雙頻RFID閱讀器天線的設(shè)計(jì)

周云艷，苗文帆

(黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山，245041)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，射頻識別技術(shù)(RFID)在生活中的應(yīng)用越來越廣泛。射頻識別的電子標(biāo)簽相比于條形碼、二維碼等具有識別速度快、信息容量大、適用環(huán)境廣等優(yōu)點(diǎn)，電子標(biāo)簽的信息需要利用RFID閱讀器獲取，閱讀器的天線設(shè)計(jì)直接決定了閱讀器的性能、成本。不同國家RFID頻帶劃分各不相同，比如，最常用的超高頻UHF和微波2.45 GHz波段。中國的RFID頻帶范圍為0.840～0.845 GHz，0.920～0.925 GHz、922～928 MHz和2.400～2.483 GHz；韓國的RFID頻帶范圍為0.917～0.923 GHz和2.400～2.483 GHz等。傳統(tǒng)的閱讀器天線工作在單頻段，這限制了閱讀器的使用范圍。為了使閱讀器能夠適用于不同波段，天線的寬帶多頻覆蓋問題成為近年的研究熱點(diǎn)問題。另一方面，UHF波段的波長很長，使得天線的尺寸也變得非常大，從而限制了手持式RFID閱讀器的發(fā)展。因此，RFID閱讀器天線的小型化也是亟待解決的問題。

目前，天線的多頻化主要有多層貼片技術(shù)[1-2]、添加枝節(jié)[3-5]、采用雙饋網(wǎng)絡(luò)[2]、表面開槽加載縫隙技術(shù)[6-11]、分形技術(shù)[11]等，其中，開槽加載縫隙不但可以實(shí)現(xiàn)天線多頻化，而且可以實(shí)現(xiàn)寬帶化和小型化。具體RFID閱讀器天線的雙頻化，也有一些學(xué)者做了一系列的研究。如杜挺等[7]設(shè)計(jì)的縫隙加載雙頻天線，工作在 UHF 和 2.45 GHz 兩個頻段，帶寬較大，但是加載了兩層介質(zhì)層和一層空氣層，這種多層技術(shù)使天線剖面過大。南敬昌等[8]通過在輻射貼片中間、四角和邊緣開槽開縫延長電流路徑從而達(dá)到小型化和雙頻化的目的，但帶寬偏窄。王明啟[9]在貼片中加載兩個對稱C型縫隙實(shí)現(xiàn)了雙頻化，并通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三頻化。NIOTAKI等[6]利用半波偶極子在60 mm×60 mm×60 mm的立體空間實(shí)現(xiàn)了0.915和2.45 GHz的兩個頻段的覆蓋。

本文將針對傳統(tǒng)RFID閱讀器天線的問題，通過設(shè)計(jì)在天線的UHF和微波ISM波段雙頻的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了尺寸更小，帶寬更大的目標(biāo)，使得應(yīng)用范圍更廣泛。

1 天線的結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)見圖1，介質(zhì)基板采用廉價的玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4材料，其介電常數(shù)為4.4，損耗正切角為0.02，介質(zhì)基板的厚度為H=1.6 mm，利用50 Ω同軸進(jìn)行饋電。在正方形貼片上通過刻蝕四角星來改變電流路徑，從而達(dá)到縮小尺寸、實(shí)現(xiàn)雙頻的目的，通過改變同軸饋電點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。正方形地板的邊長為G，正方形輻射貼片的邊長為L。在正方形輻射貼片中間挖去一個四角星，同時，在4個邊長分別刻蝕半個四角星，四角星由4個等腰三角形圍成，三角形的底邊長為Sa，高為Sb。此外，在輻射貼片的一組對角上刻蝕一對等腰直角三角形，便于高頻段的調(diào)節(jié)控制，直角三角形的直角邊長為Tr。饋電點(diǎn)距離天線中心的距離分別為Fx和Fy。

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of the proposed antenna

根據(jù)微帶天線的原理，貼片的初始尺寸可由公式(1)初步確定。

(1)

其中，f為諧振頻率；c為電磁波在真空中的傳播速度；εe為修正后的介質(zhì)介電常數(shù)；根據(jù)公式初步取L=70 mm。

2 天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為了具體說明天線的原理，仿真分析了幾個關(guān)鍵參數(shù)與回波損耗S11的關(guān)系。圖2(a)所示為拼成四角星的三角形邊長Sa越大，高頻和低頻諧振點(diǎn)均越來越低。這是因?yàn)榭涛g四角星越大，電流路徑越彎曲，有效路徑越長，從而降低諧振頻率。通過粗調(diào)Sa的大小使天線工作在指定頻段，當(dāng)Sa取6 mm時，低頻諧振點(diǎn)接近 920 MHz，高頻諧振點(diǎn)在 2.45 GHz 左右。圖2(b)表明拼成四角星的三角形高Sb越大，低頻諧振點(diǎn)越來越低，但高頻諧振點(diǎn)變化不大。因此，在滿足高頻諧振點(diǎn)的情況下，可通過調(diào)節(jié)Sb使低頻諧振點(diǎn)滿足要求。圖2(c)中對角上切角三角形的邊長Tr越大，高頻諧振點(diǎn)越高，對低頻諧振點(diǎn)影響較小。圖2(d)所示為饋電點(diǎn)位置Fy的變化對諧振頻率點(diǎn)幾乎沒有影響，但是隨著Fy的減小低頻諧振點(diǎn)的回波損耗|S11|越大，高頻諧振點(diǎn)回波損耗變化不大。考慮到輻射貼片中間刻蝕了四角星,Fy取3 mm左右。

