新型材料饋電的RFID 閱讀器雙頻工作天線(xiàn)*

張翠翠，楊 丹，廖 成

（西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用到了醫(yī)療保健、制造業(yè)、安全，汽車(chē)工業(yè)和零售業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[1]。RFID 作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)電磁波在空間的傳播實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。目前主要使用在低頻、高頻、超高頻和微波頻段[2]。而微波波段的RFID 系統(tǒng)有較長(zhǎng)的讀取距離以及高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，性能相較于低頻、高頻以及超高頻RFID 系統(tǒng)更為優(yōu)越。與此同時(shí)為了滿(mǎn)足日益迫切的RFID 系統(tǒng)應(yīng)用需求，天線(xiàn)在小型化的同時(shí)，更傾向于在一個(gè)設(shè)備內(nèi)集成多種功能。因此閱讀器天線(xiàn)向著小型化、多頻化、圓極化的方向不斷發(fā)展。

通常，RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽和讀取標(biāo)簽信息的閱讀器組成[3]。閱讀器天線(xiàn)將閱讀器形成的特定頻段信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去，再將接收的標(biāo)簽信號(hào)返回閱讀器，這就是一次射頻識(shí)別的過(guò)程[4]。而天線(xiàn)作為這一讀取過(guò)程的重要組成部分，其性能直接影響整個(gè)RFID 系統(tǒng)性能。天線(xiàn)重量過(guò)大，潮濕環(huán)境下天線(xiàn)易腐蝕等問(wèn)題極大地限制了RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。而碳納米管材料相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，具有更高的拉伸強(qiáng)度，更好的耐腐蝕性，極低的密度以及良好的導(dǎo)電性能[5]。現(xiàn)已有眾多學(xué)者將其應(yīng)用在了微帶天線(xiàn)領(lǐng)域[6-8]。

通常單頻段的閱讀器天線(xiàn)，只能識(shí)別某個(gè)頻段的標(biāo)簽，應(yīng)用范圍有限。而雙頻或多頻閱讀器天線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)不同頻段標(biāo)簽的讀取，使得一個(gè)閱讀器可以應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一款工作在915 MHz和2.45 GHz 頻段的雙頻閱讀器天線(xiàn)，通過(guò)在圓形貼片上刻蝕插槽以及接地板上的狹縫實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的雙頻圓極化性能。文獻(xiàn)[10]提出了一種在UHF-RFID和WLAN 波段具有雙頻圓極化的圓形貼片天線(xiàn)。通過(guò)在貼片上蝕刻兩個(gè)垂直槽，使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)雙波段工作，并在地面上刻蝕四個(gè)狹縫來(lái)提高軸比。為提高天線(xiàn)的增益在貼片下面放置了一個(gè)具有25 單元的雙波段AMC 反射器。文獻(xiàn)[11]提出了一種由旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)折合振子和縫隙加載的方形貼片構(gòu)成的雙頻圓極化閱讀器天線(xiàn)，但天線(xiàn)需要兩個(gè)外部端口，且饋電網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，不利于加工制作。文獻(xiàn)[12]提出了一款微波波段的雙頻閱讀器天線(xiàn)。天線(xiàn)工作在2.45 GHz和5.8 GHz，在低頻和高頻分別實(shí)現(xiàn)了148.48 MHz 和204.85 MHz 的阻抗帶寬。但天線(xiàn)不具備圓極化輻射性能。文獻(xiàn)[13-14]所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)雖具備圓極化輻射性能，但都只能工作在單一的頻段處。

針對(duì)上述文獻(xiàn)中天線(xiàn)饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸過(guò)大、單一頻點(diǎn)工作、不具備圓極化輻射性能等問(wèn)題，本文結(jié)合碳納米材料設(shè)計(jì)了一款新型的雙頻圓極化閱讀器天線(xiàn)。該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸相對(duì)較小，不需要復(fù)雜的饋電結(jié)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射性能。文章首先闡述了天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，然后分析了主要參數(shù)對(duì)天線(xiàn)性能的影響，最后對(duì)同尺寸下采用碳納米管金屬薄膜作為饋線(xiàn)和采用銅質(zhì)材料作為饋線(xiàn)的兩款天線(xiàn)分別進(jìn)行了仿真。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

開(kāi)口雙環(huán)諧振器（Split-Ring Resonator，SRR）[15]最初的模型由英國(guó)科學(xué)家Pendy 在研究超材料時(shí)提出。其結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，是由兩個(gè)相互增強(qiáng)諧振的同心開(kāi)口環(huán)組成的諧振體系。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)有時(shí)變的磁場(chǎng)穿過(guò)SRR 的垂直方向時(shí)，由金屬環(huán)上產(chǎn)生的感應(yīng)電流Leq可等效為電感，兩環(huán)間的電荷集聚產(chǎn)生等效電容，此時(shí)SRR 結(jié)構(gòu)可以等效為L(zhǎng)C 諧振電路。其諧振頻率可表示如下：

