一種新型超高頻低剖面貼片天線的仿真設計

丁曉倩

摘要：射頻識別 （RFID）所使用的頻段為超高頻（Ultra High Frequency， UHF）。由于歷史原因，世界各國實際使用的頻段稍有不同。我國使用的是902MHz-928MHz，歐洲使用的是868MHz頻段。本文描述了通過對平面貼片天線變形與仿真分析得到的一種工作于超高頻的低剖面貼片天線。該天線以雙層PCB板為介質，其尺寸為200mm×200mm×27mm，實現了 99MHz的10dB阻抗帶寬，同時覆蓋了世界上大部分的射頻識別頻段。其阻抗帶寬范圍內的可實現增益范圍為6.5dBi-7.5dBi。

Abstract： The Ultra High Frequency （UHF） ranges that used in Radio Frequency Identification （RFID） are different based on historic reasons within the world. We use 902MHz-928MHz in domestic whereas Europe mainly use 868MHz range. This article descripts a low profile high realized gain patch antenna that works in UHF range. The antenna uses PCB as its substrate and gets a 99MHz 10dB impedance bandwidth with a 200mm×200mm×27mm size. It realized 6.5dBi-7.5dBi gain with this size. This antenna coverages most of the RFID frequency range.

關鍵詞：超高頻;UHF;射頻識別;RFID;貼片天線

Key words： Ultra High Frequency;UHF;Radio Frequency Identification;RFID;Patch Antenna

中圖分類號：TN821 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0176-03

0 ?引言

射頻識別作為一種數據通信技術最早起源于二戰時的英國，被用于飛機的敵我識別。從20世紀60年代開始，射頻識別漸漸開始被商用化，并廣泛出現在軍需物資管理、醫院醫療器械及藥物的追蹤以及圖書館藏書的管理等領域。射頻識別的兩大硬件：標簽與閱讀器都必需具有天線以發射與接收信號。其中，標簽價格從2000年左右的1美元價格降到現在的10美分，為物聯網的大量使用奠定了非常良好的成本基礎。而閱讀器也由原來單一的手持式演變出了更多的形式以適應不同的需求。從2017年初到2018年的5月份，國內的資本開始竭力探尋與占據新零售的風口，這其中平面RFID閱讀器的設計與實現也成了關鍵的一環。

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1 ?天線基本結構

1.1 3D結構

圖1描述了天線的三維結構。為了便于說明其結構采用了各部分分離的三維圖。為了節約成本頂層的天線層采用了常規的FR4（εr=4.4）板材，其厚度為1.6mm。

中間層為了降低天線與底層地板層的電場損耗，采用了空氣層，并使用四個對稱的塑料柱作為支撐。

底層為了降低微帶線電路的損耗采用了較貴的Taconic材料，其型號為TLX-0 （εr=2.45），厚度為0.79mm，其覆銅厚度為半盎司，損耗正切角為0.0019。

1.2 天線貼片尺寸

2 ?仿真結果分析

2.1 無短路點貼片結果分析

首先以探針饋電的貼片天線作為設計初始。為了使天線尺寸較小，將貼片天線作一個半圈形折疊?？紤]到有低頻868MHz的頻段，天線貼片從饋電點向右延伸后并向上折疊后使其變寬。

因為采用了貼片加寬加長的方式，可實現增益的峰值出現在860MHz，為5.5dBi，其反射系數在900MHz的時候僅僅不到-8dB。（圖4）

可以看到，800MHz-820MHz以及950MHz-1000MHz范圍內，可以增益下降非常明顯，而對照反射系數曲線就可以發現，反射系數在這兩個頻段有明顯的上升。

也即是說，在這兩個頻段內反射系數的上升造成了可實現增益的明顯下降。

進一步，從史密斯圓圖上也可以看出，反射系數的圓圈過于發散，整個頻段沒有頻點落入-10dB圓圈。（圖5）

因此，需要進一步優化反射系數及可實現增益。

2.2 帶短路點貼片結果分析

在微波理論中，合適的短路點可以使得短路位置對特定頻率產生開路特性。以此可以把短路作為一種匹配手段。

從圖6-圖8可以看出，位置b產生了一個從850MHz-950MHz的-10dB阻抗帶寬。史密斯圓圖上也可以看出868MHz-928MHz曲線非常收斂。-10dB意味著90%的能量將被傳輸，對通常設備而言已經夠用。

從圖9也可以看出，從850MHz-950MHz該天線都有很好的可實現增益，其范圍在5dBi-8dBi，對應的反射系數都在-10dB以下。

3 ?結論

本文通過仿真軟件構建了一種貼片天線，其尺寸為200mm×200mm×27mm。這種天線采用了貼片天線折疊以及短路加載的方式，其-10dB阻抗帶寬為850MHz-950MHz，對應的可實現增益為5dBi-8dBi。

考慮到這種天線的低剖面性及高可實現增益，其可以作為小型M×N陣列的基本單元（M和N視需求而定），由此組成增益更高的陣列。

以3×2小型陣列為例，考慮理想情況下的增益估算：

G（陣列增益）=10*log（3×2）+G（單元增益）

以此計算得到的陣列增益范圍在12.8dBi-15.8dBi，這個值將非?？捎^。不過考慮到陣列單元間的互耦及隔離，實際陣列增益將低于這個估算值。通過合適的手段（比如陣元間加金屬隔離帶）將可以使整個陣列的可實現增益接近估算值?？傊?，這種天線可以在物聯網中有出色的應用前景。

參考文獻：

[1]魏文元，宮德民.天線原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[2]黃友森.射頻識別（RFID）技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]Nemai Chardra Karmakar. Handbook of Smart Antennas for RFID Systems[M]， John Wiley & Sons， Inc，2010.

[4]John D. Kraus， Ronald J. Marthefka. Antennas： For All Applications[M]， 北京：電子工業出版社，2011.

[5]Game. Roussos， Enabling RFID in retail[M]， IEEE Computer Soc.， pp.25-30， March 2006.

[6]https：//baike.baidu.com/item/CST/10863179