基于RFID應用的頻率可調天線設計

詹 念，朱 勇，鄧 然，代家為，張 猛

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于RFID應用的頻率可調天線設計

詹 念，朱 勇，鄧 然，代家為，張 猛

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

針對RFID技術應用,沒有統一的國際化標準，不同國家有不同的頻段標準，這使得RFID技術的廣泛應用變得困難。結合彎折偶極子天線和阿基米德螺旋天線的特點設計出一款新型的標簽天線，它是由2個方形的螺旋臂加上2個調諧臂組成，通過改變2個調諧臂之間的相對距離(0～38 mm)，可以實現諧振頻率在840～860 MHz之間改變，因而能夠應用于不同國家的RFID頻段標準，而且在改變諧振頻率的過程中能夠保證帶寬在40 dB左右，平均增益在1.726 65 dBi。

射頻識別；標簽天線；諧振頻率可調；HFSS

0 引言

射頻識別 (Radio frequency IDentificatiaon,RFID)是一種通過無線電實現通信的技術，它鑒別特定目標和識別與其相關的數據是由無線電信號來實現的，而不需要系統與目標之間建立某種接觸關系，比如機械接觸或者是光學接觸等等。這種特性可以使其工作在各種條件比較惡劣的場合或環境中，因此其應用前景是相當廣闊的。

但是最嚴峻的挑戰是標準的統一。如今射頻識別系統中[1]，應答器和閱讀器技術依然沒有實現一體化的應用，而且標簽天線中的芯片存儲功能和天線設計的規范也沒有統一的標準。雖然一些行業人士在不斷完善這方面的問題，但是每個國家都有自己的行業標準，更讓人擔憂的是如果一個國家將某個頻段的頻率版權賣給某個生產商或者生產企業的話，那么這個國家將面臨不可估量的損失，因為應用RFID技術的設備將無法在該頻段正常工作[2-3]。

因此本文的主要目的是設計出一款天線，它能夠在保證小型化和一定帶寬的情況下實現諧振頻率在840～960 MHz之間改變的功能，設計出這樣天線就可以適應各個國家對于RFID技術的標準規范，有了這種頻率的轉換以及標準規范，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頻段的標簽天線，而大多數處在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構實現的。經典的偶極子天線是由2根一樣(如尺寸、材料等)的直導線對稱排列組成一條直線構成，信號從對稱中心的2個端點進入，并分別在對稱的2根導線上(這2根對稱的導線通常稱為偶極子的兩臂)產生電流，這種電流能夠激發臂周圍產生感應磁場[4]。

當偶極子的臂長遠遠小于波長時，天線周圍輻射的電磁波幾乎為零，當臂長和波長在一個數量級時，天線周圍輻射的電磁場將大大增加，可是當臂長和波長的比值>0.625時，垂直于臂長方向的電磁場又會減弱，使得天線的增益下降，進而影響天線的閱讀距離，產生這種結果的原因是在偶極子的臂長上產生了反向電流，致使方向圖中的波瓣不集中，副瓣的數量變多[5-6]。

2 螺旋天線的特性

根據上述偶極子天線和阿基米德螺旋天線的研究可知[7]，通過彎折對稱偶極子天線可以達到減小尺寸的目的，但是在RFID標簽天線中，減小尺寸會使得帶寬減小，同時使得阻抗匹配變得不容易，阿基米德螺旋天線是具有多個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，而且還具有質量小、體積輕、圓極化方向好等優點，因此得到廣泛的應用，唯一的缺點是他的輻射方向是雙向的，因此天線的增益會降低[8-9]。

如果從2個臂的中間位置加電源，且電壓的幅度相同、方向相反，那么當頻率變化時可以實現輸入阻抗基本不變，既可保證較寬的頻帶寬度，還可以實現在寬頻帶內獲得雙向的圓極化輻射，那么上下的極化方向將相反，一個是右旋圓極化波，一個是左旋圓極化波。

3 頻率可調的螺旋標簽天線設計

3.1 頻率可調天線模型的確定

由以上對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，但是尺寸減小會使得諧振頻率下降，帶寬縮減，而對于RFID標簽天線來說，又需要盡可能地展寬帶寬來適應因環境的改變對諧振頻率造成的影響，阻抗匹配將會變得方便。阿基米德螺旋天線具有各個方面的寬頻帶特性，所以本文準備將這2種天線的優點結合起來，設計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

