基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线

电子技术 • Electronic Technology
84 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering 【关键词】抗金属标签天线 RFID 小型化 高增益本文基于介质谐振器提出一款工作在RFID 中国频段（920MHz-925MHz ）应用于无人仓等金属环境下的抗金属标签天线。

选择介电常数为90的高介电常数陶瓷作为介质谐振器的材料。

仿真结果显示：增益可以保持0dB 以上，最高增益可达到4dB ，实现了抗金属标签天线的小型化与高增益。

1 标签天线设计1.1 抗金属标签天线设计思路在天线理论的分析中，将普通标签天线放置在金属物体表面，金属会改变天线的边界条件，影响标签天线的输入阻抗、增益、谐振频率等参数，使标签性能变差，甚至不工作。

目前常用解决金属环境干扰的方案有：
（1）利用增大标签与金属距离或者使用吸波材料等方法降低金属的影响；（2）天线设计时将金属影响考虑进去，如PIFA 天线等。

基于无人仓等RFID 应用环境的要求，被标签物品往往是金属盒子等，需要标签天线安装在金属表面。

因此本文中，设计时将介质谐振器置于金属表面，利用介质谐振器谐振模式，利用金属地板的镜像原理，降低介质谐振器尺寸，同时提高介质谐振器介电常数，提高天线增益。

1.2 金属环境下的介质谐振器本文选用圆柱形介质谐振器作为标签天线的辐射体。

HEM 11δ模式作为圆柱形介质谐振器的基础模，是圆柱形介质谐振器在应用和设计中的最常用的模式。

根据以往的工程经验，基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线
文/黄瀚熙 李谟超 周正轩
介质谐振器在HEM 11δ模式时，其工作频率和
品质因数与介质谐振器的尺寸以及材料的介电常数有关，具体工程公式可以表示为：由公式可以看出，当介质谐振器高度越高时，谐振频率越小。

因此通过调节谐振器介电常数、高度、半径来调节介质谐振器谐振频率，使标签天线中心工作频率工作在所需频率中。

因此，谐振器尺寸可以确定为直径25.5mm ，高度9mm 的圆柱体。

1.3 标签设计与阻抗匹配
本文中芯片选用型号为NXP UCODE
G2iM+芯片，该芯片在工作频率上的阻抗为21.2-j199.7 Ohm 。

标签天线使用金属圆环结构与芯片电气连接，可以收集空间能量激活标签
芯片。

通过调节圆环尺寸调整标签天线输入阻
抗，以达到与芯片共轭匹配，图1为抗金属标
签天线结构示意图。

圆环放置于标签天线顶端，金属圆环留有一个开口，用于安装芯片。

金属圆环尺寸可调节，厚度为3.25mm 。

为了实现标签天线于芯片的共轭匹配，对金属圆环的尺寸与标签天线的阻抗关系进行了电磁仿真。

通过仿真中，将匹配的实部和虚部与芯片共轭的实部与虚部比对。

仿真可得，在圆环直径mr 取21.2-21.7mm 时候，标签天
线的实部变化稳定，匹配较好，而虚部刚好在
RFID 中国频段内工作，接近共轭匹配。

因此，由上文设计与仿真可得，标签天
线选择高度h=9mm ，介质谐振器半径选择dr=25.5mm ，金属圆环安装于介质谐振器上表面，半径mr=21.7mm ，线宽3.25mm 。

2 仿真结果为验证设计的标签天线的抗金属性能，将地面金属板设置为正方形，其边长W 和L 从
100mm 起，每隔50mm 为一个梯度，从100 mm 取到300 mm ，将确定尺寸的标签天线置
于金属板正中心。

天线增益随着频率变化的仿真结果图如图2所示。

可以看出，根据上文的尺寸设计，天线选择的中心工作频点是922 MHz 附近，覆盖了工作频段的920 MHz-925 MHz ，在地板面积大于100 mm 的时候标签天线的增益可以在工作频段内满足0dB 以上，随着金属地板尺寸增大，标签天线的谐振频率
基本保持不变，标签天线的|S 11|参数略有增大，
增益也有所波动。

但是随着金属地板尺寸变大，
标签天线的工作性能趋于稳定，并未受到金属环境改变而影响，而且在工作频段内，每个尺寸都能保持增益大于0dB 。

3 结论
本文介绍了一种基于介质谐振器的抗金属标签天线的设计方法，重点分析了介质谐振器谐振模式和抗金属原理，通过仿真实现与芯片匹配以及验证了标签天线的抗金属性。

同时兼顾了标签天线的小型化抗金属以及高增益的目的，从仿真结果来看实现了应用的需求。

参考文献[1]王平,文光俊.集装箱表面的超高频RFID 标签天线设计[J].微波学报,2011,27(02):42-46.[2]Perron A, Denidni T A, Sebak A R. Computer-Aided Design and Analysis
of Dielectric Resonator Antennas[J]. International
Journal of Rf and Microwave Computer-Aided Engineering, 2010, 20(1): 42-50.作者简介黄瀚熙(1992-)，男，广东省东莞市人。

硕士研究生。

主要研究方向为射频集成电路、介质谐振器、天线等方向。

李谟超(1995-)，男，湖南省娄底市人。

硕士研究生。

主要研究方向为5G 移动天线。

周正轩(1992-)，男，湖北省仙桃市人。

硕士研究生。

主要研究方向为射频集成电路设计、测试。

作者单位广东工业大学信息工程学院 广东省广州市 510006●基金项目：第5代移动通信用的毫米波核心芯片的研发(501170066)。

图1：抗金属标签天线的示意图图2：标签在不同金属尺寸下的增益。