RFID系統的雙頻微帶天線(xiàn)的設計

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(VSWRlt;2)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。

1．1 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。

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。

2 天線(xiàn)設計與仿真

根據以上原理，這里將E形天線(xiàn)與IFA天線(xiàn)相結合實(shí)現了雙頻微帶天線(xiàn)，如圖3所示。根據文獻[9，10]，有：

式中：εe為有效介電常數；h為介質(zhì)基板厚度。

根據式(8)～(12)可以估算出天線(xiàn)的尺寸W和L。然后，在基于FDTD的．Ansoft HFSS 10．0上建模，仿真優(yōu)化，得到圖3所示的天線(xiàn)模型。仿真結果如圖4所示。天線(xiàn)的結構參數如表1所示。

從圖3可以看到，該微帶天線(xiàn)是由E形天線(xiàn)與共面IFA共同構成的，天線(xiàn)印刷在厚度為2 mm，相對介電常數為4．6的FR4基板上，天線(xiàn)引入了感性短路針來(lái)抵消容性。在調試中發(fā)現天線(xiàn)的性能對以下參數特別敏感：槽的寬度對第二諧振點(diǎn)影響比較 大，其影響主要體現在諧振深度上，而不產(chǎn)生頻偏；短路針的位置對第一諧振點(diǎn)影響比較大，其影響主要體現在諧振深度上，而不產(chǎn)生頻偏；槽之間的距離越近，諧 振頻率越大，而對諧振深度的影響卻甚微。

從圖4(a)可以看到，天線(xiàn)諧振在850 MHz，920 MHz。諧振點(diǎn)處VSWR=1．09，帶寬(VSWRlt;2)840～860 MHz和910～930 MHz，完全滿(mǎn)足UHF中國頻段的要求。從圖4(b)～(e)的方向圖可以看到，無(wú)論是在850 MHz還是在920 MHz，天線(xiàn)的后瓣均比較小，從而實(shí)現了該天線(xiàn)高的前后抑制比。

3 結 語(yǔ)

在此針對UHF頻段RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)兼容840～845 MHz和920～925 MHz雙頻段的要求設計了一款新穎的雙頻微帶天線(xiàn)。仿真和測試結果表明，這種天線(xiàn)諧振在850 MHz和920 MHz兩個(gè)頻點(diǎn)，兩個(gè)諧振點(diǎn)處帶寬(VSWRlt;2)滿(mǎn)足覆蓋840～845 MHz和920～925 MHz雙頻段的要求，且具有較低的后瓣。