一種新型縫隙耦合雙頻RFID標簽天線

　　1 引言

　　射頻識別(RFID)技術在后勤物資分配，制造業(yè)，郵政服務業(yè)等方面的應用已經變得相當的普遍。標簽天線是射頻識別系統(tǒng)中一個非常重要的部件，它負責進出標簽的信號的接收和發(fā)射。不同國家允許RFID使用的頻段是不同的，例如920~925MHz (中國), 952~954MHz(日本), 868~870MHz (歐洲) 以及 902~928MHz (美國)。為了能使RFID系統(tǒng)可以同時工作在不同的波段，要求天線必須有足夠的帶寬，或者具有多頻工作特性。為此，諸如使用更厚的襯底，孔縫諧振，耦合諧振，加載電抗等技術可以拓寬天線的帶寬或者使天線能同時工作在兩個頻段。

　　其中一種設計方法是，在一個工作在910MHz的偶極子天線中加入縫隙耦合結構，使得天線也可以在2.45GHz頻段工作。本文在此基礎上，提出了一個結構更為緊湊的雙頻RFID標簽天線。此天線結構與之相比，整體長度減少了10 mm，但同樣可以獲得良好的性能。只要選擇適當的耦合縫隙尺寸，就可以實現(xiàn)天線的雙頻工作特性。本文所設計的雙頻天線滿足-10dB回波損耗帶寬分別是840MHz到940MHz(11%)和2.26GHz到2.56GHz(12%)。

　　2 天線設計

　　本文所設計天線的結構如圖1所示。

　　天線制作在相對介電常數為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質基片上。天線的基本結構是一個采用中心饋電的對稱偶極子結構。為使天線具有雙頻特性，在長度為L1的偶極子結構中加入了三個長度分別為L2、L3、L4的耦合縫隙。使得長度為L1的偶極子結構末端處電流和長度為L2的耦合縫隙末端處的電流相位差約為180°。如圖2所示的是天線表面電流分布圖。頻率在910MHz時，天線表面電流強度分布由中央向兩端逐漸減小，而頻率是2.45GHz時，天線表面電流分布則主要集中在天線中央長度大約為L2的部分上。這表明，天線可看成是兩個獨立的偶極子天線組合而成，其中一個長度為L1，工作頻段為910MHz附近， 另一個長度為L2。工作頻段為2.45GHz附近。可見，通過控制L1、L2的長度，就可調節(jié)天線兩個不同的工作頻段。

　　使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對上述結構進行仿真分析與優(yōu)化設計。在設計中，可首先根據文獻和經驗確定各參數的初始值。初始值的確定可根據下述方式：對于長度L1和L2，根據對稱偶極子天線的設計理論，選取準則為工作波段波長的四分之一的整數倍。設計時中心頻率設定為910MHz和2.45GHz，對應的自由空間波長分別為330mm和122mm，L1的長度取為四分之一波長的兩倍，即165mm;L2選為四分之一波長，即30mm。其它參數根據文獻[6]的結果，分別取為L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

　　在上述參數的基礎上，使用HFSS進行仿真分析。在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，隨著長度L2的增加，天線的較高的諧振頻率會向低頻帶下降，而較低的諧振頻率則幾乎不變。圖3則給出了長度L2的變化與天線諧振頻率之間的關系。

　　圖4說明了縫隙寬度S是如何影響天線的回波損耗的。當縫隙寬度S從0.5mm以步長0.5mm增加到3mm時，天線的較高的諧振頻率從2.58GHz逐步降到2.13GHz，同樣較低的諧振頻率則幾乎不變?；夭〒p耗與中心寬度d之間的關系示于圖5。很明顯，當寬度d變化時，天線的回波損耗幾乎保持不變。

　　根據上述規(guī)律，通過有目的的調整各個參數，可以使得天線能同時工作ISO 18000-6 和ISO 18000-4兩個頻段，并具有良好性能。最后，經過仿真分析，天線最終的設計參數下：L1=134mm，L2=22mm，L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，

　　S=d=1mm，Sfeed=2mm。

　　3 結果與分析

　　基于仿真結果，我們制作了一個天線實物，如圖6所示。

　　天線回波損耗的實際測量結果和仿真結果如圖7所示。由圖7可見，實際測量結果和仿真結果吻合良好。當VSWR<2時，所設計的天線在ISO 18000-6頻段的帶寬，測量結果是840MHz ~ 940MHz(11%)，比仿真結果(840MHz~1.01GHz)稍微小了一些;而在ISO 18000-4頻段的帶寬，測量結果是2.26GHz~2.56GHz (12%)，和仿真結果(2.31GHz~2.59GHz)相差不大。由此可見，本文所設計的天線所具有的工作帶寬足以同時覆蓋ISO 18000-6和ISO 18000-4這兩個標準所規(guī)定的頻段。

　　天線的峰值增益如圖8所示，從900MHz到920MHz，增益大概是2.14–2.23 dBi;從2.38GHz到2.52GHz，增益大概是5.30–5.70dBi。圖9所示的是天線遠區(qū)輻射方向圖的仿真結果。在910MHz和2.45GHz時，H平面的方向圖幾乎是圓形的。

　　4 結論

　　本文提出了一種雙頻縫隙耦合RFID標簽天線，并制作了實物。仿真結果和實際測量結果吻合良好。該天線結構緊湊并擁有足夠的帶寬，適用于需要同時工作在ISO 18000-6 和ISO 18000-4兩個頻段的RFID標簽。該天線的不足之處在于，雖然天線結構較為緊湊，但天線的整體尺寸還是較大。隨著RFID技術應用的日益廣泛，RFID標簽也向著小型化、低成本方向發(fā)展，因此本文的進一步工作將是標簽天線的小型化研究。