一种新型超高频低剖面贴片天线的仿真设计

丁晓倩

摘要：射频识别 （RFID）所使用的频段为超高频（Ultra High Frequency， UHF）。由于历史原因，世界各国实际使用的频段稍有不同。我国使用的是902MHz-928MHz，欧洲使用的是868MHz频段。本文描述了通过对平面贴片天线变形与仿真分析得到的一种工作于超高频的低剖面贴片天线。该天线以双层PCB板为介质，其尺寸为200mm×200mm×27mm，实现了 99MHz的10dB阻抗带宽，同时覆盖了世界上大部分的射频识别频段。其阻抗带宽范围内的可实现增益范围为6.5dBi-7.5dBi。

Abstract： The Ultra High Frequency （UHF） ranges that used in Radio Frequency Identification （RFID） are different based on historic reasons within the world. We use 902MHz-928MHz in domestic whereas Europe mainly use 868MHz range. This article descripts a low profile high realized gain patch antenna that works in UHF range. The antenna uses PCB as its substrate and gets a 99MHz 10dB impedance bandwidth with a 200mm×200mm×27mm size. It realized 6.5dBi-7.5dBi gain with this size. This antenna coverages most of the RFID frequency range.

关键词：超高频;UHF;射频识别;RFID;贴片天线

Key words： Ultra High Frequency;UHF;Radio Frequency Identification;RFID;Patch Antenna

中图分类号：TN821                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0176-03

0  引言

射频识别作为一种数据通信技术最早起源于二战时的英国，被用于飞机的敌我识别。从20世纪60年代开始，射频识别渐渐开始被商用化，并广泛出现在军需物资管理、医院医疗器械及药物的追踪以及图书馆藏书的管理等领域。射频识别的两大硬件：标签与阅读器都必需具有天线以发射与接收信号。其中，标签价格从2000年左右的1美元价格降到现在的10美分，为物联网的大量使用奠定了非常良好的成本基础。而阅读器也由原来单一的手持式演变出了更多的形式以适应不同的需求。从2017年初到2018年的5月份，国内的资本开始竭力探寻与占据新零售的风口，这其中平面RFID阅读器的设计与实现也成了关键的一环。

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1  天线基本结构

1.1 3D结构

图1描述了天线的三维结构。为了便于说明其结构采用了各部分分离的三维图。为了节约成本顶层的天线层采用了常规的FR4（εr=4.4）板材，其厚度为1.6mm。

中间层为了降低天线与底层地板层的电场损耗，采用了空气层，并使用四个对称的塑料柱作为支撑。

底层为了降低微带线电路的损耗采用了较贵的Taconic材料，其型号为TLX-0 （εr=2.45），厚度为0.79mm，其覆铜厚度为半盎司，损耗正切角为0.0019。

1.2 天线贴片尺寸

2  仿真结果分析

2.1 无短路点贴片结果分析

首先以探针馈电的贴片天线作为设计初始。为了使天线尺寸较小，将贴片天线作一个半圈形折叠。考虑到有低频868MHz的频段，天线贴片从馈电点向右延伸后并向上折叠后使其变宽。

因为采用了贴片加宽加长的方式，可实现增益的峰值出现在860MHz，为5.5dBi，其反射系数在900MHz的时候仅仅不到-8dB。（图4）

可以看到，800MHz-820MHz以及950MHz-1000MHz范围内，可以增益下降非常明显，而对照反射系数曲线就可以发现，反射系数在这两个频段有明显的上升。

也即是说，在这两个频段内反射系数的上升造成了可实现增益的明显下降。

进一步，从史密斯圆图上也可以看出，反射系数的圆圈过于发散，整个频段没有频点落入-10dB圆圈。（图5）

因此，需要进一步优化反射系数及可实现增益。

2.2 带短路点贴片结果分析

在微波理论中，合适的短路点可以使得短路位置对特定频率产生开路特性。以此可以把短路作为一种匹配手段。

从图6-图8可以看出，位置b产生了一个从850MHz-950MHz的-10dB阻抗带宽。史密斯圆图上也可以看出868MHz-928MHz曲线非常收敛。-10dB意味着90%的能量将被传输，对通常设备而言已经够用。

从图9也可以看出，从850MHz-950MHz该天线都有很好的可实现增益，其范围在5dBi-8dBi，对应的反射系数都在-10dB以下。

3  结论

本文通过仿真软件构建了一种贴片天线，其尺寸为200mm×200mm×27mm。这种天线采用了贴片天线折叠以及短路加载的方式，其-10dB阻抗带宽为850MHz-950MHz，对应的可实现增益为5dBi-8dBi。

考虑到这种天线的低剖面性及高可实现增益，其可以作为小型M×N阵列的基本单元（M和N视需求而定），由此组成增益更高的阵列。

以3×2小型阵列为例，考虑理想情况下的增益估算：

G（阵列增益）=10*log（3×2）+G（单元增益）

以此计算得到的阵列增益范围在12.8dBi-15.8dBi，这个值将非常可观。不过考虑到阵列单元间的互耦及隔离，实际阵列增益将低于这个估算值。通过合适的手段（比如阵元间加金属隔离带）将可以使整个阵列的可实现增益接近估算值。总之，这种天线可以在物联网中有出色的应用前景。

参考文献：

[1]魏文元，宫德民.天线原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[2]黄友森.射频识别（RFID）技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]Nemai Chardra Karmakar. Handbook of Smart Antennas for RFID Systems[M]， John Wiley & Sons， Inc，2010.

[4]John D. Kraus， Ronald J. Marthefka. Antennas： For All Applications[M]， 北京：电子工业出版社，2011.

[5]Game. Roussos， Enabling RFID in retail[M]， IEEE Computer Soc.， pp.25-30， March 2006.

[6]https：//baike.baidu.com/item/CST/10863179