雙頻RFID讀寫器天線的研究與設計

張謝馥　李健

摘 要：射頻識別（RFID）技術作為物聯網發展的核心技術，已廣泛應用于各個領域，包括車輛自動識別電子收費系統、公共交通、醫藥、零售、物流、金融等領域。但是，各國電磁波管制頻段范圍不盡相同，沒有建立全球化行業標準，使得RFID系統在應用時產生許多問題。因此，本文設計了一款工作于2.45GHz和5.8GHz的雙頻RFID讀寫器天線，該天線在IE型貼片天線的基礎上進行了改進，在E型貼片的對稱位置處加上兩個開路存根，仿真結果顯示其具有較好的雙頻特性。

關鍵詞：RFID;天線;雙頻;微帶線

中圖分類號：TN820文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0029-03

2016年12月19日，由國際物聯網貿易與應用促進會等單位聯合舉辦的“2016中國RFID世界最有影響力評選活動”中，2016中國RFID行業年度最有影響力成功應用獎項的獲獎應用案例有：貴州送變電鋼絲繩RFID標簽管理系統研發成功;京沈高鐵軌道板首次裝上RFID“中國芯”;全國首批汽車電子標識安裝啟動，無錫成首個試點城市;深圳首創“電子標識卡”實現公交優先紅燈少等8秒鐘;天津機場自助行李托運系統投用 1min完成操作;武漢300余太智能潲水垃圾車上崗帶“身份”能防失蹤[1]。可見，RFID技術自1948年第一次被提出，經過70年的發展，已廣泛應用于交通運輸、物流管理、健康醫療、物品防偽等眾多領域[2]。RFID技術因其獨特的優勢日益成為新的經濟增長點，對RFID技術的研究將會帶來極大的經濟效益。

目前，RFID技術面臨的一個問題是在全球沒有統一的標準，不同的頻段在各個國家都有各自的規劃和應用。例如，北美指定915MHz為RFID頻段，這是可行的，因為此頻段是劃分給ISM（Industrial Scientific Medical，工業、科學、醫學）使用的頻段。而在歐洲，915MHz就不適用于RFID技術。868MHz頻段在歐盟規定中可以用于RFID系統，在中國則用于無線數據通信。可見，在全球沒有統一的頻段標準，使得RFID在應用時難以滿足無障礙地在不同國家和地區流通的需求，這是RFID面臨的最大問題。而隨著世界經濟的高速發展，各國之間的貨品往來越來越頻繁。物聯網（The Internet of things）的建設，更是對RFID系統提出了更高的要求。在這種背景下，多頻天線得以研制，使得一個RFID讀寫器天線可應用于多個系統，可以在不同的國家或地區暢通無阻[3]。

雙頻天線的設計目前使用較多的是多層貼片結構及單層貼片結構。經分析，多層貼片結構復雜，體積大，成本較高。所以，本文將重點研究單層貼片結構[4]。

單層貼片結構實現雙頻天線的常用方式有：偏置的同軸饋電、雙饋電、加載縫隙或開槽。本文將采用偏置同軸饋電的方式研究雙頻RFID天線的設計，偏置的同軸饋電結構的原理是矩形輻射貼片的長度對應一個諧振頻率，其寬度對應另一個諧振頻率，然后從對角線的一角進行同軸饋電，就能使同一個輻射貼片工作于兩個頻率上[5]。

1 雙頻讀寫器RFID天線結構設計

隨著通信技術的發展，國內RFID天線開始應用于微波波段，微波頻段的天線也開始受到了越來越多的關注，成為大家開始研究的新的方向。從微帶天線的雙頻化技術的研究可以發現，多層貼片層疊式的雙頻天線結構比較復雜，不易于加工和集成。相較而言，單層貼片結構的多頻天線結構就比較簡單、緊湊，加工制造比較容易，而且更容易加載到物體上，適用范圍更廣。因此，接下來將利用單層貼片的方法進行多頻天線的設計。本文在設計天線的過程中所使用的軟件是基于有限元法的三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 15.0。本節所設計的天線為雙頻RFID讀寫器天線，要求讀寫器可以在2.45GHz和5.8GHz兩個頻段進行工作[6]。

雙頻RFID讀寫器天線采用相對介電常數為1的空氣作為介質，該天線具有結構緊湊、成本低等特點。該天線結構如圖1所示。

該天線具有3層結構：貼片層、介質層和接地板。如圖1（a）所示，介質板尺寸為L×W，貼片由左右兩部分組成，并通過尺寸為A×B微帶線連接。該天線的饋電方式采用同軸探針饋電，饋電位置如圖1（b）所示。介質層采用相對介電常數為1的空氣，實際應用中可用介電常數相同的材料代替。本次設計的天線饋電端口的輸入阻抗設置為[50Ω][7]。根據已經選定的介質基板的相關參數和天線的電學特性，可以通過TX Line軟件計算出微帶線寬度和介質基板的厚度，具體參數見表1。

2 仿真分析及驗證

本文采用HFSS仿真軟件進行仿真，具體的仿真模型如圖2所示，并使用該軟件對已建好的天線模型進行優化，得到天線的回波損耗（S11）仿真結果如圖3所示。由圖3可以看出，兩個諧振點分別位于f1=2.45GHz和f2=5.8GHz，且在f1和f2諧振點處的回波損耗分別達到-25dB和-36dB，均滿足S11<-10dB的要求[8]。

3 結語

本文設計了一款雙頻RFID讀寫器天線，該讀寫器天線工作在RFID系統的微波波段，分別為2.45GHz和5.8GHz頻段，在諧振頻率2.45GHz和5.8GHz處的回波損耗分別達到-25dB和-36dB，滿足S11<-10dB的指標要求，且該款天線遠場輻射性能穩定，滿足RFID讀寫器天線的設計要求。

參考文獻：

[1]周曉光，王曉華，王偉.射頻識別（RFID）系統設計、仿真與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]譚民，劉禹，曾雋芳.RFID技術系統工程及應用指南[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]王洪泊.物聯網射頻識別技術[M].北京：清華大學出版社，2013.

[4]游戰清，劉克勝，張義強，等.無線射頻識別技術（RFID）規劃與實施[M].北京：電子工業出版社，2005.

[5]游戰清，李蘇劍.無線射頻識別技術（RFID）理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2005.

[6]李海柱.探究RFID技術在智慧校園中的應用[J].內蒙古教育（職教版），2013（12）：24-26.

[7]賀凱.RFID技術在圖書館的應用[J].科學時代（綜合版），2007（12）：111-113.

[8]劉曉輝.物聯網中的RFID技術及物聯網的構建[J].數字技術與應用，2017（8）：83-84.