声表面波射频识别的阅读器微带天线小型化

付 俊， 陈智军， 陈 涛， 韩 超， 彭福强

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 211106)

声表面波射频识别的阅读器微带天线小型化

付 俊， 陈智军， 陈 涛， 韩 超， 彭福强

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 211106)

为实现工作频率433 MHz的声表面波射频识别系统阅读器手持功能， 基于微带天线理论， 采用曲流技术这一天线小型化方法， 设计了一种用作阅读器天线的底面开槽微带天线. 参照系统要求， 通过计算、 分析和对比， 选取了微带天线的初始尺寸； 利用电磁仿真软件HFSS对天线进行了建模仿真与参数优化， 确定了天线各参数最终值； 手工制作天线并用网络分析仪对天线进行了测试， 天线实际性能与仿真基本一致； 结合声表面波射频识别系统对天线进行了测试， 验证了该天线的实用性.

微带天线； 曲流技术； 声表面波射频识别； HFSS软件

0 引 言

射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是近年来在自动识别领域出现的若干革命性技术之一， 与广泛采用的条形码等自动识别技术相比， 具有读取距离远、 穿透力强、 抗污染、 效率高及信息量大等特点[1]. 射频识别系统通常由标签与阅读器组成， 通过天线实现两者之间信号与能量的传输[2]. 无论标签还是阅读器都需要天线， 天线是射频识别系统不可或缺的部分.

与基于IC技术的射频识别系统相比， 基于声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)技术的射频识别系统具有无源、 识别距离远、 集射频识别与无线传感一体化、 能用于金属和液相环境等优点而成为研究热点[3]. 采用声表面波技术， 主要是通过延迟线型声表面波器件的延迟时间变化和谐振器型声表面波器件的谐振频率变化来实现射频识别和无线传感功能[4]. 以液相环境为例， 生物医学、 环境保护、 食品安全等领域的射频识别和无线传感通常都处于液相环境下， 如生物医学中的血液检测、 环境保护中的水样检测等[5]. 上述液相环境中的应用通常对识别距离没有太高要求， 但希望实现阅读器的手持功能， 较为理想的是天线与阅读器一体化的结构.

射频识别常用的UHF频段有433 MHz， 920 MHz， 2.4 GHz 3种， 由于电磁波在液相环境下衰减较大且衰减随频率增大而增大， 为保证信号强度， 液相环境下的射频识别系统通常采用433 MHz频段. 微带天线具有体积小、 成本低、 可共形等优点， 但中心频率在433 MHz的微带天线面积较大， 为实现阅读器的手持功能， 需要对天线进行小型化设计.

1 天线小型化方法

曲流技术[6-8]是一种常用的天线小型化方法， 它是通过改变天线的有效长度来达到小型化的目的. 微带天线的曲流技术分辐射贴片表面开槽与底面开槽两种方式[7,8].

图 1 贴片表面开槽Fig.1 Slotat patch

另一种方法是在天线底面开槽. 微带天线底面开槽前后， 底面与辐射贴片电流分布如图 2 所示. 观察图 2 开槽前后底面和辐射贴片的电流路径， 辐射贴片形状虽然不变， 但底面和辐射贴片上的电流路径都发生了弯曲， 增大了天线的有效长度， 减小了天线尺寸. 同时， 天线底面开槽还可以增大天线的带宽[8].

图 2 微带天线底面开槽前后底面与辐射贴片电流分布Fig.2 Current distributioning round and patch before and after slotting at ground

2 微带天线参数设计

2.1 天线基本尺寸计算

采用手持式阅读器的433 MHz声表面波射频识别系统， 要求阅读器天线中心频率433 MHz， 带宽不小于10 MHz， 识别距离不小于30 cm， 尺寸不大于200 mm×200 mm.

微带天线介质基板采用聚四氟乙烯， 厚度h=3.4 mm， 介电常数εr=2， 损耗正切tanδ=0.000 5. 无小型化即微带天线不开槽情况下结构如图 3 所示. 图 3 中，W0,W分别为贴片和接地板的宽，L0,L分别为贴片和接地板的长，j为贴片边与接地板边间距.

