一種用于RFID系統(tǒng)的雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)UHF頻段的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)840～845 MHz和920～925 MHz，提出一種基于E形天線和共面倒F形天線相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一款新穎的雙頻微帶天線。通過(guò)調(diào)整短路針的位置，E形槽的寬度和相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)諧振。仿真和調(diào)試表明，該天線諧振在850 MHz和920 MHz下，帶寬(VSWR<2)可以覆蓋以上兩個(gè)頻段。該天線兼?zhèn)銭形天線的多諧振特性和倒F型天線的低后瓣特性。此外，天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，便于調(diào)諧。
關(guān)鍵詞：RFID；IFA；微帶天線；雙頻諧振

0 引 言
    射頻識(shí)別(Radio Frequency Indentification)是一種通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)?，F(xiàn)在RFID已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，成為一種常見(jiàn)的技術(shù)，其應(yīng)用包括物流、資產(chǎn)管理、人員門禁等。RFID系統(tǒng)的基本組成包括讀寫器和電子標(biāo)簽兩部分。讀寫器天線和電子標(biāo)簽天線是實(shí)現(xiàn)讀寫器與電子標(biāo)簽通信的空間物理接口。工作頻率是RFID系統(tǒng)最重要的性能參數(shù)，中國(guó)公布的UHF頻段中RFID頻率范圍為 840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段。
    微帶天線以其剖面薄、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)。為滿足讀寫器天線工作于840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段的要求，如果直接采用微帶天線設(shè)計(jì)，則存在著天線的頻帶比較窄，不能滿足兩個(gè)頻段要求的缺點(diǎn)。一種新的設(shè)計(jì)思路是設(shè)計(jì)一款雙頻帶微帶天線，使其兩個(gè)頻帶分別覆蓋840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段。這樣做的好處是既滿足了雙頻段的要求，又在一定程度上過(guò)濾了兩頻段間的干擾和噪聲進(jìn)入讀寫器的接收系統(tǒng)。
    這里采用多諧振的方法，通過(guò)微帶天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙頻段的覆蓋。在這種思路下，采用E形天線與倒F天線(IFA)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種低后瓣雙頻微帶天線。天線諧振在850 MHz和920 MHz處，VSWR=1．09，帶寬(VSWR<2)滿足頻段覆蓋的要求。該天線制作在2 mm厚的FR4基板上，不僅具有小的尺寸，而且便于調(diào)協(xié)，易于制作。

1 倒F形線和E形天線
1．1 倒F形天線簡(jiǎn)介
    典型的倒F天線(IFA)是由一個(gè)放在地面上的矩形平面單元，一個(gè)與地平行的短路面或者短路針和一個(gè)饋電單元構(gòu)成的，如圖1所示。IFA本質(zhì)上是一個(gè)偶極子的變形，通過(guò)將偶極子的上面部分向下彎折到與地面平行，這樣可以減小天線的高度，但是與地面平行的部分卻對(duì)天線引入了容抗。因此，在天線結(jié)構(gòu)中引入感性的短路面或者短路針來(lái)補(bǔ)償這部分容性是必要的。IFA天線的地面具有重要作用，因?yàn)楫?dāng)IFA貼片具有電流時(shí)，將引起地面電流的激勵(lì)，最終的場(chǎng)是由IFA貼片電流和它在地面的鏡像電流共同形成的。這就是IFA天線的工作原理。

    由長(zhǎng)為L(zhǎng)的終端開(kāi)路線和長(zhǎng)為S的終端短路線并聯(lián)而成的共面倒F形天線(PIFA)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳輸線的線寬d《H時(shí)，傳輸線的阻抗Z0可以表示為：

    式(1)中：ξ=120π為空氣中波阻抗。根據(jù)傳輸線理論，輸入阻抗為：

  
式(2)中：β為傳播常數(shù)。根據(jù)式(2)可以分別計(jì)算對(duì)于長(zhǎng)為L(zhǎng)的終端開(kāi)路線和長(zhǎng)為S的終端短路線的電抗，分別為：

