彭海龍

【摘要】 本文設計了一種具有低刨面高增益的RFID線極化微帶天線。該天線是一種空氣介質的微帶天線，由底板、兩個矩形輻射單元和一個饋電結構組成，其中饋電結構設計巧妙、簡單。經過HFSS仿真與優(yōu)化后，實測天線駐波小于1.5的帶寬為23MHz，天線最大增益有10.8dB，完全滿足UHF頻段RFID的應用要求。該天線產品性能參數(shù)穩(wěn)定，生產成本低廉，具有較高的產業(yè)應用價值，已經批量生產，并獲得了國家實用新型專利證書。

【關鍵詞】 低剖面 微帶天線 RFID天線 高增益

一、引言

RFID無線射頻識別技術的應用由來已久，最早可追溯到第二次世界大戰(zhàn)時英國空軍飛機敵我識別系統(tǒng)。超高頻（UHF）射頻識別技術利用無源反向散射原理實現(xiàn)了遠距離讀取、標簽密集性讀取等特點，并在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應用，例如不停車自動收費系統(tǒng)、圖書管理[1]、服裝倉儲及物流監(jiān)控[2]、生產自動化管理等。天線是RFID系統(tǒng)中的關鍵部件，因此天線理論研究和應用開發(fā)對RFID技術的成熟和廣泛應用具有理論意義和實用價值。

微帶天線具有剖面低、體積小、重量輕、成本低，易于有源電路集成在一起等特點而廣泛研究和應用。但由于制作微帶天線的微波材料昂貴，而且微帶天線帶寬窄，這也是微帶天線的缺點，天線的小型化、高增益、高寬帶、低成本等成為微帶天線研究的熱點方向[3]。本文設計了一個RFID讀卡器用的線極化天線，采用空氣介質，由兩個矩形輻射單元組陣而成，用一個設計巧妙的100歐姆的空氣微帶做饋電結構，天線底板為折邊金屬板，經過電磁仿真軟件計算優(yōu)化后，天線中心頻率為915MHz，天線駐波小于1.5的阻抗帶寬為23MHz，天線最大增益為10.8dB，輻射前后比為20.5dB，具有較好的定向性，完全滿足UHF頻段RFID的應用要求。最后加工成實物，實測天線參數(shù)與仿真參數(shù)結果完全一致。

二、微帶天線的設計與仿真

微帶天線輻射單元的幾何形狀有多種，常見的有矩形、圓形、三角形、多邊形等。其中，矩形是微帶天線典型應用形狀[4]，有一系列比較成熟的理論作為研究依據，且形狀簡單、易于加工。本文從實際應用出發(fā)，選擇矩形微帶天線為基礎來設計雙輻射單元組陣天線，采用空氣介質，天線中心頻率設定為915MHz，天線結構示意圖如圖1所示。

為了降低天線的剖面，輻射單元天線采用10mm的空氣介質作為微帶天線的填充介質，選用矩形1mm金屬板作為天線輻射單元材質，這樣便于批量化生產、降低天線的用料成本，還能提高天線的輻射效率。輻射單元天線的輸入阻抗按照100Ω設計，兩個輻射單元組陣，利用等幅同相饋電技術壓縮天線在垂直方向的波束寬度來聚集能量提高天線增益。天線饋電結構中心位置選為整個天線的輸入端口，焊接同軸射頻座，無需增加其他阻抗變換結構即可實現(xiàn)該天線輸入阻抗50Ω的標準化。一般天線陣輻射單元的陣間距是0.5-0.9倍的波長，陣間距過大則天線方向圖會出現(xiàn)旁瓣，陣間距過小則起不到壓縮波束、提高增益的效果。根據天線小型化思路，取天線間距為0.6倍波長。選擇其中任意一個單元天線的中心位置，將天線輻射單元和天線的底板進行短路連接，實現(xiàn)天線的直接接地的防護設計。天線底板四周采用折臂設計，將天線的面積進行進一步縮小，并提高天線輻射的前后比。

Ansoft HFSS是一個基于有限元法自適應劃分網格的高性能三維無源器件電磁仿真軟件，有著非常友好的圖形界面，可以計算天線的S參數(shù)、諧振頻率和場，是無源射頻器件仿真、研發(fā)的利器。通過準確的建模、仿真計算，可以大大提高研發(fā)效率。由于天線底板邊緣豎起了金屬立壁，以及天線輻射單元的厚度、天線底板厚度等原因，天線輻射單元的尺寸做了較大的優(yōu)化處理。優(yōu)化后的天線尺寸為L=14.4cm，W=10.0cm，L1=37cm，W2=22cm。