图 3 未开槽微带天线结构示意图Fig.3 Unslotted microstrip antenna structure

天线的工作频率为f=433 MHz， 则贴片的宽

式中：c为真空中光速c=3.0×108m/s.

微带天线介质的有效介电常数

介质内的导波波长

辐射贴片的长

使用SPSS 22.0对采集的数据实施分析，计数资料以率(%)的形式表示，采用χ2检验，计量资料以的形式表示，采用t检验，采用Logistic进行回归分析，将病理检测CIN阳性记为随访终点，以P<0.05为差异有统计学意义。

贴片与接地板边距

接地板的长、 宽分别为

通过计算结果表明， 在未开槽情况下的微带天线尺寸为345.4 mm×381.5 mm， 大于设计要求的200 mm×200 mm， 因此需要对微带天线进行小型化设计[9].

图 4 底面开槽微带天线示意图Fig.4 Structure diagram of slotted ground microstrip antenna

2.2 天线小型化结构

为了不影响天线的带宽与增益， 本文采用天线底面开槽的小型化方法， 结构如图 4 所示. 与图3相比， 在微带天线底面接地板对称轴两边， 分别开两个相互对称的槽来实现天线小型化. 原点O为天线中心，lf表示同轴馈电的馈电点与原点O的距离， 其中整个结构是左右对称的， 原点O与馈电点都在对称轴上.g表示底面开槽下边沿与原点O的距离，k为槽宽， 2d为左右两槽之间的间距.

因为增大天线辐射面积能够提高天线的增益[10]， 为保证识别距离不小于30 cm， 尺寸不大于200 mm×200 mm， 选取天线尺寸为176 mm×194 mm， 辐射贴片为110 mm×128 mm.

3 微带天线仿真与参数优化

本文通过电磁仿真软件HFSS对天线进行建模仿真与参数优化， 首先设置微带天线结构尺寸初始值如表 1 所示.

表 1 微带天线结构初始尺寸

利用HFSS软件建立的天线模型如图 5 所示.

图 5 HFSS天线模型Fig.5 HFSS antenna model

将辐射贴片与底面设置为理想导体边界. 天线求解频率设为433 MHz， 扫频范围为300 MHz～600 MHz， 使用插值扫描. 根据表1中天线的结构尺寸， 对天线进行仿真， 得到天线的回波损耗S11参数和增益如图 6 所示. 由图 6 可知， 天线增益最大能达到1.47 dB， 但在中心频率416 MHz处回波损耗S11参数最小为-11.4 dB，不符合中心频率433 MHz设计要求，需要对天线的中心频率和回波损耗进行优化.

图 6 天线回波损耗S11与增益Fig.6 Antenna return loss S11 and gain

对辐射贴片宽W0、 长L0、 与底面边间距j， 左右槽间距d， 槽与原点距离g， 馈电点与原点距离lf， 槽宽k进行扫描分析， 分别如图 7 中的(a)， (b)， (c)， (d)， (e)， (f)， (g)所示.

设置辐射贴片宽W0扫描范围为104～128 mm， 步长为4 mm， 设置辐射贴片长L0扫描范围为86～110 mm， 步长为4 mm， 由图7(a)， 图7(b)可知两者会影响天线的中心频率， 但对S11参数的影响不大； 设置辐射贴片与底面边间距j扫描范围为40～86 mm， 步长为4 mm， 设置左右槽间距d扫描范围为1～9 mm， 步长为2 mm， 由图7(c)， 图7(d)可知这两个参数对天线的中心频率和回波损耗的影响非常大； 设置槽与原点间距g扫描范围为-5～10 mm， 步长为3 mm， 由图7(e)可知g对天线性能几乎没有影响； 设置馈电点与原点距离lf扫描范围为10～38 mm， 步长为4 mm， 由图7(f)可知馈电点位置会影响天线的回波损耗， 对天线中心频率影响不大； 设置槽宽k扫描范围为1～9 mm， 步长为2 mm， 由图7(g)可知槽宽会对天线的中心频率和S11参数有一定影响.

图 7 天线参数扫描Fig.7 Antenna parameters sweep

综合考虑各参数对天线性能的影响， 对天线各结构参数进行调整， 得到各参数的尺寸最终值如表 2 所示.

