一種UHF頻段RFID閱讀器天線的小型化設(shè)計(jì)

    隨著被動(dòng)式UHF頻段RFID系統(tǒng)在物流供應(yīng)鏈、倉(cāng)儲(chǔ)和零售存儲(chǔ)管理中被大量采用，手持式RFID閱讀器單元的研究與設(shè)計(jì)變得越發(fā)重要。對(duì)手持式閱讀器單元的主要要求有尺寸小、重量輕、電池壽命長(zhǎng)和對(duì)于特定的應(yīng)用有合適的閱讀范圍。另外，也要考慮到閱讀器單元對(duì)標(biāo)簽閱讀方向性方面的問題。
    被動(dòng)式UHF頻段RFID系統(tǒng)使用電磁波通過閱讀器與標(biāo)簽間的耦合進(jìn)行通信。圖1顯示了被動(dòng)式UHF頻段RFID系統(tǒng)。閱讀器發(fā)射連續(xù)波(Continuous Wave，CW)信號(hào)給標(biāo)簽來(lái)激活標(biāo)簽的芯片，然后向標(biāo)簽發(fā)射命令信號(hào)，標(biāo)簽通過背向反射其相應(yīng)的識(shí)別碼來(lái)進(jìn)行通信。標(biāo)簽芯片沒有內(nèi)部電源，所以其所有需要的能量都來(lái)自于閱讀器通過天線所發(fā)射的電磁波。

    RFID閱讀器的發(fā)展越來(lái)越傾向小型化、便攜化。UHF頻段的RFID系統(tǒng)工作頻率在900 MHz左右，傳統(tǒng)形式的天線對(duì)于手持RFID系統(tǒng)來(lái)說太大，閱讀器天線在閱讀器的尺寸中占據(jù)越來(lái)越大的比例。在保持天線性能的前提下，閱讀器天線的尺寸縮減難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閱讀器電路，因此天線尺寸的小型化，成為目前RFID閱讀器天線研究的趨勢(shì)。
    UHF頻段RFID系統(tǒng)工作對(duì)天線主要的要求有：在VSWR<2時(shí)阻抗帶寬的范圍約為902 MHz~928 MHz，有一定的增益，低成本，低剖面，單向輻射。
    由于微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，成本低的優(yōu)良特性，UHF頻段RFID閱讀器的天線一般選用微帶天線類型。所以本文主要基于微帶天線來(lái)研究UHF頻段RFID閱讀器的天線的小型化。

