基于HFSS和神经网络的RFID读写器天线设计

南敬昌，李 锋，韩宪明，李 蕾



基于HFSS和神经网络的RFID读写器天线设计

南敬昌1，李 锋1，韩宪明2，李 蕾1

（1. 辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；2. 北京和协航电信息科技有限公司，北京 100000）

提出了一款超高频频段（Ultra High Frequency，UHF）（912~935 MHz）和ISM频段（2.415~2.465 GHz）的RFID读写器圆极化单层结构微带天线，采用FR4板材为基板、辐射贴片采用切四角的缝隙贴片的结构，实现了天线的小型化设计，满足了天线的设计要求。通过HFSS三维电磁仿真软件和神经网络（Neural Network，NN）对天线模型进行了仿真分析。结果表明：回波损耗小于–10 dB的阻抗带宽为23 MHz（912~935 MHz）和50 MHz（2.415~2.465 GHz）；在UHF频段与ISM频段内，读写器天线的最大增益为–3.6 dB和1.857 dB，能满足我国射频识别读写器的应用要求。

微带天线；双频；神经网络；超高频；ISM频段；小型化

无线射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）[1]技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术。它是通过磁场或电磁场，利用无线电射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据，可识别高速运动物体并可同时识别多个目标。该技术在物流、生产、管理、医疗、防伪、跟踪等领域广泛应用[2-3]。物联网[4]的迅速发展，也对手持式读写器的天线提出了新的要求——高增益天线、低成本、小型化、小质量[5]。

双频微带天线的设计思路有两个：一个是增加单个微带天线的带宽，使两个频段包含在微带天线的带宽范围内，适合频率间隔较小的双频微带天线；另一个是将微带天线工作在离散的两个频段[6]，该方法对频率间隔任意大的双频微带天线的设计提供了思路，克服了频率间隔小这个限制。经典的方法有：文献[7]通过加载或者开槽的方法使谐振频率受到干扰；文献[8]在单一贴片上采用偏置同轴馈电实现正交模式的同时激发TM01与TM10实现双频工作；文献[9]通过馈电层叠结构实现双频天线，这种设计增加了天线的体积，不适用于手持式阅读器。文献[10]采用中心馈电双层层叠结构设计了一款双频天线，缺点是天线的尺寸比较大，结构复杂。

为了解决前述问题，本文提出一种新型的双频微带天线，选用廉价FR4板材和切四角的缝隙贴片，使电流绕槽边曲折路径流过，采用单馈点技术。适用于频率为UHF和ISM频段的射频识别系统。天线结构简单，便于加工，天线性能优良。本设计基于HFSS和神经网络联合优化确定天线关键尺寸，设计速度提高了约6倍。

1 天线结构设计

设计的天线的中心频率为925 MHz与2.45 GHz，其结构如图1所示。基板采用FR4板材，相对介电常数r为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为mm。天线由以下三部分组成：上层为边长为×的切四角挖孔缝隙贴片、中间为介质基板，其尺寸为×、下表面为边长为×的接地板。采用同轴探针小型螺纹连接（Sub Miniature version A, SMA）接头进行馈电，馈电坐标为(feed, 0)。切角顶点的坐标为(,)，切角到辐射贴片边缘的长度为，为了进一步优化天线的性能和进一步小型化，天线中心设计了四个矩形缝隙，尺寸×。

图1 小型双频微带天线结构图

参数的大小决定了天线的高频谐振频率，本文通过使参数在24~28 mm的范围内变化，求出在谐振频率点处11达到最小值时，此时的值。

而参数和参数对天线的性能有影响，参数影响了天线的低频谐振频率，对高频基本不产生影响，则通过使参数在1~5 mm的范围内变化，求出在925 MHz处天线11达到最小值时的值。辐射贴片的长度决定了天线的谐振频率，在高低频时都有影响，通过使参数在57~61 mm的范围内变化，求出天线11达到最小值时的值。

2 天线关键参数确定

众所周知，只使用HFSS仿真软件设计天线时，为了达到理想的天线性能，需要不断地扫描优化天线的各个参数，而且若任何一个参数发生改变，则都需要重新仿真，所以本文使用HFSS和神经网络联合优化天线的方法[11-12]，该方法可以加快天线的设计过程，节省设计时间。

