UHF RFID标签天线理论研究与应用 - 图文

工程硕士学位论文

学校代号 10731 学 号 112085208007 分 类 号 TP391 密 级 公开

工程硕士学位论文

UHF RFID标签天线设计

理论研究与应用

学位申请人姓名 杨阳 培 养 单 位 计算机与通信学院 导师姓名及职称 薛建彬副教授 学 科 专 业 电子与通信工程 研 究 方 向 无线通信理论与技术 论文提交日期 2014年3月20日

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

学校代号：10731 学 号：112085208007 密 级：公开

兰州理工大学工程硕士学位论文

UHF RFID标签天线设计 理论研究与应用

学位申请人姓名： 杨阳 导师姓名及职称： 薛建彬副教授 培专养业单名位： 计算机与通信学院 称： 电子与通信工程 论文提交日期： 2014年3月20日 论文答辩日期： 2014年 月 日 答辩委员会主席：

工程硕士学位论文

The Research and Application on Design Theory

of UHF RFID Tag Antenna

By

Yang Yang

B.E. (Xi’an Innovation College of Yan’an University) 2011

A thesis submitted in partial satisfaction of the

Requirements for the degree of

Master of Engineering

in

Electronics and Communications Engineering

in the Graduate School

of

Lanzhou University of Technology

Supervisor

Professor XUE Jian-bin

March, 2014

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。

作者签名： 导师签名：

日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

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目 录

摘 要 ....................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... II 插图索引 ................................................................................................................... III 附表索引 .................................................................................................................... V 第1章 绪 论 .......................................................................................................... 1

1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及存在的问题 .................................................................................... 2

1.2.1 UHF RFID标签天线设计研究现状 .................................................................. 2 1.2.2 基于RFID技术的图书馆应用现状 .................................................................. 4 1.2.3 现有研究存在的问题 ....................................................................................... 4 1.3 论文主要内容及创新性 ............................................................................................... 5

1.3.1 研究目标 .......................................................................................................... 5 1.3.2 研究内容 .......................................................................................................... 5 1.3.3 创新性 .............................................................................................................. 5 1.4 论文结构 ...................................................................................................................... 6

第2章 RFID标签天线理论....................................................................................... 7

2.1 RFID技术 .................................................................................................................... 7

2.1.1 RFID技术简介 ................................................................................................. 7 2.1.2 RFID系统组成与工作原理 .............................................................................. 7 2.2 天线理论 ...................................................................................................................... 9

2.2.1 天线基本理论 ................................................................................................... 9 2.2.2 天线性能参数 .................................................................................................. 10 2.3 RFID天线设计 ........................................................................................................... 11

2.3.1 RFID天线简介 ................................................................................................ 11 2.3.2 UHF RFID标签天线设计要求 ........................................................................ 12 2.3.3 UHF RFID标签天线性能参数 ........................................................................ 13 2.4 本章小结 ..................................................................................................................... 13

第3章 具体应用中UHF RFID标签天线设计方法研究 ......................................... 15

3.1 UHF RFID标签性能影响因素 .................................................................................... 15

3.1.1 天线结构参数 .................................................................................................. 16 3.1.2 天线基材 ......................................................................................................... 18 3.1.3 封装 ................................................................................................................. 19 3.1.4 应用环境 ......................................................................................................... 20 3.2 UHF RFID标签天线性能影响因素仿真分析 ............................................................. 21

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

3.2.1 天线结构参数对天线性能的影响.................................................................... 21 3.2.2 天线基材对天线性能的影响 ........................................................................... 26 3.2.3 应用环境对天线性能的影响 ........................................................................... 28 3.3 具体应用中UHF RFID天线设计方法 ....................................................................... 30

3.3.1 复杂环境UHF RFID标签设计 ....................................................................... 30 3.3.2 具体应用中UHF RFID标签天线设计要求 .................................................... 30 3.3.3 具体应用中UHF RFID标签天线设计方法 .................................................... 31 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 33

第4章 UHF RFID图书标签天线设计 .................................................................... 34

4.1 UHF RFID图书标签技术研究与应用 ........................................................................ 34

4.1.1 图书馆应用流程 .............................................................................................. 34 4.1.2 图书馆管理对标签的应用要求 ....................................................................... 35 4.2 图书馆应用环境对标签的影响分析 ........................................................................... 36

4.2.1 应用环境及影响因素 ...................................................................................... 36 4.2.2 测试与分析...................................................................................................... 37 4.3 UHF RFID图书标签天线设计 .................................................................................... 42

4.3.1 设计要求与方法 .............................................................................................. 42 4.3.2 天线版图设计 .................................................................................................. 44 4.3.3 仿真分析与优化 .............................................................................................. 44 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 51

总结与展望 ............................................................................................................... 52

本文总结 ............................................................................................................................ 52 未来工作展望 ..................................................................................................................... 52

致 谢 ....................................................................................................................... 54 参考文献 ................................................................................................................... 55

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摘 要

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是基于射频信号的非接触自动识别技术。RFID系统由标签、读写器、中间件和上层应用软件构成，标签的性能是RFID系统性能的关键。随着RFID技术的广泛应用，标签天线设计已成为研究的热点，特别是在具体应用中标签受到贴附物体形状以及外界环境的影响，其标签的性能减弱甚至出现标签不能读取的情况。

基于上述问题，本文提出具体应用中UHF RFID天线设计方法，归纳了复杂环境下UHF RFID标签天线的设计流程，从而解决了UHF RFID技术在特殊应用中标签设计问题。根据此设计方法设计的标签在特殊应用中RFID标签的性能可以达到最好。

本文首先从天线结构、天线基材、封装、应用使用环境四个方面，通过理论分析与仿真分析两种方法，分析了以上四个方面对标签天线性能的影响，然后在此分析的基础上提出具体应用中的UHF RFID标签天线设计方法，最后根据此设计流程，解决UHF RFID技术在图书馆中的应用，通过分析图书馆应用环境对标签性能的影响，提出图书标签天线的设计要求，最后设计了一款图书标签天线，利用电磁仿真软件HFSS对其进行仿真分析与优化，得到适用于图书馆应用环境下性能最佳的UHF RFID标签。

