詹 念，朱 勇，鄧 然，代家為，張 猛

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于RFID應(yīng)用的頻率可調(diào)天線設(shè)計(jì)

詹 念，朱 勇，鄧 然，代家為，張 猛

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

針對(duì)RFID技術(shù)應(yīng)用,沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，不同國(guó)家有不同的頻段標(biāo)準(zhǔn)，這使得RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用變得困難。結(jié)合彎折偶極子天線和阿基米德螺旋天線的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一款新型的標(biāo)簽天線，它是由2個(gè)方形的螺旋臂加上2個(gè)調(diào)諧臂組成，通過(guò)改變2個(gè)調(diào)諧臂之間的相對(duì)距離(0～38 mm)，可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率在840～860 MHz之間改變，因而能夠應(yīng)用于不同國(guó)家的RFID頻段標(biāo)準(zhǔn)，而且在改變諧振頻率的過(guò)程中能夠保證帶寬在40 dB左右，平均增益在1.726 65 dBi。

射頻識(shí)別；標(biāo)簽天線；諧振頻率可調(diào)；HFSS

0 引言

射頻識(shí)別 (Radio frequency IDentificatiaon,RFID)是一種通過(guò)無(wú)線電實(shí)現(xiàn)通信的技術(shù)，它鑒別特定目標(biāo)和識(shí)別與其相關(guān)的數(shù)據(jù)是由無(wú)線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不需要系統(tǒng)與目標(biāo)之間建立某種接觸關(guān)系，比如機(jī)械接觸或者是光學(xué)接觸等等。這種特性可以使其工作在各種條件比較惡劣的場(chǎng)合或環(huán)境中，因此其應(yīng)用前景是相當(dāng)廣闊的。

但是最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。如今射頻識(shí)別系統(tǒng)中[1]，應(yīng)答器和閱讀器技術(shù)依然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一體化的應(yīng)用，而且標(biāo)簽天線中的芯片存儲(chǔ)功能和天線設(shè)計(jì)的規(guī)范也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。雖然一些行業(yè)人士在不斷完善這方面的問(wèn)題，但是每個(gè)國(guó)家都有自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更讓人擔(dān)憂的是如果一個(gè)國(guó)家將某個(gè)頻段的頻率版權(quán)賣(mài)給某個(gè)生產(chǎn)商或者生產(chǎn)企業(yè)的話，那么這個(gè)國(guó)家將面臨不可估量的損失，因?yàn)閼?yīng)用RFID技術(shù)的設(shè)備將無(wú)法在該頻段正常工作[2-3]。

因此本文的主要目的是設(shè)計(jì)出一款天線，它能夠在保證小型化和一定帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)諧振頻率在840～960 MHz之間改變的功能，設(shè)計(jì)出這樣天線就可以適應(yīng)各個(gè)國(guó)家對(duì)于RFID技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有了這種頻率的轉(zhuǎn)換以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，就可以有效避免電磁干擾的影響。

1 偶極子天線的特性

本文主要研究的是處于UHF頻段的標(biāo)簽天線，而大多數(shù)處在UHF頻段的全向性天線都是采用印刷法，偶極子天線的變體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)典的偶極子天線是由2根一樣(如尺寸、材料等)的直導(dǎo)線對(duì)稱排列組成一條直線構(gòu)成，信號(hào)從對(duì)稱中心的2個(gè)端點(diǎn)進(jìn)入，并分別在對(duì)稱的2根導(dǎo)線上(這2根對(duì)稱的導(dǎo)線通常稱為偶極子的兩臂)產(chǎn)生電流，這種電流能夠激發(fā)臂周?chē)a(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)[4]。

當(dāng)偶極子的臂長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，天線周?chē)椛涞碾姶挪◣缀鯙榱悖?dāng)臂長(zhǎng)和波長(zhǎng)在一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，天線周?chē)椛涞碾姶艌?chǎng)將大大增加，可是當(dāng)臂長(zhǎng)和波長(zhǎng)的比值>0.625時(shí)，垂直于臂長(zhǎng)方向的電磁場(chǎng)又會(huì)減弱，使得天線的增益下降，進(jìn)而影響天線的閱讀距離，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是在偶極子的臂長(zhǎng)上產(chǎn)生了反向電流，致使方向圖中的波瓣不集中，副瓣的數(shù)量變多[5-6]。

