基于RFID的小型天线的设计

摘要：915MHz频段是RFID常用的频段之一，本文设计了一款该频段下工作的RFID天线，并借助ANSOFT HFSS计算软件对天线系统进行了仿真分析，通过对贴片以及接地板开槽，使天线在保持高增益的情况下，在更宽的频带上具有更好的稳定性，同时也减小了天线的尺寸，使天线整体性能更加完善。
关键词：微带天线；缝隙耦合；RFID；开槽

    射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，近年来随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展．RFID已进入商业化应用阶段，其应用规模也快速增长。一个RFID系统包括RFID读写器、RFID标签和软件3大组成部分。所采用的天线主要分为标签天线和读写器天线两种。标签天线是RFID系统中最易变的部分，并且其设计面临着小型化、低损耗和低成本的实际要求，所以优化设计标签天线在整个系统中占有重要地位。
    微带天线以其体积小，重量轻，低剖面，易于加工以及电路继承性能优越等优点在通信领域得到了广泛的应用。随着RFID技术的发展，对天线的尺寸要求越来越高，微带天线尺寸小，性能优越，因此，国内外学者对其的小型化，宽频，高增益等技术进行了大量细致而深入的研究。但天线尺寸上的变化对天线性能影响巨大，天线性能会随自身尺寸的减小而变差，因此作为设计者，要在天线的各项参数中权衡最优方案，以达到设计目的。
    文中设计了一款915 MHz的微带天线并对其进行了结构优化，通过对贴片以及接地板开槽，完善了天线整体的参数性能，最终改进了天线的带宽，增益，尺寸。

1 RFID天线特性
   在RFID系统中，一般包含阅读器天线和标签天线。典型的工作频率有：125 kHz、133 kHz、13．56 MHz、27．12 MHz、433MHz、915MHz 2．45 GHz、5．8 GHz，本文设计并仿真的天线为915 MHz。射频识别阅读器必须通过于阅读器天线来发射带有数据信息的电磁波，进而通过对该电磁场对电子标签进行识别。所以，RFID天线要求低剖面，低成本，小型化等，有的领域还要求有多频特性。随着射频识别技术的发展，RFID天线也向着多功能、智能天线等方向发展。决定RFID天线性能的参数主要有天线的输入阻抗，驻波比，回波损耗，增益以及波瓣的宽度。

2 915 MHz RFID天线设计
    微带天线的辐射机理，实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变，弯折等不连续处也会产生电磁辐射。当频率较低时，这部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏少，但随着频率的升高，电尺寸增大，泄漏也就越大。再经过特设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。如图1，图2所示，依据微带天线的设计理论，本文设计了下面这款天线，该天线采用FR4环氧树脂板，介电常数为4．4，介质厚度h为5 mm，介质板边长L1=120 mm，辐射贴片边长L2=80 mm，采用同轴线馈电。

    从图1，图2可以看出，天线的频带过窄，同时，阻抗匹配的效果不好，天线辐射功率会受到巨大的影响。

3 天线的改进分析
    微带天线优化的方法可以概括为以下几点 微带贴片开槽：微带天线的表面电流分布依赖于贴片的几何结构，通过在贴片表面开槽，使原来的等效谐振电路变为双谐振电路，达到展宽天线频带的目的，而且电流的有效路径变长，贴片谐振频率降低，有利于天线的小型化。为了在增益、尺寸、带宽方面折衷考虑，本文对于贴片形状进行了改进，采用在贴片边缘开槽的方法，使得天线性能得到了很大的提升。
    微带接地板开槽：通过在接地板上开槽也可以对天线的性能进行一定的改善。
    切角：在辐射贴片上进行切角可以是天线变为圆极化天线。
    馈点：由于采用的是背馈方式，馈点的选择决定了天线的阻抗匹配。

4 改进后天线分析
    图3，图4为优化后的天线模型。

    通过多次仿真，可以观察到，切角边长，开槽宽度以及馈点位置对天线性能影响较为明显。从图5可以看出天线带宽随切角边长变化改变，图6，8显示，中心频点随开槽宽度和中心圆半径增加向高频方向移动，如图7，可以很明显的看出，馈点位置主要影响阻抗匹配和天线增益。

    最终，通过结构性优化，天线参数如表1所示。

    优化后仿真结果如图9～11所示。
    从仿真结果不难看出，天线阻抗匹配很好，基本达到50 Ω，天线中频准确定位在915 MHz，带宽明显增加，由方向图可以看出，后瓣由于接地板开槽已被消除殆尽。作为后续研究的方向，可以再对介质层的尺寸进行尝试性的缩小，从而达到进一步小型化的目的。

5 结束语
    在详细分析研究微带天线后，自主设计了一款915 MHz频段的读写器微带天线，并对该天线进行了开槽改进，对于开槽的位置、尺寸进行了详细的阐述，从而可在增大带宽和实现小型化方面，使天线性能得到提升，最终实现了一款性能优越的915 MHz频段RFID读写器微带天线。从仿真结果来看，天线匹配良好，天线性能优越，完全符合读写器的工作要求。