433MHz SAW標簽上偶極子天線的小型化設計

沈國浩，廖同慶

（1.蚌埠學院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽大學，安徽 230039）

433MHz SAW標簽上偶極子天線的小型化設計

沈國浩1，廖同慶2

（1.蚌埠學院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽大學，安徽 230039）

聲表面波標簽是SAW射頻識別系統(tǒng)的核心.本文為了減小聲表面波標簽的尺寸，通過將印刷偶極子臂彎折變型，設計了一款工作于433MHz頻率上的小型化偶極子天線，經(jīng)過ADS軟件對該天線建模與仿真，驗證了這款小型化天線完全滿足天線設計時所需的頻率和帶寬要求.

聲表面波射頻識別；小型化天線

1 標簽天線的設計

聲表面波射頻識別（SAW-RFID）標簽天線設計主要考慮的有：天線物理尺寸、工作頻率、工作帶寬、阻抗匹配、增益等.受標簽天線尺寸的限制，一般類型的天線如反射面天線，喇叭天線，螺旋天線等都不適用于設計成聲表面波射頻識別（SAW-RFID）標簽天線.IC卡標簽中應用的線圈天線，也不適宜應用于聲表面波射頻識別（SAW-RFID）標簽上[3,4].與線圈天線不同，印刷偶極子天線相互傳遞信息是利用電磁波的反向散射來進行的，是一種工作在微波和超高頻波段，工作距離可達到十米以上的遠場天線.另外，印刷偶極子天線還具有結構簡單，剖面低等特點，特別適用于制作各種類型的標簽天線.

印刷偶極子天線標簽的有效識別距離是設計印刷偶極子標簽天線主要考慮的因素，印刷偶極子天線標簽的有效識別距離計算公式[5]如下：

式（1）中，λ為天線的中心工作頻率，Gt為閱讀器傳輸?shù)脑鲆?，Pt為讀寫器的傳輸功率，Pth為供給標簽芯片正常工作能源的最小輸入功率，Gr為標簽天線的接收增益，τ為功率傳輸系數(shù).由式（1）可以看出印刷偶極子天線的中心工作頻率和接收增益是決定天線有效識別距離的關鍵.

433MHz和915MHz是民用非管制無線電頻段，一般遠距離射頻識別系統(tǒng)都使用這些頻段.綜合考慮標簽制作中的加工精度、閱讀器的制作和系統(tǒng)的有效識別距離，本文基于的SAW-RFID系統(tǒng)中心頻率是433MHz.

考慮到天線的應用及成本，根據(jù)試驗要求選擇的介質材料為介電常數(shù)為4.5，厚度1.6毫米，損耗角的正切tanδ=0.018的軟質PVC板.天線的輪廓采用鋁貼片，其厚度為0.018毫米.基于偶極子天線與微帶天線理論制成的印刷偶極子天線[6,7]，結構見圖1：該印刷偶極子天線由微帶巴倫線和偶極子天線兩部分組成.

圖1 印刷偶極子天線結構圖

433MHz中心頻率天線的具體尺寸為：g1=3毫米，g2=1毫米、W0=6毫米，L0=133.7毫米，Wb=5毫米，Lb=120毫米，Wd=270.4毫米，Ld=100毫米.天線的整體尺寸為229毫米*270.4毫米.使用ADS進行仿真后得到天線的回波損耗如圖2所示.圖2表明，在滿足通信系統(tǒng)要求的電壓駐波比小于2.0的前提下，印刷偶極子天線工作的中心頻率為433MHz赫茲，帶寬為420.5～447.6MHz（大于輸入信號的最大帶寬22MHz），完全滿足天線設計時所需的頻率和帶寬要求.但是，天線的整體尺寸過大（229mm*270.4mm），不適用于制作各種類型的標簽天線，更不利于標簽的小型化.因此，如何減小天線的整體尺寸，如何使標簽小型化等問題日益引起研究者的關注.

