适用于IT设备资产管理的RFID标签天线的开发

　　0 引 言
　　针对传统资产管理中要人工进行登记，无法实时检测设备状态，账、卡、物不符，资产清查强度高、效率低，费时费力，设备数目不清致使重复购置或闲置等问题，学者们提出了基于RFID标签技术的解决方案[1]，许多公司开发了RFID固定资产管理系统[2]。但在应用过程中，由于RFID标签还存在读取率低、读取范围小、易受干扰等问题，导致推广和普及困难，建好的系统故障也较多，严重影响正常使用。
　　通过对RFID资产管理系统应用情况的调研，发现RFID标签天线性能的合理选择对项目成功起至关重要的作用。运行良好的系统，RFID标签天线大部分是根据应用现场环境进行专门化设计或筛选，考虑了RFID系统所处环境中出现的反射、折射、衍射、吸收或衰减等情况。
　　IT资产一般是指放置在办公室、实验室的计算机和网络设备。IT设备外壳一般为金属，管理周期长达5年以上，使用地点分散、流动性强，工作场所人、物众多、移动通信终端普及。用于IT资产管理的RFID系统应用中遇到最严重问题是金属的反射、人体对电磁波的吸收、UHF频段移动通信系统的电磁杂散干扰。金属上产生的反射波、人体的强吸收可导致标签不能工作[3]，移动通信系统引发的电磁杂散干扰减少读写器读取距离和降低标签芯片输入端信躁比[4] 。因此，用于IT设备资产管理的RFID标签天线的设计与选用必须消除金属的破坏性干扰，引入积极干扰；要考虑人体的吸收影响，有足够大的增益，但又不能伤害人。此外，为了能通过物联网络随时进行远程资产管理操作，RFID系统一般采用固定式阅读器，从办公室、实验室的空间大小分析，阅读器与标签的距离一般大于8 m。基于以上因素，用于IT设备资产管理的RFID标签天线的设计应满足如下要求：标签为无源、超高频（UHF）；标签具有较好的抗金属能力，不受金属边界条件的影响；标签的方向性好，最好在金属表面上半球具有全向特性；标签具备抗移动通信系统干扰的能力；标签增益大，具有较远的读取距离；标签的成本低廉，加工工艺简单，易于批量生产。
　　1 标签天线模型结构选型
　　工程上常用的抗金属RFID标签天线结构有微带天线和平面倒F天线（PIFA）。微带天线将金属表面作为其接地平面，从而可以用来实现抗金属标签天线设计，微带天线一般要求天线的有效长度为使用频率波长的为介质层厚度），因此，用于IT资产管理的RFID标签对尺寸要求不高，采用微带天线比较合适。
　由于天线输入阻抗不等于通常的50 Ω传输线阻抗，所以需要匹配，匹配可由适当馈电位置来做到。微带天线有微带线馈电、同轴线馈电、耦合馈电和缝隙馈电等多种方式，最常用的是微带线馈电和同轴线馈电。馈电方式和馈电位置也影响辐射特性[8]。微带馈电制作简单，但馈线本身有辐射，会干扰天线方向图，降低增益。同轴线馈电馈电点可选在贴片内任何位置，避免了对天线辐射的影响，但会引入感抗，对天线的输入阻抗有影响。
　　综合考虑，本设计采用同轴馈电微带天线结构作为原型进行设计。
　　标签天线的基本结构包括三个部分：辐射贴片、介质基片、同轴馈线，如图1所示。其中，介质基片作为反射面，辐射贴片是与参考地平面平行的金属片，馈线用于信号传输，通过合理设置同轴馈电点位置实现双频。
　　2 标签天线设计指标
　　本文设计的RFID标签天线遵循《信息技术射频识别800 MHz/900 MHz空中接口协议》（GB/T 29768?2013）标准，其设计指标为：
　　（1） 工作中心频率为842.5 MHz和922.5 MHz；
　　（2） 标签天线的抗干扰性能：本系统反射系数
　　（3） 最大增益[Gant≥6 ]dB；
　　（4） 最大理论距离[rmax≥10 ]m。
　　图1 标签天线结构
　　3 标签天线设计分析
　　3.1 抗移动通信终端干扰设计
