南敬昌，李 鋒，韓憲明，李 蕾

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基于HFSS和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RFID讀寫(xiě)器天線設(shè)計(jì)

南敬昌1，李 鋒1，韓憲明2，李 蕾1

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2. 北京和協(xié)航電信息科技有限公司，北京 100000）

提出了一款超高頻頻段（Ultra High Frequency，UHF）（912~935 MHz）和ISM頻段（2.415~2.465 GHz）的RFID讀寫(xiě)器圓極化單層結(jié)構(gòu)微帶天線，采用FR4板材為基板、輻射貼片采用切四角的縫隙貼片的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了天線的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)HFSS三維電磁仿真軟件和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network，NN）對(duì)天線模型進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：回波損耗小于–10 dB的阻抗帶寬為23 MHz（912~935 MHz）和50 MHz（2.415~2.465 GHz）；在UHF頻段與ISM頻段內(nèi)，讀寫(xiě)器天線的最大增益為–3.6 dB和1.857 dB，能滿(mǎn)足我國(guó)射頻識(shí)別讀寫(xiě)器的應(yīng)用要求。

微帶天線；雙頻；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；超高頻；ISM頻段；小型化

無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification, RFID）[1]技術(shù)是從20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)，利用無(wú)線電射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。該技術(shù)在物流、生產(chǎn)、管理、醫(yī)療、防偽、跟蹤等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)[4]的迅速發(fā)展，也對(duì)手持式讀寫(xiě)器的天線提出了新的要求——高增益天線、低成本、小型化、小質(zhì)量[5]。

雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)思路有兩個(gè)：一個(gè)是增加單個(gè)微帶天線的帶寬，使兩個(gè)頻段包含在微帶天線的帶寬范圍內(nèi)，適合頻率間隔較小的雙頻微帶天線；另一個(gè)是將微帶天線工作在離散的兩個(gè)頻段[6]，該方法對(duì)頻率間隔任意大的雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)提供了思路，克服了頻率間隔小這個(gè)限制。經(jīng)典的方法有：文獻(xiàn)[7]通過(guò)加載或者開(kāi)槽的方法使諧振頻率受到干擾；文獻(xiàn)[8]在單一貼片上采用偏置同軸饋電實(shí)現(xiàn)正交模式的同時(shí)激發(fā)TM01與TM10實(shí)現(xiàn)雙頻工作；文獻(xiàn)[9]通過(guò)饋電層疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻天線，這種設(shè)計(jì)增加了天線的體積，不適用于手持式閱讀器。文獻(xiàn)[10]采用中心饋電雙層層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款雙頻天線，缺點(diǎn)是天線的尺寸比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

為了解決前述問(wèn)題，本文提出一種新型的雙頻微帶天線，選用廉價(jià)FR4板材和切四角的縫隙貼片，使電流繞槽邊曲折路徑流過(guò)，采用單饋點(diǎn)技術(shù)。適用于頻率為UHF和ISM頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，天線性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)基于HFSS和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化確定天線關(guān)鍵尺寸，設(shè)計(jì)速度提高了約6倍。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的天線的中心頻率為925 MHz與2.45 GHz，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?；宀捎肍R4板材，相對(duì)介電常數(shù)r為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為mm。天線由以下三部分組成：上層為邊長(zhǎng)為×的切四角挖孔縫隙貼片、中間為介質(zhì)基板，其尺寸為×、下表面為邊長(zhǎng)為×的接地板。采用同軸探針小型螺紋連接（Sub Miniature version A, SMA）接頭進(jìn)行饋電，饋電坐標(biāo)為(feed, 0)。切角頂點(diǎn)的坐標(biāo)為(,)，切角到輻射貼片邊緣的長(zhǎng)度為，為了進(jìn)一步優(yōu)化天線的性能和進(jìn)一步小型化，天線中心設(shè)計(jì)了四個(gè)矩形縫隙，尺寸×。

圖1 小型雙頻微帶天線結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)的大小決定了天線的高頻諧振頻率，本文通過(guò)使參數(shù)在24~28 mm的范圍內(nèi)變化，求出在諧振頻率點(diǎn)處11達(dá)到最小值時(shí)，此時(shí)的值。

