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UHF频段RFID读写器天线小型化设计摘要：RFID天线通过贴片切角、挖方形槽以及接地板开十字形缝隙的方法来减小尺寸、实现圆极化和提高天线增益，通过对参数的优化仿真最终使天线轴比接近1dB，增益达到-0.69dB，尺寸比传统天线减小了21%，满足我国UHF 频段的要求。
关键词：RFID 微带天线圆极化贴片开槽小型化中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）10-0138-02Abstract：RFID patch antenna by Cutaway，dig a square cross open ground plate groove and ways to reduce the size of the gap，to achieve circular polarization and increase the antenna gain by optimizing the parameters of the final simulation antenna axial ratio close to 1dB，gain of -0.69dB，reduce antenna size than the traditional 21% to meet the requirements of the UHF band.Key Words：RFID；microstrip antenna；circular polarization；slotted patch；miniaturization根据读写器的类型可以把读写器分为以下三种：固定式读写器、便携式读写器、手持式读写器。
对于固定式读写器而言，影响他的关键因素是如何有效地传送功率来延长电池寿命，而极化方式和读写范围并不是十分重要。
便携式读写器中的读写器天线在设计的过程中主要受到尺寸和重量的限制，因此设计出可应用于其中的轻型小型化读写器天线至关重要。
一文读懂UHF RFID天线的设计技术本文提出了一种用抗金属的超高频射频识别标签天线，该天线适用于多标准超高频射频识别系统。
射频识别（Radio Frequency IdenTIficaTIon，RFID）是一种利用无线射频方式进行非接触双向数据通信，以达到目标识别并交换数据的技术。
PC机通过RS 232接口远程控制读写器。
读写器接到命令后，通过天线发送射频命令实现对标签的操作，同时接收标签返回的数据。
电子标签靠其内部天线获得能量，并由芯片（IC）控制接收、发送数据。
国内RFID系统使用的频段主要分为低频（135 kHz以下）、高频（13．56 MHz）、超高频（Ultra High Frequency，UHF）（860～960 MHz）和微波（2．4 GHz以上）等几大类。
目前越来越多的研究聚焦在了对UHF RFID系统的研究上。
由于电磁波会被金属反射导致普通电子标签在金属表面无法被正确识别，这一缺点严重限制了其在物流行业的广泛应用，因此UHF标签天线的抗金属性成为了研究的热点和攻克的难点。
本文在分析了金属对标签天线电磁场影响作用的基础上，提出了一种成本相对较低可用于金属环境的超高频RFID无源标签天线。
该天线将环形微带与偶极子结构结合实现了在金属环境下高增益的特性。
天线面积100 mmx40 mm满足了小尺寸金属环境的要求，具有较高的性价比。
1 金属对标签天线的影响射频识别系统工作原理图如图1所示。
研究金属物体对标签天线的影响，首先要考虑天线靠近金属时金属表面电磁场的特性。
根据电磁感应定理，这时金属表面附近的磁场分布会发生畸变，磁力线趋于平缓，在很近的区域内几乎平行于金属表面，使得金属表面附近的磁场只存在切向的分量而没有法向的分量，因此天线将无法通过切割磁力线来获得电磁场能量，无源电子标签则失去正常工作的能力。
另一方面，当天线靠近金属时，其内部产生涡流的同时还会吸收射频能量转换成自身的电场能，使原有射频场强的总能量急剧减弱。
UHF频段RFID天线的小型化设计与分析一、综述随着无线通信技术的飞速发展，RFID（无线射频识别）技术已广泛应用于各个行业，从物流追踪、库存管理到门禁系统等。
特别是在UHF（超高频）频段，RFID系统的读写距离和读取速度得到了显著的提升，使其成为物联网领域备受关注的通信技术之一。
RFID系统主要由RFID阅读器（读写器）和RFID标签（电子标签）组成。
在UHF 频段，RFID阅读器和标签之间的能量传输主要依赖于天线。
传统RFID 天线由于尺寸大、损耗大等问题，在实际应用中逐渐暴露出性能不足的问题。
