射频识别(Radio frequency identification, RFID)技术是一种基于射频通信技术基础上的非接触自动识别技术，主要是利用射频信号的空间耦合对物体间进行相互识别^[1-2]。低频、高频RFID系统读取距离近(一般小于10 cm)、传输速率慢，而超高频频段^[3](Ultra-high frequency, UHF)的RFID系统弥补了这方面的不足，具有读取距离远、传输效率高等优点。在超高频近场RFID系统中需要近场均匀才能更好地对对象标签进行识别。天线近场不均匀会导致系统中标签的漏读和误读，造成整个系统的不稳定。因此，国内外许多近场天线采用分段环形方形结构^[4-7]使电流相位分布一致实现场均匀特性。然而在近场RFID管理系统中，如衣架管理、档案柜识别、货运仓储管理中需要近场均匀性好的长天线来对标签进行识别，但长天线由于电流相位分布空间跨度大，在传输过程中易反向，导致电流相互抵消，辐射场减弱，近场均匀性难以保证，这也是天线设计的难点。因此，本文主要研究了UHF频段下，基于多电容加载实现近场均匀长天线的设计。

1 电容加载天线分析

普通的微带传输线，电流在传输过程中，当电流传输路径长度达到1/2介质波长，由于电流密度相位不断变化，此时电流会出现反向。正向反向电流相互抵消，使得电流密度变小，降低了天线附近的场强。由于传输线上电流相位分布空间跨度大，可以将传输线分成若干段，通过在每段传输线之间加载电容，补充电流经过传输线的相位滞后^[8]，实现近场的均匀特性。

根据LC谐振原理，每段传输线都存在电抗，选取电容能使其在工作频率处发生谐振。本文运用加载电容的方法，设计了一款250 mm长的近场长天线。

图 1给出加载电容后天线的结构示意图，天线采用1.6 mm厚FR4双面覆铜板加工而成，上层是五段分开的微带线，用容值相同的贴片电容相连，下层是金属地板，微带线的两端一个端口馈电，另一个端口连接负载匹配。

通过调整各个参数值，使得天线实现较好的匹配以及较为均匀的近场场强分布，此时天线的长度l=250 mm，宽w=120 mm，每段金属导带的长度l₁=48.8 mm，相连电容的容值c=1.6 pF，匹配负载的阻值R=50 Ω。

加载了匹配电容后的天线电流密度分布更加均匀，天线上的电流只经过一次变向，因此电流损耗较小，天线上方的场强强度也相对较强。这是由于在每段传输线之间加载的电容，补充了电流经过传输线的相位滞后，使得电流反向较少或者不会出现。由图 2可知，天线磁场的相位在加载电容的位置发生变化，由J_s=n×H可以推出此时电流密度的相位也同时发生变化，验证了加载电容可以补偿电流相位的结论。

图 3给出了加载1.6 pF电容后天线回波损耗，天线工作的中心频点在950 MHz左右，比国标UHF频段往高频偏移了接近30 MHz，因此需要做好匹配工作。图 4是天线的输入阻抗特性图，可知在922 MHz左右，天线的输入阻抗大小Z_in=58+j91 Ω。

通过对加载电容的容值进行扫参优化。由公式$f = 1/\left( {2\pi \sqrt {LC} } \right)$可知，天线的容性阻抗值越大，中心频率值越小。图 5给出了不同电容值时天线的回波损耗对比，由图可知电容的容值越高，天线的频带越往低频偏移，较好地验证了公式的结论。

当c=1.8 pF时，天线的回波损耗在(902, 934 MHz)范围内均小于-10 dB；当c=1.9 pF时, 天线的回波损耗在(893, 925 MHz)范围内小于-10 dB，均包括了国标UHF频段(920~925 MHz)，但是此时天线的近场场强均匀性无法得到保证。图 6给出了不同电容值时天线上方100 mm处的近场场强对比，由图可知，c=1.8 pF时近场场强的差值为11 dB，c=1.9 pF时近场场强的差值甚至达到14 dB，均大于原始参数的7 dB。加载电容后的天线，由于电容对天线辐射单元上电流起到了相位补偿作用，能够确保辐射单元辐射场一致，从而实现近场均匀特性^[9-11]。考虑天线频段以及近场场强均匀，最终采取设计匹配网络实现阻抗匹配。

加载电容后天线输入阻抗为Z_in=58+j91 Ω，采用设计微波匹配网络实现阻抗匹配性能。图 7给出了天线加工实物图和带有微带匹配网络的天线完整模型图，其中匹配枝节主要由一段短路接地枝节、断路枝节和中间枝节组成。短路接地枝节长度为l₂=19 mm，断路枝节长度为l₄=18 mm，中间枝节长度为l₃=20 mm，3个枝节有相同的宽度w₃=3 mm。其他各项参数与未加载匹配枝节之前等同。

2 匹配枝节加载天线仿真测试

图 8给出了天线的仿真实测回波损耗对比图，仿真回波损耗在(914，931 MHz)范围内小于-10 dB，实测回波损耗在(918, 933 MHz)范围内小于-10 dB，中心频点仅比仿真值往高频偏移了4 MHz左右，且包括了国标UHF频段(920~925 MHz)。图 9给出了经过微带线匹配后的天线阻抗特性曲线，在922 MHz左右，天线的输入阻抗大小Z_in=50.3+j1.2 Ω。

图 10是加载匹配枝节后天线正上方100, 300 mm处的近场场强分布，由图可知100 mm处近场场强最大值和最小值差值为6 dB左右，与未加载匹配枝节之前的7 dB相比，场强均匀性^[12-14]变化不大。300 mm处近场场强最大差值为3.2 dB左右，对比可知，近场场强随着距离增大趋于平缓。

3 RFID天线系统平台测试

加工出加载电容长天线的实物，搭建了RFID测试系统，沿天线长边方向依次均匀地摆放5个相同的标签，通过各点处测量出标签天线反馈的接收信号的强度(Received signal strength indicator，RSSI)大小来观察天线的近场均匀性。图 11给出了在服装展示架上系统搭建以及测量的示意图，测量时标签与天线的距离为300 mm。

表 1给出了在相同的功率下，标签处于展示架上的不同位置处读写器所测到的RSSI数据。功率相同时，展示架上不同位置处的标签反馈的RSSI值较为接近。以功率22 dBm时为例，RSSI最大值为-54.3 dBm，最小值为-59.1 dBm，其差值不大于5 dBm，在天线正上方300 mm处仿真的近场场强差值对比如图 10所示，差值最大仅为3.2 dB左右，差值较小。实测与仿真验证了天线近场的均匀性较好。

表 2给出了在相同的功率下，不同位置处的标签最大读取距离数据，以功率22 dBm时为例，最大读取距离为63 cm，最小读取距离为53.5 cm，中间值为58 cm，上下浮动不超过5 cm，不同位置处标签最大读取距离差值仅为9.5 cm，从另一方面验证了天线近场的均匀性。

4 结束语

通过多电容加载的UHF频段近场长天线，利用电容对电流的相位补偿作用改善了天线近场均匀性。天线仿真与实测表明，天线回波损耗在918~933 MHz低于-10 dB，包括了国标UHF频段(920~925 MHz)，天线正上方300 mm处近场场强差值最大为3.2 dB，不同位置处标签反馈的RSSI值低于5.7 dBm，天线正上方不同位置处最大读取距离差值波动不超过95 mm。实测以及仿真结果表明天线近场的场强分布较为均匀，验证该款长天线在近距离RFID系统中的实用性。