手持RFID讀寫器微帶天線的小型化設計*

張 莉，趙軍軍，王善進

(1.惠州學院電子科學系，廣東惠州516007;2.江蘇豪森醫藥研究院有限公司，江蘇連云港222002 3.東莞理工學院電子工程學院，廣東東莞523808)

電子信息產品的設計朝著小型化方向發展是現實的迫切需求。在RFID系統中，手持讀寫器，因為空間有限，為了做到小型化，其天線的小型化設計顯然是關鍵的步驟之一。眾所周知，微帶天線以體積小、剖面低、結構簡單、易于與其它電路集成、成本低和容易實現圓極化等優點而受到廣泛的關注［1-3］，在眾多的超高頻與微波通信系統中，微帶天線得到了廣泛的使用，RFID系統也不例外。

為了有效地接收和輻射電磁波，天線的物理尺寸與信號的波長需滿足一定的關系。在我國，RFID系統的工作頻率為915 MHz，一般情況下天線的物理尺寸不可能做得很小。為了實現讀寫器的小型化，就必須對微帶天線進行特殊的小型化設計。

根據微帶天線的相關理論，其小型化設計的途徑包括:增加介質基板的介電常數，或在天線金屬貼片和接地板間加載短路面、短路片或者短路銷釘，或在天線的輻射貼片上開槽或者切縫，達到延長天線表面激勵電流的曲流技術，或者在接地板上開槽，其作用與天線輻射片上開槽具有一樣的曲流效果，還有采用平面倒F以及平面倒L結構和采用分形結構等等。開槽和切縫的本質是通過延長天線微帶輻射貼片上表面激勵電流的等效路徑來達到縮小天線尺寸的目的。文獻［4-8］對各種微帶天線的小型化設計技術作了一些論述和介紹，討論了天線的相關物理參數對天線性能的影響。本文基于上述的設計理念，給出了一款工作頻率為915 MHz，適用于RFID手持讀寫器的新型小型化微帶圓極化天線的設計方法，該天線通過在天線的微帶貼片中心、四邊及接地板上開槽，輻射貼片上加載高介電常數介質基板的方法，有效地縮小了微帶天線的尺寸，其大小較常規相同工作頻率的微帶天線的尺寸縮小達32%。通過HFSS仿真表明，該天線-10 dB阻抗帶寬為0.88 GHz～0.93 GHz，尺寸為66 mm ×66 mmm×5 mm，滿足了RFID手持讀寫器的小型化要求。

1 基本理論

在微帶天線的正方形貼片的兩個對角上切去兩個三角形，可以實現圓極化，如圖1(a)所示。貼片的四邊切出四條與邊垂直的窄縫，同時天線貼片的中心，還切開了一塊正方形的縫隙。這些縫隙可以起到延長貼片表面電流路徑的作用，從而降低了天線的諧振頻率。對某一固定的頻率來說，在天線貼片的四邊上切出縫隙，能起到縮小天線的尺寸作用。天線的接地板的四邊，也切開了四條垂直于四邊的“Y”形窄縫，見圖1(b)所示。在天線的貼片上開縫，會降低天線之增益，但這些增益損失可以通過在貼片上疊加高介電常數ε1的介質基板來補償［6］，如圖2所示。

圖1 微帶天線結構示意圖

圖2 微帶天線結構側視圖

微帶天線可等效為一個半波輻射結構，基本的工作模式是TM10或TM01。對矩形微帶天線而言，采用薄基片(h＜＜λg)的矩形微帶天線，其諧振頻率可由下式近似得出:

式中，c是真空中的光速，L是矩形貼片的長度，εr是基片材料的相對介電常數?？梢钥闯?，天線之諧振頻率與尺寸L成反比，也就是說，如果能設法延長天線表面電流的長度，就可能獲得更低的諧振頻率;反之，對一個固定頻率而言，通過這種方法設計的天線，便能降低天線的物理尺寸。

2 仿真設計

2.1 切角大小對回波損耗的影響

微帶天線介質基片的大小為85 mm×85 mm貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，縫隙長度9 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，利用HFSS建模仿真，改變貼片兩切角的尺寸，得到天線的回波損耗如圖3所示由圖可見，天線的帶寬會隨著切角尺寸p變大而變寬，但當切角尺寸等于10mm時，S11曲線中心凸起回波損耗指標變差。曲線提示在一定范圍內，貼片切角不僅可以產生圓極化，而且可以用來調整天線的帶寬。

圖3 改變貼片切角尺寸p對S11的影響

2.2 改變饋電位置對回波損耗的影響

保持微帶天線介質基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，縫隙長度9 mm，貼片中心正方形縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，利用HFSS建模仿真，改變同軸線饋電的位置，得到天線的回波損耗如圖4所示。曲線顯示，雖然天線的-10 dB阻抗帶寬基本保持不變，但每種情況下工作頻段內的回波損耗有所不同，表明通過調整饋電位置，可獲得比較優化的天線駐波比，從而提高天線的性能。