对UHF频段RFID天线进行小型化设计与分析显得至关重要。
天线的工作原理与性能参数：首先介绍RFID天线的基本工作原理，以及影响其性能的主要参数，如增益、驻波比、效率等。
小型化设计方案：探讨在UHF频段实现RFID天线小型化的各种途径，包括采用截断正方形贴片天线的SRR负载的超材料、开槽环谐振天线、截断正六边形贴片天线等。
同时将几种方案应用于实际中评估性能。
性能分析: 讨论在上述小型化方案中，如何优化设计以提高天线的性能，如提高方向性、减少互扰、降低损耗等，并分析这些方法在实际应用中的优势和局限性。
仿真实验与实际测试：通过使用电磁场仿真软件对小型化RFID天线进行初步设计估计，然后通过实际制作和测试对比实验数据，来验证改进方案的有效性和可行性。
_______技术简介RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术是一种基于无线射频通信的非接触式识别技术。
它通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需建立机械或光学接触。
RFID系统通常由标签（Tag）、读取器（Reader）和后端管理系统组成。
在RFID应用中，当标签进入阅读器的射频场范围内时，标签会自动激活并与读取器进行通信。
标签内包含了可编程的存储器和天线，用于存储信息、识别码以及接受命令。
读取器发送的无线电波能量会激发标签内的电路，使其能够传输存储在其中的唯一识别信息。
用于RFID系统的天线设计RFID（无线射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线电波传输信息，实现物品的自动识别和追踪。
RFID系统主要由标签和阅读器组成，而天线则是连接标签和阅读器的关键组件。
天线的设计对于RFID系统的性能和可靠性有着至关重要的影响。
RFID系统通过无线电波进行通信，通常使用的是56 MHz的频率。
标签内置天线，用于接收来自阅读器的信号，并将信号传输到芯片中。
阅读器则通过天线发送信号，同时接收来自标签的信号。
图像处理技术也常常被用于RFID系统，以识别和解析标签上的信息。
天线设计是RFID系统设计的关键部分，主要包括以下步骤：方案选择：首先需要确定天线的类型和结构，根据应用场景的不同，可以选择不同的天线方案。
参数确定：在设计过程中，需要确定的参数包括天线的频率、增益、阻抗、波束宽度等。
这些参数的计算和选择将直接影响天线的性能。
设计仿真：利用仿真软件对设计进行模拟和分析，以验证设计的可行性和性能。
实验验证：制作样品，进行实际测试，以验证设计的有效性和可靠性。
在RFID系统的天线设计中，可能会遇到以下技术难题：阻抗匹配：天线与标签和阅读器之间的阻抗匹配是影响信号传输的重要因素。
如果阻抗不匹配，将会导致信号传输效率降低，甚至无法传输。
信号噪声比较：在复杂的电磁环境中，信号可能会受到各种噪声的干扰，如何提高天线的信噪比是一个关键问题。
针对以上技术难题，以下是一些可能的解决方案：采用全向波瓣天线或圆形天线：这些类型的天线具有较好的阻抗匹配特性，可以有效提高信号传输效率。
优化天线结构：通过改变天线的结构，可以改善天线的电气性能，减少信号噪声的影响。
使用滤波技术：滤波技术可以有效地抑制噪声，提高信号的信噪比。
天线设计在RFID系统中具有至关重要的地位。
正确的天线设计可以保证RFID系统的高性能和可靠性，进而广泛应用于供应链管理、门禁系统、支付系统等领域。
本文介绍了RFID系统和天线的基本原理、设计流程以及可能遇到的技术难题和解决方案。
UHF阅读器天线的设计（天线的参数）董湘麟RFID在UHF频段的读写器天线⼀般具有平⾯天线的特点，阅读器——天线的平⾯化，⼩型化决定了天线要尽量薄，结构要紧凑，性能要⾼，同时⾯市时间和成本均给天线设计⼯程师带来了挑战。
UHF阅读器天线的设计的两个主要条件是：1.电⽓性能； 2.机械特性。
本⽂只探讨UHF阅读器天线的电⽓性能。
UHF阅读器天线的电性能：(1)带宽这也是⼀个重要但容易被忽略的问题。
天线是有⼀定带宽的，这意味着虽然谐振频率是⼀个频率点，但是在这个频率点附近⼀定范围内，这付天线的性能都是差不多好的。
这个范围就是带宽。
我们当然希望⼀付天线的带宽能覆盖⼀定的范围，天线的带宽和天线的型式、结构、材料的介电常数都有关系。
⼀般来说，材料的介电常数越低，带宽越宽；反之天线增益越⾼，带宽越窄。
图1：谐振于900MHz偶极⼦天线的等效电路 (a) 图上部天线谐振于（λ / 2 ），（b）图下部天线谐振于（λ / 8 ）BW（GHz）=————2πLantWB：GHz , Rrad：Ω, Lant：nH。
