一種新型縫隙耦合雙頻RFID標簽天線(xiàn)

1引言

射頻識別（RFID）技術(shù)在后勤物資分配，制造業(yè)，郵政服務(wù)業(yè)等方面的應用已經(jīng)變得相當的普遍。標簽天線(xiàn)是射頻識別系統中一個(gè)非常重要的部件，它負責進(jìn)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系統可以同時(shí)工作在不同的波段，要求天線(xiàn)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(shù)可以拓寬天線(xiàn)的帶寬或者使天線(xiàn)能同時(shí)工作在兩個(gè)頻段。

其中一種設計方法是，在一個(gè)工作在910MHz的偶極子天線(xiàn)中加入縫隙耦合結構，使得天線(xiàn)也可以在2.45GHz頻段工作。本文在此基礎上，提出了一個(gè)結構更為緊湊的雙頻RFID標簽天線(xiàn)。此天線(xiàn)結構與之相比，整體長(cháng)度減少了10mm，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(shí)現天線(xiàn)的雙頻工作特性。本文所設計的雙頻天線(xiàn)滿(mǎn)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(xiàn)設計

本文所設計天線(xiàn)的結構如圖1所示。

圖1雙頻標簽天線(xiàn)結構圖

天線(xiàn)制作在相對介電常數為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基片上。天線(xiàn)的基本結構是一個(gè)采用中心饋電的對稱(chēng)偶極子結構。為使天線(xiàn)具有雙頻特性，在長(cháng)度為L(cháng)1的偶極子結構中加入了三個(gè)長(cháng)度分別為L(cháng)2、L3、L4的耦合縫隙。使得長(cháng)度為L(cháng)1的偶極子結構末端處電流和長(cháng)度為L(cháng)2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(xiàn)表面電流分布圖。頻率在910MHz時(shí)，天線(xiàn)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(shí)，天線(xiàn)表面電流分布則主要集中在天線(xiàn)中央長(cháng)度大約為L(cháng)2的部分上。這表明，天線(xiàn)可看成是兩個(gè)獨立的偶極子天線(xiàn)組合而成，其中一個(gè)長(cháng)度為L(cháng)1，工作頻段為910MHz附近，另一個(gè)長(cháng)度為L(cháng)2。工作頻段為2.45GHz附近?？梢?jiàn)，通過(guò)控制L1、L2的長(cháng)度，就可調節天線(xiàn)兩個(gè)不同的工作頻段。

(a)910MHz(b)2.45GHz

圖2天線(xiàn)的表面電流分布圖

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對上述結構進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設計。在設計中，可首先根據文獻和經(jīng)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(cháng)度L1和L2，根據對稱(chēng)偶極子天線(xiàn)的設計理論，選取準則為工作波段波長(cháng)的四分之一的整數倍。設計時(shí)中心頻率設定為910MHz和2.45GHz，對應的自由空間波長(cháng)分別為330mm和122mm，L1的長(cháng)度取為四分之一波長(cháng)的兩倍，即165mm；L2選為四分之一波長(cháng)，即30mm。其它參數根據文獻[6]的結果，分別取為L(cháng)3=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(jìn)行仿真分析。在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現，隨著(zhù)長(cháng)度L2的增加，天線(xiàn)的較高的諧振頻率會(huì )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(cháng)度L2的變化與天線(xiàn)諧振頻率之間的關(guān)系。

圖3天線(xiàn)回波損耗與長(cháng)度L2的關(guān)系