UHF頻段RFID讀寫(xiě)器天線的小型化設(shè)計(jì)

1 引言?
超高頻頻段下的射頻識(shí)別標(biāo)簽采用反向散射的方式工作，標(biāo)簽利用接收到的由讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻能量，將其中的編碼信息利用電磁波傳播回去，其工作距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳送速度快，有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部公布的800/900MHz頻段射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)應(yīng)用規(guī)定（試行）則將800/900MHz頻段劃分出來(lái)兩個(gè)頻段分別為840MHz~845MHz和920MHz~925MHz用于射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用。因此，研制適合我國(guó)UHF頻段RFID讀寫(xiě)器天線對(duì)于推廣RFID應(yīng)用具有重要的意義。

射頻識(shí)別系統(tǒng)中讀寫(xiě)器的發(fā)展越來(lái)越傾向小型化、便攜化。UHF頻段的RFID系統(tǒng)工作頻率主要集中在900MHz左右，傳統(tǒng)形式的天線對(duì)于手持RFID系統(tǒng)來(lái)說(shuō)太大，讀寫(xiě)器天線在讀寫(xiě)器的尺寸中占據(jù)越來(lái)越大的比例。在保持天線性能的前提下，讀寫(xiě)器天線的尺寸縮減難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀寫(xiě)器電路，因此，讀寫(xiě)器天線尺寸的小型化成為目前RFID讀寫(xiě)器天線研究的趨勢(shì)。

2 讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)UHF頻段的RFID讀寫(xiě)器天線的研究大多都采用微帶天線的形式。因?yàn)閺奶炀€類型來(lái)看，實(shí)現(xiàn)圓極化一般采用微帶天線或者螺旋天線。但是鑒于螺旋天線的體積太大，不便應(yīng)用于RFID讀寫(xiě)器中，所以目前讀寫(xiě)器天線大多采用微帶天線來(lái)設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器天線。

一般情況下為了實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化，常用方法有：（1）在輻射貼片上挖孔槽或凹槽；（2）輻射貼片與接地板之間接短路金屬板，如平面倒F天線（PIFA）；（3）與PIFA結(jié)構(gòu)類似，用短路探針來(lái)替代短路金屬板；（4）將短路探針置換成被動(dòng)原件晶片電阻與晶片電容；（5）增加介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。本文將采用在輻射貼片上開(kāi)槽延長(zhǎng)電流路徑以減小天線尺寸的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器天線的小型化。

一種三角形切角圓極化讀寫(xiě)器天線，采用空氣作為介質(zhì)，天線整體尺寸為200mm×200mm×2.7mm，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。在此基礎(chǔ)上對(duì)讀寫(xiě)器天線進(jìn)行了改進(jìn)，采用FR-4介質(zhì)作為介質(zhì)基板以及在輻射貼片上中心開(kāi)正方形槽以實(shí)現(xiàn)天線小型化的目的，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

圖2 天線結(jié)構(gòu)

天線由以下三部分組成：上表面為邊長(zhǎng)d×d的切角挖孔貼片、中間為介質(zhì)基板、下表面為邊長(zhǎng)c×c的地板。采用同軸探針進(jìn)行饋電，饋點(diǎn)距離貼片中心的距離為a，貼片上的切角寬度為b，正方形空的邊長(zhǎng)為e，介質(zhì)基板厚度為g。對(duì)通信距離要求不高的情況下，所設(shè)計(jì)的天線增益為-1dB，天線尺寸為90mm×90mm×3mm。本文讀寫(xiě)器天線進(jìn)行了改進(jìn)，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。與讀寫(xiě)器天線相比，天線正面結(jié)構(gòu)用兩個(gè)長(zhǎng)度為b=6mm的方形切角代替了三角形切角，且每邊添加了長(zhǎng)度均為u和寬度均為2mm的矩形槽，天線背面即接地板上對(duì)應(yīng)位置開(kāi)設(shè)了四個(gè)十字形槽，兩臂長(zhǎng)度分別為v和w，槽寬為2mm。天線整體尺寸為80mm×80mm×3mm。眾所周知，實(shí)現(xiàn)天線小型化的同時(shí)天線的增益會(huì)受到影響，然而，讀寫(xiě)器而言，天線的增益也是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)。提出了在接地板上開(kāi)槽可提高天線增益的方法。因此，本文采用在接地板上開(kāi)十字形槽的方法來(lái)提高讀寫(xiě)器天線的增益。

