基于RFID应用的频率可调天线设计

詹 念，朱 勇，邓 然，代家为，张 猛

(黑龙江大学 电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

基于RFID应用的频率可调天线设计

詹 念，朱 勇，邓 然，代家为，张 猛

(黑龙江大学 电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

针对RFID技术应用,没有统一的国际化标准，不同国家有不同的频段标准，这使得RFID技术的广泛应用变得困难。结合弯折偶极子天线和阿基米德螺旋天线的特点设计出一款新型的标签天线，它是由2个方形的螺旋臂加上2个调谐臂组成，通过改变2个调谐臂之间的相对距离(0～38 mm)，可以实现谐振频率在840～860 MHz之间改变，因而能够应用于不同国家的RFID频段标准，而且在改变谐振频率的过程中能够保证带宽在40 dB左右，平均增益在1.726 65 dBi。

射频识别；标签天线；谐振频率可调；HFSS

0 引言

射频识别 (Radio frequency IDentificatiaon,RFID)是一种通过无线电实现通信的技术，它鉴别特定目标和识别与其相关的数据是由无线电信号来实现的，而不需要系统与目标之间建立某种接触关系，比如机械接触或者是光学接触等等。这种特性可以使其工作在各种条件比较恶劣的场合或环境中，因此其应用前景是相当广阔的。

但是最严峻的挑战是标准的统一。如今射频识别系统中[1]，应答器和阅读器技术依然没有实现一体化的应用，而且标签天线中的芯片存储功能和天线设计的规范也没有统一的标准。虽然一些行业人士在不断完善这方面的问题，但是每个国家都有自己的行业标准，更让人担忧的是如果一个国家将某个频段的频率版权卖给某个生产商或者生产企业的话，那么这个国家将面临不可估量的损失，因为应用RFID技术的设备将无法在该频段正常工作[2-3]。

因此本文的主要目的是设计出一款天线，它能够在保证小型化和一定带宽的情况下实现谐振频率在840～960 MHz之间改变的功能，设计出这样天线就可以适应各个国家对于RFID技术的标准规范，有了这种频率的转换以及标准规范，就可以有效避免电磁干扰的影响。

1 偶极子天线的特性

本文主要研究的是处于UHF频段的标签天线，而大多数处在UHF频段的全向性天线都是采用印刷法，偶极子天线的变体结构实现的。经典的偶极子天线是由2根一样(如尺寸、材料等)的直导线对称排列组成一条直线构成，信号从对称中心的2个端点进入，并分别在对称的2根导线上(这2根对称的导线通常称为偶极子的两臂)产生电流，这种电流能够激发臂周围产生感应磁场[4]。

当偶极子的臂长远远小于波长时，天线周围辐射的电磁波几乎为零，当臂长和波长在一个数量级时，天线周围辐射的电磁场将大大增加，可是当臂长和波长的比值>0.625时，垂直于臂长方向的电磁场又会减弱，使得天线的增益下降，进而影响天线的阅读距离，产生这种结果的原因是在偶极子的臂长上产生了反向电流，致使方向图中的波瓣不集中，副瓣的数量变多[5-6]。

2 螺旋天线的特性

根据上述偶极子天线和阿基米德螺旋天线的研究可知[7]，通过弯折对称偶极子天线可以达到减小尺寸的目的，但是在RFID标签天线中，减小尺寸会使得带宽减小，同时使得阻抗匹配变得不容易，阿基米德螺旋天线是具有多个方面的宽频带特性的天线，其在方向特性、极化特性及阻抗特性等方面都是宽频带的，而且还具有质量小、体积轻、圆极化方向好等优点，因此得到广泛的应用，唯一的缺点是他的辐射方向是双向的，因此天线的增益会降低[8-9]。

如果从2个臂的中间位置加电源，且电压的幅度相同、方向相反，那么当频率变化时可以实现输入阻抗基本不变，既可保证较宽的频带宽度，还可以实现在宽频带内获得双向的圆极化辐射，那么上下的极化方向将相反，一个是右旋圆极化波，一个是左旋圆极化波。

3 频率可调的螺旋标签天线设计

3.1 频率可调天线模型的确定

由以上对称偶极子天线和阿基米德螺旋天线的研究可知，弯折偶极子天线可以有效地减小天线的尺寸，但是尺寸减小会使得谐振频率下降，带宽缩减，而对于RFID标签天线来说，又需要尽可能地展宽带宽来适应因环境的改变对谐振频率造成的影响，阻抗匹配将会变得方便。阿基米德螺旋天线具有各个方面的宽频带特性，所以本文准备将这2种天线的优点结合起来，设计一款既能减小天线的尺寸，又能够展宽带宽的天线[10-11]。HFSS画出的满足要求的天线模型如图1所示。

