新型材料馈电的RFID 阅读器双频工作天线*

张翠翠，杨 丹，廖 成

（西南交通大学，四川 成都 610031）

0 引言

随着物联网的兴起，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术受到越来越多的关注，被广泛地应用到了医疗保健、制造业、安全，汽车工业和零售业等多个领域[1]。RFID 作为一种非接触式的自动识别技术，它通过电磁波在空间的传播实现信息的传递。目前主要使用在低频、高频、超高频和微波频段[2]。而微波波段的RFID 系统有较长的读取距离以及高速的数据传输能力，性能相较于低频、高频以及超高频RFID 系统更为优越。与此同时为了满足日益迫切的RFID 系统应用需求，天线在小型化的同时，更倾向于在一个设备内集成多种功能。因此阅读器天线向着小型化、多频化、圆极化的方向不断发展。

通常，RFID 系统由电子标签和读取标签信息的阅读器组成[3]。阅读器天线将阅读器形成的特定频段信号以电磁波的形式发射出去，再将接收的标签信号返回阅读器，这就是一次射频识别的过程[4]。而天线作为这一读取过程的重要组成部分，其性能直接影响整个RFID 系统性能。天线重量过大，潮湿环境下天线易腐蚀等问题极大地限制了RFID 系统的应用环境。而碳纳米管材料相对于传统金属材料，具有更高的拉伸强度，更好的耐腐蚀性，极低的密度以及良好的导电性能[5]。现已有众多学者将其应用在了微带天线领域[6-8]。

通常单频段的阅读器天线，只能识别某个频段的标签，应用范围有限。而双频或多频阅读器天线可实现不同频段标签的读取，使得一个阅读器可以应用于多个系统。文献[9]设计了一款工作在915 MHz和2.45 GHz 频段的双频阅读器天线，通过在圆形贴片上刻蚀插槽以及接地板上的狭缝实现了天线的双频圆极化性能。文献[10]提出了一种在UHF-RFID和WLAN 波段具有双频圆极化的圆形贴片天线。通过在贴片上蚀刻两个垂直槽，使天线实现双波段工作，并在地面上刻蚀四个狭缝来提高轴比。为提高天线的增益在贴片下面放置了一个具有25 单元的双波段AMC 反射器。文献[11]提出了一种由旋转对称折合振子和缝隙加载的方形贴片构成的双频圆极化阅读器天线，但天线需要两个外部端口，且馈电网络较为复杂，不利于加工制作。文献[12]提出了一款微波波段的双频阅读器天线。天线工作在2.45 GHz和5.8 GHz，在低频和高频分别实现了148.48 MHz 和204.85 MHz 的阻抗带宽。但天线不具备圆极化辐射性能。文献[13-14]所设计的天线虽具备圆极化辐射性能，但都只能工作在单一的频段处。

针对上述文献中天线馈电结构复杂、尺寸过大、单一频点工作、不具备圆极化辐射性能等问题，本文结合碳纳米材料设计了一款新型的双频圆极化阅读器天线。该天线结构简单，尺寸相对较小，不需要复杂的馈电结构便可实现圆极化辐射性能。文章首先阐述了天线的结构与设计，然后分析了主要参数对天线性能的影响，最后对同尺寸下采用碳纳米管金属薄膜作为馈线和采用铜质材料作为馈线的两款天线分别进行了仿真。并对仿真结果进行了对比。

1 天线结构与设计

开口双环谐振器（Split-Ring Resonator，SRR）[15]最初的模型由英国科学家Pendy 在研究超材料时提出。其结构如图1（b）所示，是由两个相互增强谐振的同心开口环组成的谐振体系。由法拉第电磁感应定律可知，当有时变的磁场穿过SRR 的垂直方向时，由金属环上产生的感应电流Leq可等效为电感，两环间的电荷集聚产生等效电容，此时SRR 结构可以等效为LC 谐振电路。其谐振频率可表示如下：

式中：Cp为环间单位长度的电容值；Ceq为等效电容；Leq为等效电感，可由宽度为m和平均半径为R0的单个环的电感获得；Sn为n阶Struve函数；Jn为n阶Bessel函数。

图1 开口谐振环结构

根据SRR 的结构特性，环开口处的电容、环上电感以及环间的耦合电容会随着环间距、环宽度和开口宽度的减小而增大[16]。因此改变这些参数便可对SRR 的谐振频率做出调节。

为了使天线实现双频辐射，在SRR 结构外侧加载了一个同圆心的开口单环谐振器（Split Single-Ring Resonator，SSRR），结构如图1（a）所示。SSRR 没有内环，是由单个开口环构成的磁谐振器。通过调节环开口处电容和环上的电感同样可调节SSRR 的谐振频率。

