一種小型UHF RFID讀寫器天線設(shè)計

　　0 引言

　　無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種借助于電磁波傳播和感應(yīng)而進行的自動識別技術(shù)，該技術(shù)作為一種快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標準化的基礎(chǔ)，被列為21世紀十大重要技術(shù)之一。目前已廣泛應(yīng)用于物流管理、動物識別和電子收費等領(lǐng)域。無源UHF RFID技術(shù)具有工作距離遠和數(shù)據(jù)傳送速度快等特點，被認為是最具有應(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)的識別距離，是一個非常重要的器件。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，天線的尺寸受到嚴格的限制?？梢酝ㄟ^提高介質(zhì)基片介電常數(shù)、加載短路探針、加載縫隙等方法實現(xiàn)貼片天線尺寸的減小，但是天線的性能會受到很大的影響，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現(xiàn)圓極化，滿足UHFRFID系統(tǒng)對天線的要求。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)果和測試結(jié)果吻合較好，從而驗證了本文設(shè)計的正確性。

　　1 天線的設(shè)計

　　分形結(jié)構(gòu)通常是按照一定的分形因子對初始單元進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a/n×b的矩形區(qū)域，深度和寬度之比：

　　對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?shù)禂?shù)超過2時，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，由一個矩形非對稱切角的1階Minkowski分形貼片、金屬底板、一個探針和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。當前的圓極化微帶天線多采用對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)整的對角線上非對稱正方形切角的方法來實現(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)，這無形當中就增加了天線的尺寸。本文設(shè)計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軸的位置即可實現(xiàn)阻抗變化，從而進一步減小了天線的尺寸。

　　2 天線的仿真和測試結(jié)果

　　通過ANSOFT公司的電磁仿真軟件HFSS 11.0對該讀寫器天線進行仿真與優(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所示為天線加工實物圖，最后利用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A對該天線進行了測試，測試結(jié)果如圖11所示。|S11|<-10 dB的工作帶寬在905～930 MHz之間。實測結(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。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)，降低了天線的實際制作成本，仿真結(jié)果和測試結(jié)果吻合較好，驗證了設(shè)計的正確性。