无源无芯UWB―RFID标签设计及测试
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【摘 要】超宽带是一种利用极短脉冲传递信息的无载波通信方式，有频带宽，抗干扰能力强，传输速率高，功耗低，保密性好等优点。当UWB-RFID标签采用无源、无芯片方式时，可以有效提高标签使用周期、扩展使用领域；此外，能够有效减小制造的复杂度、降低产品成本。基于此背景，设计和测试一款无源无芯uwb-rfid标签。
【关键词】UWB；无源；RFID；天线
1.无源无芯UWB-RFID标签设计
1.1相关理论计算
RFID标签天线尺寸小，厚度薄，通常能够直接印刷到电路板和其他物体表面。因此在设计时，首先考虑厚度问题，通常选择较薄贴片天线。
根据chu-Harrington条件和Mclean条件对天线储能进行分析。根据Chu极限定理，我们可以得到：对于尺寸远小于波长的电小天线，由于Q值与带宽成反比，与天线最大尺寸成反相关；而天线尺寸的三次方正好反映天线体积大小；所以设计时要为天线预留空间，凭借两者与品质因数的关系，以此保证足够的带宽。在UWB天线中，当天线尺寸与波长可比拟或小于时，此关系可以作为参考，用于天线尺寸的调整[1]。
采用TLM（传输线理论）进行分析，为了初步估算出贴片的大致尺寸，先以矩形贴片为基础分析：贴片、介质和接地板构成的系统可看做一段传输线，如图1所示，a及其对边开路则两边呈现电压波腹，在沿宽a及介质厚度h方向的电场表达式为
（1）
图1矩形贴片
矩形金属贴片及其周围与导体接地板间形成的缝隙可辐射电磁波。根据传输线基本理论a及其对边磁流方向相同，磁场在法向同相叠加，有最大值；沿两条窄边的磁流则呈反对称分布，在xy平面和xz面矢量叠加后相互抵消；在其他平面上，窄边磁流的辐射相对沿长边磁流的辐射弱许多。因此矩形贴片主要由两条长边（输入端和末端的边）下的缝隙完成辐射。介质的厚度通常远远小于波长，可以看作紧贴天线，在接地板的屏蔽作用下，磁流在地板以上空间加倍。
利用导行系统截止条件分析：微带线中通常还存在表面波，若频率比较高，因为介质厚度不能减的太小，这时又会出现波导横向谐振模式波。此横向波的 截止波长：
（2）
TM10截止波长：
（3）
根据微波理论知识，表面波TM的截止波长为无穷大，截止频率没有下限；TE型表面波的最低次模式为TEO截止波长：
（4）
上述几种模式均应该被截止，导模无衰耗传输条件要求截止波长大于工作波长或截止频率小于工作频率[2]。联立（2）式（3）和（4）式与（5）式可知：
（5）
式中λmg为最高频率对应介质中的波长，λmin为最低频率对应波长。
根据雷达反射原理，当天线尺寸大于电磁波波长的1/2时，才具有反射能力。则有以下算式：超宽带频段，天线中心频率Fc=（Fmin+Fmax）/2，式中λng=46.8mm为频带下限，Fmax为频带上限。中心频率Fc=（3.1+10.6）/2=6.85GHz [3]可知，Fc对应的真空中波长为λ=C/6.85GHz=48.3mm
经考虑FR-4材料性能良好，用FR-4做基板材料设计的天线可以直接印刷到PCB板上，有利于提高集成度减小体积，因此选择FR-4做介质。CST中这种材料介电常数为4.3，由此可得在介质中的中心频率对应波长
同理可得介质中Fmax对应波长λmg=13.7mm，Fmin对应波长λng=46.8mm。
将此数据代入（7）式计算知：根据微波理论算出介质板厚度应小于3.9mm；W+0.4h
再者，根据常用的经验公式估计矩形贴片大致尺寸范围：
