基于RFID 的小型天線的設(shè)計

王 杉，丁 君，郭陳江

（西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安 710072）

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù) 是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，近年來隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展，RFID 已進入商業(yè)化應(yīng)用階段，其應(yīng)用規(guī)模也快速增長。一個RFID 系統(tǒng)包括RFID 讀寫器、RFID 標簽和軟件3大組成部分。所采用的天線主要分為標簽天線和讀寫器天線兩種。標簽天線是RFID 系統(tǒng)中最易變的部分，并且其設(shè)計面臨著小型化、低損耗和低成本的實際要求，所以優(yōu)化設(shè)計標簽天線在整個系統(tǒng)中占有重要地位[1-2]。

微帶天線以其體積小，重量輕，低剖面，易于加工以及電路繼承性能優(yōu)越等優(yōu)點在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著RFID 技術(shù)的發(fā)展，對天線的尺寸要求越來越高，微帶天線尺寸小，性能優(yōu)越，因此，國內(nèi)外學者對其的小型化，寬頻，高增益等技術(shù)進行了大量細致而深入的研究。但天線尺寸上的變化對天線性能影響巨大，天線性能會隨自身尺寸的減小而變差，因此作為設(shè)計者，要在天線的各項參數(shù)中權(quán)衡最優(yōu)方案，以達到設(shè)計目的[3]。

文中設(shè)計了一款915 MHz 的微帶天線并對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對貼片以及接地板開槽，完善了天線整體的參數(shù)性能，最終改進了天線的帶寬，增益，尺寸。

1 RFID 天線特性

在RFID 系統(tǒng)中，一般包含閱讀器天線和標簽天線。典型的工作頻率有：125 kHz、133 kHz、13.56 MHz、27.12 MHz、433 MHz、915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz，本文設(shè)計并仿真的天線為915 MHz。射頻識別閱讀器必須通過于閱讀器天線來發(fā)射帶有數(shù)據(jù)信息的電磁波，進而通過對該電磁場對電子標簽進行識別。所以，RFID 天線要求低剖面，低成本，小型化等，有的領(lǐng)域還要求有多頻特性。隨著射頻識別技術(shù)的發(fā)展，RFID 天線也向著多功能、智能天線等方向發(fā)展。決定RFID 天線性能的參數(shù)主要有天線的輸入阻抗，駐波比，回波損耗，增益以及波瓣的寬度。

2 915 MHz RFID 天線設(shè)計

微帶天線的輻射機理，實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導體完全封閉，電路中不連續(xù)處就會產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開路端，結(jié)構(gòu)尺寸的突變，彎折等不連續(xù)處也會產(chǎn)生電磁輻射。當頻率較低時，這部分的電尺寸很小，因此電磁泄漏少，但隨著頻率的升高，電尺寸增大，泄漏也就越大。再經(jīng)過特設(shè)計，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強，輻射效率就大大提高，而成為有效的天線[4-5]。如圖1，圖2 所示，依據(jù)微帶天線的設(shè)計理論，本文設(shè)計了下面這款天線，該天線采用FR4 環(huán)氧樹脂板，介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)厚度h為5 mm，介質(zhì)板邊長L1=120 mm，輻射貼片邊長L2=80 mm，采用同軸線饋電。

從圖1，圖2 可以看出，天線的頻帶過窄，同時，阻抗匹配的效果不好，天線輻射功率會受到巨大的影響。

3 天線的改進分析

微帶天線優(yōu)化的方法可以概括為以下幾點

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

圖2 S11 參數(shù)與天線阻抗Fig.2 Parameters and antenna impedance

微帶貼片開槽：微帶天線的表面電流分布依賴于貼片的幾何結(jié)構(gòu)，通過在貼片表面開槽，使原來的等效諧振電路變?yōu)殡p諧振電路，達到展寬天線頻帶的目的，而且電流的有效路徑變長，貼片諧振頻率降低，有利于天線的小型化。為了在增益、尺寸、帶寬方面折衷考慮，本文對于貼片形狀進行了改進，采用在貼片邊緣開槽的方法，使得天線性能得到了很大的提升[6]。

微帶接地板開槽：通過在接地板上開槽也可以對天線的性能進行一定的改善。

切角：在輻射貼片上進行切角可以是天線變?yōu)閳A極化天線。

饋點：由于采用的是背饋方式，饋點的選擇決定了天線的阻抗匹配。

4 改進后天線分析

圖3，圖4為優(yōu)化后的天線模型。

圖3 微帶天線正面Fig.3 The front of the microstrip antenna

圖4 微帶天線背面Fig.4 The back of the microstrip antenna

通過多次仿真，可以觀察到，切角邊長，開槽寬度以及饋點位置對天線性能影響較為明顯。從圖5 可以看出天線帶寬隨切角邊長變化改變，圖6，8 顯示，中心頻點隨開槽寬度和中心圓半徑增加向高頻方向移動，如圖7，可以很明顯的看出，饋點位置主要影響阻抗匹配[7]和天線增益。

圖5 切角大小對S11 參數(shù)的影響Fig.5 The influence of the notching to the S11

圖6 開槽寬度對S11 參數(shù)的影響Fig.6 The influence of the slot to the S11

圖7 饋點位置對S11 參數(shù)的影響Fig.7 The influence of the feed point to the S11

圖8 中心圓半徑對S11 參數(shù)的影響Fig.8 The influence of the radius to the S11

最終，通過結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，天線參數(shù)如表1 所示。優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖9～11 所示。

表1 天線各參數(shù)Tab.1 The parameters of antenna

圖9 S11 參數(shù)Fig.9 S11

圖10 阻抗Fig.10 Impedance

圖11 方向圖Fig.11 Antenna pattern

從仿真結(jié)果不難看出，天線阻抗匹配很好，基本達到50 Ω，天線中頻準確定位在915 MHz，帶寬明顯增加，由方向圖可以看出，后瓣由于接地板開槽已被消除殆盡。作為后續(xù)研究的方向，可以再對介質(zhì)層的尺寸進行嘗試性的縮小，從而達到進一步小型化的目的。

5 結(jié)束語

在詳細分析研究微帶天線后，自主設(shè)計了一款915 MHz頻段的讀寫器微帶天線，并對該天線進行了開槽改進，對于開槽的位置、尺寸進行了詳細的闡述，從而可在增大帶寬和實現(xiàn)小型化方面，使天線性能得到提升，最終實現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的915 MHz 頻段RFID 讀寫器微帶天線。從仿真結(jié)果來看，天線匹配良好，天線性能優(yōu)越，完全符合讀寫器的工作要求。

[1]周曉光，王小華.射頻識別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]郎為民.射頻識別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]鐘順時.微帶天線理論研究與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[4]吳建平.RFID系統(tǒng)圓極化寬頻帶讀寫器天線的設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[5]Virtanen J，Bjorninen T，Ukkonen L，et al.Sydanheimo.Passive UHF inkjet-printed narrow-line RFID tags [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010（9）：440-443.

[6]Farinholt K M，Park G，F(xiàn)arrar C R.RF energy transmission for a low-power wireless impedance sensor node [J].IEEE Sens.，2009（9）：793-800.

[7]王鵬飛.四邊形阻抗原理應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及解決辦法[J].陜西電力，2011（8）：79-81，89.WANG Peng-fei.Problems in application of quadrilateral impedance principle and its solutions[J].Shaanxi Electric Power，2011（8）：79-81，89.