摘要：提出一種寬帶電子標簽天線，該天線適用于多標準超高頻射頻識別(RFID)系統(tǒng)，由一個類偶極子輻射體和一個饋電環(huán)構成。類偶極子輻射體包含兩個變形彎折偶板子天線，這兩個變形彎折偶極子天線的長度有差別。它們可以形成兩個相近的諧振點，使得天線的阻抗(特別是虛部)在840～956 MHz的范圍內保持平穩(wěn)，以獲得與芯片阻抗在較寬頻段內的良好的共軛阻抗匹配，從而使天線獲得一個非常寬的帶寬(840～975 MHz)。該帶寬足以覆蓋全球超高頻RFID頻率范圍，使得標簽可以全球通用，大大減少了重復設計工作量，有效降低了成本。最后基于仿真模型，加工了一個天線實物，實物測量結果與仿真結果吻合良好。
關鍵詞：偶極子天線；阻抗匹配；射頻識別；帶寬

0 引言
    RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動的無線電射頻識別技術，它通過無線射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。該技術自20世紀80年代以來得到迅速發(fā)展和廣泛應用，是一項利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。作為一種自動識別與數據采集技術在商業(yè)、制造業(yè)、交通運輸業(yè)、物流管理、安全檢查、票證管理、軍事裝備等領域得到廣泛應用，應用行業(yè)不斷擴大，理論得到豐富、發(fā)展和完善，正在發(fā)展成為一個跨專業(yè)的獨立領域。許多企業(yè)紛紛投入到射頻技術的應用與推廣中，以此來提高運營效率和效益。美軍是最早將RFID技術運用于軍事物流的國家，并在實戰(zhàn)中取得了令人矚目的軍事效益，RFID技術已逐步成為提高軍事物流供應鏈管理水平，降低保障成本，增強物流保障能力的重要技術工具和手段。國內RFID目前主要使用的頻段有125 kHz(低頻)、13．56 MHz(中高頻)、902～928 MHz(超高頻)，越來越多的研究機構開始對超高頻(UHF)REID系統(tǒng)進行研究，以實現系統(tǒng)的遠距離、高速率、低成本等特性。
    由于UHF頻段電子標簽具有遠距離、動態(tài)下讀取信息的能力，所以已在停車收費、零售管理、公共交通和汽車安全防盜等領域逐漸得到應用。天線是RFID標簽系統(tǒng)的關鍵器件，這是因為天線的尺寸制約著標簽小型化發(fā)展，而天線的寬頻帶對減少標簽成本都有實際意義。出于低成本和簡化標簽結構的需要，標簽芯片與標簽天線一般是直接連接，期間沒有任何匹配電路。這就要求天線的阻抗設計要與阻抗匹配，以實現最大功率傳輸。而芯片的阻抗與傳統(tǒng)的50 Ω不同，典型值一般是實部較小，而虛部較大的復阻抗。要匹配這樣一個復阻抗，會使天線的帶寬變窄，因此寬帶RFID標簽天線成為當前研究的熱點和難點。
    本研究基于兩個變型彎折偶極子天線，通過引入合適的饋電結構同時進行饋電，使天線的帶寬得以拓寬。并基于電磁仿真軟件Ansoft HFSS的仿真分析，設計并加工了一個實物天線。實測結果與仿真結果吻合良好，驗證了該設計的有效性。

1 天線原理與設計
    根據參考文獻，天線模型可以等效為如圖1所示的天線模型。當寄生單元無限長時，圖1模型可以等效為圖2所示的等效電路模型。

    圖2中，寄生單元等效為左回路的L1，R，C，其中，R等效為輻射體的自電阻。而饋電單元等效為右回路，L2等效為饋電單元的自電感。由于饋電單元的自阻抗非常小，所以在等效電路中被忽略了。
    根據參考文獻的電路分析理論，對圖2回路列KVL方程可以得到：


    從式(8)可以看出，諧振狀態(tài)的阻抗實部只與互感有關，而虛部與L2關。由于互感M與耦合距離有關，所以天線阻抗的實部與寄生單元離饋電單元的距離有關，而虛部只與饋電單元自身的形狀有關。因此，可以看到在諧振點附近耦合加載對天線實虛部可起到單獨調節(jié)的作用。

2 仿真與測試結果
    本文采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 11．0對天線進行了仿真，天線結構如圖3所示。該天線結構分為矩形饋電環(huán)和變型彎折偶極子輻射體兩部分，芯片貼在矩形饋電環(huán)的開口處進行激勵，通過電感耦合將能量送至輻射體上。輻射體有兩個中間部分連接在一起的變型彎折偶極子構成。這兩個彎折偶極子的長度是有差異的，并不完全相等，通過統(tǒng)一饋電，可以形成兩個比較靠近的諧振頻率，從而拓展天線的帶寬。階梯狀彎折的偶極子可以縮短天線的整體長度，使得天線結構緊湊。

    本文中采用Ansoft公司的HFSS軟件和安捷倫公司的N5230A矢量分析儀進行了仿真和實測。圖4為天線的回波損耗，圖5為天線的增益圖。從圖1可以看出S11<-10 dB即VSWR<2的工作帶寬為115 MHz，在860～975 MHz之間。

    本文在仿真設計的基礎上加工了一個天線實物，如圖6所示。天線的介質板采用介質常數為4．4，厚度為2 mm的FR4基板。實測結果如圖7所示。

3 結論
    本研究提出了一個結構簡單的兼容多標準的寬帶RFID標簽天線。通過在天線結構中引入兩個形狀稍有差異的變型彎折偶極子并統(tǒng)一饋電，形成兩個相似的諧振點，使得天線的阻抗，特別是虛部，在840～956 MHz的范圍內保持平穩(wěn)，已獲得與芯片阻抗在較寬頻段內良好的匹配，從而拓寬天線的帶寬。通過理論分析可以知道，當天線諧振時，天線阻抗的實虛部可以單獨調節(jié)。最后基于仿真分析，加工了一個實物天線。實際測量結果與仿真結果吻合良好，驗證了該天線設計的有效性。