圖4 改變饋電位置Df對S11的影響

2.3 改變貼片中心正方形縫隙大小對回波損耗的影響

保持微帶天線介質基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，縫隙長度9 mm，貼片中心正方形縫隙的尺寸由16 mm×16 mm變到26 mm×26 mm，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖5所示。這些曲線說明，隨著貼片中心的切口變大，天線的工作頻帶逐步下移，這就是說對某固定頻率而言，可以采用加大輻射貼片中心正方形縫隙的方法，來實現天線的小型化設計。但可以預見的是，隨著貼片上縫隙的增大，天線的輻射增益必然會受到損失。同時，曲線也提示，隨著貼片中心縫隙的增大，天線的-10 dB阻抗帶寬也逐步變窄了。

圖5 改變貼片中心正方形縫隙尺寸S對S11的影響

2.4 改變貼片四邊縫隙長度對回波損耗的影響

保持微帶天線介質基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，貼片中心正方形縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，四邊縫隙長度由6 mm變到12 mm，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖6所示。這些曲線的顯著特點是，隨著縫隙長度的加大，天線的工作頻段不斷下移，表明增長縫隙的長度，可以獲得更小尺寸的天線;也可以通過調整縫隙的長度來間接調整天線的工作頻帶，以滿足實際工程的需要。

圖6 改變四邊上的縫隙長度L對S11的影響

2.5 改變接地板上四邊縫隙長度對回波損耗的影響

保持微帶天線介質基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，縫隙長度9 mm，改變接地板上縫隙的尺寸大小，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖7所示。改變接地板上縫隙的尺寸，最明顯的作用就是拓寬了天線的工作帶寬，同時整個頻段有一定的下移。導致這個現象的原因，或許是微帶天線接地板上開縫，引起了一些電磁波能量的反向泄漏，從而降低了天線的Q值，導致了帶寬的加大。

圖7 改變地板上縫隙長度Lb對S11的影響

2.6 改變縫隙寬度對回波損耗的影響

保持微帶天線介質基片的大小為85 mm×85 mm貼片大小68 mm×68 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為25 mm×25 mm，縫隙長度9 mm，改變接地板上縫隙的寬度，縫隙寬度由1 mm變到4 mm，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖8所示?？梢?，隨著縫隙寬度加大，天線的帶寬有了一定的加大，頻段也有了一定的下移，這種現象與圖9有些類似。

圖8 改變縫隙寬度w對S11的影響

2.7 在天線貼片上面加載高介電常數基片對回波損耗的影響

保持微帶天線介質基片的大小為70 mm×70 mm，貼片大小55 mm×55 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為16 mm×16 mm，縫隙長度7 mm，縫隙寬度為2 mm，在天線金屬貼片上加載一層高度為h1介電常數為79、大小與天線原來基片相同的基片，改變其厚度h1，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖9所示?？梢娞炀€的諧振頻率下降了，當該介質板厚度由1 mm增加到2 mm時，S11變得更佳，最低達-50 dB多，隨后厚度增加到3 mm、4 mm時，S11卻伴隨著厚度增加反而抬高了。但它們的共同特點是厚度越厚，諧振頻率變得更低。這提示，對固定頻率的天線，我們可見通過在輻射貼片上疊加另一層高介電常數的介質基片，來達到縮小天線尺寸的目的。

圖9 加載基片厚度h1對S11的影響

2.8 手持RFID讀寫器微帶天線

依據前面的分析，綜合采用開槽加載縫隙和加載高介電常數基片的技術，利用HFSS實現諧振頻率為915 MHz的天線仿真優化設計，得到天線具體尺寸，基片:66 mm×66 mm，貼片:58 mm×58 mm，縫隙寬度4 mm，貼片縫隙長度7 mm，接地板縫隙長度6 mm，貼片中心正方形切口縫隙15 mm×15 mm，貼片切角8 mm，第一層基板厚度3 mm，第二層厚度1 mm。天線的回波損耗見圖10所示，天線的輻射方向圖見圖11所示。圖10顯示天線的10 dB回波損耗大約為0.88 GHz～0.93 GHz，即帶寬50 MHZ左右，可以滿足RFID系統的需求。

圖10 915 MHz高介電常數介質基片加載小型微帶天線的回波損耗

圖11 天線輻射方向圖

3 結論

本文給出了一款RFID手持讀寫器微帶天線的設計方法，通過天線輻射貼片及接地板上開槽切縫及貼片上方加載高介電常數基片的方法，有效地縮小了天線的物理尺寸。相比于同樣頻率的常規微帶天線最后優化得出的天線尺寸縮小近32%，可滿足手持讀寫器的需求。

在貼片或接地板上加載縫隙，等效于在天線上加載了一些電抗，它們的大小是縫隙參數(長度、寬度和位置)的函數，通過調整這些縫隙的參數，這些電抗實際上起到了改變天線阻抗虛部的作用。當天線諧振時，阻抗虛部必須為零。在這個條件下，便可能使天線諧振的方程產生更多不同的解，表現在回波損耗曲線上，就會出現諧振頻率的移動和改變。

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