新型材料饋電的RFID 閱讀器雙頻工作天線*

張翠翠，楊 丹，廖 成

（西南交通大學，四川 成都 610031）

0 引言

隨著物聯網的興起，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術受到越來越多的關注，被廣泛地應用到了醫療保健、制造業、安全，汽車工業和零售業等多個領域[1]。RFID 作為一種非接觸式的自動識別技術，它通過電磁波在空間的傳播實現信息的傳遞。目前主要使用在低頻、高頻、超高頻和微波頻段[2]。而微波波段的RFID 系統有較長的讀取距離以及高速的數據傳輸能力，性能相較于低頻、高頻以及超高頻RFID 系統更為優越。與此同時為了滿足日益迫切的RFID 系統應用需求，天線在小型化的同時，更傾向于在一個設備內集成多種功能。因此閱讀器天線向著小型化、多頻化、圓極化的方向不斷發展。

通常，RFID 系統由電子標簽和讀取標簽信息的閱讀器組成[3]。閱讀器天線將閱讀器形成的特定頻段信號以電磁波的形式發射出去，再將接收的標簽信號返回閱讀器，這就是一次射頻識別的過程[4]。而天線作為這一讀取過程的重要組成部分，其性能直接影響整個RFID 系統性能。天線重量過大，潮濕環境下天線易腐蝕等問題極大地限制了RFID 系統的應用環境。而碳納米管材料相對于傳統金屬材料，具有更高的拉伸強度，更好的耐腐蝕性，極低的密度以及良好的導電性能[5]。現已有眾多學者將其應用在了微帶天線領域[6-8]。

通常單頻段的閱讀器天線，只能識別某個頻段的標簽，應用范圍有限。而雙頻或多頻閱讀器天線可實現不同頻段標簽的讀取，使得一個閱讀器可以應用于多個系統。文獻[9]設計了一款工作在915 MHz和2.45 GHz 頻段的雙頻閱讀器天線，通過在圓形貼片上刻蝕插槽以及接地板上的狹縫實現了天線的雙頻圓極化性能。文獻[10]提出了一種在UHF-RFID和WLAN 波段具有雙頻圓極化的圓形貼片天線。通過在貼片上蝕刻兩個垂直槽，使天線實現雙波段工作，并在地面上刻蝕四個狹縫來提高軸比。為提高天線的增益在貼片下面放置了一個具有25 單元的雙波段AMC 反射器。文獻[11]提出了一種由旋轉對稱折合振子和縫隙加載的方形貼片構成的雙頻圓極化閱讀器天線，但天線需要兩個外部端口，且饋電網絡較為復雜，不利于加工制作。文獻[12]提出了一款微波波段的雙頻閱讀器天線。天線工作在2.45 GHz和5.8 GHz，在低頻和高頻分別實現了148.48 MHz 和204.85 MHz 的阻抗帶寬。但天線不具備圓極化輻射性能。文獻[13-14]所設計的天線雖具備圓極化輻射性能，但都只能工作在單一的頻段處。

針對上述文獻中天線饋電結構復雜、尺寸過大、單一頻點工作、不具備圓極化輻射性能等問題，本文結合碳納米材料設計了一款新型的雙頻圓極化閱讀器天線。該天線結構簡單，尺寸相對較小，不需要復雜的饋電結構便可實現圓極化輻射性能。文章首先闡述了天線的結構與設計，然后分析了主要參數對天線性能的影響，最后對同尺寸下采用碳納米管金屬薄膜作為饋線和采用銅質材料作為饋線的兩款天線分別進行了仿真。并對仿真結果進行了對比。

1 天線結構與設計

開口雙環諧振器（Split-Ring Resonator，SRR）[15]最初的模型由英國科學家Pendy 在研究超材料時提出。其結構如圖1（b）所示，是由兩個相互增強諧振的同心開口環組成的諧振體系。由法拉第電磁感應定律可知，當有時變的磁場穿過SRR 的垂直方向時，由金屬環上產生的感應電流Leq可等效為電感，兩環間的電荷集聚產生等效電容，此時SRR 結構可以等效為LC 諧振電路。其諧振頻率可表示如下：

式中：Cp為環間單位長度的電容值；Ceq為等效電容；Leq為等效電感，可由寬度為m和平均半徑為R0的單個環的電感獲得；Sn為n階Struve函數；Jn為n階Bessel函數。

圖1 開口諧振環結構

根據SRR 的結構特性，環開口處的電容、環上電感以及環間的耦合電容會隨著環間距、環寬度和開口寬度的減小而增大[16]。因此改變這些參數便可對SRR 的諧振頻率做出調節。

為了使天線實現雙頻輻射，在SRR 結構外側加載了一個同圓心的開口單環諧振器（Split Single-Ring Resonator，SSRR），結構如圖1（a）所示。SSRR 沒有內環，是由單個開口環構成的磁諧振器。通過調節環開口處電容和環上的電感同樣可調節SSRR 的諧振頻率。

