433MHz SAW標(biāo)簽上偶極子天線的小型化設(shè)計(jì)

沈國(guó)浩，廖同慶

（1.蚌埠學(xué)院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽大學(xué)，安徽 230039）

433MHz SAW標(biāo)簽上偶極子天線的小型化設(shè)計(jì)

沈國(guó)浩1，廖同慶2

（1.蚌埠學(xué)院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽大學(xué)，安徽 230039）

聲表面波標(biāo)簽是SAW射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心.本文為了減小聲表面波標(biāo)簽的尺寸，通過(guò)將印刷偶極子臂彎折變型，設(shè)計(jì)了一款工作于433MHz頻率上的小型化偶極子天線，經(jīng)過(guò)ADS軟件對(duì)該天線建模與仿真，驗(yàn)證了這款小型化天線完全滿足天線設(shè)計(jì)時(shí)所需的頻率和帶寬要求.

聲表面波射頻識(shí)別；小型化天線

1 標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

聲表面波射頻識(shí)別（SAW-RFID）標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)主要考慮的有：天線物理尺寸、工作頻率、工作帶寬、阻抗匹配、增益等.受標(biāo)簽天線尺寸的限制，一般類(lèi)型的天線如反射面天線，喇叭天線，螺旋天線等都不適用于設(shè)計(jì)成聲表面波射頻識(shí)別（SAW-RFID）標(biāo)簽天線.IC卡標(biāo)簽中應(yīng)用的線圈天線，也不適宜應(yīng)用于聲表面波射頻識(shí)別（SAW-RFID）標(biāo)簽上[3,4].與線圈天線不同，印刷偶極子天線相互傳遞信息是利用電磁波的反向散射來(lái)進(jìn)行的，是一種工作在微波和超高頻波段，工作距離可達(dá)到十米以上的遠(yuǎn)場(chǎng)天線.另外，印刷偶極子天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剖面低等特點(diǎn)，特別適用于制作各種類(lèi)型的標(biāo)簽天線.

印刷偶極子天線標(biāo)簽的有效識(shí)別距離是設(shè)計(jì)印刷偶極子標(biāo)簽天線主要考慮的因素，印刷偶極子天線標(biāo)簽的有效識(shí)別距離計(jì)算公式[5]如下：

式（1）中，λ為天線的中心工作頻率，Gt為閱讀器傳輸?shù)脑鲆妫琍t為讀寫(xiě)器的傳輸功率，Pth為供給標(biāo)簽芯片正常工作能源的最小輸入功率，Gr為標(biāo)簽天線的接收增益，τ為功率傳輸系數(shù).由式（1）可以看出印刷偶極子天線的中心工作頻率和接收增益是決定天線有效識(shí)別距離的關(guān)鍵.

433MHz和915MHz是民用非管制無(wú)線電頻段，一般遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)都使用這些頻段.綜合考慮標(biāo)簽制作中的加工精度、閱讀器的制作和系統(tǒng)的有效識(shí)別距離，本文基于的SAW-RFID系統(tǒng)中心頻率是433MHz.

考慮到天線的應(yīng)用及成本，根據(jù)試驗(yàn)要求選擇的介質(zhì)材料為介電常數(shù)為4.5，厚度1.6毫米，損耗角的正切tanδ=0.018的軟質(zhì)PVC板.天線的輪廓采用鋁貼片，其厚度為0.018毫米.基于偶極子天線與微帶天線理論制成的印刷偶極子天線[6,7]，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：該印刷偶極子天線由微帶巴倫線和偶極子天線兩部分組成.

圖1 印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)圖

433MHz中心頻率天線的具體尺寸為：g1=3毫米，g2=1毫米、W0=6毫米，L0=133.7毫米，Wb=5毫米，Lb=120毫米，Wd=270.4毫米，Ld=100毫米.天線的整體尺寸為229毫米*270.4毫米.使用ADS進(jìn)行仿真后得到天線的回波損耗如圖2所示.圖2表明，在滿足通信系統(tǒng)要求的電壓駐波比小于2.0的前提下，印刷偶極子天線工作的中心頻率為433MHz赫茲，帶寬為420.5～447.6MHz（大于輸入信號(hào)的最大帶寬22MHz），完全滿足天線設(shè)計(jì)時(shí)所需的頻率和帶寬要求.但是，天線的整體尺寸過(guò)大（229mm*270.4mm），不適用于制作各種類(lèi)型的標(biāo)簽天線，更不利于標(biāo)簽的小型化.因此，如何減小天線的整體尺寸，如何使標(biāo)簽小型化等問(wèn)題日益引起研究者的關(guān)注.