关键词：RFID，标签，天线，图书

I

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

Abstract

II

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插图索引

图 2.1 RFID系统结构 ................................................................................................ 7 图 2.2 发射天线及其戴维南等效电路 ...................................................................... 9 图 2.3 天线的极化方式 ........................................................................................... 11 图 3.1 ALN-9662 标签 ............................................................................................. 15 图 3.2 ALN-9662标签Inlay横截面结构 ................................................................. 15 图 3.3 RFID标签性能影响因素 ............................................................................... 16 图 3.4 ALN-9662天线版图 ...................................................................................... 18 图 3.5 标签封装后的横截面图 ................................................................................ 20 图 3.6 常见封装后的UHF RFID标签 .................................................................... 20 图 3.7 Alien Higgs-3芯片参数 ................................................................................. 21 图 3.8 ALN-9662天线回波损耗 .............................................................................. 22 图 3.9 ALN-9662天线阻抗 ...................................................................................... 22 图 3.10 ALN-9662三维增益方向图 ......................................................................... 23 图 3.11 ALN-9662二维增益方向图 ......................................................................... 23 图 3.12 ALN-9662天线电流分布 ............................................................................. 24 图 3.13 ALN-9662辐射面长度b4对天线回波损耗的影响 .................................... 24 图 3.14 ALN-9662辐射面长度b4对天线阻抗的影响 ............................................ 24 图 3.15 ALN-9662辐射面长度b4对H面方向图影响 ........................................... 25 图 3.16 ALN-9662辐射面长度b4对E面方向图影响 ............................................ 25 图 3.17 ALN-9662中心环路宽度a1对回波损耗的影响 ........................................ 25 图 3.18 ALN-9662中心环路宽度a1对天线阻抗的影响 ........................................ 26 图 3.19 ALN-9662中心环路宽度a1对H面方向图的影响 .................................... 26 图 3.20 ALN-9662中心环路宽度a1对E面方向图的影响 .................................... 26 图 3.21 ALN-9662无基材时天线的回波损耗 ......................................................... 27 图 3.22 ALN-9662基材为PET时天线的回波损耗 ................................................. 27 图 3.23 ALN-9662基材为FR4时天线的回波损耗 ................................................. 27 图 3.24 金属环境下ALN-9662天线建模 ............................................................... 28 图 3.25 标签直接贴于金属（铁）表面的回波损耗 ............................................... 28 图 3.26 标签直接贴于金属（铁）表面的三维增益方向图 .................................... 29 图 3.27 标签直接贴于金属表面的三维增益方向图 ............................................... 29 图 3.28 标签直接贴于金属表面的磁场矢量图 ....................................................... 29 图 3.29 UHF RFID标签天线设计流程 .................................................................... 32 图 4.1 图书馆UHF RFID标签应用环境 ................................................................ 36

III

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

图 4.2 标签性能测试仪 ........................................................................................... 38 图 4.3 读写器天线 ................................................................................................... 38 图 4.4 测试环境 ....................................................................................................... 39 图 4.5 标签性能测试 ............................................................................................... 39 图 4.6 标签群读测试 ............................................................................................... 40 图 4.7 标签发射功率 ............................................................................................... 40 图 4.8 读取距离 ....................................................................................................... 41 图 4.9 群读测试时一个标签的发射功率 ................................................................ 41 图 4.10 群读测试时一个标签的读取距离............................................................... 42 图 4.11 图书标签天线版图 ...................................................................................... 44 图 4.12 图书标签天线仿真建模 .............................................................................. 45 图 4.13 图书标签天线回波损耗 .............................................................................. 45 图 4.14 图书标签天线阻抗 ..................................................................................... 46 图 4.15 图书标签天线三维增益方向图 .................................................................. 46 图 4.16 图书标签天线二维增益方向图 .................................................................. 47 图 4.17 UHF RFID图书标签应用环境仿真建模 ..................................................... 47 图 4.18 应用环境下图书标签天线回波损耗 ........................................................... 47 图 4.19 应用环境下图书标签天线阻抗 .................................................................. 48 图 4.20 天线总长度L对回波损耗的影响 .............................................................. 48 图 4.21 天线总长度L对阻抗虚部的影响 .............................................................. 49 图 4.22 天线总长度L对阻抗实部的影响 .............................................................. 49 图 4.23 天线中心环路a1对回波损耗的影响 ......................................................... 49 图 4.24 天线中心环路a1对阻抗的影响 ................................................................. 50 图 4.25 优化后图书标签天线的回波损耗............................................................... 50 图 4.26 优化后图书标签天线的阻抗 ...................................................................... 51 图 4.27 优化后图书标签天线的二维增益方向图 ................................................... 51

IV

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附表索引

表 3.1 常见标签版图 ............................................................................................... 16 表 3.2 不同应用的标签天线版图 ............................................................................ 17 表 3.3 ALN-9662主要结构参数 .............................................................................. 18 表 3.4 常用标签天线基材 ....................................................................................... 19 表 3.5 ALN-9662天线主要结构参数 ....................................................................... 21 表 4.1 高频与超高频标签性能对比 ........................................................................ 35 表 4.2 图书馆应用环境对标签的影响测试主要内容 ............................................. 37 表 4.3 测试标签数量及编号 .................................................................................... 37 表 4.4 不同环境下标签群读特性测试结果 ............................................................. 41 表 4.5 图书标签天线结构参数初始尺寸 ................................................................ 44 表 4.6 优化后图书标签天线的尺寸 ........................................................................ 50

V

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第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

课题来源于上海交通大学RFID图书馆应用项目，项目主要研究RFID技术在高校图书馆管理中的应用。主要负责完成了标签的仿真评估、优化改进、测试分析以及天线设计。本文部分研究成果已在此项目得到了应用。

作为物联网发展的核心技术，RFID技术被认为是21世纪最具发展前景的信息技术之一。RFID电子标签以其独特的优势，在智能交通、生产线自动化、商品防伪、商品及货物追踪、资产管理、仓储管理、动物管理等领域得到广泛应用。特别是RFID技术在防伪方面的应用，如酒类防伪、药品防伪、烟草防伪等。以GS1、EPCglobal为代表的行业组织一直致力于在全世界推进采用RFID技术解决这类问题的应用，并于2010年发布了消费电子产品供应链1、托盘标签2、运输资产标签3的RFID应用指南，促进各领域的监管溯源管理水平。

典型的RFID系统由标签、读写器、中间件和上层应用软件构成，其中RFID中间件及应用软件合称为应用系统，系统性能的关键在于标签的性能，而标签由芯片和天线组成，所以（而）标签的性能关键是天线的性能，天线的作用是在标签与读写器之间进行数据通信。RFID标签附着在被标识对象上，每个标签有一个唯一电子编码，其被用来存储被标识对象的信息。读写器利用射频技术读写RFID标签的数据信息。

对国内外近30家RFID标签的厂商进行调查，发现在图书馆应用中的UHF RFID图书标签很少，只有Alien、远望谷、科晶等厂商近4款图书标签。在物流供应链生产、仓储、运输、配送和销售几个环节中，最重要的是仓储环节，仓储中存在托盘管理松散、流失量大等问题。近30家厂商中只有Alien、Impinj、Intermec、Avery Dennison、晶彩、铁勋、远望谷和韩硕等涉及托盘标签，Alien、Impinj的RFID标签主要用于塑胶托盘和木质托盘，少数如Intermec、铁勋和远望谷等几家厂商及到金属托盘标签。

面对目前市面上众多的RFID标签，客户主要考虑标签的选型，以获得合适的标签。对于RFID技术的研究和社会需求，设计出在具体行业应用的RFID标签是急需解决的问题。

本文主要研究了UHF RFID标签天线设计的理论，总结在具体应用中标签天线设计通用的设计方法，即在复杂环境下的UHF RFID天线设计流程，然后根据在具体应用需求自主设计UHF RFID标签天线，最后分析图书馆应用环境对标签的性能影响，提出图书馆管理对UHF RFID标签天线设计的应用要求，根据图书

1

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

馆的需求设计了一款UHF RFID图书标签天线。

1.2国内外研究现状及存在的问题

1.2.1UHF RFID标签天线设计研究现状

RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能，在标签与读写器数据通信过程中起关键作用的是天线。适用于RFID标签的天线有三种，分别是线圈天线、微带天线和偶极子天线。HF RFID标签天线采用的是线圈天线，UHF RFID主要采用微带天线和偶极子天线。RFID阅读器对射频标签的识读距离是RFID系统的主要性能指标。在UHF频段，目前的商用标签识读距离通常可以达到8~10米，识读距离受诸多因素制约，其中标签天线的性能影响最大。综合国内外的研究现状来讲，当前的UHF RFID标签天线技术研究主要集中在以下几个方面。