式中：Cp為環(huán)間單位長(zhǎng)度的電容值；Ceq為等效電容；Leq為等效電感，可由寬度為m和平均半徑為R0的單個(gè)環(huán)的電感獲得；Sn為n階Struve函數(shù)；Jn為n階Bessel函數(shù)。

圖1 開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)

根據(jù)SRR 的結(jié)構(gòu)特性，環(huán)開(kāi)口處的電容、環(huán)上電感以及環(huán)間的耦合電容會(huì)隨著環(huán)間距、環(huán)寬度和開(kāi)口寬度的減小而增大[16]。因此改變這些參數(shù)便可對(duì)SRR 的諧振頻率做出調(diào)節(jié)。

為了使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)雙頻輻射，在SRR 結(jié)構(gòu)外側(cè)加載了一個(gè)同圓心的開(kāi)口單環(huán)諧振器（Split Single-Ring Resonator，SSRR），結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。SSRR 沒(méi)有內(nèi)環(huán)，是由單個(gè)開(kāi)口環(huán)構(gòu)成的磁諧振器。通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)口處電容和環(huán)上的電感同樣可調(diào)節(jié)SSRR 的諧振頻率。

圖2 為所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)最終結(jié)構(gòu)，尺寸見(jiàn)表1。

圖2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

表1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)

該天線(xiàn)采用口徑耦合的饋電方式，50 Ω 微帶線(xiàn)通過(guò)接地板上的一字形縫隙給上層的輻射貼片進(jìn)行耦合饋電。天線(xiàn)的介質(zhì)基板為相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4 的FR-4。饋線(xiàn)采用厚度為0.015 mm 電導(dǎo)率為3×105S/m 的碳納米管金屬?gòu)?fù)合薄膜，位于下層基板的底部，接地板位于兩層基板的中間。位于上層基板表面的SRR 貼片結(jié)構(gòu)使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了5.8 GHz處的諧振，通過(guò)短接線(xiàn)與SRR 結(jié)構(gòu)連接的SSRR 貼片結(jié)構(gòu)使天線(xiàn)在2.45 GHz 處實(shí)現(xiàn)了良好的諧振。通過(guò)對(duì)短接線(xiàn)的位置以及SSRR 結(jié)構(gòu)的開(kāi)口位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射性能。

2 天線(xiàn)參數(shù)分析

本文采用仿真軟件Ansolf HFSS 13.0 進(jìn)行建模仿真，并對(duì)天線(xiàn)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。從天線(xiàn)的設(shè)計(jì)可知，位于中間的SRR 貼片結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)在5.8 GHz 處的諧振。因此通過(guò)改變SRR 結(jié)構(gòu)的半徑r和寬度d，便可對(duì)高頻諧振點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖3所示，隨著r的增大，高頻中心頻率依次向低頻移動(dòng)，且對(duì)2.45 GHz 處的頻點(diǎn)沒(méi)有產(chǎn)生太大影響。圖4 為SRR 結(jié)構(gòu)寬度d由0.8 mm 到1.1 mm 變化時(shí)天線(xiàn)諧振頻率的變化曲線(xiàn)。天線(xiàn)的高頻頻點(diǎn)從5.85 GHz 變化到5.6 GHz。最終取SRR 結(jié)構(gòu)半徑r=4.4 mm，寬度d=1 mm 使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了在5.8 GHz 處的諧振。

圖3 S11隨r 的變化曲線(xiàn)

圖4 S11隨d 的變化曲線(xiàn)

當(dāng)改變外部SSRR 結(jié)構(gòu)的寬度時(shí)，天線(xiàn)諧振頻率的變化曲線(xiàn)如圖5 所示。從圖5 中可以看出，環(huán)的寬度dg從2.2 mm 增加到2.8 mm，2.45 GHz 處的諧振點(diǎn)逐漸向低頻移動(dòng)，且對(duì)高頻諧振點(diǎn)影響不大。SSRR 結(jié)構(gòu)的半徑取12.4 mm，寬度取2.3 mm，使天線(xiàn)的諧振中心點(diǎn)位于2.45 GHz 處。