而參數(shù)和參數(shù)對(duì)天線的性能有影響，參數(shù)影響了天線的低頻諧振頻率，對(duì)高頻基本不產(chǎn)生影響，則通過(guò)使參數(shù)在1~5 mm的范圍內(nèi)變化，求出在925 MHz處天線11達(dá)到最小值時(shí)的值。輻射貼片的長(zhǎng)度決定了天線的諧振頻率，在高低頻時(shí)都有影響，通過(guò)使參數(shù)在57~61 mm的范圍內(nèi)變化，求出天線11達(dá)到最小值時(shí)的值。

2 天線關(guān)鍵參數(shù)確定

眾所周知，只使用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)天線時(shí)，為了達(dá)到理想的天線性能，需要不斷地掃描優(yōu)化天線的各個(gè)參數(shù)，而且若任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生改變，則都需要重新仿真，所以本文使用HFSS和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化天線的方法[11-12]，該方法可以加快天線的設(shè)計(jì)過(guò)程，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

使用HFSS和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化求解、、參數(shù)。在高頻時(shí)，需求出的值，其步驟如下：

1）提取天線參數(shù)。通過(guò)HFSS畫(huà)出天線模型后，提取參數(shù)范圍為24~28 mm，頻率取值范圍為2~3 GHz，以及對(duì)應(yīng)的11參數(shù)值。本文天線求得11的取值范圍為–1 ~ –27 dB；

2）將參數(shù)、和11數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，參數(shù)和作為輸入，參數(shù)11作為輸出，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

3）確定參數(shù)的值。訓(xùn)練后求出的值就是天線在高頻諧振時(shí)的值。

同理，可以得到參數(shù)和的值。

將得到的參數(shù)值代入HFSS軟件中進(jìn)行仿真，看是否滿(mǎn)足條件，若有偏差，則在軟件中進(jìn)行微調(diào)即可。最終確定小型雙頻天線的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 天線主要參數(shù)取值

Tab.1 The main antenna parameter values

3 結(jié)果與分析

按照表1結(jié)果，用三維電磁仿真軟件HFSS 15.0對(duì)所設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器天線進(jìn)行了仿真。當(dāng)在24~28 mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出參數(shù)對(duì)天線諧振頻率的影響相對(duì)獨(dú)立，主要影響天線的高頻工作頻率。隨著值的增大，在高頻處，11曲線依次左移，諧振頻率減小。在低頻處，11曲線基本沒(méi)有偏移，但當(dāng)值過(guò)大時(shí)則曲線向右移動(dòng)。

當(dāng)在1~5 mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出參數(shù)對(duì)天線諧振頻率的影響相對(duì)獨(dú)立，主要影響天線的低頻工作頻率，隨著值的增大，在低頻處，11曲線依次右移，諧振頻率增大。在高頻處，11曲線基本沒(méi)有偏移。

圖2 參數(shù)e不同值對(duì)S11的影響

圖3 參數(shù)d不同值對(duì)S11的影響曲線

當(dāng)在57~61 mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖4所示。輻射貼片的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率諧振，寬度對(duì)應(yīng)另一個(gè)頻率諧振是獲得雙頻工作的一種最簡(jiǎn)單的方法[13]，其天線的諧振頻率由輻射貼片的邊長(zhǎng)決定，并且諧振頻率隨變化時(shí)，低頻和高頻的變化趨勢(shì)有很好的一致性，增大時(shí)低頻和高頻工作頻率均降低，減小時(shí)低頻和高頻的工作頻率均升高。

圖4 參數(shù)L不同值對(duì)S11的影響曲線

天線11仿真圖如圖5所示，由圖5可以看出天線的諧振頻率分別為0.925 GHz和2.45 GHz，回波損耗小于–10 dB的阻抗帶寬為23 MHz（912~935 MHz）和50 MHz（2.415~2.465 GHz）。在中心頻率為0.925 GHz和2.45 GHz處，對(duì)天線的輻射方向圖進(jìn)行了仿真如圖6(a)、(b)所示，在最大輻射方向上最大增益分別為–3.6 dB和1.857 dB。

圖5 雙頻天線S11仿真曲線

圖6 0.925 GHz和2.45 GHz輻射方向圖

4 結(jié)論

采用切四角挖空和縫隙貼片結(jié)構(gòu)的微帶天線，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了UHF頻段與ISM頻段的雙頻特性，并對(duì)輻射貼片的邊長(zhǎng)、切角到輻射貼片邊緣的長(zhǎng)度、切角頂點(diǎn)的坐標(biāo)、饋電點(diǎn)位置對(duì)天線性能的影響進(jìn)行了相應(yīng)的分析。通過(guò)調(diào)整參數(shù)得到最優(yōu)雙頻天線性能，回波損耗11、帶寬等指標(biāo)良好，能夠滿(mǎn)足我國(guó)射頻識(shí)別讀寫(xiě)器的應(yīng)用要求。

[1] 劉巖. RFID通信測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用 [M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

[2] ZUO Y J. Survivable RFID systems: issues, challenges and techniques [J]. IEEE Trans Syst, Man Cybern Part C: Appl Rev, 2010, 40(4): 406-418.

