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隨著(zhù)被動(dòng)式UHF頻段RFID系統在物流供應鏈、倉儲和零售存儲管理中被大量采用，手持式RFID閱讀器單元的研究與設計變得越發(fā)重要。對手持式閱讀器單元的主要要求有尺寸小、重量輕、電池壽命長(cháng)和對于特定的應用有合適的閱讀范圍。另外，也要考慮到閱讀器單元對標簽閱讀方向性方面的問(wèn)題。 被動(dòng)式UHF頻段RFID系統使用電磁波通過(guò)閱讀器與標簽間的耦合進(jìn)行通信。圖1顯示了被動(dòng)式UHF頻段RFID系統。閱讀器發(fā)射連續波(Continuous Wave，CW)信號給標簽來(lái)激活標簽的芯片，然后向標簽發(fā)射命令信號，標簽通過(guò)背向反射其相應的識別碼來(lái)進(jìn)行通信。標簽芯片沒(méi)有內部電源，所以其所有需要的能量都來(lái)自于閱讀器通過(guò)天線(xiàn)所發(fā)射的電磁波。 RFID閱讀器的發(fā)展越來(lái)越傾向小型化、便攜化。UHF頻段的RFID系統工作頻率在900 MHz左右，傳統形式的天線(xiàn)對于手持RFID系統來(lái)說(shuō)太大，閱讀器天線(xiàn)在閱讀器的尺寸中占據越來(lái)越大的比例。在保持天線(xiàn)性能的前提下，閱讀器天線(xiàn)的尺寸縮減難度遠遠大于閱讀器電路，因此天線(xiàn)尺寸的小型化，成為目前RFID閱讀器天線(xiàn)研究的趨勢。 UHF頻段RFID系統工作對天線(xiàn)主要的要求有：在VSWR由于微帶天線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單，易于制造，成本低的優(yōu)良特性，UHF頻段RFID閱讀器的天線(xiàn)一般選用微帶天線(xiàn)類(lèi)型。所以本文主要基于微帶天線(xiàn)來(lái)研究UHF頻段RFID閱讀器的天線(xiàn)的小型化。 1 射頻識別閱讀器天線(xiàn)小型化設計 1．1 微帶貼片天線(xiàn) 下面通過(guò)經(jīng)典的微帶天線(xiàn)設計理論，簡(jiǎn)單分析矩形微帶天線(xiàn)的工作原理。微帶貼片天線(xiàn)是由一層或多層厚度遠小于波長(cháng)(大約十幾分之一波長(cháng))的介質(zhì)層和覆蓋其上下兩面的金屬接地板以及輻射元(尺寸可以和波長(cháng)相比擬)構成。輻射元形狀多種多樣，常見(jiàn)的如方形、矩形、圓形等。矩形微帶天線(xiàn)的形狀如圖2(a)所示，假設電場(chǎng)沿貼片寬度與介質(zhì)板厚度方向沒(méi)有變化，僅沿貼片的長(cháng)度(約二分之一波長(cháng))方向變化，則輻射基本上是由貼片的兩開(kāi)路端縫隙產(chǎn)生，此時(shí)矩形微帶天線(xiàn)可看成是相距二分之一波長(cháng)同相激勵并向地板以上半空間輻射的二元縫隙陣對于有較高效率的輻射器，當介質(zhì)基片厚度為h，天線(xiàn)工作頻率為fr，相對介電常數為εr時(shí)，根據文獻中公式，可以得到其實(shí)用寬度及諧振單元長(cháng)度。假設選用介電常數εr為2．5，厚度h=5 mm，可以得到該微帶天線(xiàn)的尺寸寬W至少約為101 mm，長(cháng)L約為124 mm，再加上基板的沿伸長(cháng)度，大約增加20％，所以得到的尺寸約為120 mm×150 mm，占用了較大的面積，很不利于閱讀器天線(xiàn)的集成。用高介電常數材料的貼片天線(xiàn)可能是最明顯的削減貼片導體尺寸的方法。其主要制約是減小了帶寬及效率。使用高介電常數材料的成本也是一個(gè)限制因素，盡管近來(lái)已有一些低成本的高介電常數陶瓷材料可使成本控制在一定范圍內。