一种新颖的UHF RFID手持设备PCB单极天线设计

2013-09-03俞正明

中国信息化·学术版 2013年7期

俞正明

【摘要】本文结合单极天线和套筒天线的优点设计了一种PCB单极天线，克服了普通PCB单极天线地板对天线指标的影响，通过改善端口阻抗及增加带宽，使其能工作在860MHz～960MHz的UHF RFID频段。同时，该天线具有结构简单、加工方便的特点，非常适合安装在UHF RFID手持设备上。

【关键词】单极天线套筒天线 RFID

【中图分类号】 TN82【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0028-02

1 引言

随着物联网及RFID技术的发展与普及，越来越多的应用需要具有UHF RFID读写功能的手持设备。UHF RFID天线的性能、体积和成本是业界关注的重点问题。本文设计的天线是一款成本低、加工方便，且带宽满足UHF RFID（860MHz～960MHz）工作带宽的天线。

传统的单极天线是竖直的具有四分之一波长的天线[1]。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是人造接地面上。手机内置天线中也常采用变形单极子天线。普通PCB单极天线地板对天线指标的影响非常大，有文献专门对地板长度对天下的影响做过研究，结果如图1所示[2]。

本文设计的天线克服了传统PCB单极天线对地板长度的依赖，具有工作频率稳定、端口驻波特性好、可用同轴电缆馈电、结构简单、加工方便等优点。

2 理论分析

本文设计的天线为了能达到阻抗和带宽的要求，采用天线加顶的方法提高辐射电阻。为增加垂直部分的有效高度，可以在天线顶部加装水平部分使天线类似倒L型。当水平部分和垂直部分之和接近时，有效高度最大，同时可以使天线的输入电抗分量大大减小。设计中借鉴了套筒单极天线的工作原理，在单极天线的底部套上接地外壁，与普通单极子天线类似。套筒单极子天线的总长度通常取为工作频段下限频率的四分之一波长，即λ/4。在总长度确定的情况下，天线的电性能主要取决于上辐射体长度与套筒接地外壁的长度之比，有文献认为2.25 是套筒单极子天线的最佳长度比[3]。

本文的天线设计仿真采用矩量法。矩量法是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，这种方法对于求解微分方程和积分方程均适用。在天线工程中，当天线的最大尺寸不大于两个波长时，非常适合于用矩量法。

假设导线的线径与波长相比非常细，导线上的电流只沿导线的轴线流动，则线上电流J产生的电场Es可以表示为：

频段内。然后再调整参数d改变套筒与辐射体的长度比，这样也很容易地将天线的驻波特性调整好。

4 参数优化

经过优化后的天线版图如图4所示，其中的参数具体值为：a=6mm、b=35.3mm、c=45.3mm、d=31.6mm、e=5.5mm、f=62.4mm、g=2mm。

经过优化后的天线S11参数如图5所示，工作频段860 MHz～960MHz内天线的驻波都在1.5以下。

通过观察天线的2D和3D辐射图可以看到，天线在一个方向上有较大的辐射，增益达到了5dB。

5 结束语

本文结合单极天线和套筒天线的优点设计了一种PCB单极天线，并且给出了具体的PCB版图。从仿真结果可以看出达到了预期的设计效果。

参考文献

[1] 王元坤，李玉权线天线的宽频带技术〔M ] 西安西安电子科技大学出版社，1995

[2] 朱文涛 L形地板结构平面单极天线的研究北京交通大学硕士学位论文，2009