[3] MOHAMED B, ADEL M, BELKACEM F. Dual antenna for physical layer UHF RFID collision cancelling [C]// Proceedings of International Conference on Multimedia Computing and System. NY, USA: IEEE, 2012: 623-628.

[4] 孫鵬, 王耀輝, 陳超. 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景 [J]. 通信技術(shù), 2011, 44(5): 100-102.

[5] 尹佳寧, 徐偉, 王兵, 等. 手持式超高頻RFID讀寫(xiě)器天線設(shè)計(jì)技術(shù)綜述 [J]. 信息化研究, 2012, 38(1): 5-9.

[6] 程良倫, 劉學(xué)鋼. 一種UHF及微波RFID標(biāo)簽芯片的研究與應(yīng)用 [J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 22(9): 182-184+74.

[7] LAU K L, KONG K C, LUK K M. A dual-band folded shorted patch antenna [C]// Proceedings of 2008 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. NY, USA: IEEE, 2008: 1-4.

[8] MURSYIDUL I S, RAHIM S K A. A dual-band diamond shaped antenna for RFID application [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2011, 10: 979-982.

[9] CHEN J S. A single layer dual-frequency rectangular microstrip patch antenna using a single proble feed [J]. Microwave Opt Tech Lett, 1996(11): 83-84.

[10] 段小登. 中心饋電雙頻圓極化微帶天線研究 [D]. 廣州:華南理工大學(xué), 2014.

[11] ANIL K, CHANDRA K S. Artificial neural network employed to design annular ring microstrip antenna [J]. Int J Comput Sci Eng, 2012, 4(4): 556-564.

[12] SOMASIRI N P, CHEN X, REZAZADEH A A. Neural network modeller for design optimization of multilayer patch antennas [J]. IEE Proc Microwave Antenna Propagation, 2004, 151(6): 514-518.

[13] 張勇虎, 周力, 歐鋼. 一種雙頻雙極化層疊結(jié)構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2006, 22(6): 25-28.

（編輯：陳渝生）

Design of RFID reader antenna based on HFSS and neural network

NAN Jingchang1, LI Feng1, HAN Xianming2, LI Lei1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, Liaoning Province, China; 2. Beijing Airlines and Electric Mdt Information Technology Ltd, Beijing 100000, China)

A novel circularly polarized single ply patch antenna was proposed for the applications of UHF (ultra high frequency, UHF) and ISM bands radio frequency identification (RFID) reader/writer. The antenna was composed of four corners truncated patch, FR4 substrates, matching network and ground plane. Air was filled between each layer. The miniaturization of the antenna design was realized, and the antenna design requirements was met. The antenna model was simulated by HFSS 3D electromagnetic simulation software and neural network (Network Neural, NN). The results show that the return loss is less than –10 dB with impedence bandwidth of 23 MHz (912－935 MHz) and 50 MHz (2.415－2.465 GHz), and in the UHF band and ISM band, the max gain are –3.6 dB and 1.857 dB. Therefor the antenna is a good choice for the RFID reader application requirements.

microstrip antenna; dual band; neural network; ultra high frequency; ISM band; miniaturization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.013

TN822

A

1001-2028（2017）01-0068-04

2016-10-16

李鋒

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(No. 61372058)；遼寧省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助(No. LJZS007）；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目資助(No. L2014130)；橫向基金資助(No. 14-2097-1)

南敬昌（1971－），男，河南滑縣人，教授，博士，研究方向射頻電路與器件、多媒體信息編碼，通信系統(tǒng)仿真等，E-mail: bbflifeng@163.com；

李鋒（1992－），女，遼寧大石橋人，研究生，研究方向?yàn)樯漕l電路設(shè)計(jì)及RFID技術(shù)，E-mail: bbflifeng@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.013.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-12-30 10:24:31