　　《信息技术射频识别800 MHz/900 MHz空中接口协议》（GB/T 29768?2013）规定了我国的UHF RFID的频段为840～845 MHz和920～925 MHz，与移动通信UHF频段的CDMA800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）等距离较近，如图2所示，UHF频段的移动通信系统会对RFID系统产生杂散干扰。当标签天线感应移动通信系统发射的电磁波时，如果标签天线的频率选择性能不理想时，会产生信号耦合至标签芯片中，导致标签芯片的输入端信躁比降低，RFID标签的解调误码率增加。在标签设计时，通过提高频率选择性、阻抗匹配性等措施提高标签抗干扰能力[6]。
　　图2 UHF频段频率分类图
　　设RFID天线频段宽度为dB天线才能工作，所以在设计时天线绝对频带宽度BW可取为：
　　 （1）
　　由于：
　　 （2）
　　天线总的品质因素[QT]可表示为：
　　[1QT=1Qr+1Qd+1Qc]
　　式中：[Qr，][Qd，][Qc]分别为辐射、介质和导体损耗[Q]值。由于实际的[Qd]和[Qc]远大于[Qr，]文献[9]给出[QT]的近似计算式：
　　[QT?Qr=cεre4frh] （3）
　　式中：c为光速；[εre]为有效介电常数；[fr]为谐振频率；[h]为介质基板厚度。由式（1）～式（3）可求得：
　　 （4）
　　介质基板相对介电常数[εr]要 求要稳定。当频段范围确定时，选用[εr]较大的基板材料，可减小贴片尺寸。损耗正切[tanδ]值越大，馈电损耗越大。
　　合理选取[εr]值，按式（4）计算[h]值，完成介质基板材料的选取，则可保证移动通信系统发射的电磁波在天线上的回波损耗[S11]将大于-10 dB，不能触发天线工作，天线具备了良好的抗移动通信终端干扰的性能。
　　3.2 辐射贴片参数计算
　　辐射贴片宽度取得适当大些对频带宽度、辐射效率及阻抗匹配有利，但当尺寸大于式（5）给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变。
　　 （5）
　　确定
　　 （6）
　　介质内波长：
　　[λg=cfrεre] （7）
　　辐射贴片长度[L]在理论上取[λg2，]由于边缘场的影响，在设计[L]的尺寸时应从[λg2]中减去[2ΔL，]于是：
　　 （8）
　　[L=c2frεre-2ΔL=0.5λg-2ΔL] （9）
　　3.3 基板尺寸确定
　　基板大小对辐射场的分布没有明显影响，从减少天线重量、安装面积和降低成本出发，应尽可能小。
　　介质板长度：
　　[Lg=L+0.2λg] （10）
　　介质板宽度：
　　 （11）
　　3.4 同轴馈线位置参数计算
　　微带天线实现双频工作方式的设计主要有多层金属贴片、集总元件加载（包括短路针）、缝隙加载和多模正交。多层金属贴片、集总元件加载会使天线的结构变得复杂，缝隙加载实现双频相对简单，但会影响频带宽度和辐射效率。多模正交方法不用改变天线结构，主要通过改变馈电位置激励起工作在不同频率相互正交的谐振模，从而实现双频工作方式。本文采用多模正交方法实现双频。
　　对于矩形微带辐射贴片，馈电点位于[x]轴上，可以激发[TM10]模式，此时由于馈电点位于辐射贴片[y]方向的中心线上，不会激发[TM0n（n=1，3，5，…）]模式。同样，当馈电点位于[y]轴上，可以激发[TM01]模式，不会激发[TMm0（m=1，3，5，…）]模式。如果将馈电点放置在贴片的对角线附近位置（见图1（c）），则此时可以同时激发[TM01]模式和[TM10]模式，且均可获得50[Ω]的输入阻抗，实现了天线双频工作。
　馈电点位置计算公式如下：
　　[L1=L（1-1ξre（L））2] （12）
　　式中：[ξre（L）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hL）-12]
　　 （13）
　　式中：
