一种小型化定向辐射RFID阅读器天线设计

丘荣文，袁家德

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

射频识别(RFID)系统一般由阅读器、 标签和后端计算机系统三部分组成[1]，其中阅读器与标签之间通信是依靠天线来进行电磁波的发射和接收，天线的性能决定着标签的灵敏度及阅读器的读取距离和效率[2]. 随着RFID的广泛应用，对定向辐射的小型化RFID天线提出了更高的要求. 近年来，研究者们提出多种阅读器天线结构来实现定向辐射和小型化. 文献[3]提出Yagi-Uda天线通过两层环形结构来实现天线的定向辐射； 文献[4]提出一种高选择性、 低交叉极化的宽带高增益贴片； 文献[5]采用四层导体结构和金属背腔来提高RFID阅读器天线的前后比； 文献[6-7]设计了小型圆极化的RFID阅读器天线； 文献[8-9]通过在贴片上刻蚀槽并加载耦合带减小天线尺寸； 文献[10-12]通过设计馈电结构实现了高增益天线. 然而文献[3-5]所提天线结构较复杂, 不利于批量生产； 文献[6-7]易于集成且体积较小，但天线增益和效率较低，带宽较窄； 文献[8-12]中天线所占面积较大, 不适用于移动终端设备.

本研究设计一种应用于UHF RFID阅读器的小型化定向环形天线. 天线由辐射面和接地面双层结构组成，辐射贴片弯折，并在环形内部加载两个短路单元来减小辐射面所需要尺寸，通过在接地面上开圆环形槽减小其所需尺寸，从而实现天线总尺寸的缩减.

1 天线结构

天线结构如图1所示. 图1(a)为天线的侧视图，从图中可以看出，天线由辐射面和接地面组成，分别印制于上层介质板的上表面和下层介质板的下表面，两层介质板均为厚度0.8 mm的FR4(εr=4.4)介质板，通过4个尼龙螺丝固定，两层介质板间为空气. 图1(b)为辐射贴片，其结构为一个弯折的环形金属面印制在上层介质基板的上表面，通过印制在上层介质板下表面的一条变宽度微带线耦合馈电，环形内部有两个大小相等的矩形寄生贴片通过探针短接地. 微带环形天线最小的尺寸对应于周长是1波长谐振模式，则方环形天线工作在基模下的边长为四分之一介质波长，计算公式为：

(1)

图1 天线结构图Fig.1 Geometry of the proposed antenna

其中：c为自由空间波的传播速度；fn为中心频率；εeff为有效介电常数；λg为介质中波长. 有效介电常数εeff指的是多层混合介质总有等效相对介电常数，计算公式为：

(2)

其中：εr1和εr2分别为空气层与介质板的介电常数；h和h′分别为空气层和介质板的厚度.

图1(c)为天线的接地面，印制于下层介质板的下表面，其结构为一开圆环形槽的矩形金属面. 天线总尺寸为0.275λg× 0.275λg× 0.05λg(λg为中心频率915 MHz对应的波长). 采用电磁仿真软件ANSYS HFSS 18对天线性能进行仿真优化，天线最优结构尺寸如表1所示.

表1 天线结构尺寸

2 天线设计与分析

2.1 模型分析

图2(a)、 (b)和(c)分别给出了指向环形辐射贴片的左上方、 正上方和右上方三个方向的馈电结构图，其中图2(c)为所设计天线的馈电结构.

不同馈电位置对天线S11的影响如图3所示. 从图中可以看出，当馈线指向环形贴片的左上方时，S11≤-10 dB的阻抗带宽很窄； 当馈线指向环形贴片的正上方时，馈线的长度变短导致谐振频率向高频偏移； 当馈线指向右上方时，S11≤-10 dB的阻抗带宽覆盖了RFID的工作频段(900～930 MHz), 从而说明可以调节馈电的位置实现天线的阻抗匹配.

