關(guān)于新型縫隙耦合雙頻RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)應(yīng)用方案詳解

　　引言

　　射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)在后勤物資分配，制造業(yè)，郵政服務(wù)業(yè)等方面的應(yīng)用已經(jīng)變得相當(dāng)?shù)钠毡?。?biāo)簽天線是射頻識(shí)別系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部件，它負(fù)責(zé)進(jìn)出標(biāo)簽的信號(hào)的接收和發(fā)射。不同國(guó)家允許RFID使用的頻段是不同的，例如920~925MHz (中國(guó))， 952~954MHz(日本)， 868~870MHz (歐洲) 以及 902~928MHz (美國(guó))。為了能使RFID系統(tǒng)可以同時(shí)工作在不同的波段，要求天線必須有足夠的帶寬，或者具有多頻工作特性。為此，諸如使用更厚的襯底，孔縫諧振，耦合諧振，加載電抗等技術(shù)可以拓寬天線的帶寬或者使天線能同時(shí)工作在兩個(gè)頻段。

　　其中一種設(shè)計(jì)方法是，在一個(gè)工作在910MHz的偶極子天線中加入縫隙耦合結(jié)構(gòu)，使得天線也可以在2.45GHz頻段工作。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)結(jié)構(gòu)更為緊湊的雙頻RFID標(biāo)簽天線。此天線結(jié)構(gòu)與之相比，整體長(zhǎng)度減少了10 mm，但同樣可以獲得良好的性能。只要選擇適當(dāng)?shù)鸟詈峡p隙尺寸，就可以實(shí)現(xiàn)天線的雙頻工作特性。本文所設(shè)計(jì)的雙頻天線滿足-10dB回波損耗帶寬分別是840MHz到940MHz(11%)和2.26GHz到2.56GHz(12%)。

　　2 天線設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 雙頻標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)圖

　　天線制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基片上。天線的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)采用中心饋電的對(duì)稱偶極子結(jié)構(gòu)。為使天線具有雙頻特性，在長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的偶極子結(jié)構(gòu)中加入了三個(gè)長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)2、L3、L4的耦合縫隙。使得長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的偶極子結(jié)構(gòu)末端處電流和長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的耦合縫隙末端處的電流相位差約為180°。如圖2所示的是天線表面電流分布圖。頻率在910MHz時(shí)，天線表面電流強(qiáng)度分布由中央向兩端逐漸減小，而頻率是2.45GHz時(shí)，天線表面電流分布則主要集中在天線中央長(zhǎng)度大約為L(zhǎng)2的部分上。這表明，天線可看成是兩個(gè)獨(dú)立的偶極子天線組合而成，其中一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，工作頻段為910MHz附近， 另一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。工作頻段為2.45GHz附近。可見(jiàn)，通過(guò)控制L1、L2的長(zhǎng)度，就可調(diào)節(jié)天線兩個(gè)不同的工作頻段。

　　(a) 910MHz (b) 2.45GHz

　　圖2 天線的表面電流分布圖

　　使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，可首先根據(jù)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)確定各參數(shù)的初始值。初始值的確定可根據(jù)下述方式：對(duì)于長(zhǎng)度L1和L2，根據(jù)對(duì)稱偶極子天線的設(shè)計(jì)理論，選取準(zhǔn)則為工作波段波長(zhǎng)的四分之一的整數(shù)倍。設(shè)計(jì)時(shí)中心頻率設(shè)定為910MHz和2.45GHz，對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)分別為330mm和122mm，L1的長(zhǎng)度取為四分之一波長(zhǎng)的兩倍，即165mm;L2選為四分之一波長(zhǎng)，即30mm。其它參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[6]的結(jié)果，分別取為L(zhǎng)3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

　　在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用HFSS進(jìn)行仿真分析。在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著長(zhǎng)度L2的增加，天線的較高的諧振頻率會(huì)向低頻帶下降，而較低的諧振頻率則幾乎不變。圖3則給出了長(zhǎng)度L2的變化與天線諧振頻率之間的關(guān)系。

　　圖3 天線回波損耗與長(zhǎng)度L2的關(guān)系 圖4說(shuō)明了縫隙寬度S是如何影響天線的回波損耗的。當(dāng)縫隙寬度S從0.5mm以步長(zhǎng)0.5mm增加到3mm時(shí)，天線的較高的諧振頻率從2.58GHz逐步降到2.13GHz，同樣較低的諧振頻率則幾乎不變?；夭〒p耗與中心寬度d之間的關(guān)系示于圖5。很明顯，當(dāng)寬度d變化時(shí)，天線的回波損耗幾乎保持不變。

　　圖4%20天線回波損耗與縫隙寬度S的關(guān)系

　　圖5 天線回波損耗與寬度d的關(guān)系

　　根據(jù)上述規(guī)律，通過(guò)有目的的調(diào)整各個(gè)參數(shù)，可以使得天線能同時(shí)工作ISO 18000-6 和ISO 18000-4兩個(gè)頻段，并具有良好性能。最后，經(jīng)過(guò)仿真分析，天線最終的設(shè)計(jì)參數(shù)下：L1=134mm，L2=22mm，L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，

　　S=d=1mm，Sfeed=2mm。

　　3 結(jié)果與分析

　　基于仿真結(jié)果，我們制作了一個(gè)天線實(shí)物，如圖6所示。

　　圖6 雙頻標(biāo)簽天線的實(shí)物圖

　　天線回波損耗的實(shí)際測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好。當(dāng)VSWR《2時(shí)，所設(shè)計(jì)的天線在ISO 18000-6頻段的帶寬，測(cè)量結(jié)果是840MHz ~ 940MHz(11%)，比仿真結(jié)果(840MHz~1.01GHz)稍微小了一些;而在ISO 18000-4頻段的帶寬，測(cè)量結(jié)果是2.26GHz~2.56GHz (12%)，和仿真結(jié)果(2.31GHz~2.59GHz)相差不大。由此可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的天線所具有的工作帶寬足以同時(shí)覆蓋ISO 18000-6和ISO 18000-4這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的頻段。

　　圖7 天線回波損耗的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果 天線的峰值增益如圖8所示，從900MHz到920MHz，增益大概是2.14–2.23 dBi;從2.38GHz到2.52GHz，增益大概是5.30–5.70dBi。圖9所示的是天線遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖的仿真結(jié)果。在910MHz和2.45GHz時(shí)，H平面的方向圖幾乎是圓形的。

　　圖8 (a)天線峰值增益(910MHz附近)

　　圖8 (b)天線峰值增益(2.45GHz附近)

　　圖9 (a)天線輻射方向圖(910MHz)

　　圖9 (b) 天線輻射方向圖(2.45GHz)

　　4 結(jié)論

　　本文提出了一種雙頻縫隙耦合RFID標(biāo)簽天線，并制作了實(shí)物。仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合良好。該天線結(jié)構(gòu)緊湊并擁有足夠的帶寬，適用于需要同時(shí)工作在ISO 18000-6 和ISO 18000-4兩個(gè)頻段的RFID標(biāo)簽。該天線的不足之處在于，雖然天線結(jié)構(gòu)較為緊湊，但天線的整體尺寸還是較大。隨著RFID技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，RFID標(biāo)簽也向著小型化、低成本方向發(fā)展，因此本文的進(jìn)一步工作將是標(biāo)簽天線的小型化研究。