一種用于RFID系統的雙頻微帶天線的設計

摘 要：針對射頻識別系統UHF頻段的中國標準840～845 MHz和920～925 MHz，提出一種基于E形天線和共面倒F形天線相結合的設計方案，設計了一款新穎的雙頻微帶天線。通過調整短路針的位置，E形槽的寬度和相對位置實現諧振。仿真和調試表明，該天線諧振在850 MHz和920 MHz下，帶寬(VSWR2)可以覆蓋以上兩個頻段。該天線兼備E形天線的多諧振特性和倒F型天線的低后瓣特性。此外，天線結構簡單、成本低廉，便于調諧。
關鍵詞：RFID；IFA；微帶天線；雙頻諧振

0 引 言
射頻識別(Radio Frequency Indentification)是一種通過無線射頻方式進行非接觸的雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據的自動識別技術。現在RFID已經滲透到人們日常生活的各個領域，成為一種常見的技術，其應用包括物流、資產管理、人員門禁等。RFID系統的基本組成包括讀寫器和電子標簽兩部分。讀寫器天線和電子標簽天線是實現讀寫器與電子標簽通信的空間物理接口。工作頻率是RFID系統最重要的性能參數，中國公布的UHF頻段中RFID頻率范圍為 840～845 MHz和920～925 MHz兩個頻段。
微帶天線以其剖面薄、體積小、成本低等優點而被廣泛應用于無線通信系統。為滿足讀寫器天線工作于840～845 MHz和920～925 MHz兩個頻段的要求，如果直接采用微帶天線設計，則存在著天線的頻帶比較窄，不能滿足兩個頻段要求的缺點。一種新的設計思路是設計一款雙頻帶微帶天線，使其兩個頻帶分別覆蓋840～845 MHz和920～925 MHz兩個頻段。這樣做的好處是既滿足了雙頻段的要求，又在一定程度上過濾了兩頻段間的干擾和噪聲進入讀寫器的接收系統。
這里采用多諧振的方法，通過微帶天線的結構設計，實現了雙頻段的覆蓋。在這種思路下，采用E形天線與倒F天線(IFA)相結合的設計，實現了一種低后瓣雙頻微帶天線。天線諧振在850 MHz和920 MHz處，VSWR=1．09，帶寬(VSWR2)滿足頻段覆蓋的要求。該天線制作在2 mm厚的FR4基板上，不僅具有小的尺寸，而且便于調協，易于制作。

1 倒F形線和E形天線
1．1 倒F形天線簡介
典型的倒F天線(IFA)是由一個放在地面上的矩形平面單元，一個與地平行的短路面或者短路針和一個饋電單元構成的，如圖1所示。IFA本質上是一個偶極子的變形，通過將偶極子的上面部分向下彎折到與地面平行，這樣可以減小天線的高度，但是與地面平行的部分卻對天線引入了容抗。因此，在天線結構中引入感性的短路面或者短路針來補償這部分容性是必要的。IFA天線的地面具有重要作用，因為當IFA貼片具有電流時，將引起地面電流的激勵，最終的場是由IFA貼片電流和它在地面的鏡像電流共同形成的。這就是IFA天線的工作原理。

由長為L的終端開路線和長為S的終端短路線并聯而成的共面倒F形天線(PIFA)，其結構如圖2所示。傳輸線的線寬d《H時，傳輸線的阻抗Z0可以表示為：

式(1)中：ξ=120π為空氣中波阻抗。根據傳輸線理論，輸入阻抗為：

式(2)中：β為傳播常數。根據式(2)可以分別計算對于長為L的終端開路線和長為S的終端短路線的電抗，分別為：

當忽略損耗時，天線的輸入電阻即為輻射電阻。根據文獻[8]，則有：

當長度L=λ／4時，由式(6)可以得到天線的輸入電抗為0，天線處于諧振狀態，此時：

從式(7)可以看到，天線的輸入阻抗為純電阻，且僅僅與天線的高度H有關。從以上的推導可以看到，對于IPFA的調節，可以通過調整長度L來調節天線的輸入阻抗，使之呈純電阻；之后可以通過調節天線的高度H來改變天線的輸入阻抗，使之與50 Ω同軸線的饋線相匹配。
1．2 E形天線
E形天線是在普通微帶貼片單元的基礎上開了二個平行槽而形成的。槽的位置以饋電點對稱。通過調整槽的位置、長度和寬度，可以有效地提高微帶天線的帶寬。根據文獻[8]，普通的微帶貼片天線可以等效為一個簡單的LC諧振回路，L和C的值由電流在導體表面流經的長度決定，而E形微帶天線由于開槽而使天線從一個單諧振的LC回路變成雙諧振LC回路。這兩個諧振回路耦合在一起，即可實現頻帶的展寬。