1．小型化

标签因识别对象不同，对标签的形状和大小也有不同的要求，而天线的大小和形状决定了标签的大小和形状。UHF RFID其大小和形状的可调节性也是相比HF RFID标签的优点。2006年Kim Namhoon4等采用印刷金属环对印刷偶极子天线馈电，设计了一款尺寸为44 mm?40 mm的911 MHz小型天线，天线性能虽有所提高，尺寸也较小，不过由于馈电环的存在，天线很难进一步缩小尺寸。2006年华南理工赖晓铮5等对Hilbert分形结构进行了研究，通过矩量法仿真，给出了Hilbert标签天线的谐振频率、方向图以及天线效率，并制作了一维Hilbert标签天线实物进行测试。仿真和实测结果表明，Hilbert分形结构天线的空间填充特性可有效转化为标签天线的尺寸缩减特性，而且一维Hilbert标签天线具有更高的天线效率。2008年厦门大学汤伟，林斌6等提出工作于915 MHz的小型化天线，具有较好的S11特性和方向性。当驻波比小于2时，天线的工作带宽达到88 MHz，其相对带宽为9.6%，设计的天线尺寸约为30mm?44 mm。2009年电子科技大学栢科文7在其硕士论文中详细分析了弯折线天线各参数（弯折次数、弯折高度、弯折点间的距离、天线的水平长度、弯折线宽度、弯折线之间的距离等）对天线性能的影响分析。2012年Hanieh Aliakbari8等设计了一款覆盖RFID三个频率的天线，分别是0.953MHz、2.45GHz和5.8GHz，天线大小为33mm?28mm，在各频率上的增益分别为1.45dBi、3.1dBi和2.4dBi。Ezzeldin A. Soliman, Senior Membe9等设计了一款工作频率在915MHZ，标签大小为??30?2，即大小为10.67mm?10.67mm，

具有体积小、良好的阻抗带宽等优点。

2．抗介质

抗介质的标签天线设计主要分为抗金属和液体两大类。UHF 频段电磁波传输易受外部环境因素的影响，因此标签所贴附的不同电导率的材质（如金属或者液

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体）会使标签天线出现不同程度的频率偏移以及阻抗和方向性的变化，因此，抗不同介质特别是抗金属标签是目前的研究热点。2009年Antonio Lazaro10等通过仿真研究空气、木头、金属以及水的对UHF RFID标签性能的影响。2011年湖南大学柳权11在其硕士论文中研究了超高频RFID标签受环境影响，文中详细说明了不同介质（空气、塑胶、玻璃、水、金属）对标签性能的影响关系，并采用电磁仿真与实际测试的方法说明了水和金属对标签性能的影响。

目前国内外的抗金属标签主要通过：在对标签厚度要求不严格的应用环境中，通过调整标签天线和金属表面的距离来减小金属边界的影响；采用吸波材料；利用电磁带隙EBG（Ellectomagnetic Band Gap）结构的基板作为天线的介质板；将天线结构设计成微带天线的结构四种方式实现。调整标签天线与金属表面距离使得天线的体积不断增大，不方便固定在物体体积上，同时各种标签形状、性能各异，没有统一的调整规范，基本上是对具体型号的天线经过试验进行调整，需要大量的比对实验；大部分超高频段吸波材料造价比较高，因此吸波材料不能在超高频段普遍使用；EBG板作为基板可有效地解决金属表面的问题且不需要设计新的标签结构，但该板结构复杂，成本相对较高。微带天线因其成本低，加工方便的特点多数抗金属标签采用微带天线的方法设计。赖铭银，靳贵平12等在2011年采用增加2个耦合的寄生贴片来激发新的谐振波模，改善了RFID标签天线的带宽，测量结果得到的标签天线半功率带宽为148MHz，覆盖了所有的超高频RFID系统的频段。

3．特殊应用天线设计

随着RFID技术的应用越来越广泛，其在一些特殊应用中的标签设计越来越受到关注。特殊应用的标签天线设计目前研究分为两类：一是应用环境基本不变时根据应用需求进行天线设计；二是应用环境改变，需要根据环境因素设计的传感标签。

对于第一种天线设计研究，2008年华南理工大学赖晓铮、刘焕彬13等研究了影响包装箱RFID标签天线的因素，通过仿真研究发现包装箱内的内容积和物品的等效介电常数是影响包装箱射频识别的两大因素，其中物品的介电常数对RFID标签天线阻抗的影响最大。同时设计了一种对包装箱内物品不敏感的的纸基RFID标签天线，其天线采用悬置微带多层介质结构，天线地板面积是辐射单元的两倍。2011年王平14详细分析了天线与金属板的不同距离和金属板的不同尺寸对天线参数的影响，设计了一款用于集装箱上的超高频RFID标签天线。Mikko Keskilammi15等人提出了字体形状标签天线设计的方案，天线版图可以作为天线，也可以作为一个标识，达到隐蔽性的要求。美国Intermec公司Pavel V. Nikitin16等人使用回形针作为标签天线对档的追踪管理，材料便于选取，除了作为RFID标签天线以外，还可以有回形针的功能。2013年北京邮电大学邹琴17在其硕士论文中研究了金属

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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

背景对其标签天线的影响，给出了应用于烟盒防伪的抗金属标签设计方案，并设计了一款蝶形偶极子标签天线，这款标签适用于烟盒铝箔的应用要求。目前RFID技术在酒类防伪应用，标签贴附的物体表面为曲面，Toni Bj?rninen18，A. Ali Babar19，YoungDo Kim20，I. J. Garc?′a Zuazola21等人研究的曲面UHF RFID标签天线的设计。

对于第二种设计研究，Abdul Ali Babar22等人选用石蜡作为天线基材设计的传感标签，基于石蜡对温度的敏感性，标签可作为传感器，也可作为RFID标签。Cecilia Occhiuzzi23等人采用特殊材料设计的传感标签，当标签贴附在被识别物体上，当物体发生物理或化学变化时其天线阻抗和增益的变化来远程判断待识别物的物理化学变化。

1.2.2基于RFID技术的图书馆应用现状

RFID技术在图书馆的应用主要表现在图书的自助借还、智能分拣、上架、顺架、盘点、安全防盗等几个主要方面。目前图书馆的管理模式已经从人工方式过渡到以条形码加磁条相结合的半智能化管理模式。而以条形码加磁条的方式仍有许多改进的问题，如智能分拣、快速盘点、快速理架等方面，因此基于RFID技术的智能图书馆可以很好地解决这些问题。

国外是最早引入RFID技术来提高图书馆的智能化管理。最早使用RFID技术的国家是新加坡，在1998年测试RFID技术在图书馆的使用，并于1999年建成世界上第一个基于RFID技术的图书馆管理系统。同年美国的洛克菲勒大学图书馆和密歇根州的法明顿社区图书馆使用RFID技术应用于图书馆管理，成为最早使用RFID技术的高校图书馆。基于RFID技术图书馆管理系统在国际上大规模使用始于2005年。

