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一种新型的UHF频段RFID读卡器天线

  本文设计了一种用于UHF 频段射频识别系统的小型右手圆极化四臂螺旋天线。天线由四块印刷介质板装配组成,辐射部分为印制在介质板的4个金属条带臂,通过微带威尔金森功分器馈电。通过对关键参数的仿真优化,天线尺寸为60 mm × 60 mm × 8 mm,峰值增益为4.2 dB,带内轴比< 3 dB,3 dB 波束宽度> 120°。实物测试结果与仿真结果吻合良好。

  1 引言

  射频识别(RFID)技术近年来得到了广泛的重视和应用。UHF频段的RFID 系统,由于其传输距离远、传输速率高,受到了更多地关注[1]。典型的RFID系统由RFID 阅读器和标签两部分组成,RFID无源标签依靠RFID 阅读器发射的电磁信号供电,并通过反射调制电磁信号与阅读器通信。因此,RFID读写器天线设计的优劣对其系统工作性能有关键的影响。

  随着手持移动端RFID读写设备的发展,减小天线尺寸成为了读卡器天线设计中非常重要的设计要求,同时由于使用场景的复杂性,RFID无源标签的姿态的非固定性,良好的圆极化性能也不可或缺。不同的应用场景对读写距离的要求也不同,如资产管理和人员管理应用中,要求最少数米的读写距离,这就对设备内置天线的增益提出了要求。另一方面,为了便于与移动设备集成使用,要求天线具有结构简单,稳定,重量轻的特点。

  传统的读写器天线包括偶极子天线,折合振子天线,陶瓷微带天线等均不能满足读写器天线对于高圆极化性能的要求[2][3]。四臂螺旋天线由于其出色的圆极化性能被等人应用于RFID系统中。印刷四臂螺旋天线继承了四臂螺旋天线圆极化性能好,轴向辐射等特性,同时又具有制作简单,稳定性好的特点。Wang-Ik Son等人将PIFA天线应用于印刷四臂螺旋天线并分析了天线的匹配原理[4],本文在此基础上对天线的馈电匹配和辐射结构均进行了改进。结合印刷四臂螺旋天线和PIFA天线的形式提出了一种小尺寸、低剖面、高性能的圆极化射频识别天线。

  2 天线结构设计

  本文采用三维电磁设计软件HFSS13.0对天线结构进行了设计仿真和优化。天线模型示意图如图1所示。

  

1a整体结构

 

  天线由四个改进的PIFA天线以四臂螺旋的形式组成。整个天线结构由四块介质板组成,中间两块小介质板采用卡子形状设计以保证物理结构的稳定和牢固。天线的功分馈电网络印制在下层介质板上的,四个PIFA天线印制在上层及中间介质板上。PIFA天线印制在介电常数3.5,厚度1mm的F4BM350介质板上,每个天线由印制在上层介质板的辐射臂和中间介质板的匹配馈电结构组成。

  

 

  1b侧视图

  

 

  1c天线馈电网络模型示意图

  图 1 天线模型示意

  3 天线关键参数设计和优化

  天线部分参数示意如图2所示。中间部分为天线的馈电匹配结构,用于设计天线的阻抗匹配已达到最佳性能,设计对这一部分结构参数的优化设计是该天线的重点。经过仿真验证,参数H主要影响天线的谐振频率,这是H长度的金属条带本身既具有馈电传输能量的作用,同时也是PIFA天线谐振臂的一部分,从而影响天线的主谐振频率。L1和L2决定了PIFA天线短路匹配结构的位置和长度,主要影响到天线输入阻抗的虚部大小,可以等效为在天线输入端加载电容电感的效应,L2同时也会影响到PIFA天线辐射臂的长度大小,从而影响到主谐振频率。各参数的优化结果如表1所示,此时天线达到最佳匹配效果。

  

 

  图2 天线部分参数示意图

  

 

  表1 各参数优化结果

  4 天线加工与测试结果

  天线加工实物图如图3所示,为了方便与后级系统连接,馈电端口用一根一端为SMA接口的引线引出。天线的各指标仿真与测试结果在下图处给出。图4为天线回波损耗结果图,仿真和测试结果基本趋势吻合良好,但存在一定频偏,可能是材料的介电常数不稳定,以及加工装配误差所导致。图5是天线峰值增益结果图,仿真与测试基本吻合,实测最大增益约为4.1dBic,与仿真最大4.2dB基本一致,图6为922MHz频点phi=0°主平面的右旋极化增益方向图,3dB波束宽度大于120°,同样与仿真结果吻合良好,这些都说明了设计结构的稳定性。

  

 

  图3 天线实物图

  

 

  图4 回波损耗结果图

  

 

  图5 天线峰值增益结果

  

 

  图6 922MHz频点方向图测试结果

  5 结束语

  本文利用将四臂螺旋天线和PIFA天线结合,改进了馈电和装配结构,设计了一种工作在UHF频段的新型RFID读卡器天线,天线整体尺寸60mm*60mm*8mm,与传统的读写器天线相比,具有小型化,低剖面,高增益,宽波束以及结构稳定的特点,实物测试与仿真结果吻合良好。

  参考文献

  1 慈新新,王苏滨,王硕. 无线射频识别( RFID) 系统技术与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

  2 Z. N. Chen, X. Qing, and H. L Chung, “A universal UHF RFID reader antenna”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 57, no. 5, pp. 1275-1282, May 2009.

  3 T. N Chang, and J. M. Lin, “ A novel circularized patch antenna with a serial multislot type of loading”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 11, pp. 3345-3348, Nov. 2007

  4 W.-I. Son, H.-L. Lee, M.-Q. Lee, S.-B. Min, and J.-W. Yu, “Compact square quadrifilar spiral antenna with circular polarization for UHF mobile RFID reader,” in Proc. Asia Pacific Micro. Conf., pp. 2271–2274,Dec. 2010.

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