但是使用這些材料的高損耗因數會(huì )明顯降低印制天線(xiàn)的輻射性能。以下給出一種有效減小微帶貼片天線(xiàn)尺寸的方法，進(jìn)行設計并給出實(shí)驗結果。 1．2 1／4波長(cháng)貼片夭線(xiàn) 根據以上對微帶天線(xiàn)原理的分析，工作于主模的矩形微帶天線(xiàn)其內場(chǎng)分布在L／2處，該處為電場(chǎng)的零點(diǎn)，在該處將上貼片與地導通不影響內場(chǎng)分布，然后將其中的一半舍去即構成1／4波長(cháng)貼片天線(xiàn)，一種用于削減貼片天線(xiàn)尺寸的技術(shù)。它的一條輻射邊在一個(gè)貼片天線(xiàn)與接地面的短路平面上中斷了。類(lèi)似于偶極子線(xiàn)天線(xiàn)和單極子線(xiàn)天線(xiàn)之間的關(guān)系，短路平面起著(zhù)鏡像的作用，有效地使貼片導體尺寸減半。 折中貼片的尺寸和所需要的帶寬、輻射效率等因素，選擇合適的板材，適當提高介質(zhì)的介電常數以削減貼片導體尺寸，采用FR4基板，相對介電常數4．5，損耗角正切值為0．002 6，板厚5 mm，銅膜厚度為0．05 mm。天線(xiàn)結構如圖3所示，輻射貼片長(cháng)度L大約是介質(zhì)波長(cháng)的1／4，即L≈λ／4，λ為介質(zhì)波長(cháng)，經(jīng)過(guò)HFSS(High Frequencv Structure simulator)的仿真分析，使諧振點(diǎn)達到915 MHz，選擇貼片長(cháng)度L=46．1 mm，輻射貼片寬度W＝36．6 mm,基板的尺寸如圖3所示�？梢钥吹皆谶@個(gè)貼片天線(xiàn)的上方設置一條金屬壁，達到一條輻射邊在一個(gè)貼片天線(xiàn)與接地面的短路平面上中斷，減小了金屬貼片的尺寸。采用同軸饋電，同軸饋電的饋電點(diǎn)位于天線(xiàn)靠近金屬壁一側，適當地選擇饋電點(diǎn)的位置，饋電點(diǎn)的尺寸如圖3所示，使天線(xiàn)的輸入阻抗達到50 Ω。 2 天線(xiàn)測試及結果分析 在軟件HFSS中對天線(xiàn)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，得到圖4～圖6所示的輻射方向圖、史密斯阻抗圓圖和回波損耗。 從史密斯阻抗圓圖可以看出天線(xiàn)的輸入阻抗與50 Ω的同軸實(shí)現匹配。天線(xiàn)的輻射方向圖數據(如圖)顯示該天線(xiàn)在垂直方向上達到了很好的輻射。 天線(xiàn)阻抗帶寬測試，測試采用Agilent E5071B網(wǎng)絡(luò )分析儀，回波損耗S11實(shí)測值如圖6點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)所示。結果表明仿真與實(shí)測值基本吻合。天線(xiàn)參數達到預期效果，證明了天線(xiàn)設計的正確性。 3 結論 最終研制出性能優(yōu)良的小型化微帶貼片天線(xiàn)。實(shí)驗結果表明，采用了1／4波長(cháng)微帶貼片顯著(zhù)地縮小了天線(xiàn)面積，面積由150 mm×120 mm縮減至75 mm×50 mm；經(jīng)過(guò)精心的設計與優(yōu)化，實(shí)現了前向輻射；天線(xiàn)的阻抗帶寬包含了RFID工人頻段(902 MHz～928 MHz)，實(shí)際測試結果與設計結果基本吻合，符合實(shí)際RFID閱讀器天線(xiàn)要求。該天線(xiàn)尺寸小，結構簡(jiǎn)單，性能良好，可以廣泛應用于手持UHF頻段RFID閱讀器的開(kāi)發(fā)。 |