国内图书馆对于RFID技术的应用最早是在2006年集美大学诚毅图书馆和深圳图书馆。随后武汉图书馆、上海图书馆、国家图书馆、杭州市图书馆、厦门图书馆、陕西省图书馆等陆续引进RFID技术。各图书馆RFID系统其具体组成和功能主要包括自助借还以及图书盘点这两大功能。这也是RFID技术应用于图书馆管理与传统条形码技术的显著优势。上海交通大学图书馆于2011年成立RFID技术应用项目组，经过大量的前期调研、论证和测试工作。2013年1月召开高校图书馆RFID技术应用标准规范研讨暨产品设备展示会。

1.2.3现有研究存在的问题

针对现有研究，主要存在以下几个方面的问题：

问题一：标签性能影响因素的分析。现有研究对于标签天线的设计主要是天线结构的设计，而在实际应用时其他因素对标签性能也存在很大影响，如天线基材、封装、环境因素等。

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工程硕士学位论文

问题二：虽然现有不少针对具体应用的标签设计研究，但是现有研究都是建立在自由空间的仿真分析，缺少在实际应用情况下的仿真分析，这样的设计在实际应用时会因贴附的材质、环境的影响出现频点偏移，在实际使用过程中标签无法达到较好的识别性能。因此复杂环境中标签的设计方法也是急需研究的问题。

1.3论文主要内容及创新性

1.3.1研究目标

本文主要是对复杂环境下UHF RFID标签天线设计方法理论的研究。结合仿真分析研究了影响UHF RFID标签性能的关键因素，提出在具体应用中UHF RFID标签天线设计方法。依据此设计流程，在实际应用中分析图书馆管理中图书标签设计需求，并设计一款UHF RFID图书标签天线。

1.3.2研究内容

本文研究的主要内容有： 1．UHF RFID标签性能影响因素

对影响标签性能的各因素进行进行理论分析和仿真分析，得到标签天线主要的性能影响因素，提出UHF RFID标签天线设计要求。

2．具体应用中UHF RFID标签天线设计方法

提出复杂环境标签设计的应用需求，同时给出复杂环境标签天线设计的要求。基于具体应用的UHF RFID标签天线设计方法，该设计流程确定了在实际应用中标签天线设计的设计步骤，并给出各设计环节需要注意的问题以及关键问题。

3．UHF RFID图书标签天线设计

分析图书馆管理对RFID技术的应用需求，得到在图书馆管理中标签的应用需求，根据提出的具体应用中UHF RFID标签天线设计方法，给出UHF RFID图书标签的设计方法，并设计图书标签天线，仿真分析其天线结构参数对标签天线性能的影响，同时根据实际需求，仿真天线基材，以及图书标签使用环境对标签天线性能的影响。根据以上的仿真分析以及优化目标，对标签天线的结构参数进行优化，最终得到满足图书馆应用需求的标签。

1.3.3创新性

1．UHF RFID标签天线设计仿真中加入了环境因素的仿真分析，同时提出了在具体应用中UHF RFID标签天线设计方法。即针对在实际应用中复杂环境对标签性能的影响，总结了标签性能影响的关键因素，并通过仿真进行了分析，最终总结了复杂环境UHF RFID标签设计流程。

2．根据提出的理论方法，解决了实际问题。依据提出的UHF RFID标签天线

5

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

设计理论，分析图书馆标签设计需求，并设计了一款图书标签。

1.4论文结构

本文共有五个章节，各章节内容安排如下：

第一章是绪论，介绍了选题的背景及意义，UHF RFID标签天线在国内外的研究现状，以及图书馆管理中RFID技术的研究现状和存在的问题。同时指出了本文研究的主要内容。

第二章是关键技术理论，对本文涉及到的关键技术理论，包括RFID技术理论、天线理论以及RFID天线的基本理论。

第三章是UHF RFID标签天线设计理论的研究，主要从三个方面研究：一，提出在具体应用中UHF RFID标签天线的设计方法；二是UHF RFID标签性能影响因素的研究；三通过电磁学仿真对天线结构、基材和应用环境对标签性能的影响进行分析。

第四章是UHF RFID图书标签设计，首先分析应用需求，然后结合应用需求分析设计标签天线版图，通过仿真分析，得到满足图书馆应用需求的标签天线。

最后是总结和展望，总结本文研究的成果和不足，提出对课题的下一步研究和解决的问题。

6

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第2章RFID标签天线理论

2.1RFID技术

2.1.1RFID技术简介

射频识别24是无线电频率识别（Radio Frequency Identification， RFID )的简称，即通过无线电波进行识别。在RFID 系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。在一些应用中，阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对应答器写入数据，读、写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。与其他识别方式相比，RFID具有多目标识别、运动物体识别、远距离目标识别等优点。

RFID技术各个频段有其技术特征和不同的应用领域，近距离RFID系统是指使用125KHz的LF和13.56MHz的HF频段，这两个频段的技术目前也最为成熟；远距离RFID系统使用的是433MHz、860~960MHz的UHF频段和2.45GHz、5.8GHz的微波频段。RFID技术在具体的应用领域，需要选择不同的频段的RFID系统。LF RFID系统主要应用于门禁管理，HF RFID系统主要用于智能卡、单品级物品追踪，UHF RFID系统主要用于单品级物品追踪、物流仓储中的托盘管理、集装箱管理，微波频段RFID系统主要用于不停车收费系统、人员管理等。

2.1.2RFID系统组成与工作原理

典型的RFID系统由标签、读写器、中间件和上层应用软件构成。简单的RFID系统至少包括标签和读写器，其读写器一般为手持机。整个系统中RFID中间件及应用软件合称为应用系统。RFID系统性能的关键在于标签的性能，标签性能取决于于RFID标签天线的特点和性能，在标签与读写器通过天线进行数据通信。如图2.1是典型的RFID系统。

图 2.1RFID系统结构

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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

RFID系统主要由三大部分组成： 1．电子标签

电子标签由芯片和天线组成，每个电子标签都有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象用来存储识别物体的相关信息。其主要功能有：具有一定的存储容量，可以存储物品的相关信息，如产品编号、名称、规格、颜色、位置及其它信息；在具体应用中，电子标签存储的的数据信息能够被读取或写入；数据信息编码后及时传送给阅读器。

在实际的应用系统中，电子标签的使用有两种基本形式：一种是电子标签处于移动状态，使用固定式读写器进行识别；另一种电子标签位置固定，则通过手持机等移动读写器识别。

RFID标签主要有以下几类分类方式：

按其有无电源分为被动标签和主动标签。被动标签，即无源标签，当接收到读写器发出的信号后，将部分微波能量转化为直流电流供自身供电，成本较低，比主动标签更小，读取距离也较近，一般在几厘米到数十米；主动标签，即有源标签，自身带有电池供电，读写距离也较远，体积较大，与被动标签相比成本相对更高。

按存储的信息是否可被改写，标签分为只读标签和可读写标签。只读标签的信息在集成电路生产时将信息写入，以后不能修改且只能被专用的读写器读取；可读写标签将其保存的信息内部的存贮区，需要改写时也可采用专门的编程或写入设备擦写。信息写入电子标签的时间大于读取标签的时间，其工作距离读取距离大于写入距离。

按照其工作的工作频率，RFID标签分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波频段（MW）等不同种类。低频系统典型的工作频率为125KHz、134KHz，高频系统典型频率为13.56MHz，超高频系统的工作频段433MHz、860~960MHz，微波频段一般典型的工作频率有2.45GHz、5.8GHz。