天線(xiàn)確定高低中心諧振頻點(diǎn)后，就可以對(duì)天線(xiàn)的圓極化性能進(jìn)行優(yōu)化。在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)節(jié)SSRR 結(jié)構(gòu)的環(huán)開(kāi)口以及短接線(xiàn)的位置便可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)軸比的改善。為了使短接線(xiàn)的接入對(duì)高頻諧振不產(chǎn)生太大的影響，最終將短接線(xiàn)置于SRR 結(jié)構(gòu)外環(huán)開(kāi)口的相對(duì)位置，并對(duì)SSRR 結(jié)構(gòu)的環(huán)開(kāi)口位置進(jìn)行掃參。結(jié)果如圖6 所示，SSRR 環(huán)開(kāi)口角度θ為相對(duì)SRR 結(jié)構(gòu)環(huán)開(kāi)口的角度。θ由0°變化到30°時(shí)，天線(xiàn)的低頻軸比從10 dB 降到了3 dB 以下，高頻軸比始終保持在3 dB 左右。當(dāng)θ取20°～30°時(shí)，天線(xiàn)在低頻處的軸比小于3 dB，得到了極大的改善。并且當(dāng)環(huán)開(kāi)口置于該位置時(shí)，對(duì)高頻和低頻的諧振沒(méi)有產(chǎn)生太大影響。

圖5 S11隨dg 的變化曲線(xiàn)

圖6 軸比隨 θ 的變化曲線(xiàn)

3 結(jié)果分析

為了將碳納米管金屬薄膜作為饋線(xiàn)的天線(xiàn)和銅質(zhì)材料為饋線(xiàn)的天線(xiàn)性能進(jìn)行對(duì)比，按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)圖和表一的尺寸對(duì)兩款天線(xiàn)進(jìn)行了建模仿真。天線(xiàn)最終的回波損耗S11結(jié)果如圖7 所示。結(jié)果表明饋線(xiàn)為碳納米管金屬薄膜時(shí)天線(xiàn)的阻抗帶寬在低頻段為2.389～2.601 GHz；高頻段為5.726～5.846 GHz，頻段較好地覆蓋了RFID 系統(tǒng)常用的2.45 GHz 頻段和5.8 GHz 頻段。而饋線(xiàn)為銅質(zhì)材料時(shí)天線(xiàn)低頻的阻抗帶寬變窄，而且高頻的阻抗帶寬發(fā)生了較大的偏移。

圖7 S11曲線(xiàn)

圖8 為兩款天線(xiàn)的軸比對(duì)比圖。碳納米管饋線(xiàn)天線(xiàn)在低頻段軸比小于3 dB 的帶寬為2.46～2.50 GHz，最小軸比位于2.48 GHz 處為0.75 dB；高頻段處的3 dB 軸比帶寬為5.723～5.765 GHz，最小軸比位于5.74 GHz處為0.63 dB。而銅質(zhì)饋線(xiàn)天線(xiàn)的軸比都大于了3 dB，在高低頻段均未滿(mǎn)足圓極化天線(xiàn)對(duì)軸比的要求。

圖8 軸比

碳納米管金屬薄膜天線(xiàn)的增益圖和方向圖如圖圖9、圖10、圖11 所示。天線(xiàn)在低頻頻段的增益峰值為4.25 dBi，高頻頻段內(nèi)的增益峰值為3.4 dBi。圖10 和圖11 為天線(xiàn)在低頻和高頻頻段內(nèi)軸比最小處的增益方向圖，由圖可知天線(xiàn)在兩個(gè)頻段的極化方式均為左旋圓極化。從仿真結(jié)果可以看出采用碳納米管薄膜作為天線(xiàn)的饋線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)在達(dá)到帶寬和圓極化軸比要求時(shí)也滿(mǎn)足RFID 系統(tǒng)對(duì)閱讀器天線(xiàn)增益的要求。

圖9 增益

圖10 2.48 GHz 處增益方向

圖11 5.74 GHz 處增益方向

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)微波頻段RFID 閱讀器天線(xiàn)兼容2.400～2.525 GHz 和5.725～5.875 GHz 雙頻段的要求設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙頻圓極化微帶天線(xiàn)。天線(xiàn)采用碳納米管金屬薄膜作為饋線(xiàn)，利用SRR 和SSRR 貼片結(jié)構(gòu)在2.45 GHz 和5.80 GHz 頻段諧振良好，并且在兩個(gè)頻帶分別實(shí)現(xiàn)了54 MHz 和42 MHz的軸比帶寬。碳納米管材料相較于銅質(zhì)材料重量輕、拉伸強(qiáng)度高、不易腐蝕，使得閱讀器天線(xiàn)能夠廣泛地應(yīng)用在更多更復(fù)雜的環(huán)境中。