因為本文研究的是UHF頻段的RFID電子標簽[12-13]，所以這種標簽天線一般是采用印刷法制作的，印刷板的標準是FR-4介質板(介電常數εr=4.4，tanδ=0.001 8)，介質板的高度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介質板上。L1和L2是2個臂之間的相對距離，L是調諧臂相對于臂末端的距離，通過調節L(0～38 mm)的參數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仿真結果和分析

給出天線的模型圖，并創建完工程天線圖之后開始設計集總參數值，通常設置端口的輸入阻抗Z0=5O Ω。完成這些初始設置后，開始對所設計的天線進行仿真實驗，首先按照等差數列分別設置L的值，觀察其S11曲線[16]。

由圖2可以看出在L=18 mm時諧振頻率為912 MHz,L=14 mm時諧振頻率為918 MHz，因此在14 mm和18 mm之間繼續優化，當L=16 mm時，天線的諧振頻率在915附近諧振。優化后的S11參數如圖3所示。

圖2 優化后的S11幅度參數圖

圖3 優化后的S11參數圖(L=16 mm)

由圖3可知優化后的諧振頻率為914 MHz，S11=-20.541 6 dB，該諧振頻率位于美國的標準應用頻段(902～928 MHz)。當S11=-10 dB時，阻抗帶寬=m3-m2=940-890 MHz=50 MHz,在此寬帶內天線能夠正常工作，所以此設計是合理的。

由圖4可知天線在諧振頻率點914 MHz處的特征阻抗為41.419 8+j0.541 0 Ω，與端口設置的匹配阻抗50 Ω大致相同，所以可以認為是匹配的。由圖4還可以看出天線的阻抗隨著頻率的升高表現出點抗性，也即隨著頻率的升高實部是呈下降的趨勢，虛部呈上升的趨勢，不過總體來說都是比較平滑的曲線。在諧振頻率為914 MHz時，天線的駐波比是1.2>1，所以表明天線的匹配程度復合要求，通過同樣的方法可以找到其他不同國家所應用的RFID標準頻段所對應的L的調節范圍。如表1所示。

圖4 優化后天線的阻抗圖

表1 L的調節范圍

國家標準/MHzL/mm日本951～9540～4中國920～9254～20美國902～92814～18歐洲866～86926～34中國840～84534～38

4 結束語

本文的主要內容是關于UHF頻段RFID系統中的標簽天線設計，針對目前某一個問題展開了深入研究和探索，在折疊偶極子天線和阿基米德螺旋天線基礎上設計出一款方形螺旋的帶有2個調諧枝節的可以調節頻率的天線，它能夠實現840～960 MHz之間的頻率調節，滿足了各個國家的RFID系統的應用標準，而且保證了帶寬幾本上在40 dB左右，增益為1.975 1 dBi。

但是本次設計的天線仍然存在不足，天線的尺寸還不夠小；所能夠匹配的阻抗只能是50 Ω，只能印刷在標準的RF-4介質板上，缺乏靈活性。

[1] 游戰清,劉克勝,吳 強.天線識別與條碼技術[M].北京:機械工業出版社,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標準體系比較分析[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[4] 芬肯才勒.射頻識別技術[M].吳曉峰,陳大才,譯.西安:電子工業出版社,2006.

[5] 譚 明,曾雋芳,劉 禹.RFID.技術系統工程及應用指南[M].北京:機械工業出版社,2007.

[6] 周曉光,王曉華.射頻識別技術原理與應用實例[M].北京:人民郵電出版社,2005.

[7] 匡 磊,陳榮標.天線手冊[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[8] 盧萬錚.天線理論與技術[M].西安:電子科技大學出版社,2004.

[9] 李緒益.天線[M].南京:華南工學院出版社,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天線設計[M].西安:電子工業出版社,2011.

[12]劉其中,宮德明.天線的計算機輔助設計[M].西安:電子科技大學出版社,2003.

[13]溫 妮.RFID標簽天線的研究[D].成都:電子科技大學,2014.

[14]馬雪麗.基于物聯網應用的RFID標簽天線研究與設計[D].北京：北京郵電大學,2014.

[15]佟 站.超高頻抗金屬RFID標簽天線的研究與設計[D].南京：南京郵電大學,2014.

[16]楊俊義.超高頻RFID標簽天線的優化設計研究[D].天津：河北工業大學,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應用的頻率可調天線設計[J].無線電通信技術,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