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标题 卷烟包装用UHF RFID抗金属标签天线的设计
范文 赵文婧++杨蓉++厉丹++吴双江



摘 要： 为了对内含铝箔的卷烟包装进行防伪识别，设计了一种无源超高频射频识别（UHF RFID）抗金属标签天线。该天线结构简单，可印刷于烟盒表面，并能与包装的金属拉线结构一体化，增强标签的防伪性能。采用Ansoft HFSS软件建模仿真，分析了主要结构参数的变化对标签天线输入阻抗的影响。优化后的结果表明，该天线具有较高的增益、较远的读取距离、良好的方向性和阻抗匹配特性，且带宽能够覆盖915 MHz UHF RFID频段范围。制作标签样品并进行实际测试，结果表明：实测与仿真结果较吻合，读取距离可达8 m，能够满足实际应用的需求。
关键词： 超高频； 射频识别； 抗金属标签天线； 阻抗匹配； 卷烟包装
中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 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
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种非接触式自动识别技术，其中，超高频射频识别（UHF RFID）技术因具有较远的读取距离被广泛应用于交通、物流、防伪等各种领域。在UHF RFID系统中，电子标签一般为无源被动式标签，仅由天线和芯片组成，标签芯片正常工作所需的能量是通过天线接收读/写器发射的射频信号获得的，因此，标签天线在保证系统效率和可靠性方面扮演着极为重要的角色。
在很多实际应用中，RFID标签需要贴附于金属物体表面，或直接印刷并集成于金属物品的包装介质上。但是，普通UHF RFID标签应用于金属表面时，由于金属的边界条件，标签的读取距离会迅速缩短，甚至不能被读取，标签天线的辐射效率、输入阻抗、增益、方向图等都会受到很大的影响，导致标签的整体性能下降[1]。因此，抗金属UHF RFID标签天线的设计已成为国内外各相关企业、高校和科研院所研究的热点。文献[2?3]提出通过调整标签天线与金属表面的距离来减小金属边界的影响，但这种处理方法使得天线的体积大大增加，不方便固定在物体表面上，只适用于对标签厚度要求不严格的应用环境中。文献[4?5]提出在微带贴片天线的接地面使用周期性的EBG（Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙）结构以抑制特定频带的电磁波传播，从而减少旁瓣电平，提高增益，改善天线的性能，但其缺点在于制作过于复杂，生产实现困难。文献[6?8]提出的PIFA天线（Planar Inverted?F Antenna，平面倒F天线）可以将金属表面作为其接地板，并将接地板与贴片连接在一起，成为辐射天线的一部分，从而达到抗金属的效果，克服了微带天线在某些领域无法满足小型化的缺点，但其性能取决于被贴附物体的特性，比如电导率和物体尺寸，并且有些PIFA天线利用陶瓷作为介质层，成本相对较高。
在卷烟包装盒中，一般采用铝箔进行防潮，保持烟草的香味，这一金属背景对标签天线的影响为普通RFID标签的读取带来了困难。目前设计的抗金属标签大多需要金属接地板，导致标签芯片和接地板不在包装介质的同一个表面上，限制了标签的应用，不易集成。事实上，金属环境是可以被利用的，在设计某些类型天线时，需要一个金属面作为能量反射器改变天线的辐射模式，这时金属的存在是必要的。本文设计了一款可印刷并集成于香烟盒表面的UHF RFID抗金属标签天线，该天线无需金属接地板，并能与包装的金属拉线一体化，拉线拆封标签即毁，进一步增强了标签的防伪性能。
2 仿真结果与分析
2.1 主要结构参数对天线输入阻抗的影响
普通天线通常要求设计与[Za=9.89+j60.2 Ω]或[50 Ω]的馈线匹配，其输入阻抗为实数。而UHF RFID标签芯片的阻抗一般为复阻抗，由1.1节分析可知，设计标签天线时，其输入阻抗必须满足与标签芯片阻抗共轭匹配的原则，并且不同芯片的阻抗值是任意的。因此，UHF RFID标签天线的设计比普通天线的设计更加复杂，有必要讨论主要结构参数对天线输入阻抗的影响。
（1） [W]对天线输入阻抗的影响
标签天线的输入阻抗随[W]的变化曲线如图3所示。从图中可以看出，当[W]分别取77 mm，82 mm和87 mm时，天线阻抗的实部基本不变，虚部随[W]的增加而减小。但由于受到烟盒宽度的限制，[W]仅能增加到87 mm，因此[W]对输入阻抗的调节范围有限，其值选取烟盒的宽度87 mm。
（2） [L]对天线输入阻抗的影响
标签天线的输入阻抗随[L]的变化曲线如图4所示。从图中可以看出，当[L]分别取128 mm，129 mm，130 mm和131 mm时，天线阻抗的实部和虚部均随[L]的增加而增加。因此，可通过调节[L]的长度有效地将天线输入阻抗的实部和虚部的大小向相同方向调节。
（3） [La]对天线输入阻抗的影响
