基于RFID的小型天線的設計

摘要：915MHz頻段是RFID常用的頻段之一，本文設計了一款該頻段下工作的RFID天線，并借助ANSOFT HFSS計算軟件對天線系統(tǒng)進行了仿真分析，通過對貼片以及接地板開槽，使天線在保持高增益的情況下，在更寬的頻帶上具有更好的穩(wěn)定性，同時也減小了天線的尺寸，使天線整體性能更加完善。
關鍵詞：微帶天線；縫隙耦合；RFID；開槽

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術，近年來隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡通信、信息安全等技術的發(fā)展．RFID已進入商業(yè)化應用階段，其應用規(guī)模也快速增長。一個RFID系統(tǒng)包括RFID讀寫器、RFID標簽和軟件3大組成部分。所采用的天線主要分為標簽天線和讀寫器天線兩種。標簽天線是RFID系統(tǒng)中最易變的部分，并且其設計面臨著小型化、低損耗和低成本的實際要求，所以優(yōu)化設計標簽天線在整個系統(tǒng)中占有重要地位。
微帶天線以其體積小，重量輕，低剖面，易于加工以及電路繼承性能優(yōu)越等優(yōu)點在通信領域得到了廣泛的應用。隨著RFID技術的發(fā)展，對天線的尺寸要求越來越高，微帶天線尺寸小，性能優(yōu)越，因此，國內外學者對其的小型化，寬頻，高增益等技術進行了大量細致而深入的研究。但天線尺寸上的變化對天線性能影響巨大，天線性能會隨自身尺寸的減小而變差，因此作為設計者，要在天線的各項參數(shù)中權衡最優(yōu)方案，以達到設計目的。
文中設計了一款915 MHz的微帶天線并對其進行了結構優(yōu)化，通過對貼片以及接地板開槽，完善了天線整體的參數(shù)性能，最終改進了天線的帶寬，增益，尺寸。

1 RFID天線特性
在RFID系統(tǒng)中，一般包含閱讀器天線和標簽天線。典型的工作頻率有：125 kHz、133 kHz、13．56 MHz、27．12 MHz、433MHz、915MHz 2．45 GHz、5．8 GHz，本文設計并仿真的天線為915 MHz。射頻識別閱讀器必須通過于閱讀器天線來發(fā)射帶有數(shù)據(jù)信息的電磁波，進而通過對該電磁場對電子標簽進行識別。所以，RFID天線要求低剖面，低成本，小型化等，有的領域還要求有多頻特性。隨著射頻識別技術的發(fā)展，RFID天線也向著多功能、智能天線等方向發(fā)展。決定RFID天線性能的參數(shù)主要有天線的輸入阻抗，駐波比，回波損耗，增益以及波瓣的寬度。

2 915 MHz RFID天線設計
微帶天線的輻射機理，實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導體完全封閉，電路中不連續(xù)處就會產生電磁輻射。例如微帶電路的開路端，結構尺寸的突變，彎折等不連續(xù)處也會產生電磁輻射。當頻率較低時，這部分的電尺寸很小，因此電磁泄漏少，但隨著頻率的升高，電尺寸增大，泄漏也就越大。再經過特設計，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強，輻射效率就大大提高，而成為有效的天線。如圖1，圖2所示，依據(jù)微帶天線的設計理論，本文設計了下面這款天線，該天線采用FR4環(huán)氧樹脂板，介電常數(shù)為4．4，介質厚度h為5 mm，介質板邊長L1=120 mm，輻射貼片邊長L2=80 mm，采用同軸線饋電。

從圖1，圖2可以看出，天線的頻帶過窄，同時，阻抗匹配的效果不好，天線輻射功率會受到巨大的影響。

3 天線的改進分析
微帶天線優(yōu)化的方法可以概括為以下幾點 微帶貼片開槽：微帶天線的表面電流分布依賴于貼片的幾何結構，通過在貼片表面開槽，使原來的等效諧振電路變?yōu)殡p諧振電路，達到展寬天線頻帶的目的，而且電流的有效路徑變長，貼片諧振頻率降低，有利于天線的小型化。為了在增益、尺寸、帶寬方面折衷考慮，本文對于貼片形狀進行了改進，采用在貼片邊緣開槽的方法，使得天線性能得到了很大的提升。
微帶接地板開槽：通過在接地板上開槽也可以對天線的性能進行一定的改善。
切角：在輻射貼片上進行切角可以是天線變?yōu)閳A極化天線。
饋點：由于采用的是背饋方式，饋點的選擇決定了天線的阻抗匹配。

4 改進后天線分析
圖3，圖4為優(yōu)化后的天線模型。

通過多次仿真，可以觀察到，切角邊長，開槽寬度以及饋點位置對天線性能影響較為明顯。從圖5可以看出天線帶寬隨切角邊長變化改變，圖6，8顯示，中心頻點隨開槽寬度和中心圓半徑增加向高頻方向移動，如圖7，可以很明顯的看出，饋點位置主要影響阻抗匹配和天線增益。

最終，通過結構性優(yōu)化，天線參數(shù)如表1所示。

優(yōu)化后仿真結果如圖9～11所示。
從仿真結果不難看出，天線阻抗匹配很好，基本達到50 Ω，天線中頻準確定位在915 MHz，帶寬明顯增加，由方向圖可以看出，后瓣由于接地板開槽已被消除殆盡。作為后續(xù)研究的方向，可以再對介質層的尺寸進行嘗試性的縮小，從而達到進一步小型化的目的。

5 結束語
在詳細分析研究微帶天線后，自主設計了一款915 MHz頻段的讀寫器微帶天線，并對該天線進行了開槽改進，對于開槽的位置、尺寸進行了詳細的闡述，從而可在增大帶寬和實現(xiàn)小型化方面，使天線性能得到提升，最終實現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的915 MHz頻段RFID讀寫器微帶天線。從仿真結果來看，天線匹配良好，天線性能優(yōu)越，完全符合讀寫器的工作要求。