可用于手持读写器的微带天线的设计与分析

摘要：基于微带天线结构，设计了一款适用于RFID中国频段920-925Mhz的手持式读写器天线。在方形辐射贴片对角切掉两个矩形，实现良好的圆极化性能。在贴片中心开出正方形槽与贴片各边开出矩形槽来增加电流路径的实际长度，使天线小型化。在地板各边开一个十字形缝隙，增大带宽。用HFSS软件进行仿真优化分析，结果表明，该天线覆盖我国常用UHF频段（920Mhz-925Mhz，回波损耗（S11

关键词：RFID微带天线轴比回波损耗

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）07-0000-00

Abstract： Based on the structure of microstrip antenna， a handheld reader antenna for RFID of 920-925Mhz in China is designed.. Diagonal cut two rectangular radiating patch in the square， to achieve good circular polarization performance. In the center of the patch a square slot is drawn from each side of the patch to increase the actual length of the current path， and the antenna is miniaturized.. Open a cross gap in each side of the floor， increasing the bandwidth. Simulation and optimization analysis with HFSS software， the results show that the antenna covers the commonly used UHF frequency （920Mhz-925Mhz， return loss S11

Keywords： RFID；microstrip antenna；axial ratio；return loss

射频识别技术，是20世纪80年展起来的一种新兴自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。由于其传输精度高，读写速度快，保密性好，环境适应性强，无需人工干预等邮电，已经成为全世界无线通信技术中的一个研究热点，广泛地应用于生活生产中的各个领域。在RFID系统中，天线在实现数据通讯过程中起到了重要的作用，因此天线性能的好坏很大程度上影响着整个RFID系统的性能。

微带天线作为一维小型化天线，以其众所周知的低剖面，重量轻，制造成本底等颇具特色的优点，近年来在RFID天线开发应用中独占鳌头，特别是高性能圆极化微带天线在当前的应用越来越广泛。根据我国UHF频段射频识别技术应用标准，我国的UHF频段为840Mhz-845Mhz，920Mhz-925Mhz.因此根据我国国情，研究设计出中国频段的RFID天线具有很大的市场。在该频段对微带天线的研究已成为广大学者的一个研究热点.笔者在此以920Mhz-925Mhz为研究对象，设计了一款适用于手持式的微带天线。

1. 理论分析与设计

1.1同轴馈电矩形微带天线理论

微带天线的辐射机理主要是靠贴片与介质之间的微带缝隙来进行辐射，对于矩形贴片微带天线，理论上可以采用传输线模型来分析其性能，设计中我们需要分析一些参数的数值，有关参量包括：辐射元长度L，辐射元宽度w，介质厚度h，介质板的长度LG和宽度WG，介质的相对介电常数和损耗正切，以及馈电点的位置。设计天线的第一步是选择合适的介质基片，工作频率f的矩形微带天线，可以用下式设计出效率辐射贴片的宽度w，为：

1.2圆极化理论

根据腔模理论可知， 一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产生极化正交幅度相等的2个简并模， 但不能形成90°相位差。为了在简并模之间形成90°相位差， 在规则形状的单片微带天线上附加一个简并模分离单元， 使简并正交模的谐振频率产生分离。工作频率选在2个谐振频率之间。选择合适的模分离单元的大小和位置以及恰当的馈电位置是设计这种圆极化微带天线的主要内容。对于对角线上切角的矩形微带天线来说，产生圆极化的简并分离单元的大小为：

1.3 天线的设计

首先是基板材料的选择，这里我们选用最常见的FR4 Epoxy作为介质基板。文献[1]中为了实现良好的圆极化性能，设计出了一款在方形辐射贴片切掉一个非对称的矩形角的读写器天线，并利用空气作为介质，最终得到的天线尺寸为300mm*300m*4mm。为了进一步改进天线，文献[3]在以上读写器的基础上选用了FR4介质板，并且为了达到天线小型化的目标，采用曲流技术在辐射贴片中心处开了一个方形槽。地板与槽之间的储能由于槽的后向辐射被降低，导致品质因数Q减小，所以地板开槽能够降低谐振频率，提高天线带宽性能，提高增益。文献[4]中提出地板开槽也能提高增益，减小体积，因此本文也利用地板开槽这个优势对读写器进行进一步的改进。不仅缩小了天线的体积，也得到了良好的圆极化特性并且降低了回波损耗。该天线由上层中心挖方槽，四边开槽的方形辐射贴片，中间的FR4介质板，下层的四边开十字槽的方形地板组成。结构如图1所示：

