. The optimal results show that the antenna has high gain， far read range， good directivity and impedance matching characteristics， and the bandwidth of the tag antenna can cover the UHF RFID frequency band range of 915 MHz. A tag sample was produced and tested practically. The results show that the actual measurement result is match to the simulation result， the read range can reach up to 8 m， and the antenna can meet the requirement of the practical application.

Keywords： UHF； RFID； anti?metal tag antenna； impedance matching； cigarette package

0 引 言

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其中，超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）技術(shù)因具有較遠(yuǎn)的讀取距離被廣泛應(yīng)用于交通、物流、防偽等各種領(lǐng)域。在UHF RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽一般為無(wú)源被動(dòng)式標(biāo)簽，僅由天線(xiàn)和芯片組成，標(biāo)簽芯片正常工作所需的能量是通過(guò)天線(xiàn)接收讀/寫(xiě)器發(fā)射的射頻信號(hào)獲得的，因此，標(biāo)簽天線(xiàn)在保證系統(tǒng)效率和可靠性方面扮演著極為重要的角色。

在很多實(shí)際應(yīng)用中，RFID標(biāo)簽需要貼附于金屬物體表面，或直接印刷并集成于金屬物品的包裝介質(zhì)上。但是，普通UHF RFID標(biāo)簽應(yīng)用于金屬表面時(shí)，由于金屬的邊界條件，標(biāo)簽的讀取距離會(huì)迅速縮短，甚至不能被讀取，標(biāo)簽天線(xiàn)的輻射效率、輸入阻抗、增益、方向圖等都會(huì)受到很大的影響，導(dǎo)致標(biāo)簽的整體性能下降[1]。因此，抗金屬UHF RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)已成為國(guó)內(nèi)外各相關(guān)企業(yè)、高校和科研院所研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2?3]提出通過(guò)調(diào)整標(biāo)簽天線(xiàn)與金屬表面的距離來(lái)減小金屬邊界的影響，但這種處理方法使得天線(xiàn)的體積大大增加，不方便固定在物體表面上，只適用于對(duì)標(biāo)簽厚度要求不嚴(yán)格的應(yīng)用環(huán)境中。文獻(xiàn)[4?5]提出在微帶貼片天線(xiàn)的接地面使用周期性的EBG（Electromagnetic Band Gap，電磁場(chǎng)帶隙）結(jié)構(gòu)以抑制特定頻帶的電磁波傳播，從而減少旁瓣電平，提高增益，改善天線(xiàn)的性能，但其缺點(diǎn)在于制作過(guò)于復(fù)雜，生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)困難。文獻(xiàn)[6?8]提出的PIFA天線(xiàn)（Planar Inverted?F Antenna，平面倒F天線(xiàn)）可以將金屬表面作為其接地板，并將接地板與貼片連接在一起，成為輻射天線(xiàn)的一部分，從而達(dá)到抗金屬的效果，克服了微帶天線(xiàn)在某些領(lǐng)域無(wú)法滿(mǎn)足小型化的缺點(diǎn)，但其性能取決于被貼附物體的特性，比如電導(dǎo)率和物體尺寸，并且有些PIFA天線(xiàn)利用陶瓷作為介質(zhì)層，成本相對(duì)較高。

在卷煙包裝盒中，一般采用鋁箔進(jìn)行防潮，保持煙草的香味，這一金屬背景對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的影響為普通RFID標(biāo)簽的讀取帶來(lái)了困難。目前設(shè)計(jì)的抗金屬標(biāo)簽大多需要金屬接地板，導(dǎo)致標(biāo)簽芯片和接地板不在包裝介質(zhì)的同一個(gè)表面上，限制了標(biāo)簽的應(yīng)用，不易集成。事實(shí)上，金屬環(huán)境是可以被利用的，在設(shè)計(jì)某些類(lèi)型天線(xiàn)時(shí)，需要一個(gè)金屬面作為能量反射器改變天線(xiàn)的輻射模式，這時(shí)金屬的存在是必要的。本文設(shè)計(jì)了一款可印刷并集成于香煙盒表面的UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)，該天線(xiàn)無(wú)需金屬接地板，并能與包裝的金屬拉線(xiàn)一體化，拉線(xiàn)拆封標(biāo)簽即毀，進(jìn)一步增強(qiáng)了標(biāo)簽的防偽性能。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

普通天線(xiàn)通常要求設(shè)計(jì)與[Za=9.89+j60.2 Ω]或[50 Ω]的饋線(xiàn)匹配，其輸入阻抗為實(shí)數(shù)。而UHF RFID標(biāo)簽芯片的阻抗一般為復(fù)阻抗，由1.1節(jié)分析可知，設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線(xiàn)時(shí)，其輸入阻抗必須滿(mǎn)足與標(biāo)簽芯片阻抗共軛匹配的原則，并且不同芯片的阻抗值是任意的。因此，UHF RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)比普通天線(xiàn)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，有必要討論主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響。

