一种UHF频段RFID阅读器天线的小型化设计

    随着被动式UHF频段RFID系统在物流供应链、仓储和零售存储管理中被大量采用，手持式RFID阅读器单元的研究与设计变得越发重要。对手持式阅读器单元的主要要求有尺寸小、重量轻、电池寿命长和对于特定的应用有合适的阅读范围。另外，也要考虑到阅读器单元对标签阅读方向性方面的问题。
    被动式UHF频段RFID系统使用电磁波通过阅读器与标签间的耦合进行通信。图1显示了被动式UHF频段RFID系统。阅读器发射连续波(Continuous Wave，CW)信号给标签来激活标签的芯片，然后向标签发射命令信号，标签通过背向反射其相应的识别码来进行通信。标签芯片没有内部电源，所以其所有需要的能量都来自于阅读器通过天线所发射的电磁波。

    RFID阅读器的发展越来越倾向小型化、便携化。UHF频段的RFID系统工作频率在900 MHz左右，传统形式的天线对于手持RFID系统来说太大，阅读器天线在阅读器的尺寸中占据越来越大的比例。在保持天线性能的前提下，阅读器天线的尺寸缩减难度远远大于阅读器电路，因此天线尺寸的小型化，成为目前RFID阅读器天线研究的趋势。
    UHF频段RFID系统工作对天线主要的要求有：在VSWR<2时阻抗带宽的范围约为902 MHz~928 MHz，有一定的增益，低成本，低剖面，单向辐射。
    由于微带天线具有结构简单，易于制造，成本低的优良特性，UHF频段RFID阅读器的天线一般选用微带天线类型。所以本文主要基于微带天线来研究UHF频段RFID阅读器的天线的小型化。

1 射频识别阅读器天线小型化设计
1．1 微带贴片天线
    下面通过经典的微带天线设计理论，简单分析矩形微带天线的工作原理。微带贴片天线是由一层或多层厚度远小于波长(大约十几分之一波长)的介质层和覆盖其上下两面的金属接地板以及辐射元(尺寸可以和波长相比拟)构成。辐射元形状多种多样，常见的如方形、矩形、圆形等。矩形微带天线的形状如图2(a)所示，假设电场沿贴片宽度与介质板厚度方向没有变化，仅沿贴片的长度(约二分之一波长)方向变化，则辐射基本上是由贴片的两开路端缝隙产生，此时矩形微带天线可看成是相距二分之一波长同相激励并向地板以上半空间辐射的二元缝隙阵对于有较高效率的辐射器，当介质基片厚度为h，天线工作频率为fr，相对介电常数为εr时，根据文献[5]中公式，可以得到其实用宽度及谐振单元长度。假设选用介电常数εr为2．5，厚度h=5 mm，可以得到该微带天线的尺寸宽W至少约为101 mm，长L约为124 mm，再加上基板的沿伸长度，大约增加20％，所以得到的尺寸约为120 mm×150 mm，占用了较大的面积，很不利于阅读器天线的集成。用高介电常数材料的贴片天线可能是最明显的削减贴片导体尺寸的方法。其主要制约是减小了带宽及效率。使用高介电常数材料的成本也是一个限制因素，尽管近来已有一些低成本的高介电常数陶瓷材料可使成本控制在一定范围内。但是使用这些材料的高损耗因数会明显降低印制天线的辐射性能。以下给出一种有效减小微带贴片天线尺寸的方法，进行设计并给出实验结果。

1．2 1／4波长贴片夭线
    根据以上对微带天线原理的分析，工作于主模的矩形微带天线其内场分布在L／2处，该处为电场的零点，在该处将上贴片与地导通不影响内场分布，然后将其中的一半舍去即构成1／4波长贴片天线，一种用于削减贴片天线尺寸的技术。它的一条辐射边在一个贴片天线与接地面的短路平面上中断了。类似于偶极子线天线和单极子线天线之间的关系，短路平面起着镜像的作用，有效地使贴片导体尺寸减半。
    折中贴片的尺寸和所需要的带宽、辐射效率等因素，选择合适的板材，适当提高介质的介电常数以削减贴片导体尺寸，采用FR4基板，相对介电常数4．5，损耗角正切值为0．002 6，板厚5 mm，铜膜厚度为0．05 mm。天线结构如图3所示，辐射贴片长度L大约是介质波长的1／4，即L≈λ／4，λ为介质波长，经过HFSS(High Frequencv Structure simulator)的仿真分析，使谐振点达到915 MHz，选择贴片长度L=46．1 mm，辐射贴片宽度W＝36．6 mm,基板的尺寸如图3所示。可以看到在这个贴片天线的上方设置一条金属壁，达到一条辐射边在一个贴片天线与接地面的短路平面上中断，减小了金属贴片的尺寸。采用同轴馈电，同轴馈电的馈电点位于天线靠近金属壁一侧，适当地选择馈电点的位置，馈电点的尺寸如图3所示，使天线的输入阻抗达到50 Ω。

2 天线测试及结果分析
    在软件HFSS中对天线进行仿真与优化，得到图4～图6所示的辐射方向图、史密斯阻抗圆图和回波损耗。

    从史密斯阻抗圆图可以看出天线的输入阻抗与50 Ω的同轴实现匹配。天线的辐射方向图数据(如图)显示该天线在垂直方向上达到了很好的辐射。
    天线阻抗带宽测试，测试采用Agilent E5071B网络分析仪，回波损耗S11实测值如图6点画线所示。结果表明仿真与实测值基本吻合。天线参数达到预期效果，证明了天线设计的正确性。

3 结论
    最终研制出性能优良的小型化微带贴片天线。实验结果表明，采用了1／4波长微带贴片显著地缩小了天线面积，面积由150 mm×120 mm缩减至75 mm×50 mm；经过精心的设计与优化，实现了前向辐射；天线的阻抗带宽包含了RFID工人频段(902 MHz～928 MHz)，实际测试结果与设计结果基本吻合，符合实际RFID阅读器天线要求。该天线尺寸小，结构简单，性能良好，可以广泛应用于手持UHF频段RFID阅读器的开发。