2 天线的仿真与分析

按照计算得出的尺寸，我们在HFSS软件中建模。鉴于文献[3]已经对方槽边长e，介电常数，馈电距离a，切角尺寸b等参数有了详细的分析，故本文只对新增加的矩形槽u，以及地板开槽的十字形缝隙v参数进行分析。天线圆极化的一个重要指标就是天线的轴比，而天线回波损耗是衡量天线阻抗匹配，天线性能的一个重要指标。本文将着重分析两个参数对两个指标的影响。

2.1 贴片矩形槽u对天线的影响

图2（a）是随着贴片槽缝隙u的变化天线回波损耗S11的变化曲线图，可以看出S11在920Mhz-925Mhz频段基本都在-10dB以内。在u=7mm后，开始明显出现两个谐振点，接着随着u的增加S11向低频段的方向移动，谐振频率降低，符合曲流技术理论。

图2（b）是随着贴片槽缝隙u的变化天线轴比AR 的变化曲线图。可以看出，随着矩形槽u的增加，轴比曲线图有向左移的趋势。当u=7mm的时候刚好覆盖整个920Mhz-925Mhz频段。因此我们选择u=7mm作为我们的取值。

2.2地板十字槽v对天线的影响

图3（a）是随着v变化导致S11变化的曲线图，从图中我们可以明显看到随着v增大，S11不断左移，谐振点也在不断左移。但是他们的回波损耗S11在-10dB以内，因此我们可以得出结论，v的变化对于S11的-10dB带宽没有太大的影响，但是却影响谐振点频率。

图3（b）我们可以看出随着v增加天线轴比的一个变化趋势，从该趋势中可清楚的观察到v的增大导致轴比不断左移，圆极化性能也不断的变好，3dB带宽基本不变。v的增加对于回波损耗S11和轴比AR的影响趋势是一致的，因此可以通过改变v的值，使回波损耗和轴比得到一致的调节。通过仿真，我们选择v=13.5mm作为我们的最佳选择。

3 结论

根据对新增加的u， v参数仿真和分析，取得最佳值，当天线结构选择表中数值时，天线的性能最佳，从而可以得到一种适合于我国划分的UHF频段的手持式读写器天线。最终由所得的数据建模可以得到该天线各个性能参数。图5为该天线最终回波损耗与轴比曲线。从图5（a）中我们得到它的-10dB带宽为33.3Mhz，从907.9Mhz到941.8Mhz，相对带宽为3.6%，很好的覆盖了国际上划分给我国的频段920Mhz-925Mhz.同时也可观察到天线有两个谐振点，分别为914Mhz和934Mhz。天线轴比曲线如图5（b）所示，它的3dB带宽为8.6Mhz，从919.1Mhz到927.7Hhz，相对带宽为0.9%。该天线可应用于国际划分给我国的频段。同时整个天线尺寸比文献[3]中天线尺寸减小了20%。达到了UHF频段RFID天线小型化的要求。

参考文献

[1]李磊，张昕，李迎松.超高频RFID读写器天线的额设计与仿真[J].应用科技，2010，37（4）：61-64

[2]胡汝刚.UHF频段射频识别系统天线研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[3]李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].电子工业出版社，2012

[4]Lee J M. Kim N S， Pyo C S.A circular polarized metallic patch antenna for RFID reader[C]//Communications， 2005 Asia-Pacific Conference on .IEEE ，2005：116-118

[5]RFID technology and application [M].Cambridge： Cambridge University Press，2008.

[6]Kim S C， Park H， Lee D， at al. A novel design of an UHF RFID reader antenna for PDA[C]//Microwave Conference 2006.APMC 2006. Asia-Pacific. IEEE， 2006： 1471-1473.

收稿日期：2015-06-25

作者简介：杨虹（1966―），男，教授，四川蓬溪人，1988年毕业于东南大学半导体物理及器件专业，获工学学士学位，1995年8月毕业于电子科技大学电子材料与元器件专业，获工学硕士学位，现任重庆邮电大学光电学院副院长，主要从事电子科学与技术学科、微电子学与固体电子学学科科研和教学工作。