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磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 56 柔性Co2Z铁氧体基板对UHF-RFID标签天线抗金属特性的影响刘晓毅，贺君，颜铄清，邓永和(湖南工程学院 计算科学与电子学院，湖南湘潭 411100)摘要：针对UHF-RFID标签天线在金属环境下镜像电流产生的电磁场与入射波相消，导致天线谐振频点偏移而无法正常读取的问题，利用Co2Z铁氧体在UHF频段高磁导率、低介电/磁损耗的特性，采用在柔性天线基板中填充Co2Z铁氧体的方法设计抗金属天线。通过改变电磁场传播方向的方式以削减金属表面反射波与入射波的相消作用，进而减小天线回波S11参数吸收峰频率偏移。仿真结果表明：采用Co2Z铁氧体作为天线柔性基板的填充材料，天线谐振频点移至904 MHz，并提升工作带宽至350 MHz，有效消除金属环境对天线的不利影响。关键词：Co2Z铁氧体；柔性基板；UHF-RFID标签天线；抗金属特性中图分类号：TN823文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)02-0056-06DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.010著录格式：刘晓毅,贺君,颜铄清,等.柔性Co2Z铁氧体基板对UHF-RFID标签天线抗金属特性的影响J.磁性材料及器件,2023,54(2):56-61./LIU Xiao-yi,HE Jun,YAN Shuo-qing,et al.Influence of flexible Co2Z ferrite substrate on anti-metal performance of UHF-RFID tag antenna J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):56-61.Influence of flexible Co2Z ferrite substrate on anti-metal performance of UHF-RFID tag antennaLIU Xiao-yi,HE Jun,YAN Shuo-qing,DENG Yong-heSchool of Computational Science and Electronics,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,ChinaAbstract:In view of the problem that antenna cannot read exactly due to antenna resonance point deviate,resulting from phase cancellation between the electromagnetic field generated by the mirrored current in a metallic environment and incident wave,the anti-metal tag antenna was designed by Co2Z ferrite filled flexible antenna substrate,by utilizing the characteristics of high permeability and low dielectric loss/magnetic loss of Co2Z ferrite in the UHF frequency band.By changing the propagation direction of the electromagnetic field to reduce the phase cancellation between incident wave and reflected wave on the metal surface,the deviation of absorption peak frequency of the antenna S11 parameter is reduced.The simulation results show that the antenna resonance point is moved to 904 MHz because Co2Z ferrite is used as the filler material for the antenna flexible substrate,and the effective bandwidth is broadened to 350 MHz,effectively eliminate the negative impact of the metal environment on the antenna.Key words:Co2Z ferrite;flexible substrate;UHF-RFID tag antenna;anti-metal1 引言超高频射频识别(UHF-RFID)能借助射频信号远距离识别目标1，且具有传输速率快、交互距离远等优点2。