射頻識別技術（RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其工作原理是利用射頻信號的空間耦合特性，實現對靜止或移動的物品的自動識別。典型的RFID 系統包括標簽、讀寫器、天線和中間件四個組成部分[1]。其中，天線作為標簽和讀寫器提供射頻信號空間傳遞的設備，是影響RFID 系統穩定性和可靠性的關鍵部分，因而天線設計受到人們極大的重視。通常，RFID 系統可根據其作用距離分為兩種：近場系統和遠場系統。一般情況下，用于低頻（LF，125-134KHz）和高頻（HF，13.56MHz）的近場RFID 系統都是基于電感耦合來實現讀寫器和標簽間的能量的轉換和數據的傳輸，而用于超高頻（UHF，840-960MHz）和微波頻段（2.4GHZ 和5.8GHz）的遠場RFID 系統都是基于電磁場在讀寫器和標簽之間的傳播。近年來，由于RFID 在單品識別方面的應用日益受到重視，UHF 近場天線的設計技術也成為人們研究的重點[2]。

　　在近場識別系統中，一般讀寫器和標簽都采用傳統的金屬線環形結構，這是因為電小環形天線（直徑遠小于其工作波長）能在天線的軸向上產生很強的磁場。電小環天線上方的磁場強度受天線直徑的影響很大，當距離天線超過其直徑的長度時，磁場就會迅速的下降。增大環天線的直徑可以增加讀寫距離，但是由于半徑增大，磁場的范圍也會較大，同時當天線增大到周長接近其波長時，環上的電流會反向，此時天線就不能形成穩定的磁場；此外，環天線也很難匹配到50ohm[3-5]。

　　針對上述問題，本文設計了一款橢圓分段環天線用于單品識別。在這個結構中，利用兩個相鄰的平行金屬線向下一段金屬線提供串聯電容，每個分段都可以看作是一段諧振線，這樣就避免了電感的積累，從而解決了匹配的難題。同時，在諧振時，在每段上的電壓都是實數，相位不會積累，所以可以在環上形成均勻同向的電流，從而在軸向形成很強的磁場。

　　1 天線結構介紹

　　橢圓分段環天線的結構如圖1（a）所示。圖中，天線的介質板為FR-4（厚度h=1.6mm，介電常數4.4，損耗角正切0.02）PCB 板。圖1（b）給出了橢圓分段環天線的整體結構圖，包括橢圓分段環，金屬腔體，匹配電路三部分。圖1（c）是天線的加工實物圖。

圖1 橢圓分段環RFID 讀寫器天線結構（a）橢圓分段環天線結構 （b）天線整體結構（c）加工實物圖
　　在圖 1（a）中，每相鄰的兩段金屬線之間存在一個交疊的部分，該交疊的結構主要用來產生一個電容，其電容值C 是由電長度L(θ)和間距d 決定的。

　　當減小相鄰金屬線的間距或增大交疊部分的長度時，電容值將隨之增大；通過調整適當的L(θ)和d，可使每段金屬線的電感與其感應電容在中心頻率處工作于諧振狀態，從而避免了電流相位的累積。分段環近場天線設計成橢圓形，短軸的長度是d1 = 8cm，用來控制近場天線讀取寬度；長軸的長度為d 2 = 15cm，用來控制天線的讀取距離。

　　在圖1（b）中，天線位于矩形金屬腔體內部，天線距離金屬腔體的底部為40mm，金屬腔體上方開口，覆以塑料蓋，大小為250×180×50mm3。金屬腔體有兩個作用：一是減少外界對天線的干擾；二是控制磁場在所需要的方向，增強磁場強度。但是金屬腔體會使天線的Q 值增大，這將會增加匹配的難度，減小天線的帶寬[6]，因而需要在天線輸入端加上一個匹配電路，在這里使用集總元件連接成一個對稱平衡的匹配電路[7]，將輸入阻抗匹配到50ohm。

　　圖 2（a）和圖2（b）給出了橢圓環天線和橢圓分段環天線在866MHz 的表面電流分布。從圖2（a）可以看出電流的空洞以及在頂部和底部電流的反向。圖2（b）中，平行的相鄰金屬線之間的電容和金屬線本身的電感使得這個大環天線的性能和小環天線類似，電流在橢圓分段環天線的分布依然同向并且可以形成很強的近場磁場。

圖 2 電流分布對比（866MHz）

　　2 天線性能分析

　　天線的 S11 性能的實際測量結果如圖3 所示，-10dB 帶寬為11MHz（860-871MHz），能夠完全覆蓋歐洲標準的865-868MHz。

圖 3 橢圓分段環天線的S11 性能

　　使用圖 4 中的Impinj UHF Button 近場標簽的去測試橢圓分段環天線讀取性能，測試時使Button
標簽平面平行于天線，讀寫器的輸出功率為Pout=1Watt。

圖 4 Impinj UHF Button 近場標簽

　　經過實際測試，該天線最大的讀取距離為16.1cm，讀取寬度小于8cm，讀取性能良好，圖5 為該天線的實際讀取測試結果，從中可以看出當距離天線超過5cm 時，讀取寬度小于8cm，與短軸的長度相符合。

圖 5 讀取寬度測量結果

　　圖 6 是橢圓分段環天線的增益隨頻率的變化圖，從圖6 中可以看出，該天線在865-868MHz 的頻率范圍內最大增益小于2.8dBi。圖7 給出了在f=866MHz 的天線的兩個正交面XOZ 和YOZ 面上的增益圖。

圖6 橢圓分段環天線的增益隨頻率變化曲線

圖7 XOZ，YOZ 平面上的增益圖(866MHz)

　　3 結論

　　本文設計了一款橢圓分段環天線，用于對確定的高度和寬度的位置進行安全讀取。該天線設計的關鍵點在于使得橢圓分段環上的電流保持均勻同向，并通過對橢圓環的長軸和短軸的調整，可以使這款天線在特定的讀寫距離和寬度內產生很強的磁場。因而這款天線適用于RFID 近場讀寫器的應用，在860-871MHz 的工作帶寬內，具有16.1cm 的讀寫距離以及8cm的讀寫寬度。