一種雙頻單極子RFID標簽天線的設計

丁大業(yè)，范 婷，何瀟瀟

(1.山西省地震局，太原 030021；2.太原科技大學 機械工程學院，太原030024；3.山西中部引黃工程建設管理有限公司，太原 030000)

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)能通過無線電信號識別目標并讀寫相應的數(shù)據(jù)，是一種非接觸式的無線通信技術(shù)。由于RFID具備高速率，小體積，大容量，強穿透性等性能被廣泛應用在門禁系統(tǒng)，庫存跟蹤，生產(chǎn)控制及管理等行業(yè)[1]，是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。讀寫器、天線及芯片構(gòu)成了RFID系統(tǒng)[2]，作為發(fā)射與接收無線電信號的重要部分，RFID標簽天線性能好壞直接影響到數(shù)據(jù)的讀取質(zhì)量。因此，研發(fā)特定應用背景下滿足要求的標簽天線受到越來越多的關(guān)注，具有一定的應用價值。

RFID標簽天線的工作頻段分為低頻段(125～134.2)kHz，高頻段(125～134.5)MHz，超高頻段(860～960)MHz及2.45 GHz、5.8 GHz等微波頻段。其中超高頻段(UHF)由于讀寫距離長，數(shù)據(jù)傳輸速率快，能短時讀取多個標簽[3]，已成為目前RFID領域的研究熱點。薛建彬等[4]設計了一款中心頻率為918 MHz的圖書標簽天線。甘勇等[5]采用T型匹配結(jié)構(gòu)設計了一款工作在920 MHz的小型化高增益天線。鄧偉等[6]利用改進型的共面波導設計了一款UHF小型化標簽天線。鐘濤等[7]設計了一款柔性可拉伸UHF標簽天線，并通過反復拉伸測試驗證了標簽天線可應用在可穿戴電子領域。

根據(jù)電磁學輻射原理，天線的尺寸與電磁波長成正比，工作頻率越高，天線的尺寸越小。因此，高頻率的標簽天線在小型化方面更具優(yōu)勢，目前，2.45 GHz及5.8 GHz微波頻段標簽天線鮮有報道。針對以上所述，本文利用紙基介質(zhì)，采用微帶饋電，設計了一款結(jié)構(gòu)簡單，易于加工的雙頻單極子RFID標簽天線，并利用有限元仿真軟件HFSS對其進行分析，結(jié)果表明該天線的中心工作頻率分別為2.45 GHz、5.8 GHz，帶寬分別為12.2%、61%，且回波損耗均在-18 dB以下，具有良好的輻射性能。

1 標簽天線的結(jié)構(gòu)設計

考慮到實際應用的需要，RFID標簽天線的介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為2.5，損耗角正切為0.06，厚度為0.8 mm的柔性紙基材料。介質(zhì)基板上表面的金屬薄層由兩個長度不同的單極子天線構(gòu)成，右側(cè)較長的單極子(L3+L4+L5)主要決定了標簽天線的低頻工作頻率，左側(cè)較短的單極子(L1+L2)主要用于實現(xiàn)標簽天線的高頻工作頻率，將這兩個單極子分別折疊以實現(xiàn)小型化。兩個單極子在一端合并，并由特性阻抗為50 Ω的微帶線饋電，在介質(zhì)板的下表面敷以長度為Lg的金屬薄層作為接地板。標簽天線的俯視及側(cè)視如圖1所示。

圖1 RFID天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of RFID antenna

設計的RFID標簽天線由兩個單極子組成，每個單極子天線的長度選取可以依據(jù)下面的公式:

(1)

(2)

2 標簽天線的仿真與優(yōu)化

根據(jù)預先設置的初始參數(shù)，利用HFSS仿真軟件對該標簽天線進行建模并仿真，建立好的模型如圖2所示。

圖2 RFID天線仿真模型Fig.2 The simulation model of RFID antenna

天線的回波損耗常用反射系數(shù)S11表示，即天線入射功率與反射功率的比。回波損耗越大表示天線與饋電線匹配程度越好，S11在數(shù)值上等于回波損耗的負值。工程上，一般用S11<-10 dB所對應的頻帶寬度為天線的帶寬。