2 螺旋天線的特性

根據(jù)上述偶極子天線和阿基米德螺旋天線的研究可知[7]，通過(guò)彎折對(duì)稱偶極子天線可以達(dá)到減小尺寸的目的，但是在RFID標(biāo)簽天線中，減小尺寸會(huì)使得帶寬減小，同時(shí)使得阻抗匹配變得不容易，阿基米德螺旋天線是具有多個(gè)方面的寬頻帶特性的天線，其在方向特性、極化特性及阻抗特性等方面都是寬頻帶的，而且還具有質(zhì)量小、體積輕、圓極化方向好等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用，唯一的缺點(diǎn)是他的輻射方向是雙向的，因此天線的增益會(huì)降低[8-9]。

如果從2個(gè)臂的中間位置加電源，且電壓的幅度相同、方向相反，那么當(dāng)頻率變化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸入阻抗基本不變，既可保證較寬的頻帶寬度，還可以實(shí)現(xiàn)在寬頻帶內(nèi)獲得雙向的圓極化輻射，那么上下的極化方向?qū)⑾喾?，一個(gè)是右旋圓極化波，一個(gè)是左旋圓極化波。

3 頻率可調(diào)的螺旋標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

3.1 頻率可調(diào)天線模型的確定

由以上對(duì)稱偶極子天線和阿基米德螺旋天線的研究可知，彎折偶極子天線可以有效地減小天線的尺寸，但是尺寸減小會(huì)使得諧振頻率下降，帶寬縮減，而對(duì)于RFID標(biāo)簽天線來(lái)說(shuō)，又需要盡可能地展寬帶寬來(lái)適應(yīng)因環(huán)境的改變對(duì)諧振頻率造成的影響，阻抗匹配將會(huì)變得方便。阿基米德螺旋天線具有各個(gè)方面的寬頻帶特性，所以本文準(zhǔn)備將這2種天線的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一款既能減小天線的尺寸，又能夠展寬帶寬的天線[10-11]。HFSS畫(huà)出的滿足要求的天線模型如圖1所示。

圖1 天線模型的具體尺寸

因?yàn)楸疚难芯康氖荱HF頻段的RFID電子標(biāo)簽[12-13]，所以這種標(biāo)簽天線一般是采用印刷法制作的，印刷板的標(biāo)準(zhǔn)是FR-4介質(zhì)板(介電常數(shù)εr=4.4，tanδ=0.001 8)，介質(zhì)板的高度H=0.8 mm，如上天線敷在78 mm*50 mm的薄的銅板上，然后印刷在FR-4介質(zhì)板上。L1和L2是2個(gè)臂之間的相對(duì)距離，L是調(diào)諧臂相對(duì)于臂末端的距離，通過(guò)調(diào)節(jié)L(0～38 mm)的參數(shù)值就能夠改變諧振頻率，饋電端口位于兩臂的中心[14-15]。

3.2 HFSS仿真結(jié)果和分析

給出天線的模型圖，并創(chuàng)建完工程天線圖之后開(kāi)始設(shè)計(jì)集總參數(shù)值，通常設(shè)置端口的輸入阻抗Z0=5O Ω。完成這些初始設(shè)置后，開(kāi)始對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，首先按照等差數(shù)列分別設(shè)置L的值，觀察其S11曲線[16]。

由圖2可以看出在L=18 mm時(shí)諧振頻率為912 MHz,L=14 mm時(shí)諧振頻率為918 MHz，因此在14 mm和18 mm之間繼續(xù)優(yōu)化，當(dāng)L=16 mm時(shí)，天線的諧振頻率在915附近諧振。優(yōu)化后的S11參數(shù)如圖3所示。

圖2 優(yōu)化后的S11幅度參數(shù)圖

圖3 優(yōu)化后的S11參數(shù)圖(L=16 mm)

由圖3可知優(yōu)化后的諧振頻率為914 MHz，S11=-20.541 6 dB，該諧振頻率位于美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用頻段(902～928 MHz)。當(dāng)S11=-10 dB時(shí)，阻抗帶寬=m3-m2=940-890 MHz=50 MHz,在此寬帶內(nèi)天線能夠正常工作，所以此設(shè)計(jì)是合理的。

由圖4可知天線在諧振頻率點(diǎn)914 MHz處的特征阻抗為41.419 8+j0.541 0 Ω，與端口設(shè)置的匹配阻抗50 Ω大致相同，所以可以認(rèn)為是匹配的。由圖4還可以看出天線的阻抗隨著頻率的升高表現(xiàn)出點(diǎn)抗性，也即隨著頻率的升高實(shí)部是呈下降的趨勢(shì)，虛部呈上升的趨勢(shì)，不過(guò)總體來(lái)說(shuō)都是比較平滑的曲線。在諧振頻率為914 MHz時(shí)，天線的駐波比是1.2>1，所以表明天線的匹配程度復(fù)合要求，通過(guò)同樣的方法可以找到其他不同國(guó)家所應(yīng)用的RFID標(biāo)準(zhǔn)頻段所對(duì)應(yīng)的L的調(diào)節(jié)范圍。如表1所示。

