UHF频段RFID读写器天线的小型化设计

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1  引言
        超高频频段下的射频识别标签采用反向散射的方式工作，标签利用接收到的由读写器发出的射频能量，将其中的编码信息利用电磁波传播回去，其工作距离远，数据传送速度快，有着非常广阔的应用前景[1]。我国信息产业部公布的800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）则将800/900MHz频段划分出来两个频段分别为840MHz~845MHz和920MHz~925MHz用于射频识别技术应用。因此，研制适合我国UHF频段RFID读写器天线对于推广RFID应用具有重要的意义。
       
        射频识别系统中读写器的发展越来越倾向小型化、便携化。UHF频段的RFID系统工作频率主要集中在900MHz左右，传统形式的天线对于手持RFID系统来说太大，读写器天线在读写器的尺寸中占据越来越大的比例。在保持天线性能的前提下，读写器天线的尺寸缩减难度远远大于读写器电路，因此，读写器天线尺寸的小型化成为目前RFID读写器天线研究的趋势。
       
        2  读写器天线的设计
        目前，国内外对UHF频段的RFID读写器天线的研究大多都采用微带天线的形式。因为从天线类型来看，实现圆极化一般采用微带天线或者螺旋天线。但是鉴于螺旋天线的体积太大，不便应用于RFID读写器中，所以目前读写器天线大多采用微带天线来设计读写器天线。
       
        一般情况下为了实现微带天线的小型化，常用方法有：（1）在辐射贴片上挖孔槽或凹槽；（2）辐射贴片与接地板之间接短路金属板，如平面倒F天线（PIFA）；（3）与PIFA结构类似，用短路探针来替代短路金属板；（4）将短路探针置换成被动原件晶片电阻与晶片电容；（5）增加介质的相对介电常数。本文将采用在辐射贴片上开槽延长电流路径以减小天线尺寸的方法来实现读写器天线的小型化。
       
        一种三角形切角圆极化读写器天线，采用空气作为介质，天线整体尺寸为200mm×200mm×2.7mm，天线结构如图1所示。在此基础上对读写器天线进行了改进，采用FR-4介质作为介质基板以及在辐射贴片上中心开正方形槽以实现天线小型化的目的，天线结构如图2所示。

       
        图1  天线结构

       
       
        图2  天线结构

       
        天线由以下三部分组成：上表面为边长d×d的切角挖孔贴片、中间为介质基板、下表面为边长c×c的地板。采用同轴探针进行馈电，馈点距离贴片中心的距离为a，贴片上的切角宽度为b，正方形空的边长为e，介质基板厚度为g。对通信距离要求不高的情况下，所设计的天线增益为-1dB，天线尺寸为90mm×90mm×3mm。本文读写器天线进行了改进，天线结构如图3所示。与读写器天线相比，天线正面结构用两个长度为b=6mm的方形切角代替了三角形切角，且每边添加了长度均为u和宽度均为2mm的矩形槽，天线背面即接地板上对应位置开设了四个十字形槽，两臂长度分别为v和w，槽宽为2mm。天线整体尺寸为80mm×80mm×3mm。众所周知，实现天线小型化的同时天线的增益会受到影响，然而，读写器而言，天线的增益也是一项非常重要的参数。提出了在接地板上开槽可提高天线增益的方法。因此，本文采用在接地板上开十字形槽的方法来提高读写器天线的增益。

       
          
        图3  改进后天线结构的正面和背面天线结构

       
        3  天线性能分析
        本文采用电磁仿真软件ANSOFT HFSS 10.0对改进后的读写器天线进行仿真分析。天线回拨损耗和轴比随矩形槽的长u的变化曲线如图4和图5所示。从图4中可看出，随着u的增大，天线出现了第二个谐振点使得S11小于-10dB以下的带宽逐渐变宽。从图5可以看出，随着u的增大，轴比曲线整体左移，且3dB轴比带宽逐渐变宽。由此可见，读写器天线的圆极化性能随着u的增大逐渐得到改善。

       
       

       
        图4  天线回拨损耗随u的变化曲线

       
       
        图5  天线轴比随u的变化曲线

       
        天线回拨损耗和轴比随十字槽的臂长v的变化曲线如图6和图7所示。从图6中可看出，随着v的增大，天线回拨损耗S11曲线整体左移，中心谐振频率逐渐减小，但是v的变化对S11小于-10dB以下的带宽影响不大。由图7可看出，随着v的增大，天线轴比曲线整体左移，但是3dB轴比带宽并没有明显的变化。由此可见，读写器天线的圆极化性能随v的变化相对较为平稳。

       
       
        图6  天线回拨损耗随v的变化曲线

       
       
        图7  天线轴比随v的变化曲线

       
        经过优化分析得当u=7mm, v=13.5mm, w=20mm时，天线性能最佳。图8所示为读写器天线的回拨损耗。从图中可看出，回拨损耗S11在906.8~938.2 MHz范围内均小于-10dB，很好地覆盖了中国划分给UHF频段的920MHz~925MHz。图9所示为读写器天线的轴比曲线图。从图中可看出，3dB轴比带宽为919.3~927.2 MHz，完全覆盖了中国划分给UHF频段的920MHz~925MHz频段。图10所示为读写器天线的辐射方向图。从图中看出，在920MHz~925MHz频段内，读写器天线的最大增益为-0.89dB，读写器天线的最大增益-1dB。而且与读写器天线的尺寸相比，本文所改进的读写器天线的尺寸缩小了21%，实现了将UHF频段RFID读写器天线小型化的目的。

       
       
        图8  读写器天线的回拨损耗变化曲线图

       
       
        图9  读写器天线的轴比变化曲线图

       
       
        图10  读写器天线的辐射方向图

         
       
        4  结论
        本文采用在辐射贴片开槽以实现天线小型化和接地板开槽以提高增益的方法，设计了一种UHF频段RFID读写器天线。天线总尺寸为80mm×80mm×3mm，与参考文献中的读写器天线尺寸相比减小了21%，实现了UHF频段RFID读写器天线的小型化目标。参考文献中天线的最大增益为-1dB，本文通过在接地板开十字形槽将读写器天线的最大增益提高到了-0.89dB。如何进一步提高读写器天线的增益将是以后研究的重要课题。