CommunicationandNetwork
小型RFID偶极子天线设计与优化*
张亚平，陶波，陈显才，吴光华
(华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验，湖北武汉430074)
摘要：无源RFID标签的读写性能主要取决于其天线和芯片的性能，其中超高频RFID标签通常采用偶极子天线。从理论-仿真-实验的角度详细介绍了偶极子天线的设计和优化方法，并制作了4款小型超高频RFID标签样品。测试结果表明，4款样品标签的性能与仿真的优化结果高度一致，该设计和优化方法可行。
关键词：射频识别；电子标签；偶极子天线；优化
中图分类号：TN911
文献标识码：A
文章编号：0258-7998(2012)03-0117-03
DesignandoptimizationofsmallRFIDdipoleantennas
ZhangYaping,TaoBo,ChenXiancai,WuGuanghua
(StateKeyLabofDigitalManufacturingEquipmentandTechnology,HuazhongUniversityofScience
andTechnology,Wuhan430074,China)
Abstract:ThereadrangeofpassiveRFIDtagsisdecidedbythepropertiesoftheantennaandtheICusedbythetag.InUHFRFIDsystems,thedipoleantennaisoneofthemostused.Basedontheoreticallyanalysis,electromagneticsimulationandexperiment,thispaperpresentsthedesignandoptimizationmethodsofasmalldipoleantennaindetails.Fourprototypeswerefabricated.Thetestresultsshowthattheperformanceofthefourtagsisingoodagreementwiththesimulation.Thedesignandoptimizationmethodiseffective.
Keywords:RFID;tag;dipoleantenna;optimization射频识别RFID(RadioFrequencyIdentification)是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，被广泛应用于物流、防伪等领域。
其中，εr为电介质的相对介电常数，c为电磁波的传播速度，f为工作频率。
在实际RFID标签应用中,天线通常制作在PET等电介质基板表面，式(1)中电介质的相对介电常数εr须用有效相对介电常数εeff来表示[2]：
RFID系统通常由读写器、标签和服务器组成。标签
分有源标签和无源标签，无源标签由天线和芯片构成，结构简单，成本低。在超高频频段，标签天线常采用半波偶极子天线[1]。偶极子天线具有结构简单、效率高、制造成本低等优点。
εeff=αε+βε2
(2)
其中，εr为基板材料的相对介电常数，εr_air为空气相对介电常数(约等于1)。α、β是由基板厚度等因素决定的权重因数，需通过仿真确定。
为了缩减标签尺寸，本文采用弯折偶极子天线。由于弯折偶极子天线的弯折线之间相互耦合影响，导致用式(1)计算的天线长度有较大误差。在设计中，本文先用式(1)估算天线长度，再通过仿真分析进行优化计算。
常用超高频RFID标签芯片的阻抗为复数，并具有较大的虚部。为使标签的功率传输系数τ达到最优值，要求设计天线的阻抗与芯片阻抗共轭匹配。为此，需要在偶极子天线上加入阻抗匹配的结构，本文使用T型阻
1偶极子天线设计
1.1天线结构设计
由半波偶极子天线的定义，天线的总长度为工作频率下电磁波波长的1/2。结合电磁波在电介质中传播的波长公式，半波偶极子天线的长度La为：
cLa=λ=
2姨rf
项目([1**********]9)和工信部电子产业发展基金招标项目(HGTX0911)
(1)
*基金项目：国家自然科学基金项目(50805060);武汉市青年科技晨光计划
《电子技术应用》2012年第38卷第3期
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抗匹配的方法[3]。
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本
文
设
计的标签采用ImpinjMonza4芯片，其阻抗为11-j143Ω，读取的门限功率为-17.4dBm。文中采用矩量法仿真，仿真软件为ZelandIE3D。通过初步的计算和仿真，得到如图1所示的偶极子天线。天线材料为铝
(电导率σ=38MS/m)，厚度为0.01mm；基板材料为PET(相对介电常数εr=3.5)，厚度为0.05mm。该天线的基本
结构尺寸如表1所示,仿真得到其阻抗为1.98+j144.3Ω，共轭匹配增益为-3.17dBi。
度，阻抗曲线整体向左移，天线谐振频率减小，阻抗实部最大值增大，虚部最大值减小。
因此，可以通过调节天线长度来优化天线性能。图3为L1和L2的值与标签在915MHz的增益的关系曲线，随着L1和L2增大，标签的增益也增大。图4为L1和L2的值与标签在915MHz的功率传输系数的关系曲线，随着