（1） [W]對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗隨[W]的變化曲線(xiàn)如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)[W]分別取77 mm，82 mm和87 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部基本不變，虛部隨[W]的增加而減小。但由于受到煙盒寬度的限制，[W]僅能增加到87 mm，因此[W]對(duì)輸入阻抗的調(diào)節(jié)范圍有限，其值選取煙盒的寬度87 mm。

（2） [L]對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗隨[L]的變化曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)[L]分別取128 mm，129 mm，130 mm和131 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部和虛部均隨[L]的增加而增加。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)[L]的長(zhǎng)度有效地將天線(xiàn)輸入阻抗的實(shí)部和虛部的大小向相同方向調(diào)節(jié)。

（3） [La]對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗隨[La]的變化曲線(xiàn)如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)[La]分別取19 mm，20 mm，21 mm和22 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部和虛部也均隨[La]的增加而增加，但[La]比[L]對(duì)曲線(xiàn)的影響幅度要小一些。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)[La]的長(zhǎng)度微調(diào)天線(xiàn)的輸入阻抗。

（4） [Ls]對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗隨[Ls]的變化曲線(xiàn)如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)[Ls]分別取19 mm，20 mm，21 mm和22 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部基本不變，虛部隨[Ls]的增加而增加。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)[Ls]的長(zhǎng)度單獨(dú)調(diào)節(jié)天線(xiàn)的電抗值。

（5） [Ld]對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗隨[Ld]的變化曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)[Ld]分別取20 mm，25 mm，30 mm和35 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部隨著[Ld]的增加而減小，虛部隨[Ld]的增加而增加。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)[Ld]的長(zhǎng)度將天線(xiàn)輸入阻抗的實(shí)部和虛部的大小向相反方向調(diào)節(jié)。

（6） [b]對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響

標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗隨[b]的變化曲線(xiàn)如圖8所示。從圖中可以看出，當(dāng)[b]分別取2 mm，6 mm和10 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部隨著[b]的增加而增加，虛部隨[b]的增加而減小，但變化幅度不大。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)[b]的大小配合[Ld]微調(diào)輸入阻抗。

綜上所述，可得到調(diào)節(jié)天線(xiàn)的輸入阻抗以達(dá)到和所選芯片阻抗共軛匹配的方法：通過(guò)調(diào)節(jié)[L]的長(zhǎng)度將天線(xiàn)輸入阻抗的電阻和電抗的大小向相同方向調(diào)節(jié)，并輔以[La]進(jìn)行微調(diào)；通過(guò)調(diào)節(jié)[Ld]的長(zhǎng)度將天線(xiàn)輸入阻抗的電阻和電抗的大小向相反方向調(diào)節(jié)，并輔以[b]進(jìn)行微調(diào)；當(dāng)電阻滿(mǎn)足要求而電抗不滿(mǎn)足時(shí)，還可通過(guò)調(diào)節(jié)[Ls]的長(zhǎng)度單獨(dú)調(diào)節(jié)天線(xiàn)的電抗值。

2.2 優(yōu)化后的天線(xiàn)仿真結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)次數(shù)值仿真和優(yōu)化，圖2中定義的標(biāo)簽天線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：[L=129] mm，[W=87] mm，[La=20] mm，[Wa=23] mm，[Ls=20] mm，[Ws=3] mm，[Ld=]25 mm，[Wd=]15 mm，[a=]2.5 mm，[b=]2 mm。

天線(xiàn)在915 MHz頻率處的輸入阻抗值為[Za=9.89+j60.2 Ω，]非常接近RI_UHF_00001_01芯片阻抗的共軛值，代入式（5）可得[τ≈0.999 7，]說(shuō)明該天線(xiàn)具有良好的阻抗匹配特性。

圖9為仿真優(yōu)化后得到標(biāo)簽天線(xiàn)的回波損耗結(jié)果。從圖中可以看出，該天線(xiàn)諧振在915 MHz，諧振峰值[S11]為-71.13 dB。其-10 dB工作頻段范圍為902～929 MHz，帶寬為29 MHz，所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線(xiàn)能夠覆蓋北美UHF（902～928 MHz）以及我國(guó)UHF（920～925 MHz）RFID頻段范圍，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中的需要。

標(biāo)簽天線(xiàn)在915 MHz處的二維及三維輻射方向圖如圖10所示，天線(xiàn)的最大增益可達(dá)到3.01 dB，且輻射方向具有近半球輻射特性，能夠滿(mǎn)足標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)原則。

將915 MHz頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)[λ≈0.33]m，讀寫(xiě)器有效全向輻射功率[EIRP=4]W，標(biāo)簽芯片靈敏度[Pth=]-13 dBm，標(biāo)簽天線(xiàn)的增益[Gr=]3.01 dB，以及[τ≈0.999 7]代入式（2）中，可得標(biāo)簽理論最大閱讀距離為[Rtag≈10 ]m。

