礦用RFID閱讀器天線設計

摘 要：文章介紹了一種應用于礦用RFID系統的閱讀器天線，該天線由兩層結構組成并由單個同軸探針饋電。通過雙層微帶結構有效地改善天線的帶寬，同時，在天線上層的方形金屬環中加載接地金屬化孔以減小天線有效口徑從而降低增益實現寬波束。文章設計的工作在s波段的寬波束天線，半功率波束寬度為180°，相對帶寬為8%。

關鍵詞：寬波束；RFID天線；微帶天線

1 概述

天線處于RFID讀寫器系統的最前端，是RFID讀寫器的重要組成部分，讀寫器天線增益系數決定了標簽感應的靈敏度、作用距離和范圍大小。讀寫器天線的阻抗帶寬，則影響RFID讀寫器與天線的匹配程度，決定了讀寫器的能量及數據發送和接收質量的好壞，因此天線性能對整個RFID系統的性能具有重要的影響[1]。

微帶天線以剖面薄、體積小、重量輕、成本低等優點，成為RFID天線的理想選擇[2]。但傳統的微帶天線相對工作帶寬只有0.3%-3%左右，半功率波束寬度為70°～100°[3]，難以滿足礦用RFID系統對讀寫器天線寬波束及帶寬的需求。許多文獻記載過多種展寬圓極化微帶天線波束的方法，如采用高介電常數介質、調整介質板尺寸并使其大于地[4]、三維接地結構[5]、折合金屬壁結構[6]等。但這些方法結構復雜、天線輻射效率低、波束寬度不大于120°，在此文章提出了一種多層結構，有效地改善了天線的帶寬，其相對帶寬為8%；同時在天線上層的方形金屬環中加載接地金屬化孔以展寬微帶天線波束，其半功率波束寬度為180°。

2 RFID系統組成及工作原理

典型的RFID系統主要由標簽、閱讀器以及數據交換和管理系統這三個部分組成，RFID系統的基本模型如圖1所示。其中，電子標簽又稱為射頻標簽、應答器、數據載體；閱讀器又稱為讀出裝置、掃描器、讀頭、通信器、讀寫器（取決于電子標簽是否可以無線改寫數據）。電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間耦合；在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞與數據的交換。

電子標簽又可細分標簽芯片和射頻天線兩部分。電子標簽內存有一定格式的電子數據，常以此作為待識別物品的識別性信息。應用中將電子標簽附著在待識別物品上，作為待識別物品的電子標記。當電子標簽接收到閱讀器的發射信號的時候，電子標簽被“喚醒”，然后根據閱讀器發射的指令完成相應的動作，并將相應信息發射回給閱讀器。

閱讀器也分為閱讀器和射頻天線兩部分。閱讀器通過將射頻天線發射信號“喚醒”和傳送指令給電子標簽，并接收標簽返回的信號。再進行信號調理與處理之后，完成對電子標簽信息的獲取和解析，將有用的數據通過網絡傳遞到數據交換管理系統。數據交換和管理系統主要完成數據信息的存儲及管理。它也可以由簡單的本地軟件擔當，也可以是集成了RFID管理模塊的分布式ERP管理軟件。

RFID應用系統的基本工作原理是射頻標簽進入讀寫器的射頻場后，經天線獲得的感應電流經放大電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信息處理；所需回復的信息從存儲器中獲取經由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發回給讀寫器。