2．读写器

读写器是利用射频技术读写电子标签信息的设备。RFID系统工作时，一般首先由读写器发射一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号后，就会给出应答信号，应答信号中含有电子标签携带的数据信息。读写器接收这个应答信号，并对其进行处理，然后将处理后的应答信号返回给外部主机，进行相应操作。

读写器和电子标签之间是通过软件来控制完成，在系统结构中，应用软件首先先对读写器发出指令，读写器对系统软件做出相应的响应，同时对电子标签发出不同的指令，与之建立通信关系。

3．系统高层

复杂的RFID系统会有多个读写器，每个读写器要同时对多个电子标签进行操

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作，并要实时处理数据信息，这需要系统高层处理问题。系统高层是计算机网络系统，数据交换与管理由计算机网络完成，读写器可以通过标准接门与计算机网络连接，计算机网络完成数据处理、传输和通信的功能。

RFID系统的工作原理：标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；读写器读取信息并译码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

2.2天线理论

2.2.1天线基本理论

天线是将传输线中的高频电磁波转化为自由空间中的电磁波，或者将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁波。天线为传输线的终端负载可视为一个二端网络，天线的输入阻抗指的是天线的输入端电压与电流之比，如图2.2为发射天线，天线输入端如图中AB端口。

AARtIgRrVg辐射波RXg激励源BB（a）发射天线XA（b）戴维南等效电路

图 2.2发射天线及其戴维南等效电路

则天线的输入阻抗为：

ZA?

Uin?RA?jXAIin

天线的输入阻抗虚部表示近场的能量，输入阻抗的实部是由辐射电阻和损耗电阻组成，表示为：

如果将天线辐射的功率看做一个等效电路的吸收功率，其等效电阻称为天线的辐射电阻。将天线的的损耗功率看做一个等效的损耗电阻所吸收的功率。天线连接的激励源内部阻抗为：

若要实现激励源与天线的最大化能量传输，两者需要满足阻抗共轭匹配，即：

Zg?Rg?jXgRA?Rr?Rl 9

UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

??RA?Rr?Rl?Rg???XA??Xg

2.2.2天线性能参数

天线的基本性能参数主要包括方向图、增益、输入阻抗、天线极化、辐射强度、方向性系数、效率等。

1．方向图

天线向一定方向辐射电磁波的能力称为天线的方向性。接收天线的方向性是指天线对不同方向上的电磁波的接受能力。天线的方向性是与其在自由空间中辐射出去的场强图样联系在一起的，这种显示在离天线固定远处，场强随天线的方向变化的函数关系的真实或相对的图样，称为天线的方向图25，即方向图是天线方向性的特性曲线，用来说明天线在空间各个方向上具有的发射或者接收电磁波的能力。

2．方向性系数

天线的方向性系数D定义为在远场区的一球面上天线的辐射强度比平均辐射强度，即：

D??,???U(?,?)U0

其中，U0为平均辐射强度，其值为辐射功率与球面积之比，即：

U0?14???U??,??sin?d?d?

002??所以，一般方向性系数D是指最大辐射方向上的方向性系数，即：

D?3．效率

UmaxU0

一般在天线系统中存在损耗，如导体损耗、介质损耗等，所以辐射到空间内的电磁波功率小于发射机输出到天线的功率。天线的效率表示天线将输入高频能量转化为无线电波能量的有效程度，其值为天线辐射功率比输入功率，即：

PradPin

其中，Prad为天线的辐射辐射功率，Pin为天线的输入功率。

?A?4．增益

方向性系数主要考虑的是射功率，而天线的增益G表示将输入功率在特定方向上的辐射能力，其定义为在输入功率、距离相同的条件下，天线在最大辐射方向上其功率密度比无方向性天线在最大辐射方向上辐射功率密度，其值为：

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G?4?Pin

即：

G??AD

5．输入阻抗

一般天线通过馈线与发射机相连，其连接处为天线的输入端，输入端的阻抗值就是天线的输入阻抗，即天线和馈线的连接馈电点两端感应的信号电压和信号电流之比。输入阻抗的大小与天线的工作波长和天线结构有关，包括电阻分量和电抗分量，而电抗分量会减小天线进入馈线的有效信号功率。因此在天线设计时必须使天线的电抗分量尽可能为零，天线的输入阻抗为纯电阻。

天线通常存在天线与馈线阻抗匹配的问题，其阻抗匹配程度决定功率传输的效率。通常情况下馈线使用的是50?的标准阻抗，因此在天线设计时尽可能的将天线的输入阻抗设计为50?，这样在工作频带可达到尽可能小的驻波比。

6．极化

天线的极化定义为天线辐射最大方向上的电磁波中的电场强度，也即一个周期内瞬时电场矢量描述的轨迹，轨迹一般是直线、椭圆或圆，其极化分别称之为线极化、椭圆极化和圆极化。三种不同的极化其如图2.3所示：

图2.3（a）线极化 图2.3（b）圆极化 图2-.3（c）椭圆极化

图 2.3天线的极化方式

三种极化方式又可以做细的划分，线极化分为垂直极化和水平极化，垂直极化的电场矢量与地面垂直，水平极化的电场矢量与地面平行。圆极化分为左旋圆极化与右旋圆极化，左旋圆极化指的是电场矢量按照传播方向左旋变化，当电场矢量按照传播方向右旋变化则称之为右旋极化。同样的，椭圆极化也有左旋和右旋极化之分。

2.3RFID天线设计

2.3.1RFID天线简介

RFID天线分为读写器天线和标签天线，负责无线电信号的感应，在标签和读

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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

写器之间传递射频信号，天线设计对RFID读取性能有较大的影响。

1．读写器天线

天线是一种能够将接收到的电磁波转化为电流信号，或者将电流信号转化为电磁波的装置。读写器天线具有多种不同的形式和结构，如偶极子天线、双偶极子天线、阵列天线、八木天线、平板天线、螺旋天线和环形天线等。其中环形天线主要用于低频和中频的射频系统中，完成能量和数据的电磁耦合。而在433MHz、915MHz和2.45GHz的射频识别系统中，主要采用平板天线、八木天线和阵列天线。

2．标签天线

根据射频识别系统的应用要求，电子标签天线需具备以下几个方面的性能：体积小，可以贴附或嵌入到本身就很小的待识别物体上；方向性，有全向或半球覆盖的方向性；读写器给标签提供的能量，天线需能够提供最大的信号给标签芯片；无论标签处于待识别物体的什么位置、什么方向上，标签天线的极化都能与读写器的查询信号相匹配；作为整个系统损耗部件的一部分，考虑到成本问题，也必须控制标签天线的成本。

在具体需求中选择标签天线时必须考虑以下因素： 1．天线的类型

根据不同的频段，天线类型不同，如高频RFID标签天线为线圈天线，形状多数为圆形或方形，还有其它特殊应用中，标签天线可以根据需求设计成不同的形状的线圈。超高频RFID标签天线分为两类：近场标签和远场标签。一般的近场标签天线设计成一个线圈或一个环形回路。远场UHF RFID 标签天线根据天线类型主要有微带贴片型和偶极子天线。偶极子天线有半波对称偶极子天线、折合偶极子天线和弯折偶极子天线几种类型。

