付 俊， 陳智軍， 陳 濤， 韓 超， 彭福強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 211106)

聲表面波射頻識別的閱讀器微帶天線小型化

付 俊， 陳智軍， 陳 濤， 韓 超， 彭福強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 211106)

為實(shí)現(xiàn)工作頻率433 MHz的聲表面波射頻識別系統(tǒng)閱讀器手持功能， 基于微帶天線理論， 采用曲流技術(shù)這一天線小型化方法， 設(shè)計(jì)了一種用作閱讀器天線的底面開槽微帶天線. 參照系統(tǒng)要求， 通過計(jì)算、 分析和對比， 選取了微帶天線的初始尺寸； 利用電磁仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行了建模仿真與參數(shù)優(yōu)化， 確定了天線各參數(shù)最終值； 手工制作天線并用網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行了測試， 天線實(shí)際性能與仿真基本一致； 結(jié)合聲表面波射頻識別系統(tǒng)對天線進(jìn)行了測試， 驗(yàn)證了該天線的實(shí)用性.

微帶天線； 曲流技術(shù)； 聲表面波射頻識別； HFSS軟件

0 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)是近年來在自動(dòng)識別領(lǐng)域出現(xiàn)的若干革命性技術(shù)之一， 與廣泛采用的條形碼等自動(dòng)識別技術(shù)相比， 具有讀取距離遠(yuǎn)、 穿透力強(qiáng)、 抗污染、 效率高及信息量大等特點(diǎn)[1]. 射頻識別系統(tǒng)通常由標(biāo)簽與閱讀器組成， 通過天線實(shí)現(xiàn)兩者之間信號與能量的傳輸[2]. 無論標(biāo)簽還是閱讀器都需要天線， 天線是射頻識別系統(tǒng)不可或缺的部分.

與基于IC技術(shù)的射頻識別系統(tǒng)相比， 基于聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)技術(shù)的射頻識別系統(tǒng)具有無源、 識別距離遠(yuǎn)、 集射頻識別與無線傳感一體化、 能用于金屬和液相環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)[3]. 采用聲表面波技術(shù)， 主要是通過延遲線型聲表面波器件的延遲時(shí)間變化和諧振器型聲表面波器件的諧振頻率變化來實(shí)現(xiàn)射頻識別和無線傳感功能[4]. 以液相環(huán)境為例， 生物醫(yī)學(xué)、 環(huán)境保護(hù)、 食品安全等領(lǐng)域的射頻識別和無線傳感通常都處于液相環(huán)境下， 如生物醫(yī)學(xué)中的血液檢測、 環(huán)境保護(hù)中的水樣檢測等[5]. 上述液相環(huán)境中的應(yīng)用通常對識別距離沒有太高要求， 但希望實(shí)現(xiàn)閱讀器的手持功能， 較為理想的是天線與閱讀器一體化的結(jié)構(gòu).

射頻識別常用的UHF頻段有433 MHz， 920 MHz， 2.4 GHz 3種， 由于電磁波在液相環(huán)境下衰減較大且衰減隨頻率增大而增大， 為保證信號強(qiáng)度， 液相環(huán)境下的射頻識別系統(tǒng)通常采用433 MHz頻段. 微帶天線具有體積小、 成本低、 可共形等優(yōu)點(diǎn)， 但中心頻率在433 MHz的微帶天線面積較大， 為實(shí)現(xiàn)閱讀器的手持功能， 需要對天線進(jìn)行小型化設(shè)計(jì).

1 天線小型化方法

曲流技術(shù)[6-8]是一種常用的天線小型化方法， 它是通過改變天線的有效長度來達(dá)到小型化的目的. 微帶天線的曲流技術(shù)分輻射貼片表面開槽與底面開槽兩種方式[7,8].

圖 1 貼片表面開槽Fig.1 Slotat patch

另一種方法是在天線底面開槽. 微帶天線底面開槽前后， 底面與輻射貼片電流分布如圖 2 所示. 觀察圖 2 開槽前后底面和輻射貼片的電流路徑， 輻射貼片形狀雖然不變， 但底面和輻射貼片上的電流路徑都發(fā)生了彎曲， 增大了天線的有效長度， 減小了天線尺寸. 同時(shí)， 天線底面開槽還可以增大天線的帶寬[8].

圖 2 微帶天線底面開槽前后底面與輻射貼片電流分布Fig.2 Current distributioning round and patch before and after slotting at ground

2 微帶天線參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 天線基本尺寸計(jì)算

采用手持式閱讀器的433 MHz聲表面波射頻識別系統(tǒng)， 要求閱讀器天線中心頻率433 MHz， 帶寬不小于10 MHz， 識別距離不小于30 cm， 尺寸不大于200 mm×200 mm.

微帶天線介質(zhì)基板采用聚四氟乙烯， 厚度h=3.4 mm， 介電常數(shù)εr=2， 損耗正切tanδ=0.000 5. 無小型化即微帶天線不開槽情況下結(jié)構(gòu)如圖 3 所示. 圖 3 中，W0,W分別為貼片和接地板的寬，L0,L分別為貼片和接地板的長，j為貼片邊與接地板邊間距.