3 標(biāo)簽的制作與測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線(xiàn)的性能，作者在香煙盒上制作了測(cè)試標(biāo)簽，如圖11所示。已有實(shí)驗(yàn)證明，由導(dǎo)電油墨印刷出的天線(xiàn)和采用銅蝕方法刻出的天線(xiàn)在超高頻（860～950 MHz）發(fā)射頻率下具有同樣的性能[11]。因此，在沒(méi)有RFID標(biāo)簽印刷設(shè)備的條件下，制作測(cè)試天線(xiàn)時(shí)使用單面導(dǎo)電的銅箔膠帶粘貼在香煙盒表面代替導(dǎo)電油墨。

采用安捷倫的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試所制作的標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗，測(cè)試時(shí)將兩根同軸電纜的一端通過(guò)SMA接頭分別接到矢網(wǎng)分析儀的兩根測(cè)試電纜上，將另一端的外壁焊在一起，伸出的兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體分別焊接到天線(xiàn)饋電處的兩端。輸入阻抗實(shí)測(cè)值與仿真值的對(duì)比如圖12所示。

由圖12可知，天線(xiàn)輸入電阻峰值的實(shí)測(cè)值比仿真值偏小，且實(shí)測(cè)波形向低頻平移了50 MHz左右。而天線(xiàn)輸入電抗峰值的實(shí)測(cè)值與仿真值相近，但與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)波形向低頻有較明顯的頻移，約為100 MHz。引起這些差異的主要原因?yàn)闇y(cè)試所用的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體與天線(xiàn)相連時(shí)，對(duì)天線(xiàn)的饋電端口有一定的拉升扭曲。此外，天線(xiàn)的制作精度和測(cè)試環(huán)境也是不可忽略的影響因素。但從整體上看，天線(xiàn)輸入阻抗的實(shí)測(cè)值和仿真值的波形基本吻合，具有較好的一致性。

采用Alien ALR?9900 RFID閱讀器測(cè)試標(biāo)簽的最大閱讀距離。標(biāo)簽閱讀距離測(cè)試架構(gòu)如圖13所示，測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)，將標(biāo)簽正面和閱讀器天線(xiàn)正面平行，所使用的閱讀器天線(xiàn)諧振中心頻率為915 MHz，當(dāng)有效全向輻射功率EIRP為4 W時(shí)，測(cè)得的最大閱讀距離可達(dá)8 m，雖然與理論值相比有一定的誤差，但仍然能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款可印刷于內(nèi)含鋁箔的香煙盒表面的UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠與金屬拉線(xiàn)結(jié)構(gòu)有效一體化，拉線(xiàn)拆封標(biāo)簽即毀，可進(jìn)一步增強(qiáng)標(biāo)簽的防偽性能。仿真和實(shí)測(cè)證明，該天線(xiàn)在915 MHz的輸入阻抗時(shí)能夠與芯片阻抗較好地實(shí)現(xiàn)共軛匹配，且?guī)捘軌蚋采w北美和我國(guó)UHF RFID頻段。此外，該天線(xiàn)還具有良好的半球輻射特性、較高的增益以及較遠(yuǎn)的讀取距離，能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] FOSTER P R， BURBERRY R A. Antenna problems in RFID system [C]// Proceedings of 1999 IEE Colloquium on RFID Technology. London： IEE， 1999： 1?5.

[2] CHEN S L， LIN K H， MITTRA R. A low profile RFID tag designed for metallic objects [C]// Proceedings of 2009 Asia Pacific Microwave Conference. Kaohsiung， China： IEEE， 2009： 226?228.

[3] SON H W. Design of RFID tag antenna for metallic surfaces using lossy substrate [J]. Electronics letters， 2008， 44（12）： 711?713.

[4] YANG F， RAHMAT Y S. Reflection phase characterizations of the EBG ground plane follow profile wire antenna applications [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2003， 51（10）： 2691?2703.

[5] GAO B， CHENG C H， YUEN M M. E， et al. Low cost passive UHF RFID packaging with electromagnetic band gap （EBG） substrate for metal objects [C]// Proceedings of 2007 Electronic Components and Technology Conference. Hong Kong， China： IEEE， 2007： 974?978.

[6] CHOI W C， SON H W， BAE J H， et al. An RFID tag using a planar inverted?F antenna capable of being stuck to metallic objects [J]. Etri. journal， 2006， 28（2）： 216?218.

[7] KWON H， LEE B. Compact slotted planar inverted?F RFID tag mountable on metallic objects [J]. Electronics letters， 2005， 41（24）： 1308?1310.

[8] HIRVONEN M， PURSULA P， JAAKKOLA K， et al. Planar inverted?F antenna for radio frequency identification [J]. Electro?nics letters， 2004， 40（14）： 848?850.

[9] KRAUS J D， MARHEFKA R J. Antennas： for all applications [M]. 3rd ed. America： McGraw?Hill， 2003.

[10] YANG L， RIDA A， VYAS R， et al. RFID tag and RF structures on a paper substrate using inkjet?printing technology [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2007， 55（12）： 2894?2901.

[11] ALLEN M L， JAAKKOLA K， NUMMILA K， et al. Applicability of metallic nanoparticle inks in RFID applications [J]. IEEE transactions on components and packaging technologies， 2009， 32（2）： 325?332.