根據(jù)初始參數(shù)對該天線結(jié)構(gòu)進行仿真，得出的回波損耗如圖3所示。由圖可見兩個中心頻率分別為f1=2.44 GHz，f2=5.4 GHz ，其S11分別為-25 dB及-18 dB，滿足小于-10 dB的要求，但是高頻點f2偏小，由此對L2進行調(diào)節(jié)，如圖4所示，隨著L2長度的減小，高頻點增加，低頻點輕微偏移，回波損耗隨著長度的增加而減小。當L2=7.1 mm時，阻抗匹配較好，但高頻點偏大。在此基礎上，調(diào)整L5的長度，如圖5所示，隨著L5長度輕微增加，低頻點輕微減小，高頻點受到影響逐漸減小，只有當L5=9.6 mm時，高低頻點才滿足要求。因此，需合理調(diào)整兩個單極子的長度，調(diào)節(jié)任意一個單極子的長度都可能造成另外一個頻點的偏移，需要不斷的優(yōu)化。

圖3 天線的回波損耗Fig.3 The return loss of antenna

圖4 L2長度的變化對回波損耗的影響Fig.4 The influence of the change of L2 on return loss

圖5 L5長度的變化對回波損耗的影響Fig.5 The influence of the change of L5 on return loss

由圖6可知，接地板的長度Lg對天線的回波損耗及頻點影響較大，隨著Lg的增大，高低頻點分別先增大后減小，只有當Lg=16 mm時，滿足設計要求。因此，選擇L2=7.1 mm，L5=9.6 mm，Lg=16 mm，得到的效果最佳。

圖6 Lg長度的變化對回波損耗的影響Fig.6 The influence of the change of Lg on return loss

3 結(jié)果分析

經(jīng)過優(yōu)化后天線的尺寸為36 mm×30 mm×0.8 mm，最終參數(shù)如表1所示，其仿真結(jié)果如圖7所示，從圖上可可以看出f1=2.45 GHz，S11=-19 dB，相對帶寬為12.2%，f2=5.8 GHz，S11=-31 dB，相對帶寬比較大為61%，滿足此次設計要求。

表1 經(jīng)優(yōu)化后天線的尺寸參數(shù) Tab.1 The optimized size parameters of the antenna

圖7 天線經(jīng)優(yōu)化后的回波損耗Fig.7 The return loss of the optimized antenna

圖8是當天線在不同工作頻率下的電流表面分布，由圖可見，當天線工作在較低頻率2.45 GHz時，天線的電流集中分布在微帶饋線和右側(cè)低頻單極子表面上；當工作在5.8 GHz時，天線的電流集中分布在微帶饋線和左側(cè)高頻單極子表面上，這表明在不同工作頻率下，天線表面電流分布不同導致天線的性能不同。

圖8 天線在不同工作頻率下的表面電流分布Fig.8 The Surface current distribution of antenna at different operating frequencies

標簽天線在兩個工作頻點的三維輻射方向圖分別如圖9(a)、9(b)所示，由圖可知工作頻率為2.45 GHz時，天線的最大輻射方向是天線所在平面的正上方與正下方，其增益最大值為1.56 dB，而在5.8 GHz頻點處，天線的方向圖發(fā)生較大的變化，最大增益方向偏離垂直方向，其值為2.58 dB.

圖9 天線在不同工作頻率下的輻射方向圖Fig.9 Antenna radiation pattern at different working frequencies

4 結(jié)論

RFID技術(shù)的快速進步推動了標簽天線朝高頻化，小型化方向的發(fā)展。根據(jù)發(fā)展的需要，本文以紙基材料為介質(zhì)，采用微帶方式饋電，設計了一款結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易于集成的雙頻單極子RFID標簽天線，并利用有限元仿真軟件HFSS對其進行仿真分析，尺寸優(yōu)化后的仿真結(jié)果表明該天線的中心工作頻率分別為2.45 GHz、5.8 GHz，回波損耗均在-18 dB以下，帶寬較寬，輻射性能良好，具有一定的應用價值。