1.2天线结构优化
RFID标签的性能通常以读写距离d为判断依据，d可用自由
空间的Friis公式估算
[4-5]
表1尺寸数值
参数
数值/mm
L1和L2增大，功率传输系数先增大后减小，在L1=L2=19.8mm时达到最大值，此时天线与芯片阻抗匹配达到最佳。图5是根据式(3)计算的标签读写距离与L1和L2的值的关系曲线，读写器发射功率Pr为28dBm，天线为
圆极化，增益Gr为3dBi。
LH
4313
：
L1=L218.8rrtd=c(3)
w6.2th
h9.8其中，c为电磁波的传播速度，f
为系统工作频率，Pr为读写器的
发射功率，Gr为读写器天线的增益，Gt为标签天线的增益，p为读写器天线与标签天线之间的极化损失，Pth为标签芯片的门限功率，τ为标签天线与芯片之间的功率
姨
传输系数，表征天线与芯片之间的能量传输。其定义如下：
τ=4RaRc2
|Za+Zc|
当天线与芯片阻抗匹配，即Za=Zc*时，τ取最大值1。
(4)
其中，Za=Ra+jXa，Zc=Rc+jXc分别为天线和芯片的阻抗。
本文使用的读写器为圆极化天线，而偶极子为线极化，所以p=0.5。芯片的门限功率Pth由芯片的设计和制造工艺决定，芯片一经选定，Pth即确定，因而标签的天线设计是决定标签性能的关键。在读写器参数确定的情况下，当标签天线增益Gt和功率传输系数τ达到最大值时，标签的读写距离最大。
标签天线设计的目的是在标签尺寸等限制条件下，使得标签天线的增益Gt和功率传输系数τ最大。
在图1所示天线的基本结构中天线由弯折线和臂
L1、L2组成，以达到所要求的长度。由天线长度的计算公式(1)可知，调节天线的总长度能够调节天线本身的谐振频率和阻抗。图2为其他参数不变，改变L1、L2的长度时所得到的阻抗曲线。由图可见,增大L1和L2的长
由图5可见，L1=L2=19.8mm时，标签理论读写距离达到最大值2.56m，天线的阻抗仿真值为2.83+j148.6Ω，功率传输系数为0.56。
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表2天线结构参数较优值
参数
数值/mm
LHL1=L2wh
431319.86.19.5
2样品制作与测试
根据仿真结果，制作了4款天线以作比较，4款天线的结构参数如表3所示。
通过调整T型阻抗匹配结构，即调节w和h的大小，能够进一步优化天线阻抗，使天线阻抗与芯片阻抗匹配得更好。按照改变天线长度的方法，可以得到改变
表3样品天线尺寸
天线型号
(mm)
w6.26.26.26.1
h9.89.89.89.5
L43434343
HL1=L2
T型阻抗匹配时天线的性能参数，并最终计算得到标签
的理论读取距离。
图6为L1=L2=19.8mm，h=9.8mm时，改变w的值，得到的标签理论读取距离与w的关系曲线。标签增益随
[1**********]6
1318.31318.81319.81319.8
w增大而增大，功率传输系数在w=6.1mm时达到最大值，理论读取距离在w=6.1mm时达到最大值2.68m。
对于样品天线，本文使用AgilentENA5071C矢量网络分析仪测试了阻抗，并用Atid-570手持式读写器(圆极化天线，EIRP=31dBm)测试了相应标签的读写距离。考虑到制造误差等因素的影响，每个型号的样品天线都测试了5组数据，然后取平均值。表4是样品天线915
MHz的阻抗和读取距离的仿真与测试结果对比，其中理论读取距离用式(3)计算。在读写距离的计算中，由于忽
略了环境干扰、读写器内部的能量传输损耗以及标签的能量损耗等因素，理论值大于实测值。阻抗测试因缺少微波暗室，得到的结果与仿真结果有偏差，其中虚部与仿真结果接近，而实部偏大。
表4天线测试结果数据
天线
阻抗/Ω
仿真测试仿真测试仿真测试仿真测试
读取距离/m
改变h的值，取得的效果与改变w值相同。图7为
L1=L2=19.8mm，w=6.1mm时，改变h的值，得到的标签理论读取距离与h的关系曲线。标签增益随h增大而增
大，功率传输系数在h=9.5mm时达到最大值，理论读取距离在h=9.5mm时达到最大值2.7m。
[1**********]6
1.76+j143.046.0+j146.41.98+j144.353.0+j151.42.83+j148.643.6+j140.22.64+j143.546.5+j146.7
2.301.472.411.522.561.572.701.59
4款样品天线分别选自天线优化设计的不同阶段，天线从773~776依次作了改进。从读取距离的测试结果可见，773~776的读取距离依次增加，天线776的读取距离
最远，与仿真结果一致，可见本文所用的优化方法有效。
无源超高频RFID标签通常采用偶极子天线，本文采用理论分析和仿真优化相结合的方式设计了一款偶极子天线，并采用T型阻抗匹配结构实现与标签芯片的阻
通过上述优化过程，得到了天线结构参数的较优值，如表2所示。
抗匹配。通过调节天线长度和阻抗匹配结构的尺寸对偶极子天线进行了优化，并制作了4款小型超高频RFID标
(下转第123页)
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通过仿真证明，在成员载波数较多的情况下，此方法可以有效降低信号的CM。参考文献
[1]沈嘉.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].