圖4 優(yōu)化后天線的阻抗圖

表1 L的調(diào)節(jié)范圍

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)/MHzL/mm日本951～9540～4中國(guó)920～9254～20美國(guó)902～92814～18歐洲866～86926～34中國(guó)840～84534～38

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的主要內(nèi)容是關(guān)于UHF頻段RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)，針對(duì)目前某一個(gè)問(wèn)題展開(kāi)了深入研究和探索，在折疊偶極子天線和阿基米德螺旋天線基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一款方形螺旋的帶有2個(gè)調(diào)諧枝節(jié)的可以調(diào)節(jié)頻率的天線，它能夠?qū)崿F(xiàn)840～960 MHz之間的頻率調(diào)節(jié)，滿足了各個(gè)國(guó)家的RFID系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，而且保證了帶寬幾本上在40 dB左右，增益為1.975 1 dBi。

但是本次設(shè)計(jì)的天線仍然存在不足，天線的尺寸還不夠?。凰軌蚱ヅ涞淖杩怪荒苁?0 Ω，只能印刷在標(biāo)準(zhǔn)的RF-4介質(zhì)板上，缺乏靈活性。

[1] 游戰(zhàn)清,劉克勝,吳 強(qiáng).天線識(shí)別與條碼技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] Rao K V S，Nikitin P V，Lam S F.Antenna Design for UHF RFID Tags：a Review and a Practical Application[J].IEEE Trans.Antennas and Propagation，2005，53(12)：3870-3876.

[3] 張有光.全球三大RFID標(biāo)準(zhǔn)體系比較分析[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[4] 芬肯才勒.射頻識(shí)別技術(shù)[M].吳曉峰,陳大才,譯.西安:電子工業(yè)出版社,2006.

[5] 譚 明,曾雋芳,劉 禹.RFID.技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[6] 周曉光,王曉華.射頻識(shí)別技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2005.

[7] 匡 磊,陳榮標(biāo).天線手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[8] 盧萬(wàn)錚.天線理論與技術(shù)[M].西安:電子科技大學(xué)出版社,2004.

[9] 李緒益.天線[M].南京:華南工學(xué)院出版社,1986.

[10]Xian Mingqing；Ning Yang.A Folded Dipole Antenna for RFID[J].IEEE AP-S International Symposium，2004(1):97-100.

[11]李明洋,劉 敏,楊 放.HFSS天線設(shè)計(jì)[M].西安:電子工業(yè)出版社,2011.

[12]劉其中,宮德明.天線的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].西安:電子科技大學(xué)出版社,2003.

[13]溫 妮.RFID標(biāo)簽天線的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2014.

[14]馬雪麗.基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的RFID標(biāo)簽天線研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué),2014.

[15]佟 站.超高頻抗金屬RFID標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué),2014.

[16]楊俊義.超高頻RFID標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2014.

Frequency Adjustable Antenna Design Based on RFID Application

ZHAN Nian，ZHU Yong，DENG Ra，DAI Jia-wei，ZHANG Meng

(School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin Heilongjiang 150080，China)

Since there is no unified international standard for RFID technology，and different countries use different frequency bands，the wide application of RFID technology around the world faces a big challenge.In this paper，a novel tag antenna is designed by combining the characteristics of folded dipole antenna and Archimedean spiral antenna.It is composed of two rectangular spiral arms with two tuning arms，and by adjusting the relative distance (0-38 mm) between the two tuning arms，the resonant frequency can be changed from 840 MHz to 860 MHz，so it is adaptable to different countries′ RFID band standards.Furthermore，it can guarantee a bandwidth of about 40 dB and an average gain of 1.726 65 dBi in the process of changing resonant frequency.

radio frequency identification；tag antenna；resonance frequency adjustable；HFSS

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.15

詹 念，朱 勇，鄧 然，等.基于RFID應(yīng)用的頻率可調(diào)天線設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(3):60-62.

[ZHANNian，ZHUYong，DENGRan,etal.FrequencyAdjustableAntennaDesignBasedonRFIDApplication[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：60-62.]

2017-01-09

詹 念(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息處理。朱 勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信與信息處理。

TN821

A

1003-3114(2017)03-60-3