一种RFID读写器天线的设计与分析

李健 张谢馥 罗韦 蔡鹏霄

摘 要：本文设计了一款中心频率工作于2.45GHz的RFID（Radio Frequency Identification，RFID）读写器天线。该天线是对矩形微带天线的改进，通过对矩形贴片进行镂空，以原点处为中心，分别镂空六个尺寸相等的小矩形，以改变矩形贴片表面电流分布，使其具有更强的电磁辐射特性。此外，本文还使用HFSS软件进行仿真验证。结果表明，该天线回波损耗在2.43～2.50GHz频段内低于-10dB，在中心频率2.45GHz處回波损耗约为-21dB，改进后的矩形微带贴片中心面磁感应强度平均高于原矩形微带天线约10A/m。

关键词：矩形微带天线;回波损耗;HFSS软件;磁感应强度

中图分类号：TN409 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）22-0037-03

Design and Analysis of an RFID Reader Antenna

LI Jian ZHANG Xiefu LUO Wei CAI Pengxiao

Abstract： In this paper， an reader antenna applied to the RFID （Radio Frequency Identification） system with a center frequency operating at 2.45 GHz was designed. The antenna is based on a rectangular microstrip antenna which is hollowed out centered on the origin with six small rectangles of equal size that is to change the surface current distribution of the rectangular patch aiming to provide stronger electromagnetic radiation characteristics. In this paper， HFSS software was used for simulation. The results shows that the return loss of the antenna is lower than -10dB in the frequency range of 2.43～2.50GHz， and the return loss is about -21dB at the center frequency of 2.45GHz. The magnetic induction intensity of the center plane of the improved rectangular microstrip patch is about 10 A/m higher than that of the original rectangular microstrip antenna.

Keywords： rectangular microstrip antenna;return loss;HFSS software;magnetic induction intensity

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种基于射频通信技术基础上的非接触自动识别技术，主要是利用射频信号的空间耦合对物体间进行相互识别[1，2]。本节所提出的读写器天线是一款工作在RFID微波波段（2.45GHz频段）的读写器天线。选择让天线工作在微波频段主要是因为：现代通信常用的工作频段在850～960MHz，导致超高频段比较拥挤，天线工作在微波波段有助于避开频段拥挤;与特高频无线电波（Ultra High Frequency，UHF）频段相比，微波波段的传输速率更高。因此，对需要识别快速移动的物体的RFID系统来说，微波波段具有很大的优势。

1 RFID读写器天线设计

本文设计的天线的中心频率是2.45GHz，首先通过微带天线的理论估算出矩形贴片的尺寸[3-8]。本文天线设计选用的介质板是厚度为[H]的FR4环氧树脂（FR4 Epoxy）板，可由公式（1）得到矩形微带线的宽度[W0]。

[W0=cfεr+12-12]                             （1）

式中，[c]是光速;[εr]是FR4 Epoxy板的相对介电常数。

辐射贴片的长度[L0]可由公式（2）计算得到：

[L0=cfεe-2ΔL]                                （2）

式中，[εe]是有效介电常数;[ΔL]是等效辐射缝隙长度。这两个变量可由式（3）和式（4）计算得到：

[εe=εr+12+εr-12（1+12HW0）-12]                 （3）

[ΔL=0.412Hεe+0.3W0H+0.264εe-0.258W0H+0.8]             （4）

该天线在矩形微带辐射贴片的基础上进行改进，具体结构如图1所示，通过镂空六个尺寸大小相等的矩形，改变矩形微带线表面电流，加强辐射磁场强度。

从图1可知，[L2]对应的微带是特性阻抗为50Ω的微带线。由于矩形贴片的特性阻抗不符合微波器件通用的50Ω系统，在设计时加上一段1/4波长阻抗转换器，其长度[L1]和宽度[W1]可由微波计算器计算得来。天线的具体尺寸如表1所示。

2 天线仿真结果及分析

本文选用HFSS软件进行仿真，回波损耗（S11）的仿真结果如图2所示。观察图2可知，在频率为2.45GHz时，回波损耗（S11）大小为-21dB，符合插入损耗小于-10dB的要求，其工作频段为2.43～2.50GHz。

图3为矩形贴片的磁场辐射仿真图。从图3（a）可知，在辐射贴片的中心区域，其电磁感应强度大小为17.737 9A/m。从图3（b）可以看出，改进后的天线中心区域电磁感应强度大小为27.11A/m，则改進后天线的电磁感应强度增强。

3 结语

本文在矩形贴片上镂空了六个小矩形，从而改变矩形贴片表面电流分布，加强天线表面磁感应强度。天线仿真结果表明，天线回波损耗2.43～2.50GHz频段内低于-10dB，在中心频率2.45GHz回波损耗约为-21dB，且改进后天线中心区域磁感应强度高于原矩形贴片天线中心区域约10A/m，这一结果验证了该款天线在RFID系统中的实用性和优势。

参考文献：

[1]SHI J，QING X，CHEN Z N. Electrically large zero-phase-shift line grid-array UHF near-field RFIDreaderantenna[J].Antennas & Propagation IEEE Transactions on，2014（4）：2201-2208.

[2]SHEN L， ZHUANG W， TANG W， et al. Achieving uniform perpendicular magnetic field distribution for near-field ultra-high frequency radio-frequency identification[J].IET Microwaves Antennas & Propagation，2016（2）：215-222.

[3]李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]王洪泊.物联网射频识别技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[5]游战清，刘克胜，张义强，等.无线射频识别技术（RFID）规划与实施[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6]Hae-Won Son，Hyuk Park，Kyong-Hee Lee， et al. UHF RFID reader antenna with a wide beamwidth and high return loss[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012（10）：4928-4932.

[7]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

[8]杨霭宁.UHF频段RFID读写器天线的优化设计与仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.