圖3 改進(jìn)后天線結(jié)構(gòu)的正面和背面天線結(jié)構(gòu)

3 天線性能分析
本文采用電磁仿真軟件ANSOFT HFSS 10.0對(duì)改進(jìn)后的讀寫(xiě)器天線進(jìn)行仿真分析。天線回?fù)軗p耗和軸比隨矩形槽的長(zhǎng)u的變化曲線如圖4和圖5所示。從圖4中可看出，隨著u的增大，天線出現(xiàn)了第二個(gè)諧振點(diǎn)使得S11小于-10dB以下的帶寬逐漸變寬。從圖5可以看出，隨著u的增大，軸比曲線整體左移，且3dB軸比帶寬逐漸變寬。由此可見(jiàn)，讀寫(xiě)器天線的圓極化性能隨著u的增大逐漸得到改善。

圖4 天線回?fù)軗p耗隨u的變化曲線

圖5 天線軸比隨u的變化曲線

天線回?fù)軗p耗和軸比隨十字槽的臂長(zhǎng)v的變化曲線如圖6和圖7所示。從圖6中可看出，隨著v的增大，天線回?fù)軗p耗S11曲線整體左移，中心諧振頻率逐漸減小，但是v的變化對(duì)S11小于-10dB以下的帶寬影響不大。由圖7可看出，隨著v的增大，天線軸比曲線整體左移，但是3dB軸比帶寬并沒(méi)有明顯的變化。由此可見(jiàn)，讀寫(xiě)器天線的圓極化性能隨v的變化相對(duì)較為平穩(wěn)。

圖6 天線回?fù)軗p耗隨v的變化曲線

圖7 天線軸比隨v的變化曲線

經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析得當(dāng)u=7mm, v=13.5mm, w=20mm時(shí)，天線性能最佳。圖8所示為讀寫(xiě)器天線的回?fù)軗p耗。從圖中可看出，回?fù)軗p耗S11在906.8~938.2 MHz范圍內(nèi)均小于-10dB，很好地覆蓋了中國(guó)劃分給UHF頻段的920MHz~925MHz。圖9所示為讀寫(xiě)器天線的軸比曲線圖。從圖中可看出，3dB軸比帶寬為919.3~927.2 MHz，完全覆蓋了中國(guó)劃分給UHF頻段的920MHz~925MHz頻段。圖10所示為讀寫(xiě)器天線的輻射方向圖。從圖中看出，在920MHz~925MHz頻段內(nèi)，讀寫(xiě)器天線的最大增益為-0.89dB，讀寫(xiě)器天線的最大增益-1dB。而且與讀寫(xiě)器天線的尺寸相比，本文所改進(jìn)的讀寫(xiě)器天線的尺寸縮小了21%，實(shí)現(xiàn)了將UHF頻段RFID讀寫(xiě)器天線小型化的目的。

圖8 讀寫(xiě)器天線的回?fù)軗p耗變化曲線圖

圖9 讀寫(xiě)器天線的軸比變化曲線圖

圖10 讀寫(xiě)器天線的輻射方向圖

4 結(jié)論
本文采用在輻射貼片開(kāi)槽以實(shí)現(xiàn)天線小型化和接地板開(kāi)槽以提高增益的方法，設(shè)計(jì)了一種UHF頻段RFID讀寫(xiě)器天線。天線總尺寸為80mm×80mm×3mm，與參考文獻(xiàn)中的讀寫(xiě)器天線尺寸相比減小了21%，實(shí)現(xiàn)了UHF頻段RFID讀寫(xiě)器天線的小型化目標(biāo)。參考文獻(xiàn)中天線的最大增益為-1dB，本文通過(guò)在接地板開(kāi)十字形槽將讀寫(xiě)器天線的最大增益提高到了-0.89dB。如何進(jìn)一步提高讀寫(xiě)器天線的增益將是以后研究的重要課題。