一種通用型UHF RFID讀寫器天線的設計

楊文貴，李興廣，張良，陳恩志

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

超高頻射頻識別技術系統，由于其具有讀寫距離遠、速度快和更大的信息存儲能力的特點，目前已廣泛應用于供應鏈管理、自動化跟蹤、庫存管理和生物工程等工業領域。讀寫器天線［1］作為該系統的一個重要組成部分，對整個系統的識別功能具有重大的影響。由于實際操作中RFID標簽通常是位置不定的，并且極化方式為線極化，這就要求讀寫器天線能夠接收來自不同方向標簽天線上的射頻信號，即要求天線要具備圓極化特性。圓極化天線可以接收任意方向上、任意線極化的電磁波，并且能夠有效抑制多徑干擾［2］。

此外，全球各國對UHF RFID系統的許可頻段不同，如我國許可的應用頻段為840.5～844.5 MHz和 920.5～924.5 MHz，北美為 902～928 MHz，歐洲為865～867 MHz等，總體上的頻段覆蓋范圍為840～960 MHz［3］。對此，設計一款覆蓋全球 UHF頻段（840～960 MHz）的通用型RFID讀寫器天線，不但可以滿足全球各國的UHF頻段標準，而且還能提升天線的利用率，有著很大的應用前景。

近年來，針對頻段通用和圓極化的需求而設計的RFID讀寫器天線種類豐富，且各有特點。文獻［4-5］用層疊結構設計，這類天線往往尺寸較大，適用于大型讀寫器天線應用場景；文獻［6-7］采用多饋點方式來設計，這類天線饋電結構設計相對更嚴格，天線的結構也很復雜；文獻［8-9］為采用共面波導饋電的縫隙天線，這類天線需要對饋線進行彎折處理，并在方形槽里嵌入各種微擾結構，來實現圓極化特性。該類天線結構也比較復雜，設計難度較大；文獻［10］提出一種微帶線耦合饋電的縫隙天線，尺寸大小為126 mm×121 mm×0.8 mm，這種天線微帶線的結構對天線性能影響較大，需要進行特別設計，然后配合在方形槽里嵌入半弧形枝節，以獲得寬帶化和圓極化特性。

1 天線結構與分析

本文以傳統微帶單極子天線為理論基礎，提出一款微帶線偏心饋電且輻射貼片為非對稱多邊形的單極子寬帶圓極化天線。該天線采用微帶線偏心饋電方式，即底層微帶線偏離天線水平方向上的中心位置，對輻射貼片進行饋電，使得微帶線饋線能夠影響頂層接地板上的電流分布，避免了水平方向上的電流互相抵消。當接地板和輻射貼片上均有電流分布，并且水平方向和垂直方向上的電流存在著合適相位差時，天線則可在遠場輻射方向上表現出良好的圓極化特性。接地板采用V形邊沿，可以調整天線的諧振頻點，即具有調諧作用。多邊形輻射貼片作非對稱處理，可以有效地拓寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬。該天線設計原理清晰，便于優化調整，并且具有結構緊湊、價格低廉和易于加工等優點。

本文設計的天線結構如圖1所示。該天線的介質基板材質采用FR4材料，該基材的介電常數εr為4.4，損耗角正切值δ為0.02。矩形介質基板的長為L，寬為W，厚度為H；介質基板的頂層為一個V形邊沿接地板，該接地板的側邊長為L1，底邊長為W，V形邊沿的底部頂點與接地板底邊距離為L2；介質基板的底層由一個偏心饋電的微帶線和一個非對稱多邊形輻射貼片組成，微帶線的寬為W3，非對稱多邊形輻射貼片的尺寸參數以及其他的尺寸參數如表1所示。該天線的設計采用 HFSS（High Frequency Structure Simu‐lator）軟件進行結構建模和仿真優化。