圖2 印刷偶極子天線的回波損耗

2 標簽天線的小型化設計

為了減小標簽天線的尺寸，將圖1所示的偶極子天線的偶極子臂向下彎折，得到的結構如圖3所示.折疊后的天線應滿足：電流通過折合偶極子臂的最短距離應該和四分之一諧振波長大致相等.在433MHz中心頻率下，折合偶極子 天 線 具 體 尺 寸 ：Lo=85.5mm，Wo=6mm，Lz=56.3mm，Wz=8mm，Lb=120mm，Wb=5mm，Ld=190mm，Wd=60mm.天線的水平面尺寸為190mm*189mm.

圖3 折合偶極子天線結構圖

圖4 折合偶極子天線的回波損耗

通過ADS仿真得到折合偶極子天線的各種電參數(shù)圖.圖4表明，滿足通信系統(tǒng)所要求的電壓駐波比小于2.0的要求下，天線工作的中心頻率為433MHz，帶寬在422.6～443.9MHz，比折疊前的帶寬有所減小，但完全滿足要求.圖5說明在433MHz時，饋電點的阻抗為50*（0.896+j0.032）=44.8+j1.6Ω，能夠較好的與50Ω的饋線匹配.由圖6可知，在theta=-1度時有最大增益為1.085.

上述分析可知：小型化后的聲表面波射頻識別系統(tǒng)標簽天線不僅尺寸大大減小,僅為原來的58％,而且聲表面波射頻識別系統(tǒng)標簽天線增益沒有顯著減小，完全滿足聲表面波標簽的需求.

圖5 折疊偶極子天線的史密斯圓圖

圖6 折疊偶極子天線增益隨THETA變化的曲線

3 結論

本文設計了一款工作于433MHz頻率上的小型化偶極子天線，經(jīng)過ADS軟件對該天線建模與仿真，驗證了這款小型化天線完全滿足聲表面波射頻識別的需要.

〔1〕http://www.anritsu.com.tw/accessed date,January 2008.

〔2〕http://www.agilentechnology.com/ accessed date,December 2007.

〔3〕鄧勇，施文康，劉艾.一種基于SAW的無線標簽識別系統(tǒng)[J].國外電子元器件，2001，（05）.

〔4〕武以立，等.聲表面波原理及其在電子技術中的應用.國防工業(yè)出版社，1983.

〔5〕李秀萍，劉禹，等.基于RFID應用的小型化印刷偶極子天線設計[J].北京郵電大學學報，2006，（05）.

〔6〕鮑爾 IJ，布哈蒂亞 P.微帶天線[M].梁聯(lián)倬，寇廷耀，譯.北京：電子工業(yè)出版社，1985.132-147.

〔7〕李秀萍，劉禹，等.基于RFID應用的小型化印刷偶極子天線設計[J].北京郵電大學學報，2006，29（5）:75-78.

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A

1673-260X（2011）12-0178-02 SAW-RFID技術以SAW器件為核心，克服了傳統(tǒng)以IC芯片為核心的射頻識別設備在強電磁干擾環(huán)境中和金屬物體上不能正常工作等問題，并且具識別距離遠、無源、識別高速運動的物體特點，非常適用于路標識別、不停車收費識別、鐵路車輛車號識別、列車準確?？靠刂频萚1,2].然而由于受成本太高、標簽尺寸太大等因素限制，聲表面波標簽不能應用于零售等小物品的識別上.因此，如何使標簽小型化、降低標簽成本等問題日益引起關注.本文設計了一款中心頻率為433MHz的印刷偶極子天線，然后進行小型化設計，并通過ADS對上述天線分別進行了仿真驗證.

蚌埠學院重點項目：“433MHz SAW標簽的優(yōu)化設計、制作與分析”（BBXYGC2010A02）；國家自然科學基金項目“新型多通道聲表面波氣體傳感器研究”的子課題“多通道聲表面波氣體傳感器檢測電路研制”，批準號為：60572018；安徽省教育廳自然科學研究項目“靜電除塵設備氣體流場分布計算機模擬與仿真”（KJ2010B101）