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金属表面UHF RFID标签天线设计
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2017-11-09
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0 引言
RFID（无线射频识别）系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来，RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。国内RFID目前主要使用的频段有125 kHz（低频）、13.56 MHz（中高频）、902～928 MHz（超高频），越来越多的研究机构开始对超高频RFID系统进行研究，以实现系统的远距离、高速率、低成本等特性。作为RFID必不可少的一部分，电子标签以其低成本、小体积、非接触式等特性取代了传统的二维条码，普遍应用于身份识别、车辆管理、仓储物流、防伪、零售等众多领域。普通的超高频电子标签一般采用印制偶极子天线，该结构可以应用于货物、商品、书本等采用非金属介质的表面，而在固定资产管理、集装箱、机车、电子车牌、电力设施等许多领域，由于采用了金属表面结构，传统的超高频电子标签在金属表面几乎不能正常工作，对此本文设计了一款工作在902～928 MHz的低成本、小体积、高增益的抗金属电子标签天线。
1 现有的金属表面标签天线
目前在美国和欧洲等发达国家，金属表面标签技术已经发展得较为成熟，广泛应用到了物流中的各个领域，而我国普通的超高频电子标签已经十分普及，但可以真正用于金属表面的电子标签很少。金属表面标签技术仍处于起步阶段，国内许多金属表面标签天线都是在传统的偶极子标签天线上改进的，通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签的影响。标签天线与金属表面的距离H应保持1 cm以上的高度，这样虽然提高了标签的读取距离，但会使整个标签的体积和成本增加，天线的带宽降低，并没有很好地解决表面金属对标签天线的影响，此时标签天线的性能远没有其用于非金属表面的性能好;基于陶瓷介质的微带天线也可以用到金属表面，它利用陶瓷介质的高介电常数，使天线的体积能够做到很小，利用金属表面作为自己更大的反射面，使天线的性能十分稳定，但由于陶瓷天线的造价太高，不适合电子标签的低成本批量生产;另外一种可适用金属表面的标签天线方案是在天线辐射面与金属面之间增加一层AMC（人工磁导体）结构，如图1所示。通过AMC的高阻抗特性使电子标签与AMC之间产生的磁流方向和金属面与 AMC之间的磁流方向相同，从而提高电子标签的增益与读取距离，但这项技术目前研究的难度和成本都很高，仍处于实验室阶段。
2 印刷结构标签天线
针对目前金属表面用超高频RFID电子标签的应用需求，设计了一款新型结构的电子标签天线。该天线首先在一片平面材料（如PVC薄膜、纸等）上采用银浆（或铜、铝等）印刷，如图2所示的平面结构。标签芯片安装后，将此平面贴纸标签沿折线粘贴于方形介质材料上。
RFID（无线射频识别）系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来，RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。国内RFID目前主要使用的频段有125 kHz（低频）、13.56 MHz（中高频）、902～928 MHz（超高频），越来越多的研究机构开始对超高频RFID系统进行研究，以实现系统的远距离、高速率、低成本等特性。作为RFID必不可少的一部分，电子标签以其低成本、小体积、非接触式等特性取代了传统的二维条码，普遍应用于身份识别、车辆管理、仓储物流、防伪、零售等众多领域。普通的超高频电子标签一般采用印制偶极子天线，该结构可以应用于货物、商品、书本等采用非金属介质的表面，而在固定资产管理、集装箱、机车、电子车牌、电力设施等许多领域，由于采用了金属表面结构，传统的超高频电子标签在金属表面几乎不能正常工作，对此本文设计了一款工作在902～928 MHz的低成本、小体积、高增益的抗金属电子标签天线。
1 现有的金属表面标签天线
目前在美国和欧洲等发达国家，金属表面标签技术已经发展得较为成熟，广泛应用到了物流中的各个领域，而我国普通的超高频电子标签已经十分普及，但可以真正用于金属表面的电子标签很少。金属表面标签技术仍处于起步阶段，国内许多金属表面标签天线都是在传统的偶极子标签天线上改进的，通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签的影响。标签天线与金属表面的距离H应保持1 cm以上的高度，这样虽然提高了标签的读取距离，但会使整个标签的体积和成本增加，天线的带宽降低，并没有很好地解决表面金属对标签天线的影响，此时标签天线的性能远没有其用于非金属表面的性能好;基于陶瓷介质的微带天线也可以用到金属表面，它利用陶瓷介质的高介电常数，使天线的体积能够做到很小，利用金属表面作为自己更大的反射面，使天线的性能十分稳定，但由于陶瓷天线的造价太高，不适合电子标签的低成本批量生产;另外一种可适用金属表面的标签天线方案是在天线辐射面与金属面之间增加一层AMC（人工磁导体）结构，如图1所示。通过AMC的高阻抗特性使电子标签与AMC之间产生的磁流方向和金属面与 AMC之间的磁流方向相同，从而提高电子标签的增益与读取距离，但这项技术目前研究的难度和成本都很高，仍处于实验室阶段。
2 印刷结构标签天线
针对目前金属表面用超高频RFID电子标签的应用需求，设计了一款新型结构的电子标签天线。该天线首先在一片平面材料（如PVC薄膜、纸等）上采用银浆（或铜、铝等）印刷，如图2所示的平面结构。标签芯片安装后，将此平面贴纸标签沿折线粘贴于方形介质材料上。
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