一種小型UHF RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)

摘要：基于RFID系統(tǒng)對天線的要求，提出了一種適用于UHF頻段上的RFID讀寫器天線。該天線采用背饋饋電方法，通過在分形結(jié)構(gòu)上采用非對稱矩形切角來實(shí)現(xiàn)天線的小型化和圓極化。利用電磁仿真軟件分析了天線性能，仿真與測試結(jié)果吻合良好。
關(guān)鍵詞：分形；田極化；超高頻；微帶天線

0 引言
無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種借助于電磁波傳播和感應(yīng)而進(jìn)行的自動(dòng)識別技術(shù)，該技術(shù)作為一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，被列為21世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。目前已廣泛應(yīng)用于物流管理、動(dòng)物識別和電子收費(fèi)等領(lǐng)域。無源UHF RFID技術(shù)具有工作距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳送速度快等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的RFID技術(shù)。在UHF RFID系統(tǒng)中，天線性能的高低直接影響系統(tǒng)的識別距離，是一個(gè)非常重要的器件。隨著UHF RFID技術(shù)的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線越來越受關(guān)注。在眾多可適用于UHF RFID系統(tǒng)閱讀器的天線中微帶貼片天線因其結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制作而被更多的研究和應(yīng)用。傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線尺寸為諧振頻率的半波長，天線的尺寸受到嚴(yán)格的限制?？梢酝ㄟ^提高介質(zhì)基片介電常數(shù)、加載短路探針、加載縫隙等方法實(shí)現(xiàn)貼片天線尺寸的減小，但是天線的性能會(huì)受到很大的影響，尤其是天線的增益和帶寬。本文在這樣的背景下設(shè)計(jì)了一款小型化、高增益微帶天線。該天線基于Minkowski分形結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上通過矩形切角來實(shí)現(xiàn)圓極化，滿足UHFRFID系統(tǒng)對天線的要求。該微帶分形天線的中心
工作頻率為915 MHz，增益最大可以達(dá)到6．15 dBi，-10 dB阻抗帶寬為905～930 MHz，物理尺寸為140 mm×140 mm。仿真結(jié)果和測試結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性。

1 天線的設(shè)計(jì)
分形結(jié)構(gòu)通常是按照一定的分形因子對初始單元進(jìn)行自相似迭代生成的，初始單元決定了分形圖形的框架，分形因子決定了分形圖形的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Minkowski分形邊界的構(gòu)造過程如圖1所示。

設(shè)初始貼片的直線邊長為a，分形因子IF=1／n，即貼片直線邊中央挖去的矩形區(qū)域?qū)挾葹閍／n，設(shè)挖去的矩形區(qū)域深度為b，即挖去一個(gè)a／n×b的矩形區(qū)域，深度和寬度之比：

對于矩形微帶貼片天線單元M0、一階Minkowski分形貼片微帶天線單元M1和二階Minkowski分形貼片微帶天線單元M2而言，M1和M2是在M0的基礎(chǔ)上分形而來，貼片總尺寸不變，如圖2所示。不同的分形因子1階Minkowski分形貼片微帶天線如圖3所示。

通過研究發(fā)現(xiàn)，Minkowski分形貼片微帶天線具有良好的尺寸縮減特性，可以諧振于更低的頻率，隨迭代系數(shù)的增加諧振頻率逐漸降低，但是當(dāng)?shù)禂?shù)超過2時(shí)，諧振頻率的降低趨于緩慢，并且加工難度也隨之增加。因此迭代系數(shù)一般小于2。