圖 3 未開槽微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Unslotted microstrip antenna structure

天線的工作頻率為f=433 MHz， 則貼片的寬

式中：c為真空中光速c=3.0×108m/s.

微帶天線介質(zhì)的有效介電常數(shù)

介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長

輻射貼片的長

使用SPSS 22.0對采集的數(shù)據(jù)實(shí)施分析，計(jì)數(shù)資料以率(%)的形式表示，采用χ2檢驗(yàn)，計(jì)量資料以的形式表示，采用t檢驗(yàn)，采用Logistic進(jìn)行回歸分析，將病理檢測CIN陽性記為隨訪終點(diǎn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

貼片與接地板邊距

接地板的長、 寬分別為

通過計(jì)算結(jié)果表明， 在未開槽情況下的微帶天線尺寸為345.4 mm×381.5 mm， 大于設(shè)計(jì)要求的200 mm×200 mm， 因此需要對微帶天線進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)[9].

圖 4 底面開槽微帶天線示意圖Fig.4 Structure diagram of slotted ground microstrip antenna

2.2 天線小型化結(jié)構(gòu)

為了不影響天線的帶寬與增益， 本文采用天線底面開槽的小型化方法， 結(jié)構(gòu)如圖 4 所示. 與圖3相比， 在微帶天線底面接地板對稱軸兩邊， 分別開兩個(gè)相互對稱的槽來實(shí)現(xiàn)天線小型化. 原點(diǎn)O為天線中心，lf表示同軸饋電的饋電點(diǎn)與原點(diǎn)O的距離， 其中整個(gè)結(jié)構(gòu)是左右對稱的， 原點(diǎn)O與饋電點(diǎn)都在對稱軸上.g表示底面開槽下邊沿與原點(diǎn)O的距離，k為槽寬， 2d為左右兩槽之間的間距.

因?yàn)樵龃筇炀€輻射面積能夠提高天線的增益[10]， 為保證識別距離不小于30 cm， 尺寸不大于200 mm×200 mm， 選取天線尺寸為176 mm×194 mm， 輻射貼片為110 mm×128 mm.

3 微帶天線仿真與參數(shù)優(yōu)化

本文通過電磁仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行建模仿真與參數(shù)優(yōu)化， 首先設(shè)置微帶天線結(jié)構(gòu)尺寸初始值如表 1 所示.

表 1 微帶天線結(jié)構(gòu)初始尺寸

利用HFSS軟件建立的天線模型如圖 5 所示.

圖 5 HFSS天線模型Fig.5 HFSS antenna model

將輻射貼片與底面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界. 天線求解頻率設(shè)為433 MHz， 掃頻范圍為300 MHz～600 MHz， 使用插值掃描. 根據(jù)表1中天線的結(jié)構(gòu)尺寸， 對天線進(jìn)行仿真， 得到天線的回波損耗S11參數(shù)和增益如圖 6 所示. 由圖 6 可知， 天線增益最大能達(dá)到1.47 dB， 但在中心頻率416 MHz處回波損耗S11參數(shù)最小為-11.4 dB，不符合中心頻率433 MHz設(shè)計(jì)要求，需要對天線的中心頻率和回波損耗進(jìn)行優(yōu)化.

圖 6 天線回波損耗S11與增益Fig.6 Antenna return loss S11 and gain

對輻射貼片寬W0、 長L0、 與底面邊間距j， 左右槽間距d， 槽與原點(diǎn)距離g， 饋電點(diǎn)與原點(diǎn)距離lf， 槽寬k進(jìn)行掃描分析， 分別如圖 7 中的(a)， (b)， (c)， (d)， (e)， (f)， (g)所示.

設(shè)置輻射貼片寬W0掃描范圍為104～128 mm， 步長為4 mm， 設(shè)置輻射貼片長L0掃描范圍為86～110 mm， 步長為4 mm， 由圖7(a)， 圖7(b)可知兩者會影響天線的中心頻率， 但對S11參數(shù)的影響不大； 設(shè)置輻射貼片與底面邊間距j掃描范圍為40～86 mm， 步長為4 mm， 設(shè)置左右槽間距d掃描范圍為1～9 mm， 步長為2 mm， 由圖7(c)， 圖7(d)可知這兩個(gè)參數(shù)對天線的中心頻率和回波損耗的影響非常大； 設(shè)置槽與原點(diǎn)間距g掃描范圍為-5～10 mm， 步長為3 mm， 由圖7(e)可知g對天線性能幾乎沒有影響； 設(shè)置饋電點(diǎn)與原點(diǎn)距離lf掃描范圍為10～38 mm， 步長為4 mm， 由圖7(f)可知饋電點(diǎn)位置會影響天線的回波損耗， 對天線中心頻率影響不大； 設(shè)置槽寬k掃描范圍為1～9 mm， 步長為2 mm， 由圖7(g)可知槽寬會對天線的中心頻率和S11參數(shù)有一定影響.