以上为微带线参数计算公式，W为贴片最宽尺寸，λg为介质中传输频率最低的波对应波长； 为介质板宽度；H为介质板厚度；L为贴片长度；I为长度余量。因为中心频率fc为6.85GHz，最低传输频率对应介质中波长λg为46.8mm，联系（6）至（9）式，设定厚度为1.5mm时，估算可知介质板的长宽大约在40mm×30mm左右，贴片宽约14mm，长约20mm。
1.2阻抗匹配
加有功元件和调整天线结构都可以调整天线阻抗，但加载元件会造成天线效率的降低。阻抗匹配是为了使天线更好的适应激励源，减少输入信号的反射。匹配的原则是天线输入阻抗与激励内阻共轭。
工程上同轴线在通信传输中应用最为广泛，为了使同轴线在传输过程中能量衰耗减小，传输功率大，必须使其内外导体有一定比值。对于以空气为填充介质的同轴线，当外圈半径比芯半径等于常数e的二分之一方时，传输功率最高，此时其特性阻抗为30欧姆；当同轴线衰减最小时，外径比内径等于3.59，此时特性阻抗为77欧姆。为了兼顾小衰减和高功率，外径内径比例取两者的中间值因此通常匹配到50欧。
对矩形贴片微带线进行场分析知贴片作为半波谐振结构，其特性阻抗与平行于子场的传输线数量成反比；再者，平行于子场的传输线数量等于贴片宽带比贴片厚度。通常可以用TXline软件进行阻抗匹配的相关计算，输入参数可算得微带线宽度应该为2.95mm。
1.3标签设计及调整
任何天线的方向系数，输入阻抗等等性能参数都是电尺寸的函数。电尺寸定义为物理尺寸与天线上传播电磁波波长的比值；要取得UWB的宽频带，则应该使天线的电长度保持稳定，随着频率的增大，波长减小，则物理尺寸应该随之减小。综上所述，UWB天线频带宽内频率变化较大，天线应采用渐变结构[3]，最简单的是锯齿结构。
在CST studio中，结构调整时主要使用参数扫描这一功能，在模型绘制时对将来要调整的尺寸设定参数。在时域求解器中开启parameter sweep，添加所要调整的参数，设定要观察的性能参数，点击start。扫描结束后，即可根据对不同尺寸对应性能参数的比对，确定尺寸。对于该标签，最重要的性能指标为带宽。调整使S11参数即输入端口反射系数在3.1到10.6GHz频段内均低于-10dB即可满足带宽要求。最终确定标签的基本尺寸如下：
图2标签正面及背面结构图
图中， wide=30.6mm， H=34mm， W=15mm， h=27mm，
h1=12.5mm， h2=11.2mm。
2.测试部分性能指标
通过CST自带仿真分析工具得到以下性能参数。图3是6.85GHz频点的E面方向图，如下：
图3 6.85GHz频点方向图
频段中间主瓣、后瓣清晰，方向性良好。
图4中分别是辐射效率和总效率在频带内的变化曲线。
图4 天线辐射效率及总体效率图
辐射效率为辐射功率比入射功率减去反射功率之差得到的值。总体效率为辐射功率比入射功率的值。由图4可知，此天线的辐射效率和总体效率均在7GHz左右达到峰值，处于UWB频带中心位置。
3.结语
从理论分析和计算到具体的设计和调整，再到部分性能指标的测试。本文详细阐述了天线设计相关的电磁理论，通过一步步的分析和计算推导，通过仿真测试，最终得到满足超宽带性能指标的无源无芯片RFID标签。无源无芯片RFID标签有着结构简单、高可靠性，不需要电源体积小，使用领域广泛等诸多优点，必将在日常生活和工业生产中发挥更大作用。
参考文献：
[1]王鹏，邰斌.展宽微带天线频带宽度技术的分析[J].西安：电子科技， 2012，02.
[2]廖承恩.微波技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994.
[3]Seok h.Choi，Jong K.Park，Sun K.Kim，Jae Y.Park.A New Ultra-wideband Antenna For UWB Applications[J].Wiley Periodicals，2004.