2．贴附到物体上，天线的射频性能

当标签贴附在待识别物体上，特别是UHFRFID标签，标签性能受到待识别物体形状和材质的影响，因此，最终标签的性能关注的是当标签贴附到物体上天线的射频性能。

3．应用到具体环境中，天线的射频性能

当标签贴附在物体上，在具体应用中存在一定的环境干扰，如：液体和金属，这时标签的性能受到外界环境的影响标签性能下降，甚至无法识别。

2.3.2UHF RFID标签天线设计要求

判断标签天线性能好坏的关键依据是标签的阅读距离，标签的阅读距离直接和天线的增益及功率传输系数有关。而功率传输系数和标签天线与芯片的匹配情况有关。因此，阻抗匹配和增益是UHF RFID标签天线设计的两大设计目标。

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1．阻抗匹配

RFID天线的的阻抗是否与标签芯片的阻抗相匹配决定了标签的天线的供电效率和天线灵敏度，即决定了标签的读写距离和识别成功率。UHF RFID标签芯片的阻抗具有实部很小、虚部很大的特征，将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭，来实现能量的最大化传递。

2．增益

当标签芯片与天线完全匹配，标签的最大工作距离为：

Rtag?PGG??trt4?Pth，

其中：Pt为读写器天线发射功率，Gr为标签接收天线增益，Gt为读写器发射天线增益，Pth标签芯片的读取灵敏度。因此，标签的天线增益直接影响标签的读取距离。对于UHF RFID标签常用的弯折偶极子天线，通过弯折可以减少天线的尺寸，达到天线小型化的目的，但是天线增益会随着尺寸的减小而减小。因此，天线设计需要对高增益与小型化进行折中考虑。

2.3.3UHF RFID标签天线性能参数

超高频标签天线性能参数包括中心频点、带宽、阻抗匹配程度、方向特性以及增益大小，可以通过以下天线性能参数分析。

1．回波损耗

回波损耗是天线设计关注的重要参数之一， 其定义为入射波功率与反射波功率之比。通过天线的回波损耗曲线，可以得到天线的中心频点、天线带宽以及天线的阻抗匹配程度。

2．输入阻抗

天线的阻抗包括阻抗实部和阻抗虚部，阻抗匹配要求天线的阻抗实部与芯片的阻抗实部相等，虚部相反，即共轭匹配。

3．方向图

天线方向图是方向性函数的图形化表示，有增益方向图、场强方向图等。其中又分为三维立体方向图和平面方向图，一般UHF RFID标签天线关注的是增益方向图。方向图描绘了天线的辐射特性随空间坐标变化的关系，可以观察到天线的多项性能参数，即极化方向、方向特性和增益大小。

2.4本章小结

本章介绍了RFID技术、天线的基本理论以及RFID天线的基本理论。对于RFID技术，首先对RFID技术做了简单地介绍，然后对RFID系统的组成以及RFID

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系统的工作原理做了详细的描述。天线理论主要介绍了一般天线设计的相关理论，并由此对RFID天线理论做了详细的描述。

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第3章具体应用中UHF RFID标签天线设计方法研究

3.1UHF RFID标签性能影响因素

电子标签是射频识别系统的数据载体，无源电子标签由标签天线和标签芯片组成。如下图3.1和图3.2是Alien9662的标签Inlay以及标签Inlay的横截面图。标签Inlay由芯片、天线和天线基材组成。

图 3.1ALN-9662 标签

图 3.2ALN-9662标签Inlay横截面结构

下图是标签的设计到最终的应用，包括天线设计、天线生产、芯片绑定、封装和应用几个环节。

对于具体应用RFID标签的应用首先是标签天线设计，包括芯片的选型和天下结构的设计，其中芯片的选择需要根据根据具体应用存储的数据选择合适的芯片，根据芯片的参数计算天线的阻抗。

然后将设计好的天线版图进行生产，目前RFID天线制作技术主要有三种：绕线式天线、印刷天线和蚀刻天线。绕线和印刷技术在中国大陆得到了较为广泛的应用，利用线圈绕制法制作RFID标签时，要在一个绕制工具上绕制标签线圈并进行固定，此时要求天线线圈的匝数较多。这种方法用于频率范围在125-134KHz的RFID标签，其缺点是成本高、生产速度慢、生产效率较低；印刷天线是直接用导电油墨（碳浆、铜浆、银浆等）在绝缘基板（或薄膜）上印刷导电线路，形成天线的电路。主要的印刷方法已从只用丝网印刷扩展到胶印、柔性版印刷、凹印等制作方法，较为成熟的制作工艺为网印与凹印技术。其特点是生产速度快，但由于导电油墨形成的电路的电阻较大，它的应用范围受到一定的局限；印制电路的蚀刻技术主要应用于欧洲地区，而在台湾，目前仅少数软性电路板厂有能力运用此技术制造RFID标签天线。蚀刻技术生产的天线可以运用于大量制造高频、超高频频宽的电子标签中，它具有线路精细、电阻率低、耐候性好、信号稳定等优点。

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天线版图生产完成，然后使用导电胶将天线与标签芯片绑定，即一次封装。通过在RFID芯片上制作凸点，基板材料上制作天线，然后封装芯片实现芯片与天线的互联，测试合格即完成RFID标签Inlay，即RFID标签的第一次封装。

标签的封装，即RFID标签的第二次封装，RFID标签需要根据不同的应用，经过层压、冲裁、印刷等二次封装，也就是Inlay的外包装，到此完成最终的RFID标签产品。

将设计的标签贴附到需要设别的物体上，至此RFID标签从设计到应用完成。

图 3.3RFID标签性能影响因素

如图3.3是影响RFID标签性能的主要因素，包括标签芯片性能，标签天线设计特性，天线的基材，标签封装材质、封装形式，标签贴附物体物理特性、形状，标签贴附物体内的物品以及周围的应用环境等方面。

3.1.1天线结构参数

UHF RFID标签天线根据其工作原理分为近场天线和远场天线。UHF射频识别系统中的近场识别技术主要应用于贵重物品如医疗用品、电子产品和珠宝等单品识别领域。表3.1列举了目前市面上典型的几种标签版图并对其进行了分类。

表 3.1常见标签版图

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标签类型极化方向天线类型标签型号ALN-9613标签版图近场-线圈天线XCTF-8009微带贴片天线ALN-9654缝隙天线AD-840ALN-9662线极化远场偶极子天线ALN-9634ALN-9627DogBone圆极化偶极子天线H47 UHF RFID 标签Inlay多数为通用型标签，但对于一些特殊应用：如图书、档案、贵重小物品（珠宝）等，因其对标签尺寸，形状、距离等的特殊要求，需要根据具体的应用来设计标签天线。随着UHF RFID技术在各行业的广泛应用，需要对特殊应用进行标签天线的设计。表3.2是目前几种不用应用的标签天线版图。

表 3.2不同应用的标签天线版图

应用通用型光盘珠宝标签型号ALN-9662ALN-9640XCTF-8114-C04XCTF-8026-C04版图 天线结构参数对标签性能的影响分析以弯折偶极子天线Alien 9662基本近似版图为例，天线版图如图3.4所示。

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图 3.4ALN-9662天线版图

ALN-9662天线结构参数主要包括三个部分：中心环路、辐射面以及弯折偶极子，表3.3列出其主要的结构参数。

表 3.3ALN-9662主要结构参数

天线版图中心环路辐射面弯折辐射面主要结构参数宽度a1、长度b1、线宽k1宽度a2、长度b4弯折次数n、弯折处距中心环路距离b2、弯折处线宽k2、弯折宽度 b3、弯折高度h 中心环路部分是为了调节阻抗匹配，结构为T型匹配结构，主要参数宽度a1、长度b1和线宽k1。目前天线设计采用最多的也是T型匹配。如表3.1中列举的标签版图，ALN-9654、AD-840、ALN-9662、ALN-9634、ALN-9627、NXP DogBone都是采用的T型匹配结构。

