一種用于RFID系統的雙頻微帶天線(xiàn)的設計

摘 要：針對射頻識別系統UHF頻段的中國標準840～845 MHz和920～925 MHz，提出一種基于E形天線(xiàn)和共面倒F形天線(xiàn)相結合的設計方案，設計了一款新穎的雙頻微帶天線(xiàn)。通過(guò)調整短路針的位置，E形槽的寬度和相對位置實(shí)現諧振。仿真和調試表明，該天線(xiàn)諧振在850 MHz和920 MHz下，帶寬(VSWR2)可以覆蓋以上兩個(gè)頻段。該天線(xiàn)兼備E形天線(xiàn)的多諧振特性和倒F型天線(xiàn)的低后瓣特性。此外，天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、成本低廉，便于調諧。
關(guān)鍵詞：RFID；IFA；微帶天線(xiàn)；雙頻諧振

0 引 言
射頻識別(Radio Frequency Indentification)是一種通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸的雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關(guān)數據的自動(dòng)識別技術(shù)?，F在RFID已經(jīng)滲透到人們日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為一種常見(jiàn)的技術(shù)，其應用包括物流、資產(chǎn)管理、人員門(mén)禁等。RFID系統的基本組成包括讀寫(xiě)器和電子標簽兩部分。讀寫(xiě)器天線(xiàn)和電子標簽天線(xiàn)是實(shí)現讀寫(xiě)器與電子標簽通信的空間物理接口。工作頻率是RFID系統最重要的性能參數，中國公布的UHF頻段中RFID頻率范圍為 840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段。
微帶天線(xiàn)以其剖面薄、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信系統。為滿(mǎn)足讀寫(xiě)器天線(xiàn)工作于840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段的要求，如果直接采用微帶天線(xiàn)設計，則存在著(zhù)天線(xiàn)的頻帶比較窄，不能滿(mǎn)足兩個(gè)頻段要求的缺點(diǎn)。一種新的設計思路是設計一款雙頻帶微帶天線(xiàn)，使其兩個(gè)頻帶分別覆蓋840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段。這樣做的好處是既滿(mǎn)足了雙頻段的要求，又在一定程度上過(guò)濾了兩頻段間的干擾和噪聲進(jìn)入讀寫(xiě)器的接收系統。
這里采用多諧振的方法，通過(guò)微帶天線(xiàn)的結構設計，實(shí)現了雙頻段的覆蓋。在這種思路下，采用E形天線(xiàn)與倒F天線(xiàn)(IFA)相結合的設計，實(shí)現了一種低后瓣雙頻微帶天線(xiàn)。天線(xiàn)諧振在850 MHz和920 MHz處，VSWR=1．09，帶寬(VSWR2)滿(mǎn)足頻段覆蓋的要求。該天線(xiàn)制作在2 mm厚的FR4基板上，不僅具有小的尺寸，而且便于調協(xié)，易于制作。

1 倒F形線(xiàn)和E形天線(xiàn)
1．1 倒F形天線(xiàn)簡(jiǎn)介
典型的倒F天線(xiàn)(IFA)是由一個(gè)放在地面上的矩形平面單元，一個(gè)與地平行的短路面或者短路針和一個(gè)饋電單元構成的，如圖1所示。IFA本質(zhì)上是一個(gè)偶極子的變形，通過(guò)將偶極子的上面部分向下彎折到與地面平行，這樣可以減小天線(xiàn)的高度，但是與地面平行的部分卻對天線(xiàn)引入了容抗。因此，在天線(xiàn)結構中引入感性的短路面或者短路針來(lái)補償這部分容性是必要的。IFA天線(xiàn)的地面具有重要作用，因為當IFA貼片具有電流時(shí)，將引起地面電流的激勵，最終的場(chǎng)是由IFA貼片電流和它在地面的鏡像電流共同形成的。這就是IFA天線(xiàn)的工作原理。

由長(cháng)為L(cháng)的終端開(kāi)路線(xiàn)和長(cháng)為S的終端短路線(xiàn)并聯(lián)而成的共面倒F形天線(xiàn)(PIFA)，其結構如圖2所示。傳輸線(xiàn)的線(xiàn)寬d《H時(shí)，傳輸線(xiàn)的阻抗Z0可以表示為：

式(1)中：ξ=120π為空氣中波阻抗。根據傳輸線(xiàn)理論，輸入阻抗為：

式(2)中：β為傳播常數。根據式(2)可以分別計算對于長(cháng)為L(cháng)的終端開(kāi)路線(xiàn)和長(cháng)為S的終端短路線(xiàn)的電抗，分別為：

當忽略損耗時(shí)，天線(xiàn)的輸入電阻即為輻射電阻。根據文獻[8]，則有：

當長(cháng)度L=λ／4時(shí)，由式(6)可以得到天線(xiàn)的輸入電抗為0，天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)，此時(shí)：

從式(7)可以看到，天線(xiàn)的輸入阻抗為純電阻，且僅僅與天線(xiàn)的高度H有關(guān)。從以上的推導可以看到，對于IPFA的調節，可以通過(guò)調整長(cháng)度L來(lái)調節天線(xiàn)的輸入阻抗，使之呈純電阻；之后可以通過(guò)調節天線(xiàn)的高度H來(lái)改變天線(xiàn)的輸入阻抗，使之與50 Ω同軸線(xiàn)的饋線(xiàn)相匹配。
1．2 E形天線(xiàn)
E形天線(xiàn)是在普通微帶貼片單元的基礎上開(kāi)了二個(gè)平行槽而形成的。槽的位置以饋電點(diǎn)對稱(chēng)。通過(guò)調整槽的位置、長(cháng)度和寬度，可以有效地提高微帶天線(xiàn)的帶寬。根據文獻[8]，普通的微帶貼片天線(xiàn)可以等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的LC諧振回路，L和C的值由電流在導體表面流經(jīng)的長(cháng)度決定，而E形微帶天線(xiàn)由于開(kāi)槽而使天線(xiàn)從一個(gè)單諧振的LC回路變成雙諧振LC回路。這兩個(gè)諧振回路耦合在一起，即可實(shí)現頻帶的展寬。