讀寫器如何選擇RFID天線

　　前言

　　近年來，在將UHF RFID 技術(shù)應(yīng)用于珠寶、無人零售等領(lǐng)域時，讓讀寫器天線輻射在近場區(qū)域，能更有效的保證讀寫的準(zhǔn)確率。因此，基于UHF RFID 近場天線的研究越來越多。與 NFC 相比，UHF RFID 近場天線有讀寫速度更快，通信容量更大等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)耦合方式的不一樣，近場天線主要可以分為兩類，即電場耦合、磁場耦合，選擇良好性能的RFID天線至關(guān)重要。

　　一、 RFID通道門天線

　　微帶天線最簡單形式是一個單層介質(zhì)板，兩個金屬面分別印刷在介質(zhì)基板上下兩個表面，下層導(dǎo)體相當(dāng)于地板，若上層導(dǎo)體為窄的長條，即為微帶傳輸線，若為各種形狀的貼片(包括方形貼片，圓形貼片等等)，就是如圖所示的微帶天線。傳統(tǒng)微帶天線的主要問題在于帶寬很窄，一般只1%~3%，因此相關(guān)的研究主要集中在如何拓展其阻抗帶寬。將微帶天線理解為一個諧振腔，其帶寬和諧振腔的 Q 值成反比，因此可以通過增加微帶天線剖面和減小基板的介電常數(shù)來實現(xiàn)，同時也可以對貼片開縫和使用寄生單元等方法，通過多諧振點(diǎn)原理阻抗帶寬。微帶天線的設(shè)計預(yù)期是，輻射結(jié)構(gòu)可以將電場有效輻射到空間中，饋電結(jié)構(gòu)可以將電場有效束縛在其中，實現(xiàn)高輻射效率，好的定向輻射特性。

　　邊饋微帶天線幾何結(jié)構(gòu)圖

　　實現(xiàn)圓極化，天線必須滿足有兩個幅度相等、相互正交且在相位上相差 90°的電場分布。如果微帶天線在同一頻率下工作于兩個模式，且兩個模式的表面電流幅度相等、相互正交且相位上相差 90°便可以輻射圓極化波。因此，圓極化的實現(xiàn)形式有以下三種：

　　Ø 單點(diǎn)饋電。微帶天線單點(diǎn)饋電實現(xiàn)圓極化的原理是在輻射貼片上加入微擾結(jié)構(gòu)(切角、矩形槽、枝節(jié)等)。

　　微帶天線單點(diǎn)饋電實現(xiàn)圓極化

　　Ø 正交雙饋。對微帶天線加入雙端口饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)提供幅度相等、相位差相差 90°的兩個電流信號輸出端口 F1、F2，兩個端口分別接入輻射貼片的正交位置，使得輻射貼片形成了幅度相等、相互正交且相位上相差 90°的兩個表面電流。

　　微帶天線雙點(diǎn)饋電實現(xiàn)圓極化

　　Ø 旋轉(zhuǎn)饋電。旋轉(zhuǎn)饋電可以看成是由多個幅度相等、相位相差 90°的線極化微帶天線通過旋轉(zhuǎn)滿足相互正交性，從而實現(xiàn)了圓極化。

　　微帶天線旋轉(zhuǎn)饋電實現(xiàn)圓極化

　　通道門天線設(shè)計如下圖所示，由于讀寫器帶寬為 11%(860-960MHz)，而常規(guī)微帶天線帶寬為 3%，不滿足設(shè)計要求，所以選用疊層微帶天線展寬天線帶寬，其結(jié)構(gòu)共分為三層，最底層為地板層;中間層為饋電層，由下層貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)組成，印刷在 FR4 的介質(zhì)基板上，饋電網(wǎng)絡(luò)由一個一級的威爾金森功分器與兩個一級的 T 型功分器組成，T 型功分器對饋電貼片兩個饋點(diǎn)進(jìn)行 90°相差饋電，饋電點(diǎn)的位置相互正交;最頂層為上層貼片，粘貼在天線罩上，天線罩采用 ABS 材質(zhì)。