当源阻抗与负载阻抗共轭匹配时，可以实现能量的最大传输。对于UHF RFID标签天线设计，芯片的输入阻抗包括实部和虚部，而并非通常的天线输入阻抗为

50?，同时需要满足低成本和小型化的要求，所以UHF RFID标签天线与芯片不能

采用匹配网络而是采用调节标天线签天线结构来实现阻抗匹配。常用的阻抗匹配方法有横条加载26、感性耦合272829、容性耦合30、T型匹配网络31和嵌入缝隙匹配32。

3.1.2天线基材

天线基材即天线的载体，介电常数（?r）与损耗角正切（tan?）是天线基材影响天线性能的两个参数。介电常数即以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电容器的电容量之比值。表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量 的大小。是表征电介质极化并存储电荷的能力。其中介电常数表示电介质材料存储电荷的能力，损耗角正切表示天线受热而产生的能量损失。在进行天线设计时应考虑基材对天线性能的影响。

电磁波在煤质中的传播，其电磁波的工作波长为：

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????????1????1?f??r???c????

212式中?为磁性材料的磁导率，?为导体的电导率，?r电介质的介电常数，?为角频率。

由公式可以看出，电磁波的工作波长?与电介质的介电常数?r成反比，但是天线大小却与波长?成正比。因此标签天线在小型化设计中，应选择介电常数高的材料，从而减小标签的大小，到达小型化设计的目的。

对于材料的电导率?，由衰减常数：

2?????1????1???2????c???

当天线基材为理想材料，即导体的电导率??0时，衰减常数??0，此时电磁波在介质中的传播认为是无损耗的传播。而在实际当中电导率??0，即具有一定

???r?12介电常数?的材料，都具有一定的电导率?。因此在天线设计时选择高介电常数天线基材材料时，应考虑到电导率?的值，根据衰减常数公式，为降低电磁波在天线基材中的损耗，应降低电导率，也就是说电导率?越小越好。因此在天线设计时天线基材的选择上在选择较高介电常数时，此材料也必须具有较低的损耗角正切值。

常用的天线基材有PET、FR4 ，还有目前研究比较多的LTCC（低温共烧陶瓷）。如表3.4列举了常用天线基材的关键参数，天线设计时主要考虑基材的相对介电常数和损耗角正切值。

表 3.4常用标签天线基材

基材FR4PETLTCC相对介电常数4.4损耗角正切值0.023.57.80.010.001 3.1.3封装

标签在实际应用时出于对特殊应用对象的考虑，基于对标签不被损坏、读取性能良好等需求，通常标签不是直接贴附在物品上，标签Inlay通常被不同材质的材料所包围，即标签的封装。标签的封装形式需要根据应用需求、环境因素、应用成本等不同，标签Inlay需要封装成不同材质、不同形状、不同厚度。比如圆形、方形、异形等。常见的封装后的标签有纸质不干胶标签、塑料标签、动物体内植入标签和耳标标签、腕式标签等。

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图3.5是标签封装后的横截面图，图3.6是常见的一些封装后的标签。一般的标签天线设计时，都是基于天线本身的设计与仿真分析，即标签Inlay处于自由空间中。因此，标签在应用时因封装材料、形状、大小等因素对标签本身的性能产生一定的影响。封装因素对标签性能的影响主要有材料、尺寸、封装形式等三方面因素，其中封装材料为主要因素。常用的一些封装材料有纸质不干胶、PC、ABS塑胶、PVC等。考虑到封装对标签性能的影响，可以在项目实施当中减少标签设计时间，对标签后期的封装工艺起到理论上的指导意义。

图 3.5标签封装后的横截面图

图 3.6常见封装后的UHF RFID标签

3.1.4应用环境

RFID系统中环境因素对标签的性能影响很大，当标签贴附在金属表面、有水的环境的表面时和贴附物的表面不是平面，标签的性能会受到很大的影响，甚至出现标签不能正常读取。标签在应用中的影响因素主要有：贴附物的介质和物体形状。

1．物体介质

当标签贴在表面是金属或容器内为液体溶剂时，因电磁场无法穿过金属，而水对电磁能量有吸收作用的特性，即电磁波有遇金属反射、遇水吸收的特性。标签天线附近有金属时，会在金属表面形成高频电流，由楞次定律，感应形成的电流产生抵抗激励的磁场，这样，在金属表面的磁通量会很大程度的减少。金属直接影响表面电场和磁场的分布。使得标签无法获得电磁能量启动。而水具有较高的介电常数，对射频信号有吸收作用。其介电常数大概在70，这样会减小标签天

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线的增益，使标签无法正常读取。

当UHF RFID标签应用于复杂环境中，比如在物流仓储领域集装箱、托盘一般为金属，同时标签的性能也受到周围环境的影响，这就要求标签为抗金属标签。医药化工行业，标签贴附在药剂、溶剂的瓶上，使用的溶剂瓶一般为玻璃、塑胶或塑胶，这些物质的介电常数都不同，对天线的性能产生一定的影响。

2．形状

一般情况下标签都是贴在平面物体的表面，但是在特殊应用条件下标签有时贴在曲面上，或者需要贴在直角的物体上，这时的UHF RFID标签天线因为形变，天线性能也发生很大变化甚至不能读取。比如酒类防伪应用中，标签贴在酒盖上，其表面为曲面，一般的满足形状、大小的标签，贴附在曲面上时，其天线形状也会发生改变，天线的中心频点偏移、增益减小，标签的性能下降。

3.2UHF RFID标签天线性能影响因素仿真分析

为了便于仿真，标签Inlay选择Alien 9662的近似版图，芯片使用是Alien Higgs-333，其芯片参数如表3.5。

图 3.7Alien Higgs-3芯片参数

由Alien Higgs-3芯片参数，并联电阻Rp的值为1500Ohms，并联电容Cp的值为0.85pF，由此得到芯片在915MHz时的负载阻抗为27?j201?，则天线的阻抗为其共轭匹配值，其值为27?j201?。

3.2.1天线结构参数对天线性能的影响

ALN-9662近似天线结构如图3.4，其天线主要结构参数的初始值如表3.6所示。

表 3.5ALN-9662天线主要结构参数

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天线版图天线主要结构参数结构中心环路辐射面弯折初始参数值a16.5mmb120mmk11mma217mmb414mmn2b210mmk21mmb33mmh12mm 对以上标签天线在HFSS13中建模，然后进行仿真分析，如图3.7为天线的回波损耗仿真结果。仿真结果表明，对于初始结构参数的仿真，天线的中心频点在991MHZ，在860MHz~960MHz频率范围内S11都小于-10dB，回波损耗值最小值为-33.5dB。

-12.50XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFT-15.00dB(S(1,1))Setup1 : Sweep-17.50-20.00dB(S(1,1))-22.50-25.00-27.50-30.00NameXYm1-32.50m10.9910-33.5464-35.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.8ALN-9662天线回波损耗