  
    當(dāng)忽略損耗時(shí)，天線的輸入電阻即為輻射電阻。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，則有：

  
    當(dāng)長(zhǎng)度L=λ／4時(shí)，由式(6)可以得到天線的輸入電抗為0，天線處于諧振狀態(tài)，此時(shí)：

  
    從式(7)可以看到，天線的輸入阻抗為純電阻，且僅僅與天線的高度H有關(guān)。從以上的推導(dǎo)可以看到，對(duì)于IPFA的調(diào)節(jié)，可以通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)度L來(lái)調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，使之呈純電阻；之后可以通過(guò)調(diào)節(jié)天線的高度H來(lái)改變天線的輸入阻抗，使之與50 Ω同軸線的饋線相匹配。
1．2 E形天線
    E形天線是在普通微帶貼片單元的基礎(chǔ)上開(kāi)了二個(gè)平行槽而形成的。槽的位置以饋電點(diǎn)對(duì)稱。通過(guò)調(diào)整槽的位置、長(zhǎng)度和寬度，可以有效地提高微帶天線的帶寬。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，普通的微帶貼片天線可以等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的LC諧振回路，L和C的值由電流在導(dǎo)體表面流經(jīng)的長(zhǎng)度決定，而E形微帶天線由于開(kāi)槽而使天線從一個(gè)單諧振的LC回路變成雙諧振LC回路。這兩個(gè)諧振回路耦合在一起，即可實(shí)現(xiàn)頻帶的展寬。

2 天線設(shè)計(jì)與仿真
    根據(jù)以上原理，這里將E形天線與IFA天線相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了雙頻微帶天線，如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[9，10]，有：

  
式中：W為天線的寬度；c為光速；f為工作頻率；εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

    天線的長(zhǎng)度一般參照λg／2取值，λg為介質(zhì)中的波長(zhǎng)，有：

  
    式(10)中，有效介電常數(shù)和△L可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

  
    式中：εe為有效介電常數(shù)；h為介質(zhì)基板厚度。
    根據(jù)式(8)～(12)可以估算出天線的尺寸W和L。然后，在基于FDTD的．Ansoft HFSS 10．0上建模，仿真優(yōu)化，得到圖3所示的天線模型。仿真結(jié)果如圖4所示。天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

    從圖3可以看到，該微帶天線是由E形天線與共面IFA共同構(gòu)成的，天線印刷在厚度為2 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4．6的FR4基板上，天線引入了感性短路針來(lái)抵消容性。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)天線的性能對(duì)以下參數(shù)特別敏感：槽的寬度對(duì)第二諧振點(diǎn)影響比較大，其影響主要體現(xiàn)在諧振深度上，而不產(chǎn)生頻偏；短路針的位置對(duì)第一諧振點(diǎn)影響比較大，其影響主要體現(xiàn)在諧振深度上，而不產(chǎn)生頻偏；槽之間的距離越近，諧振頻率越大，而對(duì)諧振深度的影響卻甚微。
    從圖4(a)可以看到，天線諧振在850 MHz，920 MHz。諧振點(diǎn)處VSWR=1．09，帶寬(VSWR<2)840～860 MHz和910～930 MHz，完全滿足UHF中國(guó)頻段的要求。從圖4(b)～(e)的方向圖可以看到，無(wú)論是在850 MHz還是在920 MHz，天線的后瓣均比較小，從而實(shí)現(xiàn)了該天線高的前后抑制比。

3 結(jié) 語(yǔ)
    在此針對(duì)UHF頻段RFID讀寫器天線兼容840～845 MHz和920～925 MHz雙頻段的要求設(shè)計(jì)了一款新穎的雙頻微帶天線。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，這種天線諧振在850 MHz和920 MHz兩個(gè)頻點(diǎn)，兩個(gè)諧振點(diǎn)處帶寬(VSWR<2)滿足覆蓋840～845 MHz和920～925 MHz雙頻段的要求，且具有較低的后瓣。