基于RFID的小型天線(xiàn)的設計

摘要：915MHz頻段是RFID常用的頻段之一，本文設計了一款該頻段下工作的RFID天線(xiàn)，并借助ANSOFT HFSS計算軟件對天線(xiàn)系統進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)對貼片以及接地板開(kāi)槽，使天線(xiàn)在保持高增益的情況下，在更寬的頻帶上具有更好的穩定性，同時(shí)也減小了天線(xiàn)的尺寸，使天線(xiàn)整體性能更加完善。
關(guān)鍵詞：微帶天線(xiàn)；縫隙耦合；RFID；開(kāi)槽

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，近年來(lái)隨著(zhù)大規模集成電路、網(wǎng)絡(luò )通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展．RFID已進(jìn)入商業(yè)化應用階段，其應用規模也快速增長(cháng)。一個(gè)RFID系統包括RFID讀寫(xiě)器、RFID標簽和軟件3大組成部分。所采用的天線(xiàn)主要分為標簽天線(xiàn)和讀寫(xiě)器天線(xiàn)兩種。標簽天線(xiàn)是RFID系統中最易變的部分，并且其設計面臨著(zhù)小型化、低損耗和低成本的實(shí)際要求，所以?xún)?yōu)化設計標簽天線(xiàn)在整個(gè)系統中占有重要地位。
微帶天線(xiàn)以其體積小，重量輕，低剖面，易于加工以及電路繼承性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著(zhù)RFID技術(shù)的發(fā)展，對天線(xiàn)的尺寸要求越來(lái)越高，微帶天線(xiàn)尺寸小，性能優(yōu)越，因此，國內外學(xué)者對其的小型化，寬頻，高增益等技術(shù)進(jìn)行了大量細致而深入的研究。但天線(xiàn)尺寸上的變化對天線(xiàn)性能影響巨大，天線(xiàn)性能會(huì )隨自身尺寸的減小而變差，因此作為設計者，要在天線(xiàn)的各項參數中權衡最優(yōu)方案，以達到設計目的。
文中設計了一款915 MHz的微帶天線(xiàn)并對其進(jìn)行了結構優(yōu)化，通過(guò)對貼片以及接地板開(kāi)槽，完善了天線(xiàn)整體的參數性能，最終改進(jìn)了天線(xiàn)的帶寬，增益，尺寸。

1 RFID天線(xiàn)特性
在RFID系統中，一般包含閱讀器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)。典型的工作頻率有：125 kHz、133 kHz、13．56 MHz、27．12 MHz、433MHz、915MHz 2．45 GHz、5．8 GHz，本文設計并仿真的天線(xiàn)為915 MHz。射頻識別閱讀器必須通過(guò)于閱讀器天線(xiàn)來(lái)發(fā)射帶有數據信息的電磁波，進(jìn)而通過(guò)對該電磁場(chǎng)對電子標簽進(jìn)行識別。所以，RFID天線(xiàn)要求低剖面，低成本，小型化等，有的領(lǐng)域還要求有多頻特性。隨著(zhù)射頻識別技術(shù)的發(fā)展，RFID天線(xiàn)也向著(zhù)多功能、智能天線(xiàn)等方向發(fā)展。決定RFID天線(xiàn)性能的參數主要有天線(xiàn)的輸入阻抗，駐波比，回波損耗，增益以及波瓣的寬度。

2 915 MHz RFID天線(xiàn)設計
微帶天線(xiàn)的輻射機理，實(shí)際上是高頻的電磁泄漏。一個(gè)微波電路如果不是被導體完全封閉，電路中不連續處就會(huì )產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開(kāi)路端，結構尺寸的突變，彎折等不連續處也會(huì )產(chǎn)生電磁輻射。當頻率較低時(shí)，這部分的電尺寸很小，因此電磁泄漏少，但隨著(zhù)頻率的升高，電尺寸增大，泄漏也就越大。再經(jīng)過(guò)特設計，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強，輻射效率就大大提高，而成為有效的天線(xiàn)。如圖1，圖2所示，依據微帶天線(xiàn)的設計理論，本文設計了下面這款天線(xiàn)，該天線(xiàn)采用FR4環(huán)氧樹(shù)脂板，介電常數為4．4，介質(zhì)厚度h為5 mm，介質(zhì)板邊長(cháng)L1=120 mm，輻射貼片邊長(cháng)L2=80 mm，采用同軸線(xiàn)饋電。

