一種小型UHF RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)

摘要：基于RFID系統(tǒng)對(duì)天線的要求，提出了一種適用于UHF頻段上的RFID讀寫器天線。該天線采用背饋饋電方法，通過在分形結(jié)構(gòu)上采用非對(duì)稱矩形切角來實(shí)現(xiàn)天線的小型化和圓極化。利用電磁仿真軟件分析了天線性能，仿真與測(cè)試結(jié)果吻合良好。
關(guān)鍵詞：分形；田極化；超高頻；微帶天線

0 引言
    無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種借助于電磁波傳播和感應(yīng)而進(jìn)行的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)作為一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，被列為21世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。目前已廣泛應(yīng)用于物流管理、動(dòng)物識(shí)別和電子收費(fèi)等領(lǐng)域。無源UHF RFID技術(shù)具有工作距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳送速度快等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的RFID技術(shù)。在UHF RFID系統(tǒng)中，天線性能的高低直接影響系統(tǒng)的識(shí)別距離，是一個(gè)非常重要的器件。隨著UHF RFID技術(shù)的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線越來越受關(guān)注。在眾多可適用于UHF RFID系統(tǒng)閱讀器的天線中微帶貼片天線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工制作而被更多的研究和應(yīng)用。傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線尺寸為諧振頻率的半波長(zhǎng)，天線的尺寸受到嚴(yán)格的限制。可以通過提高介質(zhì)基片介電常數(shù)、加載短路探針、加載縫隙等方法實(shí)現(xiàn)貼片天線尺寸的減小，但是天線的性能會(huì)受到很大的影響，尤其是天線的增益和帶寬。本文在這樣的背景下設(shè)計(jì)了一款小型化、高增益微帶天線。該天線基于Minkowski分形結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上通過矩形切角來實(shí)現(xiàn)圓極化，滿足UHFRFID系統(tǒng)對(duì)天線的要求。該微帶分形天線的中心
工作頻率為915 MHz，增益最大可以達(dá)到6．15 dBi，-10 dB阻抗帶寬為905～930 MHz，物理尺寸為140 mm×140 mm。仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性。

1 天線的設(shè)計(jì)
    分形結(jié)構(gòu)通常是按照一定的分形因子對(duì)初始單元進(jìn)行自相似迭代生成的，初始單元決定了分形圖形的框架，分形因子決定了分形圖形的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Minkowski分形邊界的構(gòu)造過程如圖1所示。

    設(shè)初始貼片的直線邊長(zhǎng)為a，分形因子IF=1／n，即貼片直線邊中央挖去的矩形區(qū)域?qū)挾葹閍／n，設(shè)挖去的矩形區(qū)域深度為b，即挖去一個(gè)a／n×b的矩形區(qū)域，深度和寬度之比：
   
    對(duì)于矩形微帶貼片天線單元M0、一階Minkowski分形貼片微帶天線單元M1和二階Minkowski分形貼片微帶天線單元M2而言，M1和M2是在M0的基礎(chǔ)上分形而來，貼片總尺寸不變，如圖2所示。不同的分形因子1階Minkowski分形貼片微帶天線如圖3所示。

    通過研究發(fā)現(xiàn)，Minkowski分形貼片微帶天線具有良好的尺寸縮減特性，可以諧振于更低的頻率，隨迭代系數(shù)的增加諧振頻率逐漸降低，但是當(dāng)?shù)禂?shù)超過2時(shí)，諧振頻率的降低趨于緩慢，并且加工難度也隨之增加。因此迭代系數(shù)一般小于2。
    本文設(shè)計(jì)的讀寫器天線以FR4(介電常數(shù)為4．4，介質(zhì)損耗因數(shù)為0．02)為介質(zhì)基板，中心頻率為915 MHz，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由一個(gè)矩形非對(duì)稱切角的1階Minkowski分形貼片、金屬底板、一個(gè)探針和FR4介質(zhì)板構(gòu)成。FR4介質(zhì)板的厚度為1．0 mm，大小為140 mm×140 mm，輻射貼片的大小為135 mm×135 mm，分形矩形的大小為34 mm×34 mm。當(dāng)前的圓極化微帶天線多采用對(duì)稱等腰直角三角形切角的方法，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，采用更易加工和調(diào)整的對(duì)角線上非對(duì)稱正方形切角的方法來實(shí)現(xiàn)圓極，切角矩形大小為16 mm×16 mm。金屬地板采用200 mm x200 mm的鋁板。為了增加天線帶寬、提高天線帶寬、提高天線增益和降低天線成本，在FR4介質(zhì)板和地板之間設(shè)置了空氣層，空氣層厚度為6．0 mm，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。微帶貼片天線為側(cè)饋，單元與饋線之間需要匹配網(wǎng)絡(luò)，這無形當(dāng)中就增加了天線的尺寸。本文設(shè)計(jì)的微帶分型天線采用50 Ω同軸線的背饋方式。這種方式無需阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整饋電端口在x軸的位置即可實(shí)現(xiàn)阻抗變化，從而進(jìn)一步減小了天線的尺寸。

2 天線的仿真和測(cè)試結(jié)果
    通過ANSOFT公司的電磁仿真軟件HFSS 11．0對(duì)該讀寫器天線進(jìn)行仿真與優(yōu)化，天線的回波損耗S11參數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到天線在900～925 MHz之間回波損耗小于-12 dB，阻抗帶寬為8％，滿足了UHF RFID系統(tǒng)的要求。
    天線具有較好的方向性，最大工作增益可以達(dá)到6．15 dB，如圖7和圖8所示。圖9所示的軸比參數(shù)仿真圖表明該天線基本滿足了圓極化的要求。

    圖10所示為天線加工實(shí)物圖，最后利用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A對(duì)該天線進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。|S11|<-10 dB的工作帶寬在905～930 MHz之間。實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，得到預(yù)期的結(jié)果。

3 結(jié)語
    隨著UHF RFID技術(shù)的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線成為研究的重點(diǎn)。本文提出了一種用于UHFRFID讀寫器的圓極化微帶天線。該天線性能良好，符合RFID系統(tǒng)的工作要求，此外通過以單一的饋電結(jié)構(gòu)以及在貼片和地板之間加上空氣層介質(zhì)，降低了天線的實(shí)際制作成本，仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。