使用HFSS和神经网络联合优化求解、、参数。在高频时，需求出的值，其步骤如下：

1）提取天线参数。通过HFSS画出天线模型后，提取参数范围为24~28 mm，频率取值范围为2~3 GHz，以及对应的11参数值。本文天线求得11的取值范围为–1 ~ –27 dB；

2）将参数、和11数据输入到神经网络中，参数和作为输入，参数11作为输出，训练神经网络；

3）确定参数的值。训练后求出的值就是天线在高频谐振时的值。

同理，可以得到参数和的值。

将得到的参数值代入HFSS软件中进行仿真，看是否满足条件，若有偏差，则在软件中进行微调即可。最终确定小型双频天线的关键参数如表1所示。

表1 天线主要参数取值

Tab.1 The main antenna parameter values

3 结果与分析

按照表1结果，用三维电磁仿真软件HFSS 15.0对所设计的读写器天线进行了仿真。当在24~28 mm的范围内变化时，仿真结果如图2所示。

由图2可以看出参数对天线谐振频率的影响相对独立，主要影响天线的高频工作频率。随着值的增大，在高频处，11曲线依次左移，谐振频率减小。在低频处，11曲线基本没有偏移，但当值过大时则曲线向右移动。

当在1~5 mm的范围内变化时，仿真结果如图3所示。由图3可以看出参数对天线谐振频率的影响相对独立，主要影响天线的低频工作频率，随着值的增大，在低频处，11曲线依次右移，谐振频率增大。在高频处，11曲线基本没有偏移。

图2 参数e不同值对S11的影响

图3 参数d不同值对S11的影响曲线

当在57~61 mm的范围内变化时，仿真结果如图4所示。辐射贴片的长度对应一个频率谐振，宽度对应另一个频率谐振是获得双频工作的一种最简单的方法[13]，其天线的谐振频率由辐射贴片的边长决定，并且谐振频率随变化时，低频和高频的变化趋势有很好的一致性，增大时低频和高频工作频率均降低，减小时低频和高频的工作频率均升高。

图4 参数L不同值对S11的影响曲线

天线11仿真图如图5所示，由图5可以看出天线的谐振频率分别为0.925 GHz和2.45 GHz，回波损耗小于–10 dB的阻抗带宽为23 MHz（912~935 MHz）和50 MHz（2.415~2.465 GHz）。在中心频率为0.925 GHz和2.45 GHz处，对天线的辐射方向图进行了仿真如图6(a)、(b)所示，在最大辐射方向上最大增益分别为–3.6 dB和1.857 dB。

图5 双频天线S11仿真曲线

图6 0.925 GHz和2.45 GHz辐射方向图

4 结论

采用切四角挖空和缝隙贴片结构的微带天线，实现了天线的小型化设计，同时实现了UHF频段与ISM频段的双频特性，并对辐射贴片的边长、切角到辐射贴片边缘的长度、切角顶点的坐标、馈电点位置对天线性能的影响进行了相应的分析。通过调整参数得到最优双频天线性能，回波损耗11、带宽等指标良好，能够满足我国射频识别读写器的应用要求。

[1] 刘岩. RFID通信测试技术及应用 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 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] 孙鹏, 王耀辉, 陈超. 物联网核心技术与应用场景 [J]. 通信技术, 2011, 44(5): 100-102.

[5] 尹佳宁, 徐伟, 王兵, 等. 手持式超高频RFID读写器天线设计技术综述 [J]. 信息化研究, 2012, 38(1): 5-9.

[6] 程良伦, 刘学钢. 一种UHF及微波RFID标签芯片的研究与应用 [J]. 微计算机信息, 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. 中心馈电双频圆极化微带天线研究 [D]. 广州:华南理工大学, 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] 张勇虎, 周力, 欧钢. 一种双频双极化层叠结构微带天线的设计[J]. 微波学报, 2006, 22(6): 25-28.

（编辑：陈渝生）

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

李锋

国家自然科学基金资助(No. 61372058)；辽宁省高校重点实验室项目资助(No. LJZS007）；辽宁省教育厅科学研究一般项目资助(No. L2014130)；横向基金资助(No. 14-2097-1)

南敬昌（1971－），男，河南滑县人，教授，博士，研究方向射频电路与器件、多媒体信息编码，通信系统仿真等，E-mail: bbflifeng@163.com；

李锋（1992－），女，辽宁大石桥人，研究生，研究方向为射频电路设计及RFID技术，E-mail: bbflifeng@163.com。

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

网络出版时间：2016-12-30 10:24:31