RFID 天線設計理念

RFID 電子標籤主要包含儲存與調變資料之微晶片與負責資料傳送與接收之 天線，本論文即為設計一操作於 915MHz 頻段 RFID 系統之標籤天線，而欲設計 此類的標籤天線主要需要考量兩個部份，一為天線之輻射架構，設計具有良好輻 射及適當天線場型之輻射本體將有助於擴大電子標籤的有效作用範圍；另一部份 則為阻抗匹配，由於 RFID 標籤必須由天線與微晶片搭配操作，由天線接收讀取 器發射之訊號，傳送至微晶片，訊號經由微晶片調變過後再藉由天線回傳給讀取 器，如此完成資料的存取，因此，天線與微晶片之間必須要有良好的阻抗匹配，

以降低天線與微晶片間的反射損失，而微晶片之輸入阻抗通常不是 50ohm，較常 見的阻抗值為一小實部與電容性虛部，此微晶片阻抗值使得天線不易與之匹配，

且高 Q 值的特性將使頻寬受限，所以天線輸入阻抗的值必須依據所使用之微晶 片而特別設計。

在操作上為了應付由讀取器所發射之不同角度的電磁波訊號，RFID 標籤天 線通常設計為在某一切面(cut)上具備全向性(omnidirectional)的輻射場型，同時天 線之輻射效率(radiation efficiency)亦不能太低，較高的天線輻射增益值有助於擴 大標籤天線的有效讀取範圍，目前較常見之輻射體架構為偶極天線(dipole antenna)與環形天線(loop antenna)。

而在許多應用上 RFID 標籤大多是無源工作的，這意味著微晶片工作時所需 要的全部能量必須由讀取器所供應，因此，天線所接收到的訊號功率必須有效的 傳送至微晶片，以使微晶片能夠獲得足夠的功率正常工作，而為了達到最大的功 率傳送，天線之輸入阻抗必須與微晶片之輸入阻抗為共軛匹配，即

* *

( )

a a a c c c

Z  R  jX  Z  R  jX

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其中 Z

_a

_c

目前常用之微晶片其阻抗大多為一較小之實部與電容性虛部，本論文所使用 之微晶片為 TI UHF Gen2 IC，其輸入阻抗為一 350Ω電阻並聯一 2.5pF 電容，在 操作頻率 915MHz 時輸入阻抗值為 13.3-j67Ω，晶片之輸入阻抗隨頻率之變化如 圖 2.1 所示，因此天線之輸入阻抗在 915MHz 時必須為微晶片輸入阻抗之共軛 值，即

* *

13.3+ 67 (13.3 67)

a c

Z  j  Z   j

所以天線之輸入阻抗需設計為一較小實部與電感性虛部。

500 700 900 1100 1300 1500

-150 -100 -50 0 50

Frequency (MHz)

Imp e da nc e ( Ω )

Real part Imaginary part

500 700 900 1100 1300 1500

-150 -100 -50 0 50

Frequency (MHz)

Imp e da nc e ( Ω )

Real part Imaginary part Real part Imaginary part

圖2.1 微晶片之輸入阻抗隨頻率變化圖

鑑於 RFID 標籤天線必須具備一電感性虛部，天線輸入阻抗之設計有別於 一般虛部為零的情形，而為了實現此一電感性虛部，目前常見的方式如文獻 [4]，其為使用電感性耦合饋入的方式，如圖 2.2(a)所示，利用一矩形環與天線 輻射本體之間的電感性耦合，可藉由調整矩形環與輻射體之間的距離及改變矩 形環的大小來調整耦合的強度，此電感性耦合之特性可等效為一變壓器，如圖 2.2(b)，因此於饋入端可看到電感性之虛部。

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圖2.2 電感性耦合饋入

另一實現電感性虛部的方法如文獻[9]，其在饋入端的 T 型匹配網路係為利 用細長金屬走線來實現電感，因而可增加由饋入端看到的電感性虛部；文獻[8]

亦為利用增加額外的蜿蜒段來實現電感性虛部以及文獻[11]同樣為利用細長金 屬走線來實現電感。

由上述可知，RFID 標籤天線阻抗匹配乃設計之重點，同時亦需考量輻射 效率的好壞與輻射場型之全向性與否，以達到良好的特性與較廣的適用範圍，

以下就此設計原則並針對本論文使用之微晶片(TI UHF Gen2 IC)之阻抗值，設 計幾款不同架構之天線，並加以分析比較。

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