表1 天線的幾何尺寸

圖1 天線的結構

2 天線設計過程

天線的設計可以分為4個過程，即Ant_1，Ant_2，Ant_3和 Ant_4，如圖 2所示。Ant_1為傳統的微帶單極子天線結構，是由一個微帶饋線、一個對稱多邊形輻射貼片和一個矩形接地板組成。Ant_2在Ant_1的基礎上將矩形接地板改變為V形邊沿接地板。Ant_3在Ant_2的基礎上將微帶線饋線和輻射貼片向右偏移，此時饋電方式變成偏心饋電。Ant_4在Ant_3的基礎上對多邊形輻射貼片作非對稱處理，通過調整輻射貼片的尺寸W5，優化了天線性能，得到了天線的最終結構。

圖2 天線的設計過程

圖3展示了從Ant_1到Ant_4過程中天線的反射系數和+Z方向軸比曲線圖。從圖3中可以看到，Ant_1中該天線結構的反射系數和+Z方向上的軸比特性比較差，其中反射系數不好是因為在圖中頻段范圍內該結構的阻抗值與所設定的50歐天線特性阻抗匹配差，+Z方向上的軸比特性不好是因為該天線結構具備對稱的結構特性，導致了接地板水平方向上的電流在遠區形成的輻射相互抵消，只存在輻射貼片垂直方向上的電流參與了在遠區方向上的輻射，所以該天線結構只能輻射線極化波。Ant_2是在Ant_1的基礎上將矩形接地板改變為V形邊沿接地板，在圖中頻段范圍內天線的阻抗特性有所改善，并且開始有向著中心頻率900 MHz產生諧振的趨勢，即調諧作用愈發顯現，但是軸比特性仍然不佳，其原因和Ant_1一樣，整個天線只有輻射貼片垂直方向上的電流參與了在遠區方向上的輻射。

圖3 Ant_1到Ant_4的無線反射系數和Z方向軸比曲線圖

Ant_3中的天線阻抗特性變得更好，反射系數值小于-10 dB線的頻率范圍為930～1 010 MHz。軸比特性相對之前的情況則有了質的提升，部分頻段的軸比值達到了低于3 dB線的要求，這是因為饋電方式由原來的中心饋電變成了偏心饋電，使得接地板上的水平方向上的電流并未完全抵消掉，加上輻射貼片上存在垂直方向的電流，再加上當兩種不同方向的電流具有合適的相位差時，天線則會在遠場輻射方向上呈現出良好的圓極化特性。Ant_4對多邊形輻射貼片的尺寸W5進行了調整，即對原先具有對稱性的多邊形輻射貼片進行非對稱的結構處理，使得天線的阻抗特性較Ant_3更好，軸比特性也較之得到進一步優化，從而得到了本文所要提出的天線結構。

圖4展示了天線在0.9 GHz處相位從0°到270°情況下+Z方向上的電流分布圖。從圖4中可以看出，除了微帶線饋線上有著很強的電流，天線上的電流主要分布在非對稱多邊形輻射貼片底部和接地板V形邊沿上。當天線激勵的相位從0°到270°變化了一個周期時，天線在+Z方向上的合成矢量電流也變化了一個周期。從合成矢量電流的方向變化過程中可以看出，在+Z方向上該天線的遠場上輻射出旋向為右旋的圓極化波（Right-Handed Circular Polarization，RHCP），在 -Z方向上該天線的遠場上輻射出旋向為左旋的圓極化波（Left-Handed Circular Polarization，LHCP）。

圖4 天線在0.9 GHz處+Z方向上的電流分布圖

3 天線實物測試

為了驗證天線的設計原理和仿真結果，根據使天線性能達到最佳的參數進行了實物打樣，天線實物圖如圖5所示。實驗驗證時，使用矢量網絡分析儀測試了天線的反射系數，并且在微波暗室中測量了天線+Z方向上的軸比、增益和Z軸上的輻射方向圖等參數。