北京：人民邮电出版社,2008.
(3)随着成员载波数增加，不仅原始信号的CM会逐
渐增加，而且通过相位旋转处理获得的增益同样增加。较多的成员载波
为相位旋转算法提供了更多的灵活度和可优化空间。
(4)只根据导频选择旋转因子完全可以得到基于全
数据选择达到的效果，并且导频序列提前可以预判，因此不受处理延时的限制。
上行仿真结果如图7所示，可以得到与下行类似的结论，不过上行随成员载波数的增加CM恶化比较严重，这是由于上行导频集中在完整的符号中造成的。从图中可以看出，在1个和2个CC（成员载波）的情况下旋转和不旋转情况下的CM基本相同（曲线趋于一致），但经过相位旋转处理以后，即使随着CC的增加，最差的情况下CM也不会超过3.6dB，相比于不作处理的
[2]Huawei.3GPPR1-082448，CarrieraggregationinAdvan-cedE-UTRAWarsawPoland,June2008.
[3]SanFrancisco.3GPPR1-091809.Componentcarrierstruc-tures,May2009.
[4]Motorola.CubicMetricin3GPP-LTE,3GPPTSGRAN,
R1-060023.
[5]Huawei.DL/ULAsymmetricCarrieraggregation.3GPPTSG
RAN,R1-083706.
[6]Samsung.DLRSforcarrieraggregationwithreducedPA-PR.3GPPTSGRAN,R1-091239.
[7]3GPPTR36.211V10.0.0.PhysicalChannelandModula-tion,Release10,January,2011.
(收稿日期：2011-07-21)
作者简介：
王文涛：男，1987年生，在读硕士研究生，主要研究方向为LTE-A载波聚合技术。
史治平：女，1972年出生，硕士生导师，主要研究方向为无线通信、信号处理、差错控制编码。
曾庆展：男，1986年出生，在读硕士研究生，主要研究方向为LTE-A载波聚合技术。
4.4dB得到了很大的优化。
本文主要介绍了一种在载波聚合下降低由重复导频引起的CM过高问题的方法———选择旋转相位方法。
(上接第119页)
签样品。测试结果表明，4款样品标签的性能与预期的优化结果一致,优化后的标签读写距离达到1.59m。参考文献
[1]FINKENZELLERK.RFIDhandbook:fundamentalsand
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ResearchTrendsandChallenges,BolicM,Simplot-RylD,StojmenovicI,Hoboken,NJ:JohnWiley&Sons,2010,57-98.
[3]MARROCCOG.TheartofUHFRFIDantennadesign:
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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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RFIDtags:areviewandapracticalapplication[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation.2005,53(12):3870-3876.
[5]TIKHOVY.CommentsonantennadesignforUHFRFID
tagsareviewandapracticalapplication[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation.2006,54(6):1906
(收稿日期：2011-09-27)
作者简介：
张亚平,男，1986年生,硕士研究生,主要研究方向:RFID标签设计与应用。
陶波，男，1977年生，副教授、博士生导师,主要研究方向:电子制造工艺，纳米制造和物联网技术。
陈显才，男，1981年生，博士研究生，主要研究方向：电子制造装备和工艺。
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