随着RFID技术的推广，绝大多数读取场景涉及金属环境3。金属环境下天线的阻抗匹配、S11、天线辐射等参数会急剧恶化4，严重影响天线正常读取5。同时大部分金属环境表面非平坦，为保证天线在金属环境下正常工作以扩大其应用场景，拥有抗金属能力的柔性UHF-RFID天线极具研究价值。当UHF-RFID天线工作于金属环境时，入射波收稿日期：2022-04-24 修回日期：2022-06-09基金项目：湖南省自科科学基金项目(2021JJ40152);湖南省研究生科研创新项目(CX20211264)通讯作者：邓永和，博士，教授，主要研究方向为材料仿真与结构设计 E-mail:刘晓毅等：柔性Co2Z铁氧体基板对UHF-RFID标签天线抗金属特性的影响 57 会在金属内部产生镜像电流，此电流感生出的电磁场与入射波相位相反，会消减入射波的电磁场强度，缩短标签天线读取距离，甚至导致天线无法正常工作4-5，同时天线的阻抗匹配也会受到严重影响。研究发现，合适的天线与金属环境间距可以使天线恢复工作。王平等人6采用增大天线与金属环境间距改善天线反射系数，进而提高天线辐射效率与增益。但因天线与金属背衬的间距使天线仅在特定频率具有良好的抗金属性，制约其普遍应用，且该类天线的尺寸有待进一步改善。Yang7、Gao8等人将人工磁导体(AMC)以及电磁带隙(EBG)结构引进天线基板，借助其对金属表面电磁波选择性抑制的特性，通过特定频率下禁带隙(forbidden band gap)效应抑制金属表面反射波，屏蔽金属环境对天线的影响。但这类基板结构复杂，造价高昂，带宽狭窄(仅数MHz7)，大规模应用具有一定难度。颜铄清等人9-10采用高磁导率的NiCuZn铁氧体电磁屏蔽片调节金属环境下S11吸收峰偏移，成功恢复RFID可读写距离。但 NiCuZn 铁氧体因自然共振效应，在UHF频段的磁导率实部急剧下降，且磁损耗大幅上升，仅适用于 13.56 MHz 的 NFC 天线。近年来，Co2Z铁氧体作为一种在UHF频段仍能维持高介电常数、高磁导率、低介电/磁损耗的材料11-13，有望应用于天线基板中14，不仅能减小天线尺寸15，还能拓展工作带宽16-17。但目前有关Co2Z铁氧体对UHF频段天线的抗金属特性改善及其相关机理缺乏系统性研究。本工作采用Co2Z铁氧体填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为抗金属天线的柔性基板，深入探讨柔性Co2Z铁氧体基板提升UHF-RFID标签天线抗金属特性的机理。利用Co2Z铁氧体在UHF频段具有高磁导率、低介电/磁损耗的特点，减少金属表面反射波引起的干扰信号，使天线回波S11参数回归工作频点。同时引进PDMS作为填充Co2Z铁氧体的基体，借助其柔韧性好、与天线及芯片接触紧密、受温度影响小等优点，解决传统非柔性基板与环境共形程度差导致粘贴不牢固、容易损坏而影响天线性能的问题。2 天线结构与设计电子元器件集成度的提高要求天线的尺寸更小，天线小型化可采用容性加载结构和弯折天线臂，容性加载结构通过在其表面聚集大量电荷增大天线电容，进而以降低谐振频点的形式减小天线尺寸。后者通过增加天线弯折次数，提升天线电感，进而降低天线谐振频率。其中天线电感18：L=2NZ0|W2+13()W23(1)式中，N为天线弯折次数，Z0为天线特征阻抗，W为弯折线高度。N与W的增大会显著提高天线电感，而电感L与波长有关系19：L=0.2384|ln(40.2384d)-1|(2)其中为天线谐振波长，d为天线臂长度。由上式可知L增大时，天线谐振波长随之增大，最终以降低谐振频率的方式达到天线小型化的目的。我们前期设计了一种小型化的 UHF-RFID 天线20，其参数及结构分别如表1、图1所示，上层为天线，中间层为 36 mm30 mm1.6 mm 的天线基板，底层为36 mm30 mm1 mm的金属(铜)环境。表1 天线参数表 mm 变量w1w2d0d1d2尺寸0.5111.53变量a1a2a3qd3尺寸222.530d2+d0变量hmNPr尺寸13185.75361.6图1 天线模型磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 58 其中天线芯片型号为NXP G2XM SOT1122，查询芯片数据手册可知，芯片工作于 923 MHz 时阻抗为18.6j170。天线与芯片间匹配程度是无源标签天线设计的核心，采用高频结构仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)仿真天线回波损耗(S11参数)：|S11|=|ZC-Z*AZC+ZA|(3)其中，ZC为标签芯片阻抗，ZA为标签天线阻抗，Z*A是ZA的共轭阻抗。天线基板的选材影响天线性能21，借助表征电磁能量变化的坡印廷定理22，能进一步探究采用不同磁导率与介电/磁损耗的材料作为天线基板时，对天线周围电磁场分布的影响:(EH)d=dWdt+vJ0EdV(4)其中电磁能流密度的积分(EH)d表示单位时间流入面积为的电磁能量，dW/dt表示单位时间内电磁储能的增量，后项vJ0EdV表示电场对体积V中电流做的功(损耗)。