3 天線結構特性分析

3.1 天線結構

圖2給出了設計的寬波束圓極化天線的結構圖，兩層介質板采用相同介電常數的介質。由于微帶天線上的表面波對天線輻射方向圖影響很大，在設計時應盡量避免表面波的產生，而設計微帶天線的介質板越厚表面波越容易引入，所以下層介質采用較薄的介質板。而上層介質的厚度直接關系到金屬化接地孔的高度，為了達到擴展波束的目的，對金屬化接地孔的高度有一定要求，故一般上層介質選用較厚的介質板，當工作頻率較低時一般由多層介質板擠壓在一起構成。為了方便焊接饋電點，需要將覆蓋天線位置的上層介質挖去以形成圖中所示的方形洞。兩層介質結構是為了方便在天線周圍打金屬化接地孔，同時位于上層介質上表面的金屬方形環把所有的金屬化接地孔連接到一起以形成封閉的結構，如圖2（b）所示，而方形環自身的寬度對天線的輻射性能影響不大，其寬度一般略大于金屬化接地孔的直徑。金屬化接地孔位于方形環的中心線上以形成旋轉對稱結構。采用同軸饋電的方形貼片天線位于下層介質上表面如圖2（c）所示，由于受四周的接地金屬化孔的影響，貼片尺寸略有減小。

3.2 金屬化接地孔的高度對波束寬度的影響

如圖2（a）所示h為介質基板的厚度，圖3給出了d值固定、介質厚度h不同時天線的增益。從圖可以看出厚度h在一定范圍之內，隨著h的增加3dB波束寬度增大，當超過某個值時3dB波束寬度隨著h的增加而減小。所以存在一個h值使得3dB波束寬度最大。

3.3 金屬化接地孔的間距對波束寬度的影響

如圖2（b）所示，s為金屬化接地孔之間的距離，圖4給出了d=0.08，h=0.11時，不同s值對波束寬度的影響。從圖可以看出隨著接地金屬孔之間的距離的減小，天線增益降低，3dB波束寬度增加，當3dB波束寬度增加到一個峰值時再隨著間距s的減小而保持不變。

4 寬波束天線設計實例及仿真結果

基于以上討論，本章設計了一個工作在2.4GHz的寬波束微帶天線，雙層介質基板均選用F4B-2，介電常數為2.65，通過選擇合適的結構參數（如金屬化接地孔高度及間距）以展寬天線的波束，同時提高微帶天線的工作帶寬。圖5給出了回波損耗隨頻率變化關系，由圖可以看出，在工作頻率2.4GHz時的回波損耗為-19dB，天線的-10dB相對工作帶寬為8%，相比傳統的微帶天線提高了一倍。圖6給出了在工作頻率f=2.4GHz時天線輻射方向圖。由圖可知，天線的最大增益為2.8dBi，半功率波束寬度為180°，因此天線在上半平面基本實現了全向輻射。該天線的方向圖前向輻射比較強，后向輻射比較弱，這樣有利于標簽信息的有效拾取，同時也減少了電磁波的反向干擾。

4 結束語

文章介紹了一種應用于礦用RFID系統的閱讀器天線，提出雙層微帶結構，通過雙層微帶結構有效地改善天線的帶寬，同時，在天線上層的方形金屬環中加載接地金屬化孔以減小天線有效口徑從而降低增益實現寬波束。文章設計的工作在s波段的寬波束天線，半功率波束寬度為180°，相對帶寬為8%。

參考文獻

[1]張為，曾燕.“基于LTCC技術的UHF RFID標簽天線設計”[J].電波科學學報，2008，23（5）：987-990，.

[2]P.R.Foster，R.A.Burberry.Antenna provlems in RFID systems[J].RFID Technology， IEEE Colloquium.1999（3）：1-5.

[3]YANG Jie，"Design and Analysis of a Broad Band Wide Beam Circular Polarization Microstrip Antenna，" International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，2012，44（21）.

[4]X.L.Bao and M.J. Ammann，"Dual-frequency dual circularly-polarised patch antenna with wide beamwidth"， Electronics Letters，2008，44（21）.

[5]Tang， C.L.， Chiou， J.Y.， and Wong， K.L.， 'Beamwidth enhancement of a circularly polarized microstrip antenna mounted on a three-dimensional ground structure'， Microwave and Optical Technology Letters.2002，32（2）：149-153.

[6]H. Nakano， S. Shimada， and J. Yamauchi， "A circularly polarized patch antenna enclosed by a folded conducting wall，" IEEE Conference on Wireless Communication Technology，2003：134-135.

作者簡介：王松強（1989-），男，安徽歙縣人，安徽大學本科，助理工程師，主要從事監控系統前端研發。