圖2 為所設計的天線最終結構，尺寸見表1。

圖2 天線結構

表1 天線結構參數

該天線采用口徑耦合的饋電方式，50 Ω 微帶線通過接地板上的一字形縫隙給上層的輻射貼片進行耦合饋電。天線的介質基板為相對介電常數εr=4.4 的FR-4。饋線采用厚度為0.015 mm 電導率為3×105S/m 的碳納米管金屬復合薄膜，位于下層基板的底部，接地板位于兩層基板的中間。位于上層基板表面的SRR 貼片結構使天線實現了5.8 GHz處的諧振，通過短接線與SRR 結構連接的SSRR 貼片結構使天線在2.45 GHz 處實現了良好的諧振。通過對短接線的位置以及SSRR 結構的開口位置進行調節，使天線實現了圓極化輻射性能。

2 天線參數分析

本文采用仿真軟件Ansolf HFSS 13.0 進行建模仿真，并對天線的各個參數進行優化。從天線的設計可知，位于中間的SRR 貼片結構主要實現天線在5.8 GHz 處的諧振。因此通過改變SRR 結構的半徑r和寬度d，便可對高頻諧振點進行調節。如圖3所示，隨著r的增大，高頻中心頻率依次向低頻移動，且對2.45 GHz 處的頻點沒有產生太大影響。圖4 為SRR 結構寬度d由0.8 mm 到1.1 mm 變化時天線諧振頻率的變化曲線。天線的高頻頻點從5.85 GHz 變化到5.6 GHz。最終取SRR 結構半徑r=4.4 mm，寬度d=1 mm 使天線實現了在5.8 GHz 處的諧振。

圖3 S11隨r 的變化曲線

圖4 S11隨d 的變化曲線

當改變外部SSRR 結構的寬度時，天線諧振頻率的變化曲線如圖5 所示。從圖5 中可以看出，環的寬度dg從2.2 mm 增加到2.8 mm，2.45 GHz 處的諧振點逐漸向低頻移動，且對高頻諧振點影響不大。SSRR 結構的半徑取12.4 mm，寬度取2.3 mm，使天線的諧振中心點位于2.45 GHz 處。

天線確定高低中心諧振頻點后，就可以對天線的圓極化性能進行優化。在本設計中，通過調節SSRR 結構的環開口以及短接線的位置便可實現對天線軸比的改善。為了使短接線的接入對高頻諧振不產生太大的影響，最終將短接線置于SRR 結構外環開口的相對位置，并對SSRR 結構的環開口位置進行掃參。結果如圖6 所示，SSRR 環開口角度θ為相對SRR 結構環開口的角度。θ由0°變化到30°時，天線的低頻軸比從10 dB 降到了3 dB 以下，高頻軸比始終保持在3 dB 左右。當θ取20°～30°時，天線在低頻處的軸比小于3 dB，得到了極大的改善。并且當環開口置于該位置時，對高頻和低頻的諧振沒有產生太大影響。

圖5 S11隨dg 的變化曲線

圖6 軸比隨 θ 的變化曲線

3 結果分析

為了將碳納米管金屬薄膜作為饋線的天線和銅質材料為饋線的天線性能進行對比，按照圖2的結構圖和表一的尺寸對兩款天線進行了建模仿真。天線最終的回波損耗S11結果如圖7 所示。結果表明饋線為碳納米管金屬薄膜時天線的阻抗帶寬在低頻段為2.389～2.601 GHz；高頻段為5.726～5.846 GHz，頻段較好地覆蓋了RFID 系統常用的2.45 GHz 頻段和5.8 GHz 頻段。而饋線為銅質材料時天線低頻的阻抗帶寬變窄，而且高頻的阻抗帶寬發生了較大的偏移。

圖7 S11曲線

圖8 為兩款天線的軸比對比圖。碳納米管饋線天線在低頻段軸比小于3 dB 的帶寬為2.46～2.50 GHz，最小軸比位于2.48 GHz 處為0.75 dB；高頻段處的3 dB 軸比帶寬為5.723～5.765 GHz，最小軸比位于5.74 GHz處為0.63 dB。而銅質饋線天線的軸比都大于了3 dB，在高低頻段均未滿足圓極化天線對軸比的要求。

圖8 軸比

碳納米管金屬薄膜天線的增益圖和方向圖如圖圖9、圖10、圖11 所示。天線在低頻頻段的增益峰值為4.25 dBi，高頻頻段內的增益峰值為3.4 dBi。圖10 和圖11 為天線在低頻和高頻頻段內軸比最小處的增益方向圖，由圖可知天線在兩個頻段的極化方式均為左旋圓極化。從仿真結果可以看出采用碳納米管薄膜作為天線的饋線時，天線在達到帶寬和圓極化軸比要求時也滿足RFID 系統對閱讀器天線增益的要求。

圖9 增益

圖10 2.48 GHz 處增益方向

圖11 5.74 GHz 處增益方向

4 結語

本文針對微波頻段RFID 閱讀器天線兼容2.400～2.525 GHz 和5.725～5.875 GHz 雙頻段的要求設計了一款結構簡單的雙頻圓極化微帶天線。天線采用碳納米管金屬薄膜作為饋線，利用SRR 和SSRR 貼片結構在2.45 GHz 和5.80 GHz 頻段諧振良好，并且在兩個頻帶分別實現了54 MHz 和42 MHz的軸比帶寬。碳納米管材料相較于銅質材料重量輕、拉伸強度高、不易腐蝕，使得閱讀器天線能夠廣泛地應用在更多更復雜的環境中。