雙頻RFID讀寫器天線的研究與設(shè)計(jì)

張謝馥　李健

摘 要：射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括車輛自動(dòng)識(shí)別電子收費(fèi)系統(tǒng)、公共交通、醫(yī)藥、零售、物流、金融等領(lǐng)域。但是，各國(guó)電磁波管制頻段范圍不盡相同，沒(méi)有建立全球化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得RFID系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生許多問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)了一款工作于2.45GHz和5.8GHz的雙頻RFID讀寫器天線，該天線在IE型貼片天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在E型貼片的對(duì)稱位置處加上兩個(gè)開路存根，仿真結(jié)果顯示其具有較好的雙頻特性。

關(guān)鍵詞：RFID;天線;雙頻;微帶線

中圖分類號(hào)：TN820文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0029-03

2016年12月19日，由國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)貿(mào)易與應(yīng)用促進(jìn)會(huì)等單位聯(lián)合舉辦的“2016中國(guó)RFID世界最有影響力評(píng)選活動(dòng)”中，2016中國(guó)RFID行業(yè)年度最有影響力成功應(yīng)用獎(jiǎng)項(xiàng)的獲獎(jiǎng)應(yīng)用案例有：貴州送變電鋼絲繩RFID標(biāo)簽管理系統(tǒng)研發(fā)成功;京沈高鐵軌道板首次裝上RFID“中國(guó)芯”;全國(guó)首批汽車電子標(biāo)識(shí)安裝啟動(dòng)，無(wú)錫成首個(gè)試點(diǎn)城市;深圳首創(chuàng)“電子標(biāo)識(shí)卡”實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先紅燈少等8秒鐘;天津機(jī)場(chǎng)自助行李托運(yùn)系統(tǒng)投用 1min完成操作;武漢300余太智能潲水垃圾車上崗帶“身份”能防失蹤[1]。可見，RFID技術(shù)自1948年第一次被提出，經(jīng)過(guò)70年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、物流管理、健康醫(yī)療、物品防偽等眾多領(lǐng)域[2]。RFID技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)日益成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)RFID技術(shù)的研究將會(huì)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，RFID技術(shù)面臨的一個(gè)問(wèn)題是在全球沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的頻段在各個(gè)國(guó)家都有各自的規(guī)劃和應(yīng)用。例如，北美指定915MHz為RFID頻段，這是可行的，因?yàn)榇祟l段是劃分給ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）使用的頻段。而在歐洲，915MHz就不適用于RFID技術(shù)。868MHz頻段在歐盟規(guī)定中可以用于RFID系統(tǒng)，在中國(guó)則用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信。可見，在全球沒(méi)有統(tǒng)一的頻段標(biāo)準(zhǔn)，使得RFID在應(yīng)用時(shí)難以滿足無(wú)障礙地在不同國(guó)家和地區(qū)流通的需求，這是RFID面臨的最大問(wèn)題。而隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各國(guó)之間的貨品往來(lái)越來(lái)越頻繁。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）的建設(shè)，更是對(duì)RFID系統(tǒng)提出了更高的要求。在這種背景下，多頻天線得以研制，使得一個(gè)RFID讀寫器天線可應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)，可以在不同的國(guó)家或地區(qū)暢通無(wú)阻[3]。

雙頻天線的設(shè)計(jì)目前使用較多的是多層貼片結(jié)構(gòu)及單層貼片結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析，多層貼片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成本較高。所以，本文將重點(diǎn)研究單層貼片結(jié)構(gòu)[4]。

單層貼片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻天線的常用方式有：偏置的同軸饋電、雙饋電、加載縫隙或開槽。本文將采用偏置同軸饋電的方式研究雙頻RFID天線的設(shè)計(jì)，偏置的同軸饋電結(jié)構(gòu)的原理是矩形輻射貼片的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)諧振頻率，其寬度對(duì)應(yīng)另一個(gè)諧振頻率，然后從對(duì)角線的一角進(jìn)行同軸饋電，就能使同一個(gè)輻射貼片工作于兩個(gè)頻率上[5]。

1 雙頻讀寫器RFID天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)RFID天線開始應(yīng)用于微波波段，微波頻段的天線也開始受到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為大家開始研究的新的方向。從微帶天線的雙頻化技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，多層貼片層疊式的雙頻天線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易于加工和集成。相較而言，單層貼片結(jié)構(gòu)的多頻天線結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單、緊湊，加工制造比較容易，而且更容易加載到物體上，適用范圍更廣。因此，接下來(lái)將利用單層貼片的方法進(jìn)行多頻天線的設(shè)計(jì)。本文在設(shè)計(jì)天線的過(guò)程中所使用的軟件是基于有限元法的三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 15.0。本節(jié)所設(shè)計(jì)的天線為雙頻RFID讀寫器天線，要求讀寫器可以在2.45GHz和5.8GHz兩個(gè)頻段進(jìn)行工作[6]。

雙頻RFID讀寫器天線采用相對(duì)介電常數(shù)為1的空氣作為介質(zhì)，該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等特點(diǎn)。該天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該天線具有3層結(jié)構(gòu)：貼片層、介質(zhì)層和接地板。如圖1（a）所示，介質(zhì)板尺寸為L(zhǎng)×W，貼片由左右兩部分組成，并通過(guò)尺寸為A×B微帶線連接。該天線的饋電方式采用同軸探針饋電，饋電位置如圖1（b）所示。介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為1的空氣，實(shí)際應(yīng)用中可用介電常數(shù)相同的材料代替。本次設(shè)計(jì)的天線饋電端口的輸入阻抗設(shè)置為[50Ω][7]。根據(jù)已經(jīng)選定的介質(zhì)基板的相關(guān)參數(shù)和天線的電學(xué)特性，可以通過(guò)TX Line軟件計(jì)算出微帶線寬度和介質(zhì)基板的厚度，具體參數(shù)見表1。

2 仿真分析及驗(yàn)證

本文采用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真，具體的仿真模型如圖2所示，并使用該軟件對(duì)已建好的天線模型進(jìn)行優(yōu)化，得到天線的回波損耗（S11）仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，兩個(gè)諧振點(diǎn)分別位于f1=2.45GHz和f2=5.8GHz，且在f1和f2諧振點(diǎn)處的回波損耗分別達(dá)到-25dB和-36dB，均滿足S11<-10dB的要求[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款雙頻RFID讀寫器天線，該讀寫器天線工作在RFID系統(tǒng)的微波波段，分別為2.45GHz和5.8GHz頻段，在諧振頻率2.45GHz和5.8GHz處的回波損耗分別達(dá)到-25dB和-36dB，滿足S11<-10dB的指標(biāo)要求，且該款天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能穩(wěn)定，滿足RFID讀寫器天線的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉光，王曉華，王偉.射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]譚民，劉禹，曾雋芳.RFID技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]王洪泊.物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[4]游戰(zhàn)清，劉克勝，張義強(qiáng)，等.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）規(guī)劃與實(shí)施[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]游戰(zhàn)清，李蘇劍.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[6]李海柱.探究RFID技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古教育（職教版），2013（12）：24-26.

[7]賀凱.RFID技術(shù)在圖書館的應(yīng)用[J].科學(xué)時(shí)代（綜合版），2007（12）：111-113.

[8]劉曉輝.物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（8）：83-84.