图2 天线不同馈电位置结构图Fig.2 Geometry of different feed position

图3 不同馈电位置对天线S11的影响Fig.3 Variation of S11 with different feed position

图4(a)和(b)分别给出了天线接地面不开槽与开槽的结构图. 图4(a)中天线1的接地面是一个边长为Lt的矩形金属面，图4(b)中天线2的接地面是一个边长为L2的矩形金属面并在其内部开一圆环形槽，天线1和2具有相同的辐射贴片和剖面高度h.

图4 天线接地面不开槽与开槽结构图Fig.4 Geometry of the ground without and with the slot

图5给出了天线1和天线2方向图的对比，从图中可以看出，当接地面尺寸相同(Lt=L2=90 mm)时，天线2的定向辐射性能明显好于天线1； 增大接地面尺寸可增大天线1的定向性，当Lt=150 mm时，天线1方向图的前后比与天线2接近，即150 mm天线1接地面边长和90 mm天线2接地面边长产生方向图的定向性接近，从而说明通过在接地面上开槽可以有效减小接地面所需要的尺寸. 其原理可以解释为开槽在接地面上形成外环和内导体平面，接地面外环电流与环形辐射贴片上电流相互作用，通过引向天线定向性原理以及接地面上内圆形平面的辅助作用，在接地面尺寸仅略大于辐射贴片尺寸情况下，实现了天线2较好的定向辐射性能.

2.2 参数分析

天线各结构参数变化均会对天线的性能产生影响，本研究仅讨论对天线性能影响较为明显的两个参数，分别为寄生单元的长度L3和接地面圆环槽的外半径R2. 矩形寄生单元长度L3对天线S11的影响如图6所示. 从图中可以看出，当L3从17增大到23 mm时，谐振频率向低频偏移，表明L3的变化可以调整天线的工作频率范围，原因是变大的L3增加了矩形寄生贴片与环形辐射贴片的等效耦合电容.

图5 天线1和天线2方向图Fig.5 Radiation patterns of the antenna 1 and antenna 2

图6 L3对天线S11的影响Fig.6 Variation of S11 with different lengths of L3

图7(a)和(b) 分别给出了R2对天线S11的影响. 从图中可以看出，当R2从42 mm增大到44 mm时，其工作频率范围没有发生明显变化，但其方向图的定向性变化明显，当R2=43 mm时，方向图后瓣最小，表明可以通过调整外环尺寸来优化天线的定向性.

图7 R2对天线S11和方向图的影响 Fig.7 Variation of S11 and radiation pattern curves with different lengths of R2

3 结果分析

根据仿真优化尺寸制作了天线实物，如图8所示. 采用矢量网络分析仪对天线的S参数进行测试，在微波暗室中测试了天线的方向图, 如图9所示. 从图9可以看出，仿真和实测结果基本一致，S11≤-10 dB的阻抗带宽为10.2%(890～986 MHz)，工作频率900 MHz时的增益为4.4 dB.

图8 天线实物图Fig.8 Fabricated prototype of the proposed antenna

图9 天线仿真和实测对比图Fig.9 Measured and simulated results of S11 and radiation patterns at 900 MHz

表2给出已发表文献中所提出天线和本文设计天线的性能对比，本天线相比于文献[5]和文献[13]中天线具有较小尺寸，相比于文献[6]中天线具有较宽的带宽，相比于文献[7]中天线具有较高的增益. 可以看出本天线具有一定的优势.

表2 各天线的性能对比

4 结语

提出一种应用于UHF RFID阅读器的小型化定向性环形天线. 采用弯折辐射贴片并在环形内部加载两个短路单元来减小辐射面所需要尺寸，通过在接地面上开圆环形槽以减小其实现天线定向性所需尺寸，从而实现天线总尺寸的缩减. 天线拥有良好的定向辐射特性，较小的尺寸，在某些特定应用环境中具有较好的应用前景.