图1 天线模型的具体尺寸

因为本文研究的是UHF频段的RFID电子标签[12-13]，所以这种标签天线一般是采用印刷法制作的，印刷板的标准是FR-4介质板(介电常数εr=4.4，tanδ=0.001 8)，介质板的高度H=0.8 mm，如上天线敷在78 mm*50 mm的薄的铜板上，然后印刷在FR-4介质板上。L1和L2是2个臂之间的相对距离，L是调谐臂相对于臂末端的距离，通过调节L(0～38 mm)的参数值就能够改变谐振频率，馈电端口位于两臂的中心[14-15]。

3.2 HFSS仿真结果和分析

给出天线的模型图，并创建完工程天线图之后开始设计集总参数值，通常设置端口的输入阻抗Z0=5O Ω。完成这些初始设置后，开始对所设计的天线进行仿真实验，首先按照等差数列分别设置L的值，观察其S11曲线[16]。

由图2可以看出在L=18 mm时谐振频率为912 MHz,L=14 mm时谐振频率为918 MHz，因此在14 mm和18 mm之间继续优化，当L=16 mm时，天线的谐振频率在915附近谐振。优化后的S11参数如图3所示。

图2 优化后的S11幅度参数图

图3 优化后的S11参数图(L=16 mm)

由图3可知优化后的谐振频率为914 MHz，S11=-20.541 6 dB，该谐振频率位于美国的标准应用频段(902～928 MHz)。当S11=-10 dB时，阻抗带宽=m3-m2=940-890 MHz=50 MHz,在此宽带内天线能够正常工作，所以此设计是合理的。

由图4可知天线在谐振频率点914 MHz处的特征阻抗为41.419 8+j0.541 0 Ω，与端口设置的匹配阻抗50 Ω大致相同，所以可以认为是匹配的。由图4还可以看出天线的阻抗随着频率的升高表现出点抗性，也即随着频率的升高实部是呈下降的趋势，虚部呈上升的趋势，不过总体来说都是比较平滑的曲线。在谐振频率为914 MHz时，天线的驻波比是1.2>1，所以表明天线的匹配程度复合要求，通过同样的方法可以找到其他不同国家所应用的RFID标准频段所对应的L的调节范围。如表1所示。

图4 优化后天线的阻抗图

表1 L的调节范围

国家标准/MHzL/mm日本951～9540～4中国920～9254～20美国902～92814～18欧洲866～86926～34中国840～84534～38

4 结束语

本文的主要内容是关于UHF频段RFID系统中的标签天线设计，针对目前某一个问题展开了深入研究和探索，在折叠偶极子天线和阿基米德螺旋天线基础上设计出一款方形螺旋的带有2个调谐枝节的可以调节频率的天线，它能够实现840～960 MHz之间的频率调节，满足了各个国家的RFID系统的应用标准，而且保证了带宽几本上在40 dB左右，增益为1.975 1 dBi。

但是本次设计的天线仍然存在不足，天线的尺寸还不够小；所能够匹配的阻抗只能是50 Ω，只能印刷在标准的RF-4介质板上，缺乏灵活性。

[1] 游战清,刘克胜,吴 强.天线识别与条码技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

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[4] 芬肯才勒.射频识别技术[M].吴晓峰,陈大才,译.西安:电子工业出版社,2006.

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[6] 周晓光,王晓华.射频识别技术原理与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2005.

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[9] 李绪益.天线[M].南京:华南工学院出版社,1986.

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[14]马雪丽.基于物联网应用的RFID标签天线研究与设计[D].北京：北京邮电大学,2014.

[15]佟 站.超高频抗金属RFID标签天线的研究与设计[D].南京：南京邮电大学,2014.

[16]杨俊义.超高频RFID标签天线的优化设计研究[D].天津：河北工业大学,2014.

Frequency Adjustable Antenna Design Based on RFID Application

ZHAN Nian，ZHU Yong，DENG Ra，DAI Jia-wei，ZHANG Meng

(School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin Heilongjiang 150080，China)

Since there is no unified international standard for RFID technology，and different countries use different frequency bands，the wide application of RFID technology around the world faces a big challenge.In this paper，a novel tag antenna is designed by combining the characteristics of folded dipole antenna and Archimedean spiral antenna.It is composed of two rectangular spiral arms with two tuning arms，and by adjusting the relative distance (0-38 mm) between the two tuning arms，the resonant frequency can be changed from 840 MHz to 860 MHz，so it is adaptable to different countries′ RFID band standards.Furthermore，it can guarantee a bandwidth of about 40 dB and an average gain of 1.726 65 dBi in the process of changing resonant frequency.

radio frequency identification；tag antenna；resonance frequency adjustable；HFSS

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.15

詹 念，朱 勇，邓 然，等.基于RFID应用的频率可调天线设计[J].无线电通信技术,2017,43(3):60-62.

[ZHANNian，ZHUYong，DENGRan,etal.FrequencyAdjustableAntennaDesignBasedonRFIDApplication[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：60-62.]

2017-01-09

詹 念(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向：通信与信息处理。朱 勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信与信息处理。

TN821

A

1003-3114(2017)03-60-3