UHF RFID讀寫器天線可以怎樣來設計

0 引言

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種借助于電磁波傳播和感應而進行的自動識別技術，該技術作為一種快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術和信息標準化的基礎，被列為21世紀十大重要技術之一。目前已廣泛應用于物流管理、動物識別和電子收費等領域。無源UHF RFID技術具有工作距離遠和數(shù)據(jù)傳送速度快等特點，被認為是最具有應用前景的RFID技術。在UHF RFID系統(tǒng)中，天線性能的高低直接影響系統(tǒng)的識別距離，是一個非常重要的器件。隨著UHF RFID技術的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線越來越受關注。在眾多可適用于UHF RFID系統(tǒng)閱讀器的天線中微帶貼片天線因其結構簡單、便于加工制作而被更多的研究和應用。傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線尺寸為諧振頻率的半波長，天線的尺寸受到嚴格的限制?？梢酝ㄟ^提高介質基片介電常數(shù)、加載短路探針、加載縫隙等方法實現(xiàn)貼片天線尺寸的減小，但是天線的性能會受到很大的影響，尤其是天線的增益和帶寬。本文在這樣的背景下設計了一款小型化、高增益微帶天線。該天線基于Minkowski分形結構，并在其基礎上通過矩形切角來實現(xiàn)圓極化，滿足UHFRFID系統(tǒng)對天線的要求。該微帶分形天線的中心

工作頻率為915 MHz，增益最大可以達到6.15 dBi，-10 dB阻抗帶寬為905～930 MHz，物理尺寸為140 mm×140 mm。仿真結果和測試結果吻合較好，從而驗證了本文設計的正確性。

1 天線的設計

分形結構通常是按照一定的分形因子對初始單元進行自相似迭代生成的，初始單元決定了分形圖形的框架，分形因子決定了分形圖形的內(nèi)部結構。Minkowski分形邊界的構造過程如圖1所示。

設初始貼片的直線邊長為a，分形因子IF=1/n，即貼片直線邊中央挖去的矩形區(qū)域寬度為a/n，設挖去的矩形區(qū)域深度為b，即挖去一個a/n×b的矩形區(qū)域，深度和寬度之比：

對于矩形微帶貼片天線單元M0、一階Minkowski分形貼片微帶天線單元M1和二階Minkowski分形貼片微帶天線單元M2而言，M1和M2是在M0的基礎上分形而來，貼片總尺寸不變，如圖2所示。不同的分形因子1階Minkowski分形貼片微帶天線如圖3所示。

通過研究發(fā)現(xiàn)，Minkowski分形貼片微帶天線具有良好的尺寸縮減特性，可以諧振于更低的頻率，隨迭代系數(shù)的增加諧振頻率逐漸降低，但是當?shù)禂?shù)超過2時，諧振頻率的降低趨于緩慢，并且加工難度也隨之增加。因此迭代系數(shù)一般小于2。

本文設計的讀寫器天線以FR4（介電常數(shù)為4.4，介質損耗因數(shù)為0.02）為介質基板，中心頻率為915 MHz，其結構如圖4所示，由一個矩形非對稱切角的1階Minkowski分形貼片、金屬底板、一個探針和FR4介質板構成。FR4介質板的厚度為1.0 mm，大小為140 mm×140 mm，輻射貼片的大小為135 mm×135 mm，分形矩形的大小為34 mm×34 mm。當前的圓極化微帶天線多采用對稱等腰直角三角形切角的方法，從工程應用角度出發(fā)，采用更易加工和調(diào)整的對角線上非對稱正方形切角的方法來實現(xiàn)圓極，切角矩形大小為16 mm×16 mm。金屬地板采用200 mm x200 mm的鋁板。為了增加天線帶寬、提高天線帶寬、提高天線增益和降低天線成本，在FR4介質板和地板之間設置了空氣層，空氣層厚度為6.0 mm，其結構如圖5所示。微帶貼片天線為側饋，單元與饋線之間需要匹配網(wǎng)絡，這無形當中就增加了天線的尺寸。本文設計的微帶分型天線采用50 Ω同軸線的背饋方式。這種方式無需阻抗匹配網(wǎng)絡，通過調(diào)整饋電端口在x軸的位置即可實現(xiàn)阻抗變化，從而進一步減小了天線的尺寸。

2 天線的仿真和測試結果

通過ANSOFT公司的電磁仿真軟件HFSS 11.0對該讀寫器天線進行仿真與優(yōu)化，天線的回波損耗S11參數(shù)仿真結果如圖6所示。從圖中可以看到天線在900～925 MHz之間回波損耗小于-12 dB，阻抗帶寬為8%，滿足了UHF RFID系統(tǒng)的要求。

天線具有較好的方向性，最大工作增益可以達到6.15 dB，如圖7和圖8所示。圖9所示的軸比參數(shù)仿真圖表明該天線基本滿足了圓極化的要求。

圖10所示為天線加工實物圖，最后利用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡分析儀N5230A對該天線進行了測試，測試結果如圖11所示。|S11|《-10 dB的工作帶寬在905～930 MHz之間。實測結果和仿真結果基本一致，得到預期的結果。

3 結語

隨著UHF RFID技術的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線成為研究的重點。本文提出了一種用于UHFRFID讀寫器的圓極化微帶天線。該天線性能良好，符合RFID系統(tǒng)的工作要求，此外通過以單一的饋電結構以及在貼片和地板之間加上空氣層介質，降低了天線的實際制作成本，仿真結果和測試結果吻合較好，驗證了設計的正確性。

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