工程硕士学位论文
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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：
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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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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
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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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
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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