一種新穎的UHF RFID手持設備PCB單極天線設計

俞正明

【摘 要】本文結合單極天線和套筒天線的優點設計了一種PCB單極天線，克服了普通PCB單極天線地板對天線指標的影響，通過改善端口阻抗及增加帶寬，使其能工作在860MHz～960MHz的UHF RFID頻段。同時，該天線具有結構簡單、加工方便的特點，非常適合安裝在UHF RFID手持設備上。

【關鍵詞】單極天線 套筒天線 RFID

【中圖分類號】 TN82【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0028-02

1 引言

隨著物聯網及RFID技術的發展與普及，越來越多的應用需要具有UHF RFID讀寫功能的手持設備。UHF RFID天線的性能、體積和成本是業界關注的重點問題。本文設計的天線是一款成本低、加工方便，且帶寬滿足UHF RFID（860MHz～960MHz）工作帶寬的天線。

傳統的單極天線是豎直的具有四分之一波長的天線[1]。該天線安裝在一個接地平面上，它可以是實際地面，也可以是人造接地面上。手機內置天線中也常采用變形單極子天線。普通PCB單極天線地板對天線指標的影響非常大，有文獻專門對地板長度對天下的影響做過研究，結果如圖1所示[2]。

本文設計的天線克服了傳統PCB單極天線對地板長度的依賴，具有工作頻率穩定、端口駐波特性好、可用同軸電纜饋電、結構簡單、加工方便等優點。

2 理論分析

本文設計的天線為了能達到阻抗和帶寬的要求，采用天線加頂的方法提高輻射電阻。為增加垂直部分的有效高度，可以在天線頂部加裝水平部分使天線類似倒L型。當水平部分和垂直部分之和接近時，有效高度最大，同時可以使天線的輸入電抗分量大大減小。設計中借鑒了套筒單極天線的工作原理，在單極天線的底部套上接地外壁，與普通單極子天線類似。套筒單極子天線的總長度通常取為工作頻段下限頻率的四分之一波長，即λ/4。在總長度確定的情況下，天線的電性能主要取決于上輻射體長度與套筒接地外壁的長度之比，有文獻認為2.25 是套筒單極子天線的最佳長度比[3]。

本文的天線設計仿真采用矩量法。矩量法是一種將連續方程離散化為代數方程組的方法，這種方法對于求解微分方程和積分方程均適用。在天線工程中，當天線的最大尺寸不大于兩個波長時，非常適合于用矩量法。

假設導線的線徑與波長相比非常細，導線上的電流只沿導線的軸線流動，則線上電流J產生的電場Es可以表示為：

頻段內。然后再調整參數d改變套筒與輻射體的長度比，這樣也很容易地將天線的駐波特性調整好。

4 參數優化

經過優化后的天線版圖如圖4所示，其中的參數具體值為：a=6mm、b=35.3mm、c=45.3mm、d=31.6mm、e=5.5mm、f=62.4mm、g=2mm。

經過優化后的天線S11參數如圖5所示，工作頻段860 MHz～960MHz內天線的駐波都在1.5以下。

通過觀察天線的2D和3D輻射圖可以看到，天線在一個方向上有較大的輻射，增益達到了5dB。

5 結束語

本文結合單極天線和套筒天線的優點設計了一種PCB單極天線，并且給出了具體的PCB版圖。從仿真結果可以看出達到了預期的設計效果。

參考文獻

[1] 王元坤， 李玉權 線天線的寬頻帶技術〔M ] 西安 西安電子科技大學出版社，1995

[2] 朱文濤 L形地板結構平面單極天線的研究 北京交通大學碩士學位論文，2009

[3] Poggio A J，Mayes P E. Pattern Bandwidth Optimization of the Sleeve Monopole Antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat，1966

[4] K.Fujimoto A.Henderson，K.hirasawa J.R.James Small Antennas 國防工業出版社 1988