标签天线的输入阻抗随[La]的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，当[La]分别取19 mm，20 mm，21 mm和22 mm时，天线阻抗的实部和虚部也均随[La]的增加而增加，但[La]比[L]对曲线的影响幅度要小一些。因此，可通过调节[La]的长度微调天线的输入阻抗。
（4） [Ls]对天线输入阻抗的影响
标签天线的输入阻抗随[Ls]的变化曲线如图6所示。从图中可以看出，当[Ls]分别取19 mm，20 mm，21 mm和22 mm时，天线阻抗的实部基本不变，虚部随[Ls]的增加而增加。因此，可通过调节[Ls]的长度单独调节天线的电抗值。
（5） [Ld]对天线输入阻抗的影响
标签天线的输入阻抗随[Ld]的变化曲线如图7所示。从图中可以看出，当[Ld]分别取20 mm，25 mm，30 mm和35 mm时，天线阻抗的实部随着[Ld]的增加而减小，虚部随[Ld]的增加而增加。因此，可通过调节[Ld]的长度将天线输入阻抗的实部和虚部的大小向相反方向调节。
（6） [b]对天线输入阻抗的影响
标签天线的输入阻抗随[b]的变化曲线如图8所示。从图中可以看出，当[b]分别取2 mm，6 mm和10 mm时，天线阻抗的实部随着[b]的增加而增加，虚部随[b]的增加而减小，但变化幅度不大。因此，可通过调节[b]的大小配合[Ld]微调输入阻抗。
综上所述，可得到调节天线的输入阻抗以达到和所选芯片阻抗共轭匹配的方法：通过调节[L]的长度将天线输入阻抗的电阻和电抗的大小向相同方向调节，并辅以[La]进行微调；通过调节[Ld]的长度将天线输入阻抗的电阻和电抗的大小向相反方向调节，并辅以[b]进行微调；当电阻满足要求而电抗不满足时，还可通过调节[Ls]的长度单独调节天线的电抗值。
2.2 优化后的天线仿真结果与分析
通过数次数值仿真和优化，图2中定义的标签天线的几何结构参数分别为：[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。
天线在915 MHz频率处的输入阻抗值为[Za=9.89+j60.2 Ω，]非常接近RI_UHF_00001_01芯片阻抗的共轭值，代入式（5）可得[τ≈0.999 7，]说明该天线具有良好的阻抗匹配特性。
图9为仿真优化后得到标签天线的回波损耗结果。从图中可以看出，该天线谐振在915 MHz，谐振峰值[S11]为-71.13 dB。其-10 dB工作频段范围为902～929 MHz，带宽为29 MHz，所设计的标签天线能够覆盖北美UHF（902～928 MHz）以及我国UHF（920～925 MHz）RFID频段范围，满足实际应用中的需要。
标签天线在915 MHz处的二维及三维辐射方向图如图10所示，天线的最大增益可达到3.01 dB，且辐射方向具有近半球辐射特性，能够满足标签天线的设计原则。
将915 MHz频率对应的波长[λ≈0.33]m，读写器有效全向辐射功率[EIRP=4]W，标签芯片灵敏度[Pth=]-13 dBm，标签天线的增益[Gr=]3.01 dB，以及[τ≈0.999 7]代入式（2）中，可得标签理论最大阅读距离为[Rtag≈10 ]m。
3 标签的制作与测试
为了验证所设计的标签天线的性能，作者在香烟盒上制作了测试标签，如图11所示。已有实验证明，由导电油墨印刷出的天线和采用铜蚀方法刻出的天线在超高频（860～950 MHz）发射频率下具有同样的性能[11]。因此，在没有RFID标签印刷设备的条件下，制作测试天线时使用单面导电的铜箔胶带粘贴在香烟盒表面代替导电油墨。
采用安捷伦的矢量网络分析仪测试所制作的标签天线的输入阻抗，测试时将两根同轴电缆的一端通过SMA接头分别接到矢网分析仪的两根测试电缆上，将另一端的外壁焊在一起，伸出的两个内导体分别焊接到天线馈电处的两端。输入阻抗实测值与仿真值的对比如图12所示。
由图12可知，天线输入电阻峰值的实测值比仿真值偏小，且实测波形向低频平移了50 MHz左右。而天线输入电抗峰值的实测值与仿真值相近，但与仿真结果相比，实测波形向低频有较明显的频移，约为100 MHz。引起这些差异的主要原因为测试所用的同轴电缆内导体与天线相连时，对天线的馈电端口有一定的拉升扭曲。此外，天线的制作精度和测试环境也是不可忽略的影响因素。但从整体上看，天线输入阻抗的实测值和仿真值的波形基本吻合，具有较好的一致性。
采用Alien ALR?9900 RFID阅读器测试标签的最大阅读距离。标签阅读距离测试架构如图13所示，测试环境为室内，将标签正面和阅读器天线正面平行，所使用的阅读器天线谐振中心频率为915 MHz，当有效全向辐射功率EIRP为4 W时，测得的最大阅读距离可达8 m，虽然与理论值相比有一定的误差，但仍然能够满足应用要求。
4 结 语
本文设计了一款可印刷于内含铝箔的香烟盒表面的UHF RFID抗金属标签天线，其结构简单，能够与金属拉线结构有效一体化，拉线拆封标签即毁，可进一步增强标签的防伪性能。仿真和实测证明，该天线在915 MHz的输入阻抗时能够与芯片阻抗较好地实现共轭匹配，且带宽能够覆盖北美和我国UHF RFID频段。此外，该天线还具有良好的半球辐射特性、较高的增益以及较远的读取距离，能够满足实际应用的需求，设计方案具有一定的可行性。
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