圖 7 天線參數(shù)掃描Fig.7 Antenna parameters sweep

綜合考慮各參數(shù)對天線性能的影響， 對天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 得到各參數(shù)的尺寸最終值如表 2 所示.

采用表 2 尺寸進(jìn)行仿真得到的天線性能參數(shù)如圖 8 所示. 天線在中心頻率433 MHz處回波損耗為-38.5 dB， 帶寬為19 MHz， 輸入阻抗為49.081 2+j0.731 7 Ω(接近50 Ω)， 駐波比(VSWR)為1.024 0(接近1)， 增益為1.256 dB. 數(shù)據(jù)表明， 天線中心頻率和帶寬符合設(shè)計(jì)要求， 阻抗匹配得很好.

表 2 天線尺寸最終值

圖 8 天線仿真結(jié)果Fig.8 Antenna simulation results

4 天線性能測試

4.1 天線參數(shù)測試

根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)， 利用聚四氟乙烯板、 銅箔膠帶、 射頻頭等材料制作出的底面開槽微帶天線如圖 9 所示.

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作好的微帶天線的性能進(jìn)行測試. 設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的中心頻率為433 MHz， 掃頻寬度為100 MHz， 測試得到的S11參數(shù)曲線， Smith圓圖如圖 10 所示.

天線的中心頻率為434 MHz， 與仿真結(jié)果基本一致. 天線中心頻率處的回波損耗為-24 dB， 阻抗為(49.4+j5.657) Ω， 接近同軸線的50 Ω阻抗， 說明天線阻抗匹配很好. 天線的帶寬為27 MHz， 較仿真結(jié)果略優(yōu). 從以上測試結(jié)果可以看出， 制作出的底面開槽微帶天線與仿真結(jié)果參數(shù)基本一致， 滿足閱讀器手持式聲表面波射頻識別系統(tǒng)對中心頻率與帶寬的要求.

圖 9 實(shí)際制作的微帶天線實(shí)物圖Fig.9 Hand made microstrip antenna

圖 10 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果Fig.10 Test results using network analyzer

4.2 系統(tǒng)測試

將微帶天線連接到聲表面波射頻識別系統(tǒng)的閱讀器上， 測試天線能否正常工作， 識別距離是否符合要求， 如圖 11 所示. 該射頻識別系統(tǒng)包括3個(gè)諧振器型聲表面波傳感器， 直接使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得傳感器1， 2， 3的諧振頻率分別為432.114 MHz， 436.065 MHz， 430.183 MHz. 圖11(a)中傳感器距離閱讀器微帶天線40 cm， 采用頻分多址技術(shù)， 閱讀器通過功率檢波[11]測得傳感器1， 2， 3的諧振頻率， 對應(yīng)圖11(b) 顯示界面中的頻率1、 頻率2、 頻率3， 分別為432.115 MHz， 436.063 MHz， 430.182 MHz. 測量誤差在±0.002 MHz以內(nèi)， 表明在40 cm的識別距離以內(nèi)， 閱讀器微帶天線都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量， 滿足設(shè)計(jì)要求.

圖 11 聲表面波射頻識別系統(tǒng)Fig.11 SAWRFID system

5 結(jié)束語

通過HFSS電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了一種用于聲表面波射頻識別系統(tǒng)的手持式閱讀器微帶天線. 該天線采用曲流技術(shù)， 通過在天線底面開槽來實(shí)現(xiàn)天線的小型化. 根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)， 利用現(xiàn)有材料制作了天線， 經(jīng)測試天線性能與仿真結(jié)果基本一致. 將天線連接到聲表面波射頻識別系統(tǒng)的閱讀器上， 通過系統(tǒng)測試驗(yàn)證了天線的實(shí)用性.

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The Miniaturization Design of Reader Microstrip Antenna for SAW RFID

FU Jun, CHEN Zhijun, CHEN Tao, HAN Chao, PENG Fuqiang

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

Aiming at the handheld reader of surface acoustic wave radio frequency identification system which works at 433MHz, a microstripantenna which is based on the theory of microstripantenna and the technology of meandering with a slotted bottom was designed. Firstly, according to the requirements of system ,the initialsize of the microstripantenna was selected by calculating, analyzing and comparing; Next, an antennamodel was setup by HFSS(High Frequency Structure Simulator) software, and the finalsize was determined after simulating and parameters optimization. After that, the handmadeantenna was tested by network analyzer, and the actual performance is consistent with the simulation. Finally, through the test of antenna with the identification, the practicability of this antenna is verified.

microstrip antenna; meandering technology; surface acoustic waveradio frequency identification; HFSS software

1671-7449(2017)01-0056-08

2016-10-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475240)； 航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014ZD52053)； 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61301248)

付 俊(1993-)， 男， 碩士生， 主要從事聲表面波傳感與識別方向的研究.

TN820

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.010