如图3.8为天线的阻抗仿真结果，其中包括天线的阻抗实部和阻抗虚部。

200.00XY Plot 2HFSSDesign1Curve InfoANSOFT175.00im(Z(1,1))Setup1 : Sweepre(Z(1,1))Setup1 : Sweep150.00125.00Y1100.0075.0050.0025.00 0.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.9ALN-9662天线阻抗

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增益方向图如下图，如图3.9为915MHZ时天线的三维增益方向图，可以看出天线的最大增益为1.02dBi。图3.10为频率在915MHz处的二维增益方向图，其中3.10(a)为H面方向图，图3.10(b)为E面方向图，从图中可以看出天线的H呈全向，E面为八字形状，与基本偶极子天线的方向图几乎相同。

图 3.10ALN-9662三维增益方向图

图3- 10（a）H(xy)面增益方向图 图3- 10(b)E(xz)面增益方向图

图 3.11ALN-9662二维增益方向图

图3.11给出了频点在915MHz时天线的电流分布图，从图中可以看出，在中心环路处电流的分布比较集中，其次是弯折部分，因此在调节天线匹配时主要调节的也是中心环路部分，包括中心环路的宽度、长度以及线宽。

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图 3.12ALN-9662天线电流分布

下面对标签天线性能影响的关键参数进行仿真分析，选定分析的参数有中心辐射面长度b4和环路的宽度a1。

改变辐射面长度b4，b4的值从12mm~16mm，变化步长为1mm，天线仿真结果如图3.12和图3.13。仿真结果表明：随着b4的值逐渐增大，中心频点变化明显并向左偏移，即谐振频率逐渐下降，且变化较慢，而回波损耗先减小后增大。天线的阻抗虚部的值随辐射面长度b4值的增大，其值先增大后减小，而阻抗实部逐渐增大。

-10.00XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFTdB(S(1,1))Setup1 : Sweepb4='12mm'-15.00dB(S(1,1))Setup1 : Sweepb4='13mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweepb4='14mm'-20.00dB(S(1,1))dB(S(1,1))Setup1 : Sweepb4='15mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweepb4='16mm'-25.00-30.00-35.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.13ALN-9662辐射面长度b4对天线回波损耗的影响

200.00XY Plot 2HFSSDesign1Curve Infoim(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='12mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='13mm'ANSOFT175.00150.00im(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='14mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='15mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='16mm're(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='12mm're(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='13mm're(Z(1,1))Setup1 : Sweepb4='14mm'125.00Y1100.0075.0050.0025.00 0.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.14ALN-9662辐射面长度b4对天线阻抗的影响

改变辐射面长度b4，天线的H（xy）面增益方向图随着b4的增大，H（xy）面的增益逐渐增大，但变换较慢，天线的E(xz)面增益方向图几乎没有变换。其仿真结果见图3.14和图3.15。

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工程硕士学位论文

图 3.15ALN-9662辐射面长度b4对H面方向图影响

图 3.16ALN-9662辐射面长度b4对E面方向图影响

改变中心环路宽度a1，其值变化范围为5.5mm~7.5mm，变化步长为0.5mm，天线仿真结果如下：

回波损耗仿真结果（见图3.16）表明：随着中心环路宽度a1的增大，天线的谐振频率逐渐减小，但变化幅度不大，回波损耗变化较大且逐渐减小。阻抗（仿真结果见图3.17）随着中心环路宽度a1的增大，阻抗实部和阻抗虚部同时增大。

-10.00XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFT-15.00dB(S(1,1))Setup1 : Sweepa1='5.5mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweepa1='6mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweepa1='6.5mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweepa1='7mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweepa1='7.5mm'-20.00-25.00dB(S(1,1))-30.00-35.00-40.00-45.00-50.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.17ALN-9662中心环路宽度a1对回波损耗的影响

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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用

XY Plot 2HFSSDesign1Curve Infoim(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='5.5mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='6mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='6.5mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='7mm'im(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='7.5mm're(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='5.5mm're(Z(1,1))Setup1 : Sweepa1='6mm'ANSOFT225.00200.00175.00150.00125.00Y1100.0075.0050.0025.00 0.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.18ALN-9662中心环路宽度a1对天线阻抗的影响

改变中心环路宽度a1，天线的H（xy）面增益方向图随着a1的增大，H（xy）面的增益有小幅变换，天线的E(xz)面增益方向图几乎没有变换。

图 3.19ALN-9662中心环路宽度a1对H面方向图的影响

图 3.20ALN-9662中心环路宽度a1对E面方向图的影响

3.2.2天线基材对天线性能的影响

以上都是标签天线基于自由空间的仿真与分析结果，而天线的生产都会有天线载体，即天线基材，常见的天线基材有PET、FR4，下面对同一标签天线不同基材进行仿真分析分析，其回波损耗的仿真结果如图3.20、图3.21和图3.22。

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-12.50XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFT-15.00dB(S(1,1))Setup1 : Sweep-17.50-20.00dB(S(1,1))-22.50-25.00-27.50-30.00NameXYm1-32.50m10.9910-33.5464-35.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.21ALN-9662无基材时天线的回波损耗

-12.50XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFTdB(S(1,1))Setup1 : Sweep-18.75dB(S(1,1))-25.00-31.25Namem1X0.9150Y-35.8384m1-37.500.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.22ALN-9662基材为PET时天线的回波损耗

-12.50XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFTdB(S(1,1))Setup1 : Sweep-15.00-17.50-20.00dB(S(1,1))-22.50-25.00-27.50-30.00-32.50Namem1X0.8980Y-34.4553m1-35.000.800.850.900.951.00Freq [GHz]1.051.101.151.20 图 3.23ALN-9662基材为FR4时天线的回波损耗

从以上三个回波损耗的仿真结果可以看出天线基材对标签天线的性能产生影响，特别是对天线中心频点的影响，在没有加基材的情况下的回波损耗仿真结果，可以看出中心频点在991MHz，当天线基材为PET时天线的中心频点为915MHz，当天线基材为PCB基材（FR4）时，天线中心频点为898MHz，因此天线基材不

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同，天线的谐振频率会产生一定的偏移。

3.2.3应用环境对天线性能的影响

下面分析环境因素对标签性能的影响，假设标签（PET基材）直接贴于金属铁表面，铁的大小为76mm*20.5mm*2mm，位于标签下方，仿真建模如图3.23。

图 3.24金属环境下ALN-9662天线建模

对以上天线进行仿真，仿真结果如下：

回波损耗仿真结果表明（见图3.24）：标签直接贴于金属表面，天线的中心频点发生较大的偏移，从915MHz漂移到1.2GHz，再无金属干扰时，当S11＜10dB时，带宽达到频段860MHz~960MHz，而有金属干扰时，只有820MHz~960MHz。

-5.00XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFTdB(S(1,1))Setup1 : Sweep-10.00-15.00dB(S(1,1))-20.00-25.00-30.00NameXYm11.2020-31.2237m1-35.000.800.901.001.10Freq [GHz]1.201.301.401.50 图 3.25标签直接贴于金属（铁）表面的回波损耗

增益方向图如图3.25和图3.26，其中图3.25为915MHz时天线的三维增益方向图，天线的方向特性发生很大变化且天线最大增益值明显减小。图3.26（a）和图3.26（b）为频率在915MHz时天线的二维增益方向图，其中3.26（a）为H面方向图，图3.26（b）为E面方向图，从仿真结果可以可以得到天线的H面方向图呈半球形状，E面为不规则八字形状，则标签在有金属干扰的一侧几乎无法读取。

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