当偶极⼦天线物理尺⼨是16cm,谐振于900MHz（λ / 2），如图1等效电路其带宽为：65BW（GHz）≈———— ≈0.17=170MHz2π(60)这是涵盖国际上⼤多数国家在UHF频段使⽤的带宽（860-960MHz）。
(2)(2)阻抗天线可以看做是⼀个谐振回路。
⼀个谐振回路当然有其阻抗。
我们对阻抗的要求就是匹配：和天线相连的电路必须有与天线⼀样的阻抗。
和天线相连的是馈线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线⼀样。
RFID UHF天线系统使⽤50Ω阻抗的馈线。
在阅读器RF连接器与天线通过馈线连接之前，需要有⼀定的⼿段来做阻抗变换，称为平衡不平衡转换。
平衡对称的天线是平衡的，如偶极天线、⼋⽊天线，⽽同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来BW（GHz）=————2πLantWB：GHz , Rrad：Ω, Lant：nH。
超高频标签天线快速设计标签天线设计指标与结构分析本论文所设计的天线就小型化，结构简单易加工，与相应的标签芯片共轭匹配，并且保持天线各项性能完全达到指标。
标签天线设计指标：1、天线阻抗与选用芯片阻抗共轭匹配；2、工作频带为920MHz，带内驻波比低于2；3、线极化，带宽内增益不低于2dBi，具有全向辐射特性；4、小尺寸，结构紧凑。
设计了如下标签天线，如图5.1所示：L1L2图5.1简易天线的结构天线结构介质基底所采用的为FR4材质，介质尺寸32×32(mm2)介电常数ε是4.4，厚度为0.4mm，损耗是0.02，芯片尺寸0.2mm*0.2mm，天线整体尺寸为2π⨯(mm3),弯折偶极子天线的参数尺寸如表5-1所示：12.50.4表5-1天线尺寸详细对照表天线的实物图如图5.2以及天线接上测试架的实物图，天线和测试架之间通过导电银胶粘连进行测试，如图5.3所示：图5.2 实物天线图5.3接上测试架的天线标签天线仿真及测试结果的分析本论文使用HFSS作为本文天线的仿真软件，以及测试所采用的仪器是安捷伦E8357A矢量网分仪，双端口S参数测试方法，以及设计标签天线依据的是IT 公司研发的UI型超高频RFID标签芯片。
测得该芯片在920MHz的阻抗约为1.9j198.4-Ω，标签天线的仿真结果和实际测试分析如图5.4所示，标签天线输入阻抗的虚部，位于谐振频率附近时，相对平坦，可以让标签天线与标签芯片在较宽的频段内实现共轭匹配，标签天线仿真的阻抗在920MHz 时阻抗约为1.87j 197.13+Ω，实测标签天线频率在920MHz 时的阻抗为2.07j 196.30+Ω，S 11相比于仿真结果，谐振频率向左偏移了2MHz 左右，不影响天线的实际应用，实测结果和仿真结果近似，能达到和芯片实现共轭匹配。
11S 用来描述标签天线和芯片间阻抗匹配程度，11S 如图5.5所示：输入阻抗Freq(MHZ)S 11(d B )Freq(MHZ)图5.4实测和仿真输入阻抗对比图 图5.5 S11实测和仿真数据对比图V S W RFreq(GHZ)图5.6 电压驻波比VSWR图5.4和图5.6反应了标签芯片和天线的阻抗匹配状况，由实测图的结果可以得天线在谐振频率918MHz处的回波损耗为-25.34dB，由图5.6得电压驻波比为1.107(1<VSWR<1.5)，由电压驻波比的值可以推算近97%的能量可以辐射出去，符合天线设计的要求。
适用于UHF频段上的RFID读写器天线设计基于RFID系统对天线的要求，提出了一种适用于UHF频段上的RFID读写器天线。
该天线采用背馈馈电方法，通过在分形结构上采用非对称矩形切角来实现天线的小型化和圆极化。
利用电磁仿真软件分析了天线性能，仿真与测试结果吻合良好。
无线射频识别(RadioFrequencyIdentifICation，RFID)是一种借助于电磁波传播和感应而进行的自动识别技术，该技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，被列为21世纪十大重要技术之一。
目前已广泛应用于物流管理、动物识别和电子收费等领域。
无源UHFRFID技术具有工作距离远和数据传送速度快等特点，被认为是最具有应用前景的RFID技术。
在UHFRFID系统中，天线性能的高低直接影响系统的识别距离，是一个非常重要的器件。
随着UHFRFID技术的发展，小型化、高增益、低成本的天线越来越受关注。
在众多可适用于UHFRFID系统阅读器的天线中微带贴片天线因其结构简单、便于加工制作而被更多的研究和应用。
传统的矩形微带贴片天线尺寸为谐振频率的半波长，天线的尺寸受到严格的限制。
