一种小型化RFID标签天线的仿真设计

一款工作在2.45 GHz 的小型化 RFID 标签天线赵祺;廖同庆;吴昇【摘要】A kind of RFID tag antenna which works in 2.45 GHz frequency was designed based on the cavity model theory .In this paper ,the straight edge was replaced with jagged edges to miniaturize the antenna ,and then the jagged edges were replaced with arc edge to make further optimization . T he simulation results demonstrated that all the antenna performance indexes could meet the design requirements .The test results showed that the method in this paper was correct and feasible .%基于腔膜理论设计一款工作于2.45 GHz的RFID标签天线．采用锯齿形边缘替代直线形边缘实现天线的小型化，然后采用圆弧形边缘代替锯齿形边缘对天线进行优化．仿真结果表明该天线的各项性能指标均满足设计要求，测试结果证实了该文方法正确、可行．【期刊名称】《安徽大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P56-60)【关键词】射频识别;微带天线;腔膜理论;小型化;圆弧形边缘【作者】赵祺;廖同庆;吴昇【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230009;安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230009;安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230009; 合肥师范学院计算机系，安徽合肥 230601【正文语种】中文【中图分类】TP212近年来,射频识别(radio frequency identification,简称为RFID)技术迅猛发展,广泛运用于电信、交通、农业、医疗等行业．RFID技术能简化生产流程、实现流程的自动化、节省劳动成本．作为RFID标签的重要组成部分,标签天线也就成了当前研究的热点[1]．同时,随着RFID标签体积的不断减小,对天线的小型化也提出了更高的要求．微带天线是20世纪70年代发展起来的一种新型天线,具有体积小、重量轻、成本低、易集成、结构牢固、工艺简单、电性能多样化等优点,适合大规模生产．但是,微带天线也存在频带较窄、效率偏低、损耗大等缺点,这些缺点是天线设计者需要克服的难题[2-4]．作者基于腔模理论,拟设计一款工作在2.45 GHz的RFID标签天线,并通过优化设计使其具有宽频带、高增益、小型化等特点．根据腔模理论可得边长为a的等腰直角三角形贴片天线(见图1)的谐振波数的计算公式[5]为其中:由(1)式可得天线工作在Tmn模时的谐振频率为对于等腰直角三角形贴片天线而言,其主要工作模式是最低阶谐振模TM10和TM01,其谐振频率为介质板选用电路中常用的材料FR-4(介电常数εr为4.4,板厚为1.6 mm),天线直角边a的尺寸为41.23 mm,但该天线尺寸过大,需小型化处理．图2为天线的基本结构．可以采用如图2a所示锯齿形边缘替代直线形边缘,以保持电流流经路径长度不变[6-8],进而实现天线的小型化．使用ADS(advanced design system)软件[9]对小型化的天线进行处理后,得到的天线各部分尺寸如表1所示．再使用ADS对天线进行初步优化,得到的天线版图如图3所示．天线的S11曲线如图4所示．由图4可知,该天线中心频率2.467 GHz处的反射损耗为-24.386 dB,-10 dB时的绝对带宽为251 MHz(2 351~2 602 MHz)、相对带宽为10.24%．可见,中心频率处的反射损耗偏大,绝对带宽较窄,还需要对模型进行优化．中心频率为2.45 GHz时天线的电流分布如图5所示．由图5可知,高频电流主要集中在贴片锯齿边缘．对于高频电流来说,在靠近斜边折线拐角的部位,较高的磁通密度和电场强度会辐射出较强的电磁波,从而产生附加的电容和电感,使得阻抗不连续,造成电磁辐射[10]．根据上述分析,若采用相切的圆弧形边缘代替锯齿形边缘,可有效减小电流在贴片边缘拐弯处的突变,从而改善天线的性能．进一步优化后的天线版图如图6所示．进而仿真得到优化后的S11曲线如图7所示．与图4相比,天线中心频率2.495 GHz 处的反射损耗由-24.386 dB减小到-37.478 dB,-10 dB时的绝对带宽由251 MHz 增加到301 MHz(2 342~2 643 MHz)、相对带宽由10.24%提高到12.29%．图8为优化后的天线的增益随角度变化的关系曲线,由图8可见优化后的天线获得了较好的增益．根据仿真结果,加工制作的天线如图9所示．天线S11的测量结果如图10所示．由图10可知,天线中心频率为2.47 GHz,中心频率处的反射损耗为-29.564 dB,反射损耗小于-10dB时天线的工作带宽为2.348～2.625 GHz,绝对带宽为277 MHz、相对带宽为11.3%,满足设计要求．作者基于腔膜理论设计了一款工作在2.45 GHz的小型化RFID标签天线,给出了天线的模型及其设计依据,并得到天线的S11曲线和中心频率处的电流分布等．为了减小贴片斜边折线处的电流突变,以圆弧代替锯齿形边缘对天线进行优化．仿真结果表明优化后天线的性能得到了很大提升，完全满足设计要求．测试结果与仿真结果的一致性,证实了仿真的准确性和设计方案的可行性．CLC number:TP212.9 Document code:A Article ID:1000-2162(2015)03-0061-07【相关文献】[1] 张倩.基于空间映射算法的平面微带天线阵列研究[D].成都:西南交通大学电子与信息工程学院,2012.[2] 李晓东.应用于WLAN和WiMAX的双频带印刷天线设计[J].电子科技,2013,26(10):142-143.[3] 孙江涛,杨雪霞,盛洁.易于有源集成的圆极化微带天线[J].应用科学学报,2008,26(2):167-170.[4] 郭晓栋,吴多龙,李瑞,等.一种GNSS双频圆极化天线的设计[J].现在电子技术,2011,34(1):104-106.[5] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.[6] 徐刚,唐传祥,孟凡宝,等.基于Taguchi算法的双层贴片宽带天线优化方法[J].电波科学学报,2009,24(6):1060-1061.[7] 邓力.宽频天线小型化设计理论及圆极化微带天线研究[D].北京:北京邮电大学电子工程学院,2010.[8] 林逸群,牛臻弋,顾长青.一种用于毫米波相控阵的单馈点方形切角贴片天线[J].航空兵器,2009(5):47-49.[9] Jeangerorges M,Staraj R,Luxey C,et al.Antenna miniaturization and integration in a 2.4 GHz system in package[J].Antennas and Propagation,2010,4:1-4.[10] Zhang H L, Xin H.A dual-band dipole antenna with intergrated-balun[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,57(3):786-789.。