圖5 天線實物圖

天線仿真和實測的反射系數和軸比帶寬曲線，如圖6所示。在圖6（a）中，仿真的天線諧振頻率為0.892 GHz，實測的天線諧振頻率為0.883 GHz；天線的仿真和實測的阻抗帶寬（S11≤-10 dB）分別為0.824～0.967 GHz和0.818～0.972 GHz，對應的仿真和實測的相對阻抗帶寬分別達到15.9%和17.2%。在圖6（b）中，仿真的天線軸比中心頻率為0.914 GHz，實測的天線軸比中心頻率為0.882 GHz；仿真和實測的軸比帶寬（AR≤3 dB）分別為0.838～1.004 GHz和 0.819～1.03 GHz，對應的仿真和實測的相對軸比帶寬分別達到18.0%和22.8%。由仿真和實測的數據對比可以看出，仿真和實測的天線諧振頻率和軸比中心頻率均在0.9 GHz附近，并且阻抗帶寬和軸比帶寬均能覆蓋全球UHF頻段（840～960 MHz）。仿真和實測的數據兩者存在有一些差異，后者的數據要優于前者數據，但從整體趨勢上看，兩者的結果大體上是一致的。對于仿真和實測的數據存在有些差異這點，主要是因為實測與仿真兩者的周圍環境存在著一些差異，仿真時周圍環境在HFSS軟件里設置的是邊長為二分之一自由空間波長的空氣盒，這種環境的設置是比較理想的；實測時周圍環境存在有儀器設備等物體，而且加工和焊接所帶來的誤差也會對天線的測試結果產生一些影響。

圖6 天線仿真和實測

天線的+Z方向上測試的遠場增益，如圖7所示。從圖7可以看出，天線+Z方向上的實測增益穩定在2 dBi左右，最高增益達到2.1 dBi。在840～960 MHz頻段范圍內選取三個頻點，即低頻點（840 MHz）、中頻點（900 MHz）和高頻點（960 MHz），天線在各頻點在Z方向上的2D遠場輻射方向圖和極化圖，分別如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，天線在三頻點上的2D輻射方向圖都具有良好的對稱性，在Z方向上呈現出雙向輻射特性。由圖9可以看出，天線在+Z方向輻射右旋圓極化波和在-Z方向輻射左旋圓極化波，這種實測的圓極化旋向特性情況與前文在HFSS軟件里通過分析天線合成矢量電流來判別圓極化旋向特性的方法所得結果是一致的。

圖7 天線在+Z方向上仿真和測試的增益圖

圖8 三頻點在Z方向上的2D輻射方向圖

圖9 三頻點在Z方向上的極化圖

4 與已有文獻的天線性能對比

近些年，已有一些關于通用型UHF RFID讀寫器天線的文獻相繼發表，一些文獻給本文提供了很好的參考意見。表2為本文天線與已發表文獻的天線在天線尺寸、阻抗帶寬、圓極化帶寬和最高增益等性能方面的對比數據。從表2可以看出，本文的天線在阻抗帶寬和圓極化帶寬方面有著較好的表現，跟其他天線相比有著較小的面積和較低的剖面，更易于滿足小型讀寫器天線的應用場景需求，但在增益方面略低于其他天線。整體而言，這是一款有著較寬軸比帶寬且結構緊湊的寬帶圓極化天線。

表2 與已有文獻的天線在性能上對比數據

5 結論

本文提出了一款微帶線偏心饋電且輻射貼片為非對稱多邊形的單極子寬帶圓極化天線。該天線以傳統微帶單極子天線為理論基礎，采用偏心饋電方式和非對稱多邊形輻射貼片，調整了接地板和輻射貼片上的電流分布，實現了圓極化特性；采用V形邊沿的接地板，起到了調諧作用；對多邊形輻射貼片進行非對稱處理，拓展了天線的阻抗帶寬和軸比帶寬。該天線具有154 MHz的阻抗帶寬和211 MHz的軸比帶寬，對應的相對阻抗帶寬和相對軸比帶寬分別為17.2%和22.8%，+Z方向上的最大

增益為2.1 dBi，天線在Z方向上呈現出雙向輻射特性，在+Z方向輻射右旋圓極化波和在-Z方向輻射左旋圓極化波。該天線具有寬帶且小型化的良好特性，能滿足全球通用型UHF RFID讀寫器天線的應用要求。