RFID标签天线的设计与测量

1引言

RFID标签是RFID应用技术的主要组成部分，RFID标签的性能通常决定整个应用技术方案的有效性和实施性，因此RFID技术的实施中大多 以解决RFID标签性能为主导。标签的组成可分为芯片和天线两大组成部分，标签的性能及其性能分析也是从这两个组成部分展开。然而在芯片型号定型后，天线 的性能及与芯片的匹配性也就决定了标签的性能，因此天线的设计为标签设计主题部分。

目前关于RFID标签天线的设计已有较多的文献，但很少关于标签实际应用中复杂材料环境下的设计与测量的文献。本文着重介绍了复杂材料环境条件下进行天线的设计与测量方法，并结合工程实施例加以说明。

2 RFID标签天线设计理论

RFID标签天线的设计通常指在给定天线工艺条件下，针对具体应用要求，在规定尺寸范围内进行设计与芯片相匹配的天线。在实际设计工程中主要解 决规定的尺寸范围及工作环境件下天线的输入阻抗与芯片在工作频段达到共轭匹配。除了天线阻抗匹配设计外，还要关注天线辐射效率、极化方向及辐射方向图等参 数。

2.1天线的基础知识

天线是一种能量转换装置，即把导行波与空间辐射波相互转换的装置。天线周围的场强分布一般都是离开天线距离和角坐标的函数，通常根据离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。

图2.1天线周围的场区

图2.1(a)所示电尺寸小的偶极子天线其感应场区的外边界是λ/2π。这里，λ是指工作波长。图2.1(b)所示电尺寸大的孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区。

天线一般都有两方面的特性：电路特性(输入阻抗、效率、频带宽度、匹配程度等)和辐射特性(方向图、增益、极化、相位等)。天线的测量就是用实验方法测定和检验天线这些参数特性。

2.2标签天线设计的一般步骤

根据设计要求(标签尺寸、工作频带、 匹配芯片、应用条件等由要求提出)，确定设计方案及目标参数，建立天线模型，并对天线模型进行仿真计算。再根据仿真计算结果进行调整设计模型，以达到预期 目标参数。天线的设计通常是条件确定的，即各类材料参数、结构分布均为已知，否则设计无从入手。RFID标签应用范围广，通常材料的介电常数等不能确定， 天线在此环境下的输入阻抗及其他参数成为未知，这就需要通过测试确定其参数。

2.3标签天线的等效测量

从标签天线的一般设计方法可见，设计之关键是测试。 RFID标签天线分为HF和UHF，HF的天线通常可忽略介电影响，可直接通过电桥或阻抗分析仪测量其电感及分布电容。UHF标签天线的精确测量较难实 现，通常以等效测量方式以实现。下面就介绍两种适用于UHF RFID标签设计的测量方法：

2.3.1.谐振法测量等效介电常数

UHF标签天线输入阻抗对材料比较敏感，当贴附在不同材料上时，其阻抗变化量通常存在较大差异。等效介电常数是指把复合材料等效成一均质材料，把复合材料对天线的综合影响等效成均质材料影响。

如图2.2(a)一款通用型UHF RFID标签天线，其空气介质条件下仿真计算输入阻抗频率曲线如图2.2(b)，使用磁探针实测空气介质条件下天线耦合功率曲线如图2.2(C)。

　　图2.2(a)

　　图2.2(b)

　　图2.2(c)