一種UHF頻段RFID閱讀器天線的小型化設計

? 隨著被動式UHF頻段RFID系統(tǒng)在物流供應鏈、倉儲和零售存儲管理中被大量采用，手持式RFID閱讀器單元的研究與設計變得越發(fā)重要。對手持式閱讀器單元的主要要求有尺寸小、重量輕、電池壽命長和對于特定的應用有合適的閱讀范圍。另外，也要考慮到閱讀器單元對標簽閱讀方向性方面的問題。
??? 被動式UHF頻段RFID系統(tǒng)使用電磁波通過閱讀器與標簽間的耦合進行通信。圖1顯示了被動式UHF頻段RFID系統(tǒng)。閱讀器發(fā)射連續(xù)波(Continuous Wave，CW)信號給標簽來激活標簽的芯片，然后向標簽發(fā)射命令信號，標簽通過背向反射其相應的識別碼來進行通信。標簽芯片沒有內部電源，所以其所有需要的能量都來自于閱讀器通過天線所發(fā)射的電磁波。

??? RFID閱讀器的發(fā)展越來越傾向小型化、便攜化。UHF頻段的RFID系統(tǒng)工作頻率在900 MHz左右，傳統(tǒng)形式的天線對于手持RFID系統(tǒng)來說太大，閱讀器天線在閱讀器的尺寸中占據(jù)越來越大的比例。在保持天線性能的前提下，閱讀器天線的尺寸縮減難度遠遠大于閱讀器電路，因此天線尺寸的小型化，成為目前RFID閱讀器天線研究的趨勢。
??? UHF頻段RFID系統(tǒng)工作對天線主要的要求有：在VSWR<2時阻抗帶寬的范圍約為902 MHz~928 MHz，有一定的增益，低成本，低剖面，單向輻射。
??? 由于微帶天線具有結構簡單，易于制造，成本低的優(yōu)良特性，UHF頻段RFID閱讀器的天線一般選用微帶天線類型。所以本文主要基于微帶天線來研究UHF頻段RFID閱讀器的天線的小型化。

1 射頻識別閱讀器天線小型化設計
1．1 微帶貼片天線
??? 下面通過經(jīng)典的微帶天線設計理論，簡單分析矩形微帶天線的工作原理。微帶貼片天線是由一層或多層厚度遠小于波長(大約十幾分之一波長)的介質層和覆蓋其上下兩面的金屬接地板以及輻射元(尺寸可以和波長相比擬)構成。輻射元形狀多種多樣，常見的如方形、矩形、圓形等。矩形微帶天線的形狀如圖2(a)所示，假設電場沿貼片寬度與介質板厚度方向沒有變化，僅沿貼片的長度(約二分之一波長)方向變化，則輻射基本上是由貼片的兩開路端縫隙產(chǎn)生，此時矩形微帶天線可看成是相距二分之一波長同相激勵并向地板以上半空間輻射的二元縫隙陣對于有較高效率的輻射器，當介質基片厚度為h，天線工作頻率為fr，相對介電常數(shù)為εr時，根據(jù)文獻[5]中公式，可以得到其實用寬度及諧振單元長度。假設選用介電常數(shù)εr為2．5，厚度h=5 mm，可以得到該微帶天線的尺寸寬W至少約為101 mm，長L約為124 mm，再加上基板的沿伸長度，大約增加20％，所以得到的尺寸約為120 mm×150 mm，占用了較大的面積，很不利于閱讀器天線的集成。用高介電常數(shù)材料的貼片天線可能是最明顯的削減貼片導體尺寸的方法。其主要制約是減小了帶寬及效率。使用高介電常數(shù)材料的成本也是一個限制因素，盡管近來已有一些低成本的高介電常數(shù)陶瓷材料可使成本控制在一定范圍內。但是使用這些材料的高損耗因數(shù)會明顯降低印制天線的輻射性能。以下給出一種有效減小微帶貼片天線尺寸的方法，進行設計并給出實驗結果。

1．2 1／4波長貼片夭線
??? 根據(jù)以上對微帶天線原理的分析，工作于主模的矩形微帶天線其內場分布在L／2處，該處為電場的零點，在該處將上貼片與地導通不影響內場分布，然后將其中的一半舍去即構成1／4波長貼片天線，一種用于削減貼片天線尺寸的技術。它的一條輻射邊在一個貼片天線與接地面的短路平面上中斷了。類似于偶極子線天線和單極子線天線之間的關系，短路平面起著鏡像的作用，有效地使貼片導體尺寸減半。

?折中貼片的尺寸和所需要的帶寬、輻射效率等因素，選擇合適的板材，適當提高介質的介電常數(shù)以削減貼片導體尺寸，采用FR4基板，相對介電常數(shù)4．5，損耗角正切值為0．002 6，板厚5 mm，銅膜厚度為0．05 mm。天線結構如圖3所示，輻射貼片長度L大約是介質波長的1／4，即L≈λ／4，λ為介質波長，經(jīng)過HFSS(High Frequencv Structure simulator)的仿真分析，使諧振點達到915 MHz，選擇貼片長度L=46．1 mm，輻射貼片寬度W＝36．6 mm,基板的尺寸如圖3所示。可以看到在這個貼片天線的上方設置一條金屬壁，達到一條輻射邊在一個貼片天線與接地面的短路平面上中斷，減小了金屬貼片的尺寸。采用同軸饋電，同軸饋電的饋電點位于天線靠近金屬壁一側，適當?shù)剡x擇饋電點的位置，饋電點的尺寸如圖3所示，使天線的輸入阻抗達到50 Ω。

2 天線測試及結果分析
??? 在軟件HFSS中對天線進行仿真與優(yōu)化，得到圖4～圖6所示的輻射方向圖、史密斯阻抗圓圖和回波損耗。

??? 從史密斯阻抗圓圖可以看出天線的輸入阻抗與50 Ω的同軸實現(xiàn)匹配。天線的輻射方向圖數(shù)據(jù)(如圖)顯示該天線在垂直方向上達到了很好的輻射。
??? 天線阻抗帶寬測試，測試采用Agilent E5071B網(wǎng)絡分析儀，回波損耗S11實測值如圖6點畫線所示。結果表明仿真與實測值基本吻合。天線參數(shù)達到預期效果，證明了天線設計的正確性。

3 結論
??? 最終研制出性能優(yōu)良的小型化微帶貼片天線。實驗結果表明，采用了1／4波長微帶貼片顯著地縮小了天線面積，面積由150 mm×120 mm縮減至75 mm×50 mm；經(jīng)過精心的設計與優(yōu)化，實現(xiàn)了前向輻射；天線的阻抗帶寬包含了RFID工人頻段(902 MHz～928 MHz)，實際測試結果與設計結果基本吻合，符合實際RFID閱讀器天線要求。該天線尺寸小，結構簡單，性能良好，可以廣泛應用于手持UHF頻段RFID閱讀器的開發(fā)。