双频缝隙耦合RFID标签天线怎么实现？

其中一种设计方法是，在一个工作在910MHz的偶极子天线中加入缝隙耦合结构，使得天线也可以在2.45GHz频段工作。本文在此基础上，提出了一个结构更为紧凑的双频RFID标签天线。此天线结构与之相比，整体长度减少了10 mm，但同样可以获得良好的性能。只要选择适当的耦合缝隙尺寸，就可以实现天线的双频工作特性。本文所设计的双频天线满足-10dB回波损耗带宽分别是840MHz到940MHz（11%）和2.26GHz到2.56GHz（12%）。

2  天线设计

本文所设计天线的结构如图1所示。


图1  双频标签天线结构图

天线制作在相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4介质基片上。天线的基本结构是一个采用中心馈电的对称偶极子结构。为使天线具有双频特性，在长度为L1的偶极子结构中加入了三个长度分别为L2、L3、L4的耦合缝隙。使得长度为L1的偶极子结构末端处电流和长度为L2的耦合缝隙末端处的电流相位差约为180°。如图2所示的是天线表面电流分布图。频率在910MHz时，天线表面电流强度分布由中央向两端逐渐减小，而频率是2.45GHz时，天线表面电流分布则主要集中在天线中央长度大约为L2的部分上。这表明，天线可看成是两个独立的偶极子天线组合而成，其中一个长度为L1，工作频段为910MHz附近， 另一个长度为L2。工作频段为2.45GHz附近。可见，通过控制L1、L2的长度，就可调节天线两个不同的工作频段。


(a) 910MHz   (b) 2.45GHz
图2  天线的表面电流分布图

使用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS对上述结构进行仿真分析与优化设计。在设计中，可首先根据文献和经验确定各参数的初始值。初始值的确定可根据下述方式：对于长度L1和L2，根据对称偶极子天线的设计理论，选取准则为工作波段波长的四分之一的整数倍。设计时中心频率设定为910MHz和2.45GHz，对应的自由空间波长分别为330mm和122mm，L1的长度取为四分之一波长的两倍，即165mm；L2选为四分之一波长，即30mm。其它参数根据文献[6]的结果，分别取为L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

在上述参数的基础上，使用HFSS进行仿真分析。在优化过程中发现，随着长度L2的增加，天线的较高的谐振频率会向低频带下降，而较低的谐振频率则几乎不变。图3则给出了长度L2的变化与天线谐振频率之间的关系。


图3  天线回波损耗与长度L2的关系图4说明了缝隙宽度S是如何影响天线的回波损耗的。当缝隙宽度S从0.5mm以步长0.5mm增加到3mm时，天线的较高的谐振频率从2.58GHz逐步降到2.13GHz，同样较低的谐振频率则几乎不变。回波损耗与中心宽度d之间的关系示于图5。很明显，当宽度d变化时，天线的回波损耗几乎保持不变。


图4  天线回波损耗与缝隙宽度S的关系

图5  天线回波损耗与宽度d的关系

根据上述规律，通过有目的的调整各个参数，可以使得天线能同时工作ISO 18000-6 和ISO 18000-4两个频段，并具有良好性能。最后，经过仿真分析，天线最终的设计参数下：L1=134mm，L2=22mm，L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，
S=d=1mm，Sfeed=2mm。

3  结果与分析

基于仿真结果，我们制作了一个天线实物，如图6所示。


图6  双频标签天线的实物图

天线回波损耗的实际测量结果和仿真结果如图7所示。由图7可见，实际测量结果和仿真结果吻合良好。当VSWR<2时，所设计的天线在ISO 18000-6频段的带宽，测量结果是840MHz ~ 940MHz（11%），比仿真结果(840MHz~1.01GHz)稍微小了一些；而在ISO 18000-4频段的带宽，测量结果是2.26GHz~2.56GHz (12%)，和仿真结果（2.31GHz~2.59GHz）相差不大。由此可见，本文所设计的天线所具有的工作带宽足以同时覆盖ISO 18000-6和ISO 18000-4这两个标准所规定的频段。


图7  天线回波损耗的测量结果与仿真结果天线的峰值增益如图8所示，从900MHz到920MHz，增益大概是2.14–2.23 dBi；从2.38GHz到2.52GHz，增益大概是5.30–5.70dBi。图9所示的是天线远区辐射方向图的仿真结果。在910MHz和2.45GHz时，H平面的方向图几乎是圆形的。


图8  (a)天线峰值增益(910MHz附近)

图8  (b)天线峰值增益(2.45GHz附近)

图9  (a)天线辐射方向图(910MHz)

图9  (b) 天线辐射方向图(2.45GHz)

4  结论

本文提出了一种双频缝隙耦合RFID标签天线，并制作了实物。仿真结果和实际测量结果吻合良好。该天线结构紧凑并拥有足够的带宽，适用于需要同时工作在ISO 18000-6 和ISO 18000-4两个频段的RFID标签。该天线的不足之处在于，虽然天线结构较为紧凑，但天线的整体尺寸还是较大。随着RFID技术应用的日益广泛，RFID标签也向着小型化、低成本方向发展，因此本文的进一步工作将是标签天线的小型化研究。