圖2 印刷偶極子天線的回波損耗

2 標(biāo)簽天線的小型化設(shè)計(jì)

為了減小標(biāo)簽天線的尺寸，將圖1所示的偶極子天線的偶極子臂向下彎折，得到的結(jié)構(gòu)如圖3所示.折疊后的天線應(yīng)滿足：電流通過(guò)折合偶極子臂的最短距離應(yīng)該和四分之一諧振波長(zhǎng)大致相等.在433MHz中心頻率下，折合偶極子 天 線 具 體 尺 寸 ：Lo=85.5mm，Wo=6mm，Lz=56.3mm，Wz=8mm，Lb=120mm，Wb=5mm，Ld=190mm，Wd=60mm.天線的水平面尺寸為190mm*189mm.

圖3 折合偶極子天線結(jié)構(gòu)圖

圖4 折合偶極子天線的回波損耗

通過(guò)ADS仿真得到折合偶極子天線的各種電參數(shù)圖.圖4表明，滿足通信系統(tǒng)所要求的電壓駐波比小于2.0的要求下，天線工作的中心頻率為433MHz，帶寬在422.6～443.9MHz，比折疊前的帶寬有所減小，但完全滿足要求.圖5說(shuō)明在433MHz時(shí)，饋電點(diǎn)的阻抗為50*（0.896+j0.032）=44.8+j1.6Ω，能夠較好的與50Ω的饋線匹配.由圖6可知，在theta=-1度時(shí)有最大增益為1.085.

上述分析可知：小型化后的聲表面波射頻識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)簽天線不僅尺寸大大減小,僅為原來(lái)的58％,而且聲表面波射頻識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)簽天線增益沒(méi)有顯著減小，完全滿足聲表面波標(biāo)簽的需求.

圖5 折疊偶極子天線的史密斯圓圖

圖6 折疊偶極子天線增益隨THETA變化的曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款工作于433MHz頻率上的小型化偶極子天線，經(jīng)過(guò)ADS軟件對(duì)該天線建模與仿真，驗(yàn)證了這款小型化天線完全滿足聲表面波射頻識(shí)別的需要.

〔1〕http://www.anritsu.com.tw/accessed date,January 2008.

〔2〕http://www.agilentechnology.com/ accessed date,December 2007.

〔3〕鄧勇，施文康，劉艾.一種基于SAW的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)[J].國(guó)外電子元器件，2001，（05）.

〔4〕武以立，等.聲表面波原理及其在電子技術(shù)中的應(yīng)用.國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

〔5〕李秀萍，劉禹，等.基于RFID應(yīng)用的小型化印刷偶極子天線設(shè)計(jì)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（05）.

〔6〕鮑爾 IJ，布哈蒂亞 P.微帶天線[M].梁聯(lián)倬，寇廷耀，譯.北京：電子工業(yè)出版社，1985.132-147.

〔7〕李秀萍，劉禹，等.基于RFID應(yīng)用的小型化印刷偶極子天線設(shè)計(jì)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（5）:75-78.

TN65

A

1673-260X（2011）12-0178-02 SAW-RFID技術(shù)以SAW器件為核心，克服了傳統(tǒng)以IC芯片為核心的射頻識(shí)別設(shè)備在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中和金屬物體上不能正常工作等問(wèn)題，并且具識(shí)別距離遠(yuǎn)、無(wú)源、識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體特點(diǎn)，非常適用于路標(biāo)識(shí)別、不停車(chē)收費(fèi)識(shí)別、鐵路車(chē)輛車(chē)號(hào)識(shí)別、列車(chē)準(zhǔn)確停靠控制等[1,2].然而由于受成本太高、標(biāo)簽尺寸太大等因素限制，聲表面波標(biāo)簽不能應(yīng)用于零售等小物品的識(shí)別上.因此，如何使標(biāo)簽小型化、降低標(biāo)簽成本等問(wèn)題日益引起關(guān)注.本文設(shè)計(jì)了一款中心頻率為433MHz的印刷偶極子天線，然后進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，并通過(guò)ADS對(duì)上述天線分別進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

蚌埠學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目：“433MHz SAW標(biāo)簽的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制作與分析”（BBXYGC2010A02）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新型多通道聲表面波氣體傳感器研究”的子課題“多通道聲表面波氣體傳感器檢測(cè)電路研制”，批準(zhǔn)號(hào)為：60572018；安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目“靜電除塵設(shè)備氣體流場(chǎng)分布計(jì)算機(jī)模擬與仿真”（KJ2010B101）