而磁介质的相对磁导率r与磁通密度B关系23为：r=0=B0H(5)其中为磁导率，0为真空中绝对磁导率(4107 H/m)，H 为磁场强度。由(5)式可知，高相对磁导率下磁通密度 B 更大，进而能有效束缚磁通。因此，高磁导率、低介电/磁损耗的材料更有助于降低金属环境引起的 S11峰偏移，提升标签天线的抗金属性24。3 结果与讨论图 2 为工作于 F4B 基板(r=2.2，r=1，tan=0.0009)、金属环境下的 F4B 基板、金属环境下的Co2Z基板(r=6，r=2.3，tan=0.016，tan=0.087)时的天线S11参数及天线阻抗虚部。由图2a可知，当天线在非金属环境下工作时谐振频点为923 MHz，天线工作于金属环境下时谐振频点大幅降至611 MHz，脱离UHF频段。当金属环境下F4B基板替换为Co2Z基板时，S11参数明显好转，其谐振频点为 904 MHz，接近非金属环境下天线谐振点。原因是金属环境下天线阻抗急剧变化(图2b)，较差的阻抗匹配导致谐振频点偏移，而Co2Z基板阻抗变化平缓，天线在较宽的频带内易与天线芯片匹配，达到拓展天线工作带宽的效果。磁感线通过磁性介质时，会受到磁性介质的束缚作用25，电磁场传播路径也会随之改变。图3分别对应磁导率为1的F4B基板与柔性Co2Z铁氧体基板的电场分布剖面图。当电磁场垂直通过F4B基板与金属环境接触时，金属表面感生电流会产生与入射波相位完全相反的反射电磁场，与入射波相位相消(图3a)，使天线无法接收到足够能量激活芯片。当电磁场进入柔性Co2Z铁氧体基板中时，高磁导率的基板与周边介质相比，基板的磁导率高得多，其对磁感线的束缚作用可改变电磁场传播方向(图3b)，使入射电磁波被导出基板，降低基板底部电磁场能量，避免反相电磁场与入射波相消而影响天线读取，以隔绝金属对天线的干扰。-36-180500750100012501500-4300430(b)S11/dB F4B基板 F4B基板+金属环境 Co2Z基板+金属环境(a)Impedance/ohmf/MHz F4B基板实部 F4B基板虚部 F4B基板+金属环境实部 F4B基板+金属环境虚部 Co2Z基板+金属环境实部 Co2Z基板+金属环境虚部 图2 对应不同环境天线的(a)S11参数及(b)阻抗图3 对应不同基板剖面的电磁场分布25：(a)F4B基板，(b)Co2Z基板刘晓毅等：柔性Co2Z铁氧体基板对UHF-RFID标签天线抗金属特性的影响 59 图4、图5分别为F4B基板与柔性Co2Z铁氧体基板的电场、磁场矢量分布。对比图4a、c和图5a、c金属环境下F4B基板上下电场与磁场分布，上下表面的电磁场强度差别不大，表明电磁场传播方向无明显变化。对比金属环境下柔性Co2Z铁氧体基板上下电场与磁场分布(图4b、d，图5b、d)，电磁波有向基板外传播的趋势，同时Co2Z铁氧体柔性基板上表面电磁场能量显著大于下表面，这是由于高磁导率基板束缚了磁通，改变天线与金属环境间磁场传播方向。电磁场传播方向的改变，使Co2Z铁氧体柔性基板与金属环境间电磁场强度显著低于其上表面，表明部分磁感线受磁性材料束缚而从基板侧面导出，有效避免金属环境下激发感生电磁场。图4 金属环境下电场分布：(a)天线与F4B基板间，(b)天线与Co2Z基板间，(c)金属环境与F4B基板间，(d)金属环境与Co2Z基板间图5 金属环境下磁场分布：(a)天线与F4B基板间，(b)天线与Co2Z基板间，(c)金属环境与F4B基板间，(d)金属环境与Co2Z基板间500750100012501500-40-30-20-100S11/dBf/MHz 2 g 4 g 6 g 8 g 10 g 图6 不同比例Co2Z基板的S11参数磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 60 为探究不同比例 Co2Z 对 S11参数的影响，将 5 g 的 PDMS 前驱体分别与 2 g、4 g、6 g、8 g、10 g 微米级铁氧体粉末混合，采用机械混合法制备了Co2Z/PDMS基板11。图6为Co2Z铁氧体/PDMS作为基板时天线S11参数的仿真结果，904 MHz时其电磁参数如表2所示，可见金属环境下将天线基板由F4B替换为不同Co2Z比例的铁氧体/PDMS均能显著增强天线抗金属性。随着Co2Z铁氧体含量的提升，天线谐振频点更接近工作频点，即基板磁导率越高，对电磁场导磁效果越好，越能有效改善金属对天线的不利影响，同时高磁导率也有助于降低天线谐振频率。当铁氧体粉末为10 g时，天线谐振频点为 904 MHz，工作带宽为 350 MHz，覆盖 UHF-RFID全频段，满足UHF-RFID工作需求。4 结论设计了一款基于Co2Z铁氧体填充PDMS基板的柔性抗金属天线。借助Co2Z铁氧体在UHF频段高磁导率、低介电/磁损耗的特性以改变基板内部电磁场传播方向，使天线谐振频点由 611 MHz 回归至904 MHz，且 有 效 工 作 带 宽 扩 至 350 MHz。将PDMS作为天线的柔性基板能共形于非平坦的工作环境，扩展天线的应用场景，对于应用铁氧体材料解决超高频射频识别天线的抗金属性能具有的参考价值。