图2 为所设计的天线最终结构，尺寸见表1。

图2 天线结构

表1 天线结构参数

该天线采用口径耦合的馈电方式，50 Ω 微带线通过接地板上的一字形缝隙给上层的辐射贴片进行耦合馈电。天线的介质基板为相对介电常数εr=4.4 的FR-4。馈线采用厚度为0.015 mm 电导率为3×105S/m 的碳纳米管金属复合薄膜，位于下层基板的底部，接地板位于两层基板的中间。位于上层基板表面的SRR 贴片结构使天线实现了5.8 GHz处的谐振，通过短接线与SRR 结构连接的SSRR 贴片结构使天线在2.45 GHz 处实现了良好的谐振。通过对短接线的位置以及SSRR 结构的开口位置进行调节，使天线实现了圆极化辐射性能。

2 天线参数分析

本文采用仿真软件Ansolf HFSS 13.0 进行建模仿真，并对天线的各个参数进行优化。从天线的设计可知，位于中间的SRR 贴片结构主要实现天线在5.8 GHz 处的谐振。因此通过改变SRR 结构的半径r和宽度d，便可对高频谐振点进行调节。如图3所示，随着r的增大，高频中心频率依次向低频移动，且对2.45 GHz 处的频点没有产生太大影响。图4 为SRR 结构宽度d由0.8 mm 到1.1 mm 变化时天线谐振频率的变化曲线。天线的高频频点从5.85 GHz 变化到5.6 GHz。最终取SRR 结构半径r=4.4 mm，宽度d=1 mm 使天线实现了在5.8 GHz 处的谐振。

图3 S11随r 的变化曲线

图4 S11随d 的变化曲线

当改变外部SSRR 结构的宽度时，天线谐振频率的变化曲线如图5 所示。从图5 中可以看出，环的宽度dg从2.2 mm 增加到2.8 mm，2.45 GHz 处的谐振点逐渐向低频移动，且对高频谐振点影响不大。SSRR 结构的半径取12.4 mm，宽度取2.3 mm，使天线的谐振中心点位于2.45 GHz 处。

天线确定高低中心谐振频点后，就可以对天线的圆极化性能进行优化。在本设计中，通过调节SSRR 结构的环开口以及短接线的位置便可实现对天线轴比的改善。为了使短接线的接入对高频谐振不产生太大的影响，最终将短接线置于SRR 结构外环开口的相对位置，并对SSRR 结构的环开口位置进行扫参。结果如图6 所示，SSRR 环开口角度θ为相对SRR 结构环开口的角度。θ由0°变化到30°时，天线的低频轴比从10 dB 降到了3 dB 以下，高频轴比始终保持在3 dB 左右。当θ取20°～30°时，天线在低频处的轴比小于3 dB，得到了极大的改善。并且当环开口置于该位置时，对高频和低频的谐振没有产生太大影响。

图5 S11随dg 的变化曲线

图6 轴比随 θ 的变化曲线

3 结果分析

为了将碳纳米管金属薄膜作为馈线的天线和铜质材料为馈线的天线性能进行对比，按照图2的结构图和表一的尺寸对两款天线进行了建模仿真。天线最终的回波损耗S11结果如图7 所示。结果表明馈线为碳纳米管金属薄膜时天线的阻抗带宽在低频段为2.389～2.601 GHz；高频段为5.726～5.846 GHz，频段较好地覆盖了RFID 系统常用的2.45 GHz 频段和5.8 GHz 频段。而馈线为铜质材料时天线低频的阻抗带宽变窄，而且高频的阻抗带宽发生了较大的偏移。

图7 S11曲线

图8 为两款天线的轴比对比图。碳纳米管馈线天线在低频段轴比小于3 dB 的带宽为2.46～2.50 GHz，最小轴比位于2.48 GHz 处为0.75 dB；高频段处的3 dB 轴比带宽为5.723～5.765 GHz，最小轴比位于5.74 GHz处为0.63 dB。而铜质馈线天线的轴比都大于了3 dB，在高低频段均未满足圆极化天线对轴比的要求。

图8 轴比

碳纳米管金属薄膜天线的增益图和方向图如图图9、图10、图11 所示。天线在低频频段的增益峰值为4.25 dBi，高频频段内的增益峰值为3.4 dBi。图10 和图11 为天线在低频和高频频段内轴比最小处的增益方向图，由图可知天线在两个频段的极化方式均为左旋圆极化。从仿真结果可以看出采用碳纳米管薄膜作为天线的馈线时，天线在达到带宽和圆极化轴比要求时也满足RFID 系统对阅读器天线增益的要求。

图9 增益

图10 2.48 GHz 处增益方向

图11 5.74 GHz 处增益方向

4 结语

本文针对微波频段RFID 阅读器天线兼容2.400～2.525 GHz 和5.725～5.875 GHz 双频段的要求设计了一款结构简单的双频圆极化微带天线。天线采用碳纳米管金属薄膜作为馈线，利用SRR 和SSRR 贴片结构在2.45 GHz 和5.80 GHz 频段谐振良好，并且在两个频带分别实现了54 MHz 和42 MHz的轴比带宽。碳纳米管材料相较于铜质材料重量轻、拉伸强度高、不易腐蚀，使得阅读器天线能够广泛地应用在更多更复杂的环境中。