　　二、 RFID手持機(jī)天線

　　為了RFID手持機(jī)在服裝門店或者大型倉庫下提高盤點(diǎn)的準(zhǔn)確性，需要盡可能的去擴(kuò)大閱讀的范圍，減少漏讀率，特別是車輛定位系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)等，由于標(biāo)簽擺放方式的不確定性，一般使用圓極化讀寫器天線，采用具有寬波束特性的讀寫器天線。

　　Ø 組合式天線

　　基于場疊加的原理，邊射天線通過加載水平全向輻射的偶極子、環(huán)天線來達(dá)到展寬波束的效果，比如基于寄生環(huán)的寬波束圓極化天線，波束寬度為 140°。天線結(jié)構(gòu)如圖所示，下層為一個微帶天線，上層為印刷在介質(zhì)基板上的金屬圓環(huán)，通過微帶天線邊向輻射場與金屬圓環(huán)水平全向輻射場的疊加，展寬了波束。

　　Ø 金屬背腔加載

　　此方法是基于減小天線輻射口徑的原理，天線可以通過開縫、使用高介電常數(shù)基板等途徑實現(xiàn)小型化，從而減小了天線的輻射口徑，達(dá)到展寬波束的目的。一種寬帶寬波束雙圓極化天線，天線結(jié)構(gòu)如圖所示，整體尺寸大小為 0.84λ×0.84λ×0.38λ ，天線的最大波束寬度達(dá)260°。天線由一組相互正交且呈彎曲狀的偶極子組成，較寬的偶極子形式?jīng)Q定了天線具有寬帶性能，底座的 3dB 耦合電橋使天線具有雙圓極化的特性，再經(jīng)過金屬腔體加載，使天線沿邊射方向輻射，并且展寬了天線的波束寬度。

　　Ø 改變天線地板結(jié)構(gòu)

　　其寬波束方法是將常規(guī)的微帶天線裝配三維地結(jié)構(gòu)上，天線波束寬度可以達(dá)到 110°，與不裝配三維地結(jié)構(gòu)的微帶天線相比，其圓極化波束寬度展寬30°。并且改變?nèi)S地結(jié)構(gòu)的參數(shù)，可以使得展寬波束的度數(shù)有一定的改變。

　　手持機(jī)一般采用金屬腔體對微帶貼片進(jìn)行部分遮擋的方法(PePA)來對天線進(jìn)行輻射波束展寬.

　　手持機(jī)天線結(jié)構(gòu)如下圖所示，天線由三部分組成，由金屬地板以及印刷在 taconic RF-35 介質(zhì)上的微帶貼片組成的微帶天線，饋電部分為懸置的微帶線通過探針與天線的輻射貼片相連，側(cè)面為折疊的金屬腔體。首先，對微帶天線輻射貼片進(jìn)行開縫處理，其作用有兩個，一是有效的延伸了電流路徑，從而達(dá)到小型化的效果;二是減小輻射口徑，達(dá)到展寬波束效果。饋電網(wǎng)絡(luò)部分采用 90°相差的等幅雙點(diǎn)饋電，實現(xiàn)了天線良好的寬帶軸比性能。其次，采用將折疊金屬腔結(jié)構(gòu)加載到微帶天線，進(jìn)一步有效地減小了天線結(jié)構(gòu)尺寸、展寬了輻射波束。

　　三、 總結(jié)

　　隨著 5G 時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必然會被得到廣泛的應(yīng)用，而射頻識別(RFID)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，與其他識別方式相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)，因此，射頻識別系統(tǒng)在市場中所占的份額越來越大，對天線的設(shè)計也提出了更高標(biāo)準(zhǔn)要求，多頻段、小型化、共型等特性。