手持RFID读写器微带天线的小型化设计*

张 莉，赵军军，王善进

(1.惠州学院电子科学系，广东惠州516007;2.江苏豪森医药研究院有限公司，江苏连云港222002 3.东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808)

电子信息产品的设计朝着小型化方向发展是现实的迫切需求。在RFID系统中，手持读写器，因为空间有限，为了做到小型化，其天线的小型化设计显然是关键的步骤之一。众所周知，微带天线以体积小、剖面低、结构简单、易于与其它电路集成、成本低和容易实现圆极化等优点而受到广泛的关注［1-3］，在众多的超高频与微波通信系统中，微带天线得到了广泛的使用，RFID系统也不例外。

为了有效地接收和辐射电磁波，天线的物理尺寸与信号的波长需满足一定的关系。在我国，RFID系统的工作频率为915 MHz，一般情况下天线的物理尺寸不可能做得很小。为了实现读写器的小型化，就必须对微带天线进行特殊的小型化设计。

根据微带天线的相关理论，其小型化设计的途径包括:增加介质基板的介电常数，或在天线金属贴片和接地板间加载短路面、短路片或者短路销钉，或在天线的辐射贴片上开槽或者切缝，达到延长天线表面激励电流的曲流技术，或者在接地板上开槽，其作用与天线辐射片上开槽具有一样的曲流效果，还有采用平面倒F以及平面倒L结构和采用分形结构等等。开槽和切缝的本质是通过延长天线微带辐射贴片上表面激励电流的等效路径来达到缩小天线尺寸的目的。文献［4-8］对各种微带天线的小型化设计技术作了一些论述和介绍，讨论了天线的相关物理参数对天线性能的影响。本文基于上述的设计理念，给出了一款工作频率为915 MHz，适用于RFID手持读写器的新型小型化微带圆极化天线的设计方法，该天线通过在天线的微带贴片中心、四边及接地板上开槽，辐射贴片上加载高介电常数介质基板的方法，有效地缩小了微带天线的尺寸，其大小较常规相同工作频率的微带天线的尺寸缩小达32%。通过HFSS仿真表明，该天线-10 dB阻抗带宽为0.88 GHz～0.93 GHz，尺寸为66 mm ×66 mmm×5 mm，满足了RFID手持读写器的小型化要求。

1 基本理论

在微带天线的正方形贴片的两个对角上切去两个三角形，可以实现圆极化，如图1(a)所示。贴片的四边切出四条与边垂直的窄缝，同时天线贴片的中心，还切开了一块正方形的缝隙。这些缝隙可以起到延长贴片表面电流路径的作用，从而降低了天线的谐振频率。对某一固定的频率来说，在天线贴片的四边上切出缝隙，能起到缩小天线的尺寸作用。天线的接地板的四边，也切开了四条垂直于四边的“Y”形窄缝，见图1(b)所示。在天线的贴片上开缝，会降低天线之增益，但这些增益损失可以通过在贴片上叠加高介电常数ε1的介质基板来补偿［6］，如图2所示。

图1 微带天线结构示意图

图2 微带天线结构侧视图

微带天线可等效为一个半波辐射结构，基本的工作模式是TM10或TM01。对矩形微带天线而言，采用薄基片(h＜＜λg)的矩形微带天线，其谐振频率可由下式近似得出:

式中，c是真空中的光速，L是矩形贴片的长度，εr是基片材料的相对介电常数。可以看出，天线之谐振频率与尺寸L成反比，也就是说，如果能设法延长天线表面电流的长度，就可能获得更低的谐振频率;反之，对一个固定频率而言，通过这种方法设计的天线，便能降低天线的物理尺寸。

2 仿真设计

2.1 切角大小对回波损耗的影响

微带天线介质基片的大小为85 mm×85 mm贴片大小68 mm×68 mm，微带贴片四边缝隙宽度2 mm，缝隙长度9 mm，贴片中心正方形切口缝隙的尺寸为18 mm×18 mm，利用HFSS建模仿真，改变贴片两切角的尺寸，得到天线的回波损耗如图3所示由图可见，天线的带宽会随着切角尺寸p变大而变宽，但当切角尺寸等于10mm时，S11曲线中心凸起回波损耗指标变差。曲线提示在一定范围内，贴片切角不仅可以产生圆极化，而且可以用来调整天线的带宽。

图3 改变贴片切角尺寸p对S11的影响

2.2 改变馈电位置对回波损耗的影响

保持微带天线介质基片的大小为85 mm×85 mm，贴片大小68 mm×68 mm，微带贴片四边缝隙宽度2 mm，缝隙长度9 mm，贴片中心正方形缝隙的尺寸为18 mm×18 mm，利用HFSS建模仿真，改变同轴线馈电的位置，得到天线的回波损耗如图4所示。曲线显示，虽然天线的-10 dB阻抗带宽基本保持不变，但每种情况下工作频段内的回波损耗有所不同，表明通过调整馈电位置，可获得比较优化的天线驻波比，从而提高天线的性能。