参考文献：1Finkenzeller K.RFID handbook:fundamentals and applications in contactless smart cards and identification M.2nd ed.Hoboken,NJ:John Wiley&Sons,2003,229-230.2Inserra D,Wen G 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曾忆,颜铄清,李启凡,等.应用于近场通信(NFC)系统中的软磁屏蔽材料J.磁性材料及器件,2012,43(6):65-70.11 Xu F,Yang Y,Liu Y G,et al.Ferrite ceramic filled poly-dimethylsiloxane composite with enhanced magnetic-dielectric properties as substrate material for flexible electronics J.Cera Int,2021,47(13):18246-18251.12 Su Z J,Chang H,Wang X,et al.Low loss factor Co2Z ferrite composites with equivalent permittivity and permeability for ultra-high frequency applications J.Appl Phys Lett,2014,105(6):062402.13 Chang P P,He L,Wang H.Low loss magneto-dielectric composite ceramics Ba3Co2Fe24O41/SrTiO3 for high-frequency applications J.J Am Cera Soci,2014.98(4):1137-1141.14 Lee S E,Choi S P,Oh K S,et al.Flexible magnetic polymer composite substrate with Ba1.5Sr1.5Z hexaferrite particles of VHF/low UHF patch antennas for UAVs and medical implant devices J.Materials,2020,13(4):1021-1030.15 Martin L J,Ooi S,Daniela Staiculescu D,et al.Effect of permittivity and permeability of a flexible magnetic composite material on the performance and miniaturization 表2 基板电磁参数基板材料F4BCo2Z(2 g)/PDMSCo2Z(4 g)/PDMSCo2Z(6 g)/PDMSCo2Z(8 g)/PDMSCo2(10 g)Z/PDMS介电常数2.24.24.54.95.46.0磁导率1.01.21.41.72.12.3介电损耗角正切0.0090.0080.0090.0110.0120.016磁损耗角正切00.0380.0920.0590.040.087谐振频点/MHz611117610951015934904工作带宽/MHz30567556468414350刘晓毅等：柔性Co2Z铁氧体基板对UHF-RFID标签天线抗金属特性的影响 61 capability of planar antennas for RFID and wearable wireless applications J.IEEE T Comp Pack Man,2009,32(4):849-858.16 Xiang C C,Nie Y,Feng Z K,et al.Low-loss Z-type hexaferrite for microwave antenna miniaturization application J.Mater Sci Forum,2011,687:309-314.17 Lee J,Hong Y K,Lee W,et al.Role of small permeability in gigahertz ferrite antenna performance J.IEEE Magn Lett,2013,4:5000104.18 Endo T,Sunahara Y,Satoh S,et al.Resonant frequency and radiation efficiency of meander line antennas J.Electronics&Communications in Japan Part Electronics,2000,83(1):52-58.19 Best S R,Morrow J D.Limitations of inductive circuit model representations of meander line antennas 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