圖2中可以看到，天線的S11參數(shù)曲線在915MHz是最低點，這說明天線諧振的中心頻率在915MHz；S11參數(shù)小于-15db（可近似認為天線的駐波比小于1.5）的駐波帶寬為20M；S11參數(shù)小于-10db（可近似認為天線的駐波比小于2）的駐波帶寬為36M；天線輸入端口的阻抗匹配良好，滿足射頻系統(tǒng)的帶寬范圍要求。從天線方向圖的仿真結果圖（圖3）中可以看到，天線最大仿真增益為11.5db，3db波束寬度45°，天線輻射前后比為-18.7dB，具有較好的定向性，滿足天線波束定向的設計要求。

三、微帶天線陣加工及測試

在上述天線設計基礎上，本文對天線做了實際加工和測試，天線實物如圖4所示。

整個天線材料全部選用金屬鋁板為基材，以降低天線的重量和成本，鋁材表面采用陽極氧化防腐工藝處理，提高天線的使用壽命和天線性能的穩(wěn)定性。天線底板選用2mm厚的鋁板，四周做彎折結構，在滿足天線設計要求的同時，可以提高天線底板的強度，天線外罩、電路板等外圍設備都是以天線底板為基礎來做生產組裝的。天線輻射單元選用的是1mm厚鋁板做基材，按照設計尺寸裁切后打定位孔，用內螺紋雙通塑料螺母將兩個天線輻射單元固定在天線底板上。其中一個天線輻射單元的中心位置開孔，經過一個雙通塑料柱支撐后固定在鉚接在天線底板上的鉚接螺釘上，完成天線的直流接地保護。連接兩個輻射單元的空氣微帶結構選用1mm的黃銅材料，因為要在起中心位置焊接射頻座，采用鋁質材料的話不能焊接。按照設計尺寸將銅條彎折后，在與天線輻射單元連接地方鉚接內嵌螺母，通過螺釘將饋電結構和天線輻射單元固定在一起，焊接上射頻座并保證同條距底板的距離為2mm，這樣就完成了天線的組裝。

天線實物用長約20cm的RG36同軸線焊接好，在微波暗室中測試天線輸入端口的回波損耗和方向圖，測試結果如圖5和圖6。天線的中心頻率為917MHz，S11參數(shù)小于-15db（可近似為天線的駐波比小于1.5）的駐波帶寬為23M；S11參數(shù)小于-10db（可近似為天線的駐波比小于2）的駐波帶寬為34M；天線輸入端口的阻抗匹配良好。從實測天線方向圖中可以看到，天線最大增益為10.8dB，3db波束寬度48°，天線輻射前后達到-20.5dB，具有良好的定向性。對比天線仿真結果和實測結果：天線中心頻率偏移和天線增益的偏差，是由仿真結果時對金屬屬性設置偏差和實物加工尺寸的偏差造成的?？傊瑢崪y結果與仿真結果基本一致。

將天線裝配到我公司自主研發(fā)的遠距離讀卡一體機上，使用美國意聯(lián)的標準標簽ALN-9662測試，穩(wěn)定讀卡距離能達到10米，最遠讀卡距離能達到15米，完全滿足工程上的使用，效果良好。

四、結論

本文根據工程應用設計了一個具有低刨面高增益的RFID線極化微帶天線，該天線是一種空氣介質的微帶天線，由底板、兩個矩形輻射單元和一個饋電結構組成，其中饋電結構設計巧妙、簡單。經過電磁軟件仿真與優(yōu)化后，天線實測結果與仿真結果高度一致，天線駐波小于1.5的帶寬為23M，天線最大增益有10.8dB，完全滿足我國UHF頻段RFID的應用要求，實測應用達到滿意效果。該天線產品性能參數(shù)穩(wěn)定，生產成本低廉，加工簡單、易于生產組裝，具有較高的產業(yè)應用價值，已經批量生產，并獲得了國家實用新型專利證書。

參 考 文 獻

[1] 王顯燕. 關于RFID技術在圖書管理中的應用研究[J]. 河南圖書館學刊. 2011年04期

[2] 晏玲. 物聯(lián)網對電子商務商品流通的影響探析[J]. 商業(yè)時代. 2011年17期

[3] 陳雅娟，龍云亮. 寬帶微帶貼片天線的研究進展[J]. 電波科學學報. 1999年03期

[4] 約翰. 克勞斯著，章文勛譯. 天線[M]. 電子工業(yè)出版社. 2006

[5] J鮑爾，P.布哈蒂亞. 微帶天線[M]. 電子工業(yè)出版社. 1984