(a)Sa;(b)Sb;(c)Tr;(d)Fy圖2 天線參數(shù)對S11的影響Fig.2 Simulated S11 plot for different antenna lengths

圖3所示為該天線在0.92和2.45 GHz 2個中心頻點(diǎn)的電流分布圖。在低頻諧振點(diǎn)為0.92 GHz時，電流主要集中于四角星的頂點(diǎn)處，所以,改變參數(shù)Sa和Sb都會對諧振頻率點(diǎn)產(chǎn)生很大的影響。高頻諧振點(diǎn)2.45 GHz的電流在貼片面上分布相對較均勻，因此，改變貼片的面積會對諧振頻點(diǎn)產(chǎn)生影響，四角星的參數(shù)Sa和Sb以及對角上刻蝕等腰直角三角形的邊長Tr，都對諧振點(diǎn)有較大的影響。

圖3 天線的電流分布Fig.3 Surface current distributions of at different frequencies

3 結(jié)果與討論

通過進(jìn)一步優(yōu)化與仿真調(diào)試，最終確定天線的幾何尺寸見表1。該天線在68 mm×68 mm×1.6 mm的 FR4介質(zhì)基板上實(shí)現(xiàn)了RFID閱讀器UHF和微波2.45 GHz兩個頻段的覆蓋。對天線進(jìn)行了加工測試，天線的實(shí)物圖見圖4，左邊為天線的正面，右邊為天線的背面。設(shè)計(jì)的天線利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)測的結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，誤差產(chǎn)生的原因主要由于加工精度與測量誤差。

圖4 天線實(shí)物圖Fig.4 Prototype of the proposed antenna, top view and bottom view

表1 天線的幾何尺寸Table 1 Dimensions for the proposed antenna mm

天線S11參數(shù)的實(shí)測與仿真結(jié)果見圖5。從圖5中可以看出：低頻段的中心頻率為0.925 GHz，-10 dB阻抗帶寬為0.920～0.935 GHz，共15 MHz，相對阻抗帶寬為1.73%。高頻段的中心頻率為2.450 GHz，-10 dB阻抗帶寬為2.400～2.510 GHz，共110 MHz，相對阻抗帶寬為4.49%。能夠滿足不同國家RFID閱讀器天線對UHF頻段和微波2.450 GHz兩個頻段的要求。

圖5 天線的S11曲線Fig.5 Simulated and measured S11

圖6所示為該天線的史密斯圓圖。從圖6中可以看出：在0.925和2.450 GHz的歸一化阻抗分別為1.046 7+0.614 7i和0.929 3+0.410 0i，與Smith圓圖中心距離比較近，說明在該兩個頻點(diǎn)處阻抗匹配良好。

圖6 史密斯圓圖Fig.6 Smith chart of the proposed antenna

圖7(a)是該天線在925 MHz時的XY和XZ面的二維增益方向圖，該圖近似圓形，最大增益大約為-4.6 dBi。在高頻段2.450 GHz的二維增益方向圖見圖7(b)，最大增益可達(dá)0.74 dB。該天線在兩個頻段都具有良好的方向性，可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行檢測。

圖7 天線的輻射方向圖Fig.7 Measured and simulated radiation patterns

仿真表明：天線在有效帶寬范圍內(nèi)，天線增益的最大值為1.1 dBi，最小值為-6.4 dBi，在手持式的RFID閱讀器中，由于閱讀距離較短，該增益對閱讀效果影響不大，可以滿足使用需求。

設(shè)計(jì)的天線主要性能指標(biāo)與相關(guān)參考文獻(xiàn)的對比見表2。相較于文獻(xiàn)[2]和[7]，本文設(shè)計(jì)的天線尺寸和剖面都更小，但帶寬相對較窄。相較于文獻(xiàn)[8]和[9]，本文設(shè)計(jì)的天線剖面更小，尺寸更小，覆蓋范圍更寬。

表2 幾種RFID閱讀器天線Table 2 Comparison of the proposed antenna with existed literature

4 結(jié)論

在矩形貼片的中心和四邊刻蝕四角星，在矩形貼片的對角上刻蝕三角形，改變電流的路徑，實(shí)現(xiàn)了920～935 MHz和2.40～2.51 GHz兩個頻段的覆蓋。天線的尺寸為68 mm×68 mm×1.6 mm，相對面積較小，采用FR4介質(zhì)基板，價格低廉。此外該天線采用單層結(jié)構(gòu)，沒有引入空氣層，剖面低，輻射貼片結(jié)構(gòu)簡單，在實(shí)際中加工方便。該天線能夠滿足UHF與微波2.45 GHz雙頻段的手持式RFID閱讀器使用需求。