采用表 2 尺寸进行仿真得到的天线性能参数如图 8 所示. 天线在中心频率433 MHz处回波损耗为-38.5 dB， 带宽为19 MHz， 输入阻抗为49.081 2+j0.731 7 Ω(接近50 Ω)， 驻波比(VSWR)为1.024 0(接近1)， 增益为1.256 dB. 数据表明， 天线中心频率和带宽符合设计要求， 阻抗匹配得很好.

表 2 天线尺寸最终值

图 8 天线仿真结果Fig.8 Antenna simulation results

4 天线性能测试

4.1 天线参数测试

根据仿真得到的数据， 利用聚四氟乙烯板、 铜箔胶带、 射频头等材料制作出的底面开槽微带天线如图 9 所示.

使用矢量网络分析仪对制作好的微带天线的性能进行测试. 设置矢量网络分析仪的中心频率为433 MHz， 扫频宽度为100 MHz， 测试得到的S11参数曲线， Smith圆图如图 10 所示.

天线的中心频率为434 MHz， 与仿真结果基本一致. 天线中心频率处的回波损耗为-24 dB， 阻抗为(49.4+j5.657) Ω， 接近同轴线的50 Ω阻抗， 说明天线阻抗匹配很好. 天线的带宽为27 MHz， 较仿真结果略优. 从以上测试结果可以看出， 制作出的底面开槽微带天线与仿真结果参数基本一致， 满足阅读器手持式声表面波射频识别系统对中心频率与带宽的要求.

图 9 实际制作的微带天线实物图Fig.9 Hand made microstrip antenna

图 10 网络分析仪测试结果Fig.10 Test results using network analyzer

4.2 系统测试

将微带天线连接到声表面波射频识别系统的阅读器上， 测试天线能否正常工作， 识别距离是否符合要求， 如图 11 所示. 该射频识别系统包括3个谐振器型声表面波传感器， 直接使用网络分析仪测得传感器1， 2， 3的谐振频率分别为432.114 MHz， 436.065 MHz， 430.183 MHz. 图11(a)中传感器距离阅读器微带天线40 cm， 采用频分多址技术， 阅读器通过功率检波[11]测得传感器1， 2， 3的谐振频率， 对应图11(b) 显示界面中的频率1、 频率2、 频率3， 分别为432.115 MHz， 436.063 MHz， 430.182 MHz. 测量误差在±0.002 MHz以内， 表明在40 cm的识别距离以内， 阅读器微带天线都能实现准确测量， 满足设计要求.

图 11 声表面波射频识别系统Fig.11 SAWRFID system

5 结束语

通过HFSS电磁仿真软件设计了一种用于声表面波射频识别系统的手持式阅读器微带天线. 该天线采用曲流技术， 通过在天线底面开槽来实现天线的小型化. 根据仿真得到的数据， 利用现有材料制作了天线， 经测试天线性能与仿真结果基本一致. 将天线连接到声表面波射频识别系统的阅读器上， 通过系统测试验证了天线的实用性.

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The Miniaturization Design of Reader Microstrip Antenna for SAW RFID

FU Jun, CHEN Zhijun, CHEN Tao, HAN Chao, PENG Fuqiang

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

Aiming at the handheld reader of surface acoustic wave radio frequency identification system which works at 433MHz, a microstripantenna which is based on the theory of microstripantenna and the technology of meandering with a slotted bottom was designed. Firstly, according to the requirements of system ,the initialsize of the microstripantenna was selected by calculating, analyzing and comparing; Next, an antennamodel was setup by HFSS(High Frequency Structure Simulator) software, and the finalsize was determined after simulating and parameters optimization. After that, the handmadeantenna was tested by network analyzer, and the actual performance is consistent with the simulation. Finally, through the test of antenna with the identification, the practicability of this antenna is verified.

microstrip antenna; meandering technology; surface acoustic waveradio frequency identification; HFSS software

1671-7449(2017)01-0056-08

2016-10-22

国家自然科学基金资助项目(51475240)； 航空科学基金资助项目(2014ZD52053)； 国家自然科学基金资助项目(61301248)

付 俊(1993-)， 男， 硕士生， 主要从事声表面波传感与识别方向的研究.

TN820

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.010