引言
射频识别（RFID）技术在后勤物资分配，制造业，邮政服务业等方面的应用已经变得相当的普遍。标签天线是射频识别系统中一个非常重要的部件，它负责进出标签的信号的接收和发射。不同国家允许RFID使用的频段是不同的，例如920~925MHz (中国), 952~954MHz（日本), 868~870MHz (欧洲) 以及 902~928MHz (美国)。为了能使RFID系统可以同时工作在不同的波段，要求天线必须有足够的带宽，或者具有多频工作特性。为此，诸如使用更厚的衬底，孔缝谐振，耦合谐振，加载电抗等技术可以拓宽天线的带宽或者使天线能同时工作在两个频段。

其中一种设计方法是，在一个工作在910MHz的偶极子天线中加入缝隙耦合结构，使得天线也可以在2.45GHz频段工作。本文在此基础上，提出了一个结构更为紧凑的双频RFID标签天线。此天线结构与之相比，整体长度减少了10 mm，但同样可以获得良好的性能。只要选择适当的耦合缝隙尺寸，就可以实现天线的双频工作特性。本文所设计的双频天线满足-10dB回波损耗带宽分别是840MHz到940MHz（11%）和2.26GHz到2.56GHz（12%）。

2  天线设计

本文所设计天线的结构如图1所示。


图1  双频标签天线结构图

天线制作在相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4介质基片上。天线的基本结构是一个采用中心馈电的对称偶极子结构。为使天线具有双频特性，在长度为L1的偶极子结构中加入了三个长度分别为L2、L3、L4的耦合缝隙。使得长度为L1的偶极子结构末端处电流和长度为L2的耦合缝隙末端处的电流相位差约为180°。如图2所示的是天线表面电流分布图。频率在910MHz时，天线表面电流强度分布由中央向两端逐渐减小，而频率是2.45GHz时，天线表面电流分布则主要集中在天线中央长度大约为L2的部分上。这表明，天线可看成是两个独立的偶极子天线组合而成，其中一个长度为L1，工作频段为910MHz附近， 另一个长度为L2。工作频段为2.45GHz附近。可见，通过控制L1、L2的长度，就可调节天线两个不同的工作频段。


(a) 910MHz   (b) 2.45GHz
图2  天线的表面电流分布图

使用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS对上述结构进行仿真分析与优化设计。在设计中，可首先根据文献和经验确定各参数的初始值。初始值的确定可根据下述方式：对于长度L1和L2，根据对称偶极子天线的设计理论，选取准则为工作波段波长的四分之一的整数倍。设计时中心频率设定为910MHz和2.45GHz，对应的自由空间波长分别为330mm和122mm，L1的长度取为四分之一波长的两倍，即165mm；L2选为四分之一波长，即30mm。其它参数根据文献[6]的结果，分别取为L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

在上述参数的基础上，使用HFSS进行仿真分析。在优化过程中发现，随着长度L2的增加，天线的较高的谐振频率会向低频带下降，而较低的谐振频率则几乎不变。图3则给出了长度L2的变化与天线谐振频率之间的关系。


图3  天线回波损耗与长度L2的关系图4说明了缝隙宽度S是如何影响天线的回波损耗的。当缝隙宽度S从0.5mm以步长0.5mm增加到3mm时，天线的较高的谐振频率从2.58GHz逐步降到2.13GHz，同样较低的谐振频率则几乎不变。回波损耗与中心宽度d之间的关系示于图5。很明显，当宽度d变化时，天线的回波损耗几乎保持不变。


图4  天线回波损耗与缝隙宽度S的关系

图5  天线回波损耗与宽度d的关系

根据上述规律，通过有目的的调整各个参数，可以使得天线能同时工作ISO 18000-6 和ISO 18000-4两个频段，并具有良好性能。最后，经过仿真分析，天线最终的设计参数下：L1=134mm，L2=22mm，L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，
S=d=1mm，Sfeed=2mm。

3  结果与分析

基于仿真结果，我们制作了一个天线实物，如图6所示。


图6  双频标签天线的实物图

天线回波损耗的实际测量结果和仿真结果如图7所示。由图7可见，实际测量结果和仿真结果吻合良好。当VSWR<2时，所设计的天线在ISO 18000-6频段的带宽，测量结果是840MHz ~ 940MHz（11%），比仿真结果(840MHz~1.01GHz)稍微小了一些；而在ISO 18000-4频段的带宽，测量结果是2.26GHz~2.56GHz (12%)，和仿真结果（2.31GHz~2.59GHz）相差不大。由此可见，本文所设计的天线所具有的工作带宽足以同时覆盖ISO 18000-6和ISO 18000-4这两个标准所规定的频段。


图7  天线回波损耗的测量结果与仿真结果天线的峰值增益如图8所示，从900MHz到920MHz，增益大概是2.14–2.23 dBi；从2.38GHz到2.52GHz，增益大概是5.30–5.70dBi。图9所示的是天线远区辐射方向图的仿真结果。在910MHz和2.45GHz时，H平面的方向图几乎是圆形的。


图8  (a)天线峰值增益(910MHz附近)

图8  (b)天线峰值增益(2.45GHz附近)

图9  (a)天线辐射方向图(910MHz)

图9  (b) 天线辐射方向图(2.45GHz)

4  结论

本文提出了一种双频缝隙耦合RFID标签天线，并制作了实物。仿真结果和实际测量结果吻合良好。该天线结构紧凑并拥有足够的带宽，适用于需要同时工作在ISO 18000-6 和ISO 18000-4两个频段的RFID标签。该天线的不足之处在于，虽然天线结构较为紧凑，但天线的整体尺寸还是较大。随着RFID技术应用的日益广泛，RFID标签也向着小型化、低成本方向发展，因此本文的进一步工作将是标签天线的小型化研究。