基于RFID的小型天線的設(shè)計(jì)

摘要：915MHz頻段是RFID常用的頻段之一，本文設(shè)計(jì)了一款該頻段下工作的RFID天線，并借助ANSOFT HFSS計(jì)算軟件對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)對(duì)貼片以及接地板開槽，使天線在保持高增益的情況下，在更寬的頻帶上具有更好的穩(wěn)定性，同時(shí)也減小了天線的尺寸，使天線整體性能更加完善。
關(guān)鍵詞：微帶天線；縫隙耦合；RFID；開槽

    射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來(lái)隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展．RFID已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，其應(yīng)用規(guī)模也快速增長(zhǎng)。一個(gè)RFID系統(tǒng)包括RFID讀寫器、RFID標(biāo)簽和軟件3大組成部分。所采用的天線主要分為標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩種。標(biāo)簽天線是RFID系統(tǒng)中最易變的部分，并且其設(shè)計(jì)面臨著小型化、低損耗和低成本的實(shí)際要求，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要地位。
    微帶天線以其體積小，重量輕，低剖面，易于加工以及電路繼承性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，對(duì)天線的尺寸要求越來(lái)越高，微帶天線尺寸小，性能優(yōu)越，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其的小型化，寬頻，高增益等技術(shù)進(jìn)行了大量細(xì)致而深入的研究。但天線尺寸上的變化對(duì)天線性能影響巨大，天線性能會(huì)隨自身尺寸的減小而變差，因此作為設(shè)計(jì)者，要在天線的各項(xiàng)參數(shù)中權(quán)衡最優(yōu)方案，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。
    文中設(shè)計(jì)了一款915 MHz的微帶天線并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)對(duì)貼片以及接地板開槽，完善了天線整體的參數(shù)性能，最終改進(jìn)了天線的帶寬，增益，尺寸。

1 RFID天線特性
   在RFID系統(tǒng)中，一般包含閱讀器天線和標(biāo)簽天線。典型的工作頻率有：125 kHz、133 kHz、13．56 MHz、27．12 MHz、433MHz、915MHz 2．45 GHz、5．8 GHz，本文設(shè)計(jì)并仿真的天線為915 MHz。射頻識(shí)別閱讀器必須通過(guò)于閱讀器天線來(lái)發(fā)射帶有數(shù)據(jù)信息的電磁波，進(jìn)而通過(guò)對(duì)該電磁場(chǎng)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。所以，RFID天線要求低剖面，低成本，小型化等，有的領(lǐng)域還要求有多頻特性。隨著射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，RFID天線也向著多功能、智能天線等方向發(fā)展。決定RFID天線性能的參數(shù)主要有天線的輸入阻抗，駐波比，回波損耗，增益以及波瓣的寬度。

2 915 MHz RFID天線設(shè)計(jì)
    微帶天線的輻射機(jī)理，實(shí)際上是高頻的電磁泄漏。一個(gè)微波電路如果不是被導(dǎo)體完全封閉，電路中不連續(xù)處就會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開路端，結(jié)構(gòu)尺寸的突變，彎折等不連續(xù)處也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。當(dāng)頻率較低時(shí)，這部分的電尺寸很小，因此電磁泄漏少，但隨著頻率的升高，電尺寸增大，泄漏也就越大。再經(jīng)過(guò)特設(shè)計(jì)，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強(qiáng)，輻射效率就大大提高，而成為有效的天線。如圖1，圖2所示，依據(jù)微帶天線的設(shè)計(jì)理論，本文設(shè)計(jì)了下面這款天線，該天線采用FR4環(huán)氧樹脂板，介電常數(shù)為4．4，介質(zhì)厚度h為5 mm，介質(zhì)板邊長(zhǎng)L1=120 mm，輻射貼片邊長(zhǎng)L2=80 mm，采用同軸線饋電。

    從圖1，圖2可以看出，天線的頻帶過(guò)窄，同時(shí)，阻抗匹配的效果不好，天線輻射功率會(huì)受到巨大的影響。

3 天線的改進(jìn)分析
    微帶天線優(yōu)化的方法可以概括為以下幾點(diǎn) 微帶貼片開槽：微帶天線的表面電流分布依賴于貼片的幾何結(jié)構(gòu)，通過(guò)在貼片表面開槽，使原來(lái)的等效諧振電路變?yōu)殡p諧振電路，達(dá)到展寬天線頻帶的目的，而且電流的有效路徑變長(zhǎng)，貼片諧振頻率降低，有利于天線的小型化。為了在增益、尺寸、帶寬方面折衷考慮，本文對(duì)于貼片形狀進(jìn)行了改進(jìn)，采用在貼片邊緣開槽的方法，使得天線性能得到了很大的提升。
    微帶接地板開槽：通過(guò)在接地板上開槽也可以對(duì)天線的性能進(jìn)行一定的改善。
    切角：在輻射貼片上進(jìn)行切角可以是天線變?yōu)閳A極化天線。
    饋點(diǎn)：由于采用的是背饋方式，饋點(diǎn)的選擇決定了天線的阻抗匹配。

4 改進(jìn)后天線分析
    圖3，圖4為優(yōu)化后的天線模型。

    通過(guò)多次仿真，可以觀察到，切角邊長(zhǎng)，開槽寬度以及饋點(diǎn)位置對(duì)天線性能影響較為明顯。從圖5可以看出天線帶寬隨切角邊長(zhǎng)變化改變，圖6，8顯示，中心頻點(diǎn)隨開槽寬度和中心圓半徑增加向高頻方向移動(dòng)，如圖7，可以很明顯的看出，饋點(diǎn)位置主要影響阻抗匹配和天線增益。

    最終，通過(guò)結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，天線參數(shù)如表1所示。

    優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖9～11所示。
    從仿真結(jié)果不難看出，天線阻抗匹配很好，基本達(dá)到50 Ω，天線中頻準(zhǔn)確定位在915 MHz，帶寬明顯增加，由方向圖可以看出，后瓣由于接地板開槽已被消除殆盡。作為后續(xù)研究的方向，可以再對(duì)介質(zhì)層的尺寸進(jìn)行嘗試性的縮小，從而達(dá)到進(jìn)一步小型化的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)
    在詳細(xì)分析研究微帶天線后，自主設(shè)計(jì)了一款915 MHz頻段的讀寫器微帶天線，并對(duì)該天線進(jìn)行了開槽改進(jìn)，對(duì)于開槽的位置、尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，從而可在增大帶寬和實(shí)現(xiàn)小型化方面，使天線性能得到提升，最終實(shí)現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的915 MHz頻段RFID讀寫器微帶天線。從仿真結(jié)果來(lái)看，天線匹配良好，天線性能優(yōu)越，完全符合讀寫器的工作要求。