矿用RFID阅读器天线设计

摘 要：文章介绍了一种应用于矿用RFID系统的阅读器天线，该天线由两层结构组成并由单个同轴探针馈电。通过双层微带结构有效地改善天线的带宽，同时，在天线上层的方形金属环中加载接地金属化孔以减小天线有效口径从而降低增益实现宽波束。文章设计的工作在s波段的宽波束天线，半功率波束宽度为180°，相对带宽为8%。

关键词：宽波束；RFID天线；微带天线

1 概述

天线处于RFID读写器系统的最前端，是RFID读写器的重要组成部分，读写器天线增益系数决定了标签感应的灵敏度、作用距离和范围大小。读写器天线的阻抗带宽，则影响RFID读写器与天线的匹配程度，决定了读写器的能量及数据发送和接收质量的好坏，因此天线性能对整个RFID系统的性能具有重要的影响[1]。

微带天线以剖面薄、体积小、重量轻、成本低等优点，成为RFID天线的理想选择[2]。但传统的微带天线相对工作带宽只有0.3%-3%左右，半功率波束宽度为70°～100°[3]，难以满足矿用RFID系统对读写器天线宽波束及带宽的需求。许多文献记载过多种展宽圆极化微带天线波束的方法，如采用高介电常数介质、调整介质板尺寸并使其大于地[4]、三维接地结构[5]、折合金属壁结构[6]等。但这些方法结构复杂、天线辐射效率低、波束宽度不大于120°，在此文章提出了一种多层结构，有效地改善了天线的带宽，其相对带宽为8%；同时在天线上层的方形金属环中加载接地金属化孔以展宽微带天线波束，其半功率波束宽度为180°。

2 RFID系统组成及工作原理

典型的RFID系统主要由标签、阅读器以及数据交换和管理系统这三个部分组成，RFID系统的基本模型如图1所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递与数据的交换。

电子标签又可细分标签芯片和射频天线两部分。电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的识别性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。当电子标签接收到阅读器的发射信号的时候，电子标签被“唤醒”，然后根据阅读器发射的指令完成相应的动作，并将相应信息发射回给阅读器。

阅读器也分为阅读器和射频天线两部分。阅读器通过将射频天线发射信号“唤醒”和传送指令给电子标签，并接收标签返回的信号。再进行信号调理与处理之后，完成对电子标签信息的获取和解析，将有用的数据通过网络传递到数据交换管理系统。数据交换和管理系统主要完成数据信息的存储及管理。它也可以由简单的本地软件担当，也可以是集成了RFID管理模块的分布式ERP管理软件。

RFID应用系统的基本工作原理是射频标签进入读写器的射频场后，经天线获得的感应电流经放大电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。

3 天线结构特性分析

3.1 天线结构

图2给出了设计的宽波束圆极化天线的结构图，两层介质板采用相同介电常数的介质。由于微带天线上的表面波对天线辐射方向图影响很大，在设计时应尽量避免表面波的产生，而设计微带天线的介质板越厚表面波越容易引入，所以下层介质采用较薄的介质板。而上层介质的厚度直接关系到金属化接地孔的高度，为了达到扩展波束的目的，对金属化接地孔的高度有一定要求，故一般上层介质选用较厚的介质板，当工作频率较低时一般由多层介质板挤压在一起构成。为了方便焊接馈电点，需要将覆盖天线位置的上层介质挖去以形成图中所示的方形洞。两层介质结构是为了方便在天线周围打金属化接地孔，同时位于上层介质上表面的金属方形环把所有的金属化接地孔连接到一起以形成封闭的结构，如图2（b）所示，而方形环自身的宽度对天线的辐射性能影响不大，其宽度一般略大于金属化接地孔的直径。金属化接地孔位于方形环的中心线上以形成旋转对称结构。采用同轴馈电的方形贴片天线位于下层介质上表面如图2（c）所示，由于受四周的接地金属化孔的影响，贴片尺寸略有减小。

3.2 金属化接地孔的高度对波束宽度的影响

如图2（a）所示h为介质基板的厚度，图3给出了d值固定、介质厚度h不同时天线的增益。从图可以看出厚度h在一定范围之内，随着h的增加3dB波束宽度增大，当超过某个值时3dB波束宽度随着h的增加而减小。所以存在一个h值使得3dB波束宽度最大。

3.3 金属化接地孔的间距对波束宽度的影响

如图2（b）所示，s为金属化接地孔之间的距离，图4给出了d=0.08，h=0.11时，不同s值对波束宽度的影响。从图可以看出随着接地金属孔之间的距离的减小，天线增益降低，3dB波束宽度增加，当3dB波束宽度增加到一个峰值时再随着间距s的减小而保持不变。

4 宽波束天线设计实例及仿真结果

基于以上讨论，本章设计了一个工作在2.4GHz的宽波束微带天线，双层介质基板均选用F4B-2，介电常数为2.65，通过选择合适的结构参数（如金属化接地孔高度及间距）以展宽天线的波束，同时提高微带天线的工作带宽。图5给出了回波损耗随频率变化关系，由图可以看出，在工作频率2.4GHz时的回波损耗为-19dB，天线的-10dB相对工作带宽为8%，相比传统的微带天线提高了一倍。图6给出了在工作频率f=2.4GHz时天线辐射方向图。由图可知，天线的最大增益为2.8dBi，半功率波束宽度为180°，因此天线在上半平面基本实现了全向辐射。该天线的方向图前向辐射比较强，后向辐射比较弱，这样有利于标签信息的有效拾取，同时也减少了电磁波的反向干扰。

4 结束语

文章介绍了一种应用于矿用RFID系统的阅读器天线，提出双层微带结构，通过双层微带结构有效地改善天线的带宽，同时，在天线上层的方形金属环中加载接地金属化孔以减小天线有效口径从而降低增益实现宽波束。文章设计的工作在s波段的宽波束天线，半功率波束宽度为180°，相对带宽为8%。

参考文献

[1]张为，曾燕.“基于LTCC技术的UHF RFID标签天线设计”[J].电波科学学报，2008，23（5）：987-990，.

[2]P.R.Foster，R.A.Burberry.Antenna provlems in RFID systems[J].RFID Technology， IEEE Colloquium.1999（3）：1-5.

[3]YANG Jie，"Design and Analysis of a Broad Band Wide Beam Circular Polarization Microstrip Antenna，" International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，2012，44（21）.

[4]X.L.Bao and M.J. Ammann，"Dual-frequency dual circularly-polarised patch antenna with wide beamwidth"， Electronics Letters，2008，44（21）.

[5]Tang， C.L.， Chiou， J.Y.， and Wong， K.L.， 'Beamwidth enhancement of a circularly polarized microstrip antenna mounted on a three-dimensional ground structure'， Microwave and Optical Technology Letters.2002，32（2）：149-153.

[6]H. Nakano， S. Shimada， and J. Yamauchi， "A circularly polarized patch antenna enclosed by a folded conducting wall，" IEEE Conference on Wireless Communication Technology，2003：134-135.

作者简介：王松强（1989-），男，安徽歙县人，安徽大学本科，助理工程师，主要从事监控系统前端研发。