可以通过提高介质基片介电常数、加载短路探针、加载缝隙等方法实现贴片天线尺寸的减小，但是天线的性能会受到很大的影响，尤其是天线的增益和带宽。
本文在这样的背景下设计了一款小型化、高增益微带天线。
该天线基于Minkowski分形结构，并在其基础上通过矩形切角来实现圆极化，满足UHFRFID系统对天线的要求。
该微带分形天线的中心工作频率为915MHz，增益最大可以达到6.15dBi，-10dB阻抗带宽为905～930MHz，物理尺寸为140mm×140mm。
仿真结果和测试结果吻合较好，从而验证了本文设计的正确性。
1天线的设计分形结构通常是按照一定的分形因子对初始单元进行自相似迭代生成的，初始单元决定了分形图形的框架，分形因子决定了分形图形的内部结构。
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。
Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2019, 9(1), 20-28Published Online February 2019 in Hans. /journal/hjwchttps:///10.12677/hjwc.2019.91004Design of UHF RFID Reader Antenna Basedon Fractal StructureGuanping Fan, Guanmao Zhang*, Litao Qiao, Yunfei Yan, Panpan Ren, Shuo YangInstitute of Optoelectronics & Electromagnetic Information, School of Information Science and Engineering, Lanzhou University, Lanzhou GansuReceived: Jan. 30th, 2019; accepted: Feb. 14th, 2019; published: Feb. 21st, 2019AbstractIn this paper, a kind of RFID reader antenna, which is based on the fractal structures, is designed to work in UHF band. The antenna works in China’s RFID standard frequency band (920 MHz - 925 MHz). The antenna is designed in microstrip patch, using FR-4 material as substrate, and it is fed with the commonly used 50 Ω coaxial line to form a good impedance match. Two types of the frac-tal structure, Minkowski and Koch, are used in the design of the antenna to achieve the miniaturi-zation of the target antenna with the volume of 100 × 100 × 1.6 mm3. The measured results of the proposed antenna are matched very well with the numerical simulation results. The antenna’s impedance bandwidth (S11 < −10 dB) is 11 MHz and the bandwidth of the voltage standing wave ratio (VSWR < 2) is 13 MHz, which covered the UHF RFID standard band.KeywordsAntenna, Fractal Structure, Compact Design, RFID Reader, UHF Band基于分形结构的UHF RFID阅读器天线设计范观平，张冠茂*，乔利涛，闫云菲，任盼盼，杨硕兰州大学信息科学与工程学院光电子与电磁信息研究所，甘肃兰州收稿日期：2019年1月30日；录用日期：2019年2月14日；发布日期：2019年2月21日摘要基于分形结构设计了一种工作于UHF频段的RFID阅读器天线，其工作频段覆盖了中国的RFID标准频段*通讯作者。
