一種RFID讀寫器天線的設計與分析

李健 張謝馥 羅韋 蔡鵬霄

摘 要：本文設計了一款中心頻率工作于2.45GHz的RFID（Radio Frequency Identification，RFID）讀寫器天線。該天線是對矩形微帶天線的改進，通過對矩形貼片進行鏤空，以原點處為中心，分別鏤空六個尺寸相等的小矩形，以改變矩形貼片表面電流分布，使其具有更強的電磁輻射特性。此外，本文還使用HFSS軟件進行仿真驗證。結果表明，該天線回波損耗在2.43～2.50GHz頻段內低于-10dB，在中心頻率2.45GHz處回波損耗約為-21dB，改進后的矩形微帶貼片中心面磁感應強度平均高于原矩形微帶天線約10A/m。

關鍵詞：矩形微帶天線;回波損耗;HFSS軟件;磁感應強度

中圖分類號：TN409 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0037-03

Design and Analysis of an RFID Reader Antenna

LI Jian ZHANG Xiefu LUO Wei CAI Pengxiao

Abstract： In this paper， an reader antenna applied to the RFID （Radio Frequency Identification） system with a center frequency operating at 2.45 GHz was designed. The antenna is based on a rectangular microstrip antenna which is hollowed out centered on the origin with six small rectangles of equal size that is to change the surface current distribution of the rectangular patch aiming to provide stronger electromagnetic radiation characteristics. In this paper， HFSS software was used for simulation. The results shows that the return loss of the antenna is lower than -10dB in the frequency range of 2.43～2.50GHz， and the return loss is about -21dB at the center frequency of 2.45GHz. The magnetic induction intensity of the center plane of the improved rectangular microstrip patch is about 10 A/m higher than that of the original rectangular microstrip antenna.

Keywords： rectangular microstrip antenna;return loss;HFSS software;magnetic induction intensity

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種基于射頻通信技術基礎上的非接觸自動識別技術，主要是利用射頻信號的空間耦合對物體間進行相互識別[1，2]。本節所提出的讀寫器天線是一款工作在RFID微波波段（2.45GHz頻段）的讀寫器天線。選擇讓天線工作在微波頻段主要是因為：現代通信常用的工作頻段在850～960MHz，導致超高頻段比較擁擠，天線工作在微波波段有助于避開頻段擁擠;與特高頻無線電波（Ultra High Frequency，UHF）頻段相比，微波波段的傳輸速率更高。因此，對需要識別快速移動的物體的RFID系統來說，微波波段具有很大的優勢。

1 RFID讀寫器天線設計

本文設計的天線的中心頻率是2.45GHz，首先通過微帶天線的理論估算出矩形貼片的尺寸[3-8]。本文天線設計選用的介質板是厚度為[H]的FR4環氧樹脂（FR4 Epoxy）板，可由公式（1）得到矩形微帶線的寬度[W0]。

[W0=cfεr+12-12] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[c]是光速;[εr]是FR4 Epoxy板的相對介電常數。

輻射貼片的長度[L0]可由公式（2）計算得到：

[L0=cfεe-2ΔL] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[εe]是有效介電常數;[ΔL]是等效輻射縫隙長度。這兩個變量可由式（3）和式（4）計算得到：

[εe=εr+12+εr-12（1+12HW0）-12] ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[ΔL=0.412Hεe+0.3W0H+0.264εe-0.258W0H+0.8] ? ? ? ? ? ? （4）

該天線在矩形微帶輻射貼片的基礎上進行改進，具體結構如圖1所示，通過鏤空六個尺寸大小相等的矩形，改變矩形微帶線表面電流，加強輻射磁場強度。

從圖1可知，[L2]對應的微帶是特性阻抗為50Ω的微帶線。由于矩形貼片的特性阻抗不符合微波器件通用的50Ω系統，在設計時加上一段1/4波長阻抗轉換器，其長度[L1]和寬度[W1]可由微波計算器計算得來。天線的具體尺寸如表1所示。

2 天線仿真結果及分析

本文選用HFSS軟件進行仿真，回波損耗（S11）的仿真結果如圖2所示。觀察圖2可知，在頻率為2.45GHz時，回波損耗（S11）大小為-21dB，符合插入損耗小于-10dB的要求，其工作頻段為2.43～2.50GHz。

圖3為矩形貼片的磁場輻射仿真圖。從圖3（a）可知，在輻射貼片的中心區域，其電磁感應強度大小為17.737 9A/m。從圖3（b）可以看出，改進后的天線中心區域電磁感應強度大小為27.11A/m，則改進后天線的電磁感應強度增強。

3 結語

本文在矩形貼片上鏤空了六個小矩形，從而改變矩形貼片表面電流分布，加強天線表面磁感應強度。天線仿真結果表明，天線回波損耗2.43～2.50GHz頻段內低于-10dB，在中心頻率2.45GHz回波損耗約為-21dB，且改進后天線中心區域磁感應強度高于原矩形貼片天線中心區域約10A/m，這一結果驗證了該款天線在RFID系統中的實用性和優勢。

參考文獻：

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