图4 改变馈电位置Df对S11的影响

2.3 改变贴片中心正方形缝隙大小对回波损耗的影响

保持微带天线介质基片的大小为85 mm×85 mm，贴片大小68 mm×68 mm，微带贴片四边缝隙宽度2 mm，缝隙长度9 mm，贴片中心正方形缝隙的尺寸由16 mm×16 mm变到26 mm×26 mm，利用HFSS建模仿真，得到天线的回波损耗如图5所示。这些曲线说明，随着贴片中心的切口变大，天线的工作频带逐步下移，这就是说对某固定频率而言，可以采用加大辐射贴片中心正方形缝隙的方法，来实现天线的小型化设计。但可以预见的是，随着贴片上缝隙的增大，天线的辐射增益必然会受到损失。同时，曲线也提示，随着贴片中心缝隙的增大，天线的-10 dB阻抗带宽也逐步变窄了。

图5 改变贴片中心正方形缝隙尺寸S对S11的影响

2.4 改变贴片四边缝隙长度对回波损耗的影响

保持微带天线介质基片的大小为85 mm×85 mm，贴片大小68 mm×68 mm，微带贴片四边缝隙宽度2 mm，贴片中心正方形缝隙的尺寸为18 mm×18 mm，四边缝隙长度由6 mm变到12 mm，利用HFSS建模仿真，得到天线的回波损耗如图6所示。这些曲线的显著特点是，随着缝隙长度的加大，天线的工作频段不断下移，表明增长缝隙的长度，可以获得更小尺寸的天线;也可以通过调整缝隙的长度来间接调整天线的工作频带，以满足实际工程的需要。

图6 改变四边上的缝隙长度L对S11的影响

2.5 改变接地板上四边缝隙长度对回波损耗的影响

保持微带天线介质基片的大小为85 mm×85 mm，贴片大小68 mm×68 mm，微带贴片四边缝隙宽度2 mm，贴片中心正方形切口缝隙的尺寸为18 mm×18 mm，缝隙长度9 mm，改变接地板上缝隙的尺寸大小，利用HFSS建模仿真，得到天线的回波损耗如图7所示。改变接地板上缝隙的尺寸，最明显的作用就是拓宽了天线的工作带宽，同时整个频段有一定的下移。导致这个现象的原因，或许是微带天线接地板上开缝，引起了一些电磁波能量的反向泄漏，从而降低了天线的Q值，导致了带宽的加大。

图7 改变地板上缝隙长度Lb对S11的影响

2.6 改变缝隙宽度对回波损耗的影响

保持微带天线介质基片的大小为85 mm×85 mm贴片大小68 mm×68 mm，贴片中心正方形切口缝隙的尺寸为25 mm×25 mm，缝隙长度9 mm，改变接地板上缝隙的宽度，缝隙宽度由1 mm变到4 mm，利用HFSS建模仿真，得到天线的回波损耗如图8所示。可见，随着缝隙宽度加大，天线的带宽有了一定的加大，频段也有了一定的下移，这种现象与图9有些类似。

图8 改变缝隙宽度w对S11的影响

2.7 在天线贴片上面加载高介电常数基片对回波损耗的影响

保持微带天线介质基片的大小为70 mm×70 mm，贴片大小55 mm×55 mm，贴片中心正方形切口缝隙的尺寸为16 mm×16 mm，缝隙长度7 mm，缝隙宽度为2 mm，在天线金属贴片上加载一层高度为h1介电常数为79、大小与天线原来基片相同的基片，改变其厚度h1，利用HFSS建模仿真，得到天线的回波损耗如图9所示。可见天线的谐振频率下降了，当该介质板厚度由1 mm增加到2 mm时，S11变得更佳，最低达-50 dB多，随后厚度增加到3 mm、4 mm时，S11却伴随着厚度增加反而抬高了。但它们的共同特点是厚度越厚，谐振频率变得更低。这提示，对固定频率的天线，我们可见通过在辐射贴片上叠加另一层高介电常数的介质基片，来达到缩小天线尺寸的目的。

图9 加载基片厚度h1对S11的影响

2.8 手持RFID读写器微带天线

依据前面的分析，综合采用开槽加载缝隙和加载高介电常数基片的技术，利用HFSS实现谐振频率为915 MHz的天线仿真优化设计，得到天线具体尺寸，基片:66 mm×66 mm，贴片:58 mm×58 mm，缝隙宽度4 mm，贴片缝隙长度7 mm，接地板缝隙长度6 mm，贴片中心正方形切口缝隙15 mm×15 mm，贴片切角8 mm，第一层基板厚度3 mm，第二层厚度1 mm。天线的回波损耗见图10所示，天线的辐射方向图见图11所示。图10显示天线的10 dB回波损耗大约为0.88 GHz～0.93 GHz，即带宽50 MHZ左右，可以满足RFID系统的需求。

图10 915 MHz高介电常数介质基片加载小型微带天线的回波损耗

图11 天线辐射方向图

3 结论

本文给出了一款RFID手持读写器微带天线的设计方法，通过天线辐射贴片及接地板上开槽切缝及贴片上方加载高介电常数基片的方法，有效地缩小了天线的物理尺寸。相比于同样频率的常规微带天线最后优化得出的天线尺寸缩小近32%，可满足手持读写器的需求。

在贴片或接地板上加载缝隙，等效于在天线上加载了一些电抗，它们的大小是缝隙参数(长度、宽度和位置)的函数，通过调整这些缝隙的参数，这些电抗实际上起到了改变天线阻抗虚部的作用。当天线谐振时，阻抗虚部必须为零。在这个条件下，便可能使天线谐振的方程产生更多不同的解，表现在回波损耗曲线上，就会出现谐振频率的移动和改变。

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