UHF頻段RFID讀寫器天線的小型化設計

1 引言?
超高頻頻段下的射頻識別標簽采用反向散射的方式工作，標簽利用接收到的由讀寫器發(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，數(shù)據(jù)傳送速度快，有著非常廣闊的應用前景[1]。我國信息產(chǎn)業(yè)部公布的800/900MHz頻段射頻識別（RFID）技術(shù)應用規(guī)定（試行）則將800/900MHz頻段劃分出來兩個頻段分別為840MHz~845MHz和920MHz~925MHz用于射頻識別技術(shù)應用。因此，研制適合我國UHF頻段RFID讀寫器天線對于推廣RFID應用具有重要的意義。

射頻識別系統(tǒng)中讀寫器的發(fā)展越來越傾向小型化、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)形式的天線對于手持RFID系統(tǒng)來說太大，讀寫器天線在讀寫器的尺寸中占據(jù)越來越大的比例。在保持天線性能的前提下，讀寫器天線的尺寸縮減難度遠遠大于讀寫器電路，因此，讀寫器天線尺寸的小型化成為目前RFID讀寫器天線研究的趨勢。

2 讀寫器天線的設計
目前，國內(nèi)外對UHF頻段的RFID讀寫器天線的研究大多都采用微帶天線的形式。因為從天線類型來看，實現(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，不便應用于RFID讀寫器中，所以目前讀寫器天線大多采用微帶天線來設計讀寫器天線。

一般情況下為了實現(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，用短路探針來替代短路金屬板；（4）將短路探針置換成被動原件晶片電阻與晶片電容；（5）增加介質(zhì)的相對介電常數(shù)。本文將采用在輻射貼片上開槽延長電流路徑以減小天線尺寸的方法來實現(xiàn)讀寫器天線的小型化。

一種三角形切角圓極化讀寫器天線，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。在此基礎上對讀寫器天線進行了改進，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正方形槽以實現(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d×d的切角挖孔貼片、中間為介質(zhì)基板、下表面為邊長c×c的地板。采用同軸探針進行饋電，饋點距離貼片中心的距離為a，貼片上的切角寬度為b，正方形空的邊長為e，介質(zhì)基板厚度為g。對通信距離要求不高的情況下，所設計的天線增益為-1dB，天線尺寸為90mm×90mm×3mm。本文讀寫器天線進行了改進，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。與讀寫器天線相比，天線正面結(jié)構(gòu)用兩個長度為b=6mm的方形切角代替了三角形切角，且每邊添加了長度均為u和寬度均為2mm的矩形槽，天線背面即接地板上對應位置開設了四個十字形槽，兩臂長度分別為v和w，槽寬為2mm。天線整體尺寸為80mm×80mm×3mm。眾所周知，實現(xiàn)天線小型化的同時天線的增益會受到影響，然而，讀寫器而言，天線的增益也是一項非常重要的參數(shù)。提出了在接地板上開槽可提高天線增益的方法。因此，本文采用在接地板上開十字形槽的方法來提高讀寫器天線的增益。

圖3 改進后天線結(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對改進后的讀寫器天線進行仿真分析。天線回撥損耗和軸比隨矩形槽的長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)了第二個諧振點使得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，讀寫器天線的圓極化性能隨著u的增大逐漸得到改善。

圖4 天線回撥損耗隨u的變化曲線

圖5 天線軸比隨u的變化曲線

天線回撥損耗和軸比隨十字槽的臂長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，天線回撥損耗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軸比帶寬并沒有明顯的變化。由此可見，讀寫器天線的圓極化性能隨v的變化相對較為平穩(wěn)。

圖6 天線回撥損耗隨v的變化曲線

圖7 天線軸比隨v的變化曲線

經(jīng)過優(yōu)化分析得當u=7mm, v=13.5mm, w=20mm時，天線性能最佳。圖8所示為讀寫器天線的回撥損耗。從圖中可看出，回撥損耗S11在906.8~938.2 MHz范圍內(nèi)均小于-10dB，很好地覆蓋了中國劃分給UHF頻段的920MHz~925MHz。圖9所示為讀寫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，完全覆蓋了中國劃分給UHF頻段的920MHz~925MHz頻段。圖10所示為讀寫器天線的輻射方向圖。從圖中看出，在920MHz~925MHz頻段內(nèi)，讀寫器天線的最大增益為-0.89dB，讀寫器天線的最大增益-1dB。而且與讀寫器天線的尺寸相比，本文所改進的讀寫器天線的尺寸縮小了21%，實現(xiàn)了將UHF頻段RFID讀寫器天線小型化的目的。

圖8 讀寫器天線的回撥損耗變化曲線圖

圖9 讀寫器天線的軸比變化曲線圖

圖10 讀寫器天線的輻射方向圖

4 結(jié)論
本文采用在輻射貼片開槽以實現(xiàn)天線小型化和接地板開槽以提高增益的方法，設計了一種UHF頻段RFID讀寫器天線。天線總尺寸為80mm×80mm×3mm，與參考文獻中的讀寫器天線尺寸相比減小了21%，實現(xiàn)了UHF頻段RFID讀寫器天線的小型化目標。參考文獻中天線的最大增益為-1dB，本文通過在接地板開十字形槽將讀寫器天線的最大增益提高到了-0.89dB。如何進一步提高讀寫器天線的增益將是以后研究的重要課題。