一種新型縫隙耦合雙頻RFID標(biāo)簽天線

1引言

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)在后勤物資分配，制造業(yè)，郵政服務(wù)業(yè)等方面的應(yīng)用已經(jīng)變得相當(dāng)?shù)钠毡椤?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/標(biāo)簽天線">標(biāo)簽天線是射頻識(shí)別系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部件，它負(fù)責(zé)進(jìn)出標(biāo)簽的信號(hào)的接收和發(fā)射。不同國(guó)家允許RFID使用的頻段是不同的，例如920~925MHz(中國(guó)),952~954MHz（日本),868~870MHz(歐洲)以及902~928MHz(美國(guó))。為了能使RFID系統(tǒng)可以同時(shí)工作在不同的波段，要求天線必須有足夠的帶寬，或者具有多頻工作特性。為此，諸如使用更厚的襯底，孔縫諧振，耦合諧振，加載電抗等技術(shù)可以拓寬天線的帶寬或者使天線能同時(shí)工作在兩個(gè)頻段。

其中一種設(shè)計(jì)方法是，在一個(gè)工作在910MHz的偶極子天線中加入縫隙耦合結(jié)構(gòu)，使得天線也可以在2.45GHz頻段工作。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)結(jié)構(gòu)更為緊湊的雙頻RFID標(biāo)簽天線。此天線結(jié)構(gòu)與之相比，整體長(zhǎng)度減少了10mm，但同樣可以獲得良好的性能。只要選擇適當(dāng)?shù)鸟詈峡p隙尺寸，就可以實(shí)現(xiàn)天線的雙頻工作特性。本文所設(shè)計(jì)的雙頻天線滿足-10dB回波損耗帶寬分別是840MHz到940MHz（11%）和2.26GHz到2.56GHz（12%）。

2天線設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1雙頻標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)圖

天線制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基片上。天線的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)采用中心饋電的對(duì)稱偶極子結(jié)構(gòu)。為使天線具有雙頻特性，在長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的偶極子結(jié)構(gòu)中加入了三個(gè)長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)2、L3、L4的耦合縫隙。使得長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的偶極子結(jié)構(gòu)末端處電流和長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的耦合縫隙末端處的電流相位差約為180°。如圖2所示的是天線表面電流分布圖。頻率在910MHz時(shí)，天線表面電流強(qiáng)度分布由中央向兩端逐漸減小，而頻率是2.45GHz時(shí)，天線表面電流分布則主要集中在天線中央長(zhǎng)度大約為L(zhǎng)2的部分上。這表明，天線可看成是兩個(gè)獨(dú)立的偶極子天線組合而成，其中一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，工作頻段為910MHz附近，另一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。工作頻段為2.45GHz附近。可見(jiàn)，通過(guò)控制L1、L2的長(zhǎng)度，就可調(diào)節(jié)天線兩個(gè)不同的工作頻段。

(a)910MHz(b)2.45GHz

圖2天線的表面電流分布圖

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，可首先根據(jù)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)確定各參數(shù)的初始值。初始值的確定可根據(jù)下述方式：對(duì)于長(zhǎng)度L1和L2，根據(jù)對(duì)稱偶極子天線的設(shè)計(jì)理論，選取準(zhǔn)則為工作波段波長(zhǎng)的四分之一的整數(shù)倍。設(shè)計(jì)時(shí)中心頻率設(shè)定為910MHz和2.45GHz，對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)分別為330mm和122mm，L1的長(zhǎng)度取為四分之一波長(zhǎng)的兩倍，即165mm；L2選為四分之一波長(zhǎng)，即30mm。其它參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[6]的結(jié)果，分別取為L(zhǎng)3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用HFSS進(jìn)行仿真分析。在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著長(zhǎng)度L2的增加，天線的較高的諧振頻率會(huì)向低頻帶下降，而較低的諧振頻率則幾乎不變。圖3則給出了長(zhǎng)度L2的變化與天線諧振頻率之間的關(guān)系。

圖3天線回波損耗與長(zhǎng)度L2的關(guān)系