一種RFID讀寫器天線的設(shè)計(jì)與分析

李健 張謝馥 羅韋 蔡鵬霄

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款中心頻率工作于2.45GHz的RFID（Radio Frequency Identification，RFID）讀寫器天線。該天線是對(duì)矩形微帶天線的改進(jìn)，通過(guò)對(duì)矩形貼片進(jìn)行鏤空，以原點(diǎn)處為中心，分別鏤空六個(gè)尺寸相等的小矩形，以改變矩形貼片表面電流分布，使其具有更強(qiáng)的電磁輻射特性。此外，本文還使用HFSS軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該天線回波損耗在2.43～2.50GHz頻段內(nèi)低于-10dB，在中心頻率2.45GHz處回波損耗約為-21dB，改進(jìn)后的矩形微帶貼片中心面磁感應(yīng)強(qiáng)度平均高于原矩形微帶天線約10A/m。

關(guān)鍵詞：矩形微帶天線;回波損耗;HFSS軟件;磁感應(yīng)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TN409 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）22-0037-03

Design and Analysis of an RFID Reader Antenna

LI Jian ZHANG Xiefu LUO Wei CAI Pengxiao

Abstract： In this paper， an reader antenna applied to the RFID （Radio Frequency Identification） system with a center frequency operating at 2.45 GHz was designed. The antenna is based on a rectangular microstrip antenna which is hollowed out centered on the origin with six small rectangles of equal size that is to change the surface current distribution of the rectangular patch aiming to provide stronger electromagnetic radiation characteristics. In this paper， HFSS software was used for simulation. The results shows that the return loss of the antenna is lower than -10dB in the frequency range of 2.43～2.50GHz， and the return loss is about -21dB at the center frequency of 2.45GHz. The magnetic induction intensity of the center plane of the improved rectangular microstrip patch is about 10 A/m higher than that of the original rectangular microstrip antenna.

Keywords： rectangular microstrip antenna;return loss;HFSS software;magnetic induction intensity

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種基于射頻通信技術(shù)基礎(chǔ)上的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要是利用射頻信號(hào)的空間耦合對(duì)物體間進(jìn)行相互識(shí)別[1，2]。本節(jié)所提出的讀寫器天線是一款工作在RFID微波波段（2.45GHz頻段）的讀寫器天線。選擇讓天線工作在微波頻段主要是因?yàn)椋含F(xiàn)代通信常用的工作頻段在850～960MHz，導(dǎo)致超高頻段比較擁擠，天線工作在微波波段有助于避開(kāi)頻段擁擠;與特高頻無(wú)線電波（Ultra High Frequency，UHF）頻段相比，微波波段的傳輸速率更高。因此，對(duì)需要識(shí)別快速移動(dòng)的物體的RFID系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，微波波段具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1 RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線的中心頻率是2.45GHz，首先通過(guò)微帶天線的理論估算出矩形貼片的尺寸[3-8]。本文天線設(shè)計(jì)選用的介質(zhì)板是厚度為[H]的FR4環(huán)氧樹(shù)脂（FR4 Epoxy）板，可由公式（1）得到矩形微帶線的寬度[W0]。

[W0=cfεr+12-12] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[c]是光速;[εr]是FR4 Epoxy板的相對(duì)介電常數(shù)。

輻射貼片的長(zhǎng)度[L0]可由公式（2）計(jì)算得到：

[L0=cfεe-2ΔL] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[εe]是有效介電常數(shù);[ΔL]是等效輻射縫隙長(zhǎng)度。這兩個(gè)變量可由式（3）和式（4）計(jì)算得到：

[εe=εr+12+εr-12（1+12HW0）-12] ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[ΔL=0.412Hεe+0.3W0H+0.264εe-0.258W0H+0.8] ? ? ? ? ? ? （4）

該天線在矩形微帶輻射貼片的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過(guò)鏤空六個(gè)尺寸大小相等的矩形，改變矩形微帶線表面電流，加強(qiáng)輻射磁場(chǎng)強(qiáng)度。

從圖1可知，[L2]對(duì)應(yīng)的微帶是特性阻抗為50Ω的微帶線。由于矩形貼片的特性阻抗不符合微波器件通用的50Ω系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)加上一段1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器，其長(zhǎng)度[L1]和寬度[W1]可由微波計(jì)算器計(jì)算得來(lái)。天線的具體尺寸如表1所示。

2 天線仿真結(jié)果及分析

本文選用HFSS軟件進(jìn)行仿真，回波損耗（S11）的仿真結(jié)果如圖2所示。觀察圖2可知，在頻率為2.45GHz時(shí)，回波損耗（S11）大小為-21dB，符合插入損耗小于-10dB的要求，其工作頻段為2.43～2.50GHz。

圖3為矩形貼片的磁場(chǎng)輻射仿真圖。從圖3（a）可知，在輻射貼片的中心區(qū)域，其電磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為17.737 9A/m。從圖3（b）可以看出，改進(jìn)后的天線中心區(qū)域電磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為27.11A/m，則改進(jìn)后天線的電磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在矩形貼片上鏤空了六個(gè)小矩形，從而改變矩形貼片表面電流分布，加強(qiáng)天線表面磁感應(yīng)強(qiáng)度。天線仿真結(jié)果表明，天線回波損耗2.43～2.50GHz頻段內(nèi)低于-10dB，在中心頻率2.45GHz回波損耗約為-21dB，且改進(jìn)后天線中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度高于原矩形貼片天線中心區(qū)域約10A/m，這一結(jié)果驗(yàn)證了該款天線在RFID系統(tǒng)中的實(shí)用性和優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]SHI J，QING X，CHEN Z N. Electrically large zero-phase-shift line grid-array UHF near-field RFIDreaderantenna[J].Antennas & Propagation IEEE Transactions on，2014（4）：2201-2208.

[2]SHEN L， ZHUANG W， TANG W， et al. Achieving uniform perpendicular magnetic field distribution for near-field ultra-high frequency radio-frequency identification[J].IET Microwaves Antennas & Propagation，2016（2）：215-222.

[3]李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]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.

[5]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.

[6]Hae-Won Son，Hyuk Park，Kyong-Hee Lee， et al. UHF RFID reader antenna with a wide beamwidth and high return loss[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012（10）：4928-4932.

[7]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.

[8]楊靄寧.UHF頻段RFID讀寫器天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.