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。

915MHz的微带天线，基于RFID的小型天线射频识别(RadioFrequencyIdenTIficaTIon，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915MHz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。

1RFID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：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、915MHz2.45GHz、5.8GHz，本文设计并仿真的天线为915MHz。

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。

对现有微带结构的抗金属标签天线进行小型化改进设计详解0 引言射频识别（Radio Frequency IdentificaTIon，RFID）［1］是一种非接触的近距离自动识别技术，其基本原理是利用射频信号或电磁场耦合的能量传输特性，实现对物体的自动识别。

RFID技术具有抗干扰能力强、存储信息量大、非接触、使用寿命长、可多标签识别、响应速度快等特点。

RFID系统已经被广泛应用在公共交通、人员身份识别、车辆管理、自动收费、门禁管理等领域。

无源RFID系统通常分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）系统，由读写器、标签、天线3个基本要素构成，在设计RFID系统时，必须考虑RFID系统所处的背景环境。

文献［2］-［4］分析了复杂环境下，无源UHF电子标签天线的读写性能，在不同环境下标签的读写性能会受到影响，尤其是当标签贴附于金属表面时，标签几乎不被读取。

文献［5］分析了金属对标签天线的影响原因，并采用垫高型标签来克服金属的影响，利用金属对电磁波的反射来加强标签的读取性能，但是天线尺寸较大，天线性能不理想。

文献［6］采用矩形微带贴片切角和电容耦合馈电技术来实现微带天线的圆极化、宽频带特性。

本文通过对端口封闭式小型微带天线［7］的研究，对辐射贴片加载短路片，并采用高性能的微波介质陶瓷［8］作为介质基片，在牺牲较少增益的前提下，可以对现有的抗金属天线［9］进行尺寸缩减，并获得良好的匹配性能。

标签芯片采用的是EM4235型号的UHF-RFID标签芯片，该芯片在中心频率为920 MHz的阻抗为18-j178 Ω。

1 抗金属标签结构及实现传统的矩形微带天线贴片与接地板之间的场具有以下特点：（1）电场只有Ex分量，磁场只有Hx和Hy分量，即微带天线辐射沿z轴方向的TM波；（2）内场不随z坐标变化；（3）四周边缘处电流无法向分量，即边缘处切向磁场为零，故空腔四周可视为磁壁。

文献［7］通过将天线空腔的一个端口用铜箔封闭，如图1所示，介质上表面覆盖辐射贴片，辐射贴片长为L，宽为W。