　　4 标签天线仿真优化
　　4.1 建模初值
　　为了降低移动通信终端的影响，谐振频率要尽量离CDMA、GSM频段远些。在设计时，定义谐振频率值大的一个为第1谐振频率，谐振频率值小的一个为第2谐振频率，从图2可看出，天线的第1谐振频率可取922.5 MHz，第2谐振频率可取842.5 MHz，初始参数计算时参考谐振频率[fr]取922.5 MHz，[frfid=5 ]MHz，[fmin=5]MHz。考虑应用场合对天线安装面积或体积重量没有特别的限制，但对天线的增益要求较高，故取[εr=2.45，][tanδ]=0.001 8的PTFE基板材料。同轴馈线半径0.6 mm。将数据带入式（1）～式（13），得到天线设计初始参数见表1。
　　4.2 性能参数计算与优化
　　根据计算获得的天线结构参数，使用HFSS进行建模及进行参数计算。天线的回波损耗曲线如图3所示，第1谐振频率值为916.1 MHz，第2谐振频率为758 MHz，可以看出第1谐振频率值与设计指标值差距较小，第2谐振频率离设计指标值差距较大。
　　图3 123.8 mm）
　　根据前面的理论分析，的最大值，应用时可以适当减小（据反复实验验证，大约可减小10%左右）。
　　使用HFSS的参数扫描分析功能，分别添加辐射贴片的长度变量111.0 mm时，得到离842.5 MHz最接近的一个值842.6 MHz，如图4所示。
　　图4 111.0 mm）
　　从图4可以看出，调整的值为-10.20，未达目标要求。
　　调整馈电点位置和馈电线芯径可以改善天线性能0.6 mm。
　　4.3 设计结果
　　经过优化后，标签天线的参数见表2。
　　根据参数优化结果，再次对标签天线进行仿真运算，结果如下：
　　（1） 回波损耗曲线如图5所示，谐振频率924.2 MHz处的[S11]的值为-27.87，谐振频率842.2 MHz处的[S11]的值为-26.52，CDMA 800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）频段的[S11]值全部大于-10 dB值。
　　图5 111.0 mm，
　　0.6 mm）
　　（2） Smith圆图结果和输入阻抗如图6所示，924.2 MHz时的归一化阻抗为1.0767-j0.0342，即天线在924.2 MHz频点上的输入阻抗为（53.835-j1.71）[Ω]，约50 [Ω]；842.4 MHz时的归一化阻抗为1.060 2-j0.083 2，即天线在842.4 MHz频点上的输入阻抗为（53.01-j4.16）[Ω，]约50 [Ω]。
　　图6 [S11]的Smith圆图结果
　　（3） 三维增益方向图如图7所示，从图中可以看出天线的最大辐射方向是微带贴片的法向方向，最大增益值7.28 dB。
　　图7 三维增益方向图
　　（4） 标签最大读取距离值理论估算[3]
　　假设读写器和标签天线完美匹配并且在同一平面，标签的极化损耗取35 μW，标签最大读取距离理论估算值：
　　[rmax=PbsEIRPGantλ2（4π）2P1θloadmatchingθpolarizationθantenna=17.66 m]
　　5 结 论
　　本文设计的标签天线具有抗金属、抗移动通信终端干扰、高增益、双频的工作特性，适应IT设备资产管理的环境要求，符合GB/T 29768?2013标准。提出的抗移动通信终端干扰设计方法正确、有效，仿真表明，根据推导出的[h]计算公式计算介质基板厚度，以此为依据选择介质基板，能保证标签天线频率选择性能良好，具备抗移动通信终端干扰的能力。由于参数选择得当，天线增益高，[S11]值小，输入阻抗匹配良好，很好的满足了设计指标要求。所设计的天线结构简单，易于批量生产，具有良好的应用前景。
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