433MHz SAW标签上偶极子天线的小型化设计

沈国浩，廖同庆

（1.蚌埠学院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽大学，安徽 230039）

433MHz SAW标签上偶极子天线的小型化设计

沈国浩1，廖同庆2

（1.蚌埠学院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽大学，安徽 230039）

声表面波标签是SAW射频识别系统的核心.本文为了减小声表面波标签的尺寸，通过将印刷偶极子臂弯折变型，设计了一款工作于433MHz频率上的小型化偶极子天线，经过ADS软件对该天线建模与仿真，验证了这款小型化天线完全满足天线设计时所需的频率和带宽要求.

声表面波射频识别；小型化天线

1 标签天线的设计

声表面波射频识别（SAW-RFID）标签天线设计主要考虑的有：天线物理尺寸、工作频率、工作带宽、阻抗匹配、增益等.受标签天线尺寸的限制，一般类型的天线如反射面天线，喇叭天线，螺旋天线等都不适用于设计成声表面波射频识别（SAW-RFID）标签天线.IC卡标签中应用的线圈天线，也不适宜应用于声表面波射频识别（SAW-RFID）标签上[3,4].与线圈天线不同，印刷偶极子天线相互传递信息是利用电磁波的反向散射来进行的，是一种工作在微波和超高频波段，工作距离可达到十米以上的远场天线.另外，印刷偶极子天线还具有结构简单，剖面低等特点，特别适用于制作各种类型的标签天线.

印刷偶极子天线标签的有效识别距离是设计印刷偶极子标签天线主要考虑的因素，印刷偶极子天线标签的有效识别距离计算公式[5]如下：

式（1）中，λ为天线的中心工作频率，Gt为阅读器传输的增益，Pt为读写器的传输功率，Pth为供给标签芯片正常工作能源的最小输入功率，Gr为标签天线的接收增益，τ为功率传输系数.由式（1）可以看出印刷偶极子天线的中心工作频率和接收增益是决定天线有效识别距离的关键.

433MHz和915MHz是民用非管制无线电频段，一般远距离射频识别系统都使用这些频段.综合考虑标签制作中的加工精度、阅读器的制作和系统的有效识别距离，本文基于的SAW-RFID系统中心频率是433MHz.

考虑到天线的应用及成本，根据试验要求选择的介质材料为介电常数为4.5，厚度1.6毫米，损耗角的正切tanδ=0.018的软质PVC板.天线的轮廓采用铝贴片，其厚度为0.018毫米.基于偶极子天线与微带天线理论制成的印刷偶极子天线[6,7]，结构见图1：该印刷偶极子天线由微带巴伦线和偶极子天线两部分组成.

图1 印刷偶极子天线结构图

433MHz中心频率天线的具体尺寸为：g1=3毫米，g2=1毫米、W0=6毫米，L0=133.7毫米，Wb=5毫米，Lb=120毫米，Wd=270.4毫米，Ld=100毫米.天线的整体尺寸为229毫米*270.4毫米.使用ADS进行仿真后得到天线的回波损耗如图2所示.图2表明，在满足通信系统要求的电压驻波比小于2.0的前提下，印刷偶极子天线工作的中心频率为433MHz赫兹，带宽为420.5～447.6MHz（大于输入信号的最大带宽22MHz），完全满足天线设计时所需的频率和带宽要求.但是，天线的整体尺寸过大（229mm*270.4mm），不适用于制作各种类型的标签天线，更不利于标签的小型化.因此，如何减小天线的整体尺寸，如何使标签小型化等问题日益引起研究者的关注.

图2 印刷偶极子天线的回波损耗

2 标签天线的小型化设计

为了减小标签天线的尺寸，将图1所示的偶极子天线的偶极子臂向下弯折，得到的结构如图3所示.折叠后的天线应满足：电流通过折合偶极子臂的最短距离应该和四分之一谐振波长大致相等.在433MHz中心频率下，折合偶极子 天 线 具 体 尺 寸 ：Lo=85.5mm，Wo=6mm，Lz=56.3mm，Wz=8mm，Lb=120mm，Wb=5mm，Ld=190mm，Wd=60mm.天线的水平面尺寸为190mm*189mm.

图3 折合偶极子天线结构图

图4 折合偶极子天线的回波损耗

通过ADS仿真得到折合偶极子天线的各种电参数图.图4表明，满足通信系统所要求的电压驻波比小于2.0的要求下，天线工作的中心频率为433MHz，带宽在422.6～443.9MHz，比折叠前的带宽有所减小，但完全满足要求.图5说明在433MHz时，馈电点的阻抗为50*（0.896+j0.032）=44.8+j1.6Ω，能够较好的与50Ω的馈线匹配.由图6可知，在theta=-1度时有最大增益为1.085.

上述分析可知：小型化后的声表面波射频识别系统标签天线不仅尺寸大大减小,仅为原来的58％,而且声表面波射频识别系统标签天线增益没有显著减小，完全满足声表面波标签的需求.

图5 折叠偶极子天线的史密斯圆图

图6 折叠偶极子天线增益随THETA变化的曲线

3 结论

本文设计了一款工作于433MHz频率上的小型化偶极子天线，经过ADS软件对该天线建模与仿真，验证了这款小型化天线完全满足声表面波射频识别的需要.

〔1〕http://www.anritsu.com.tw/accessed date,January 2008.

〔2〕http://www.agilentechnology.com/ accessed date,December 2007.

〔3〕邓勇，施文康，刘艾.一种基于SAW的无线标签识别系统[J].国外电子元器件，2001，（05）.

〔4〕武以立，等.声表面波原理及其在电子技术中的应用.国防工业出版社，1983.

〔5〕李秀萍，刘禹，等.基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计[J].北京邮电大学学报，2006，（05）.

〔6〕鲍尔 IJ，布哈蒂亚 P.微带天线[M].梁联倬，寇廷耀，译.北京：电子工业出版社，1985.132-147.

〔7〕李秀萍，刘禹，等.基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计[J].北京邮电大学学报，2006，29（5）:75-78.

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1673-260X（2011）12-0178-02 SAW-RFID技术以SAW器件为核心，克服了传统以IC芯片为核心的射频识别设备在强电磁干扰环境中和金属物体上不能正常工作等问题，并且具识别距离远、无源、识别高速运动的物体特点，非常适用于路标识别、不停车收费识别、铁路车辆车号识别、列车准确停靠控制等[1,2].然而由于受成本太高、标签尺寸太大等因素限制，声表面波标签不能应用于零售等小物品的识别上.因此，如何使标签小型化、降低标签成本等问题日益引起关注.本文设计了一款中心频率为433MHz的印刷偶极子天线，然后进行小型化设计，并通过ADS对上述天线分别进行了仿真验证.

蚌埠学院重点项目：“433MHz SAW标签的优化设计、制作与分析”（BBXYGC2010A02）；国家自然科学基金项目“新型多通道声表面波气体传感器研究”的子课题“多通道声表面波气体传感器检测电路研制”，批准号为：60572018；安徽省教育厅自然科学研究项目“静电除尘设备气体流场分布计算机模拟与仿真”（KJ2010B101）