從圖1，圖2可以看出，天線(xiàn)的頻帶過(guò)窄，同時(shí)，阻抗匹配的效果不好，天線(xiàn)輻射功率會(huì )受到巨大的影響。

3 天線(xiàn)的改進(jìn)分析
微帶天線(xiàn)優(yōu)化的方法可以概括為以下幾點(diǎn) 微帶貼片開(kāi)槽：微帶天線(xiàn)的表面電流分布依賴(lài)于貼片的幾何結構，通過(guò)在貼片表面開(kāi)槽，使原來(lái)的等效諧振電路變?yōu)殡p諧振電路，達到展寬天線(xiàn)頻帶的目的，而且電流的有效路徑變長(cháng)，貼片諧振頻率降低，有利于天線(xiàn)的小型化。為了在增益、尺寸、帶寬方面折衷考慮，本文對于貼片形狀進(jìn)行了改進(jìn)，采用在貼片邊緣開(kāi)槽的方法，使得天線(xiàn)性能得到了很大的提升。
微帶接地板開(kāi)槽：通過(guò)在接地板上開(kāi)槽也可以對天線(xiàn)的性能進(jìn)行一定的改善。
切角：在輻射貼片上進(jìn)行切角可以是天線(xiàn)變?yōu)閳A極化天線(xiàn)。
饋點(diǎn)：由于采用的是背饋方式，饋點(diǎn)的選擇決定了天線(xiàn)的阻抗匹配。

4 改進(jìn)后天線(xiàn)分析
圖3，圖4為優(yōu)化后的天線(xiàn)模型。

通過(guò)多次仿真，可以觀(guān)察到，切角邊長(cháng)，開(kāi)槽寬度以及饋點(diǎn)位置對天線(xiàn)性能影響較為明顯。從圖5可以看出天線(xiàn)帶寬隨切角邊長(cháng)變化改變，圖6，8顯示，中心頻點(diǎn)隨開(kāi)槽寬度和中心圓半徑增加向高頻方向移動(dòng)，如圖7，可以很明顯的看出，饋點(diǎn)位置主要影響阻抗匹配和天線(xiàn)增益。

最終，通過(guò)結構性?xún)?yōu)化，天線(xiàn)參數如表1所示。

優(yōu)化后仿真結果如圖9～11所示。
從仿真結果不難看出，天線(xiàn)阻抗匹配很好，基本達到50 Ω，天線(xiàn)中頻準確定位在915 MHz，帶寬明顯增加，由方向圖可以看出，后瓣由于接地板開(kāi)槽已被消除殆盡。作為后續研究的方向，可以再對介質(zhì)層的尺寸進(jìn)行嘗試性的縮小，從而達到進(jìn)一步小型化的目的。

5 結束語(yǔ)
在詳細分析研究微帶天線(xiàn)后，自主設計了一款915 MHz頻段的讀寫(xiě)器微帶天線(xiàn)，并對該天線(xiàn)進(jìn)行了開(kāi)槽改進(jìn)，對于開(kāi)槽的位置、尺寸進(jìn)行了詳細的闡述，從而可在增大帶寬和實(shí)現小型化方面，使天線(xiàn)性能得到提升，最終實(shí)現了一款性能優(yōu)越的915 MHz頻段RFID讀寫(xiě)器微帶天線(xiàn)。從仿真結果來(lái)看，天線(xiàn)匹配良好，天線(xiàn)性能優(yōu)越，完全符合讀寫(xiě)器的工作要求。