江承軒、程子恆

前言：

RFID系統係一種非接觸式自動辨識系統，利用電磁波的傳播特性與無線通訊技術，使安裝RFID之物件得以透過射頻訊號自動提供物件辨識所需之相關資料，再透過後端伺服器或電腦進行自動化與資訊化管理。近年來，射頻辨識系統被廣泛應用於門禁管制、生產線自動化、倉儲物料管理等，加上國內外相關標準之建立與整合，如EPCglobal Class-1 Generation-2與ISO 18000-6B，RFID迄今已發展成熟，其潛在市場龐大，相關之開發成本亦可預期將大幅降低。射頻辨識系統主要由讀取機及標籤兩個構件所組成：讀取機的任務為發射電磁波訊號，以提供標籤啟動時所需之能量，並與標籤建立通信連結，用以傳送及交換辨識資料；標籤則由天線與經特殊封裝之晶片(Application-Specific Integrated Circuit，簡稱ASIC)組裝而成。RFID依標籤能量之供應方式，可區分為主動式與被動式RFID兩種，前者須於標籤內建電池，後者則否。被動式RFID標籤利用後散射調(backscattering modulation)方式，將辨識所需之資料回傳給讀取機。由於被動式RFID標籤無需使用電池，較易達到輕薄短小之設計，且可降低製作成本，故目前RFID主要的應用及市售產品多以被動式RFID系統為主。

為了儲能，ASIC的輸入組抗通常設計為強電容性。我們用的ASIC型號為Alien H3，根據data sheet求出，在為小功率輸入時，其等校電路為1500歐姆的電容和0.85pF的電容並聯，在我們使用的頻段之中心頻915MHz，輸入阻抗大約為27.4 – j200.9 Ohm。因此，為了讓能量盡量打入ASIC，由ASIC看進天線的阻抗必須共軛匹配，也就是我們的設計目標為一效率能接受，且輸入阻抗為27.4 + j200.9 Ohm的天線。

我們的主題為被動式標籤的天線設計。RFID天線在設計上有著諸多難題，首先，對應的UHF頻帶波長較長，對應的共振模態便需要相對大的空間來激發，因此天線的面積便難以縮小。再者，若是在天線的附近有導體，根據電磁理論中的鏡像原理，導體表面附近會產生一和天線上之電流大小相同、方向相反的等效電流，造成嚴重破壞性干涉，天線輻射效率變得非常低落。因此這次我們以Alien H3商用標籤晶片為平台，發表了兩種設計，分別對應上述的兩個設計難題，以期能達到RFID更加廣泛的運用。

設計介紹：

介紹將分為兩個部分：克服金屬物體標籤應用的微型化塊狀天線以及微小化設計的隙環共振天線。

I. 微型化塊狀天線：

這是一種既有的天線結構，結構簡單，且容易利用傳輸線模型分析。利用其single ended的饋入特性，將金屬物體表面作為接地端，和設計的標籤本身便形成了傳統的塊狀天線架構。將ASIC的兩個differential port一端接天線，一端接到金屬物體表面 (接地)，便形成了由塊狀天線實現的RFID 標籤。利用傳輸線模型分析，若要將此天線的長度縮減到四分之一波長以下，必須在末端加上電感性附載。

II. 隙環共振天線：

為了將天線微小化，採用了原本用於人造材料中的隙環共震器(SRR)來輻射，並將天線印在0.6mm的FR-4基板上。因為SRR為環形架構，因此其組抗為電感性。加上因為尺寸較小，阻抗的虛部變的非常大，遠大於設計目標，因此利用電容性較強的短雙極天線來彌補其需部阻抗，達到接近200的虛部阻抗，以達成共軛匹配。

設計特點：

I. 微型化塊狀天線：

此設計的重點便在於末端的接地設計。採取正中間一小段和兩旁接地(如圖1)，可以達到電感性的附載。而圖1中ASIC下面較寬的線便是連接到基板的背面，在貼上金屬物體時便會變成接地端。ASIC上面的細線則作為串聯電感，用來調整天線的輸入虛部阻抗。此設計的限制是這種天線運作的理想情況是接地平面無限大，因此光只有標籤本體時，天線組抗特性較差。再加上礙於實驗室自行製作材料限制，只能做出以玻璃纖維(FR-4，厚度1.6mm)作為基板的天線。因此唯有欲標籤的金屬物體擁有較平坦且面積大於標籤天線的平面才有辦法正常運作。

圖一 塊狀標籤天線本體架構。

圖二 塊狀標籤天線之輸入阻抗隨金屬物體平面邊長變化情形 (金屬物體平面為正方形)。

 圖三 塊狀天線實體照片

II. 隙環共振天線：

設計的重點在於圖四中ASIC上面的指叉型電容。若將SRR以傳輸線模型來模擬，原本開路的隙環若改成電容，可以將SRR的長度縮短，同時達到一樣的基頻共振(四分之一波長模態)。換句話說，調整此指叉型電容的電容值，可以調整此天線的共振頻率。此外，若調整為小雙極天線的長度，可以只調整輸入阻抗的虛部，而實部幾乎不動。因此，我們整理出了一套設計流程：首先調整指叉型電容的長度，藉以調整其電容值，改變共振頻率，藉以改變原本難以調整的輸入阻抗的實部。接著，因調整實部的同時，虛部也會跟著變化，利用改變雙極天線的長度來將虛部阻抗調回我們需要的值。藉由這個方式，這種標籤天線結構可以不僅僅匹配到我們使用的這種ASIC，只要阻抗變化不要太誇張，基本上都可以在維持一樣天線面積和板厚的情況下，匹配到不同廠商的ASIC。

圖四 隙環共震器標籤天線本體架構

圖五 輸入阻抗隨指叉型電容長度變化

圖六 輸入阻抗隨微型雙極天線長度變化

圖七 隙環共振器天線實體圖

結論：

隨著RFID應用變得更加廣泛，標籤天線必須克服更多的設計難關。不僅僅是項設計傳統天線一樣一味的縮小，金屬物體也是必須克服的障礙。其實不僅僅是RFID天線的設計，行動裝置的設計也是一樣，對應開始出現的金屬機殼，天線必須有別於傳統設計，想辦法避免金屬殼上的鏡像電流影響輻射效率。目前提出的兩種設計還只是概念的實現。如何能增進其性能，有賴更多的理論和設計經驗。

江承軒、程子恆，電機系大學部2014年畢業生。