1 射頻識(shí)別閱讀器天線小型化設(shè)計(jì)
1．1 微帶貼片天線
    下面通過經(jīng)典的微帶天線設(shè)計(jì)理論，簡(jiǎn)單分析矩形微帶天線的工作原理。微帶貼片天線是由一層或多層厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)(大約十幾分之一波長(zhǎng))的介質(zhì)層和覆蓋其上下兩面的金屬接地板以及輻射元(尺寸可以和波長(zhǎng)相比擬)構(gòu)成。輻射元形狀多種多樣，常見的如方形、矩形、圓形等。矩形微帶天線的形狀如圖2(a)所示，假設(shè)電場(chǎng)沿貼片寬度與介質(zhì)板厚度方向沒有變化，僅沿貼片的長(zhǎng)度(約二分之一波長(zhǎng))方向變化，則輻射基本上是由貼片的兩開路端縫隙產(chǎn)生，此時(shí)矩形微帶天線可看成是相距二分之一波長(zhǎng)同相激勵(lì)并向地板以上半空間輻射的二元縫隙陣對(duì)于有較高效率的輻射器，當(dāng)介質(zhì)基片厚度為h，天線工作頻率為fr，相對(duì)介電常數(shù)為εr時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[5]中公式，可以得到其實(shí)用寬度及諧振單元長(zhǎng)度。假設(shè)選用介電常數(shù)εr為2．5，厚度h=5 mm，可以得到該微帶天線的尺寸寬W至少約為101 mm，長(zhǎng)L約為124 mm，再加上基板的沿伸長(zhǎng)度，大約增加20％，所以得到的尺寸約為120 mm×150 mm，占用了較大的面積，很不利于閱讀器天線的集成。用高介電常數(shù)材料的貼片天線可能是最明顯的削減貼片導(dǎo)體尺寸的方法。其主要制約是減小了帶寬及效率。使用高介電常數(shù)材料的成本也是一個(gè)限制因素，盡管近來(lái)已有一些低成本的高介電常數(shù)陶瓷材料可使成本控制在一定范圍內(nèi)。但是使用這些材料的高損耗因數(shù)會(huì)明顯降低印制天線的輻射性能。以下給出一種有效減小微帶貼片天線尺寸的方法，進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1．2 1／4波長(zhǎng)貼片夭線
    根據(jù)以上對(duì)微帶天線原理的分析，工作于主模的矩形微帶天線其內(nèi)場(chǎng)分布在L／2處，該處為電場(chǎng)的零點(diǎn)，在該處將上貼片與地導(dǎo)通不影響內(nèi)場(chǎng)分布，然后將其中的一半舍去即構(gòu)成1／4波長(zhǎng)貼片天線，一種用于削減貼片天線尺寸的技術(shù)。它的一條輻射邊在一個(gè)貼片天線與接地面的短路平面上中斷了。類似于偶極子線天線和單極子線天線之間的關(guān)系，短路平面起著鏡像的作用，有效地使貼片導(dǎo)體尺寸減半。
    折中貼片的尺寸和所需要的帶寬、輻射效率等因素，選擇合適的板材，適當(dāng)提高介質(zhì)的介電常數(shù)以削減貼片導(dǎo)體尺寸，采用FR4基板，相對(duì)介電常數(shù)4．5，損耗角正切值為0．002 6，板厚5 mm，銅膜厚度為0．05 mm。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，輻射貼片長(zhǎng)度L大約是介質(zhì)波長(zhǎng)的1／4，即L≈λ／4，λ為介質(zhì)波長(zhǎng)，經(jīng)過HFSS(High Frequencv Structure simulator)的仿真分析，使諧振點(diǎn)達(dá)到915 MHz，選擇貼片長(zhǎng)度L=46．1 mm，輻射貼片寬度W＝36．6 mm,基板的尺寸如圖3所示。可以看到在這個(gè)貼片天線的上方設(shè)置一條金屬壁，達(dá)到一條輻射邊在一個(gè)貼片天線與接地面的短路平面上中斷，減小了金屬貼片的尺寸。采用同軸饋電，同軸饋電的饋電點(diǎn)位于天線靠近金屬壁一側(cè)，適當(dāng)?shù)剡x擇饋電點(diǎn)的位置，饋電點(diǎn)的尺寸如圖3所示，使天線的輸入阻抗達(dá)到50 Ω。

2 天線測(cè)試及結(jié)果分析
    在軟件HFSS中對(duì)天線進(jìn)行仿真與優(yōu)化，得到圖4～圖6所示的輻射方向圖、史密斯阻抗圓圖和回波損耗。

    從史密斯阻抗圓圖可以看出天線的輸入阻抗與50 Ω的同軸實(shí)現(xiàn)匹配。天線的輻射方向圖數(shù)據(jù)(如圖)顯示該天線在垂直方向上達(dá)到了很好的輻射。
    天線阻抗帶寬測(cè)試，測(cè)試采用Agilent E5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀，回波損耗S11實(shí)測(cè)值如圖6點(diǎn)畫線所示。結(jié)果表明仿真與實(shí)測(cè)值基本吻合。天線參數(shù)達(dá)到預(yù)期效果，證明了天線設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié)論
    最終研制出性能優(yōu)良的小型化微帶貼片天線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用了1／4波長(zhǎng)微帶貼片顯著地縮小了天線面積，面積由150 mm×120 mm縮減至75 mm×50 mm；經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了前向輻射；天線的阻抗帶寬包含了RFID工人頻段(902 MHz～928 MHz)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合，符合實(shí)際RFID閱讀器天線要求。該天線尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，可以廣泛應(yīng)用于手持UHF頻段RFID閱讀器的開發(fā)。