超高频RFID系统的宽带圆极化微带天线优化设计

傅世强 钟华华 李婵娟

摘 要： 提出一种全球通用超高频RFID读写器终端圆极化天线的优化设计方法。在传统叠层微带天线宽带化的基础上，通过加载中心短路柱和改进T型双馈电功分移相网络扩展天线的轴比带宽，并利用匹配调谐片进一步展宽天线的阻抗带宽，给出天线的设计思路，并进行了电磁仿真优化。最后对天线进行加工试验，测试结果表明在840～960 MHz频带范围内，天线驻波比小于1.5，轴比小于3 dB，增益可达9 dB。所设计的天线已成功应用于超高频四通道读写器终端。

关键词： 射频识别; 微带天线; 超高频读写器; 圆极化; 轴比带宽; 天线设计

中图分类号： TN822?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0017?04

Abstract： An optimization design method of circularly?polarized antenna is presented for the globally?universal ultrahigh frequency （UHF） RFID reader?writer terminal. On the basis of the traditional broadband stacked microstrip antenna， the axial ratio bandwidth of the antenna is broadened by loading the center short circuit column， and improving the T?type dual?feed power?dividing and phase?shifting network. The impedance bandwidth of the antenna is further broadened by means of the matching tuning stub. The design thought of the antenna is given， and its electromagnetic simulation optimization is performed. The fabricating test was carried out for the antenna. The test results show that， within 840～960 MHz frequency band， the antenna standing wave ratio is less than 1.5， its axial ratio is less than 3 dB， and the gain can reach up to 9 dB. The designed antenna has been successfully applied in the ultrahigh frequency four?channel reader?writer terminal.

Keywords： radio frequency identification; microstrip antenna; ultrahigh frequency reader?writer; circular polarization; axial ratio bandwidth; antenna design

0 引 言

随着大数据时代下物联网产业的发展，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是建设智慧物流和智慧城市的关键技术。超高频RFID技术由于作用距离远、识别目标多、准确率高，得到了广泛应用[1]。天线处于RFID信息收发系统的最前端，其技术指标的好坏直接影响到系统的整体性能表现。不同国家和地区的超高频RFID系统应用频段不尽相同，如果设计天线能够覆盖840～960 MHz整个超高频RFID频段，就能有效地简化系统的安装调试，降低系统的搭建成本，进而实现全球通用[2]。

为了提高信息传输的可靠性，超高频RFID系统的读写器天线采用圆极化方式工作。微带天线具有体积小、重量轻、剖面低、易于实现多频段和圆极化工作的优点，在RFID读写器天线设计中得到大量的研究[3?6]。传统的微带天线由于带宽较窄，难以覆盖全球通用超高频RFID的整个频段。为此，文献[7]提出一种采用S型水平蜿蜒带条激励主辐射贴片的单馈电叠层微带天线，使得轴比小于3 dB的圆极化带宽覆盖838～934 MHz;文獻[8]提出一种采用集成馈电网络的双馈电圆环形微带贴片天线，使得轴比小于3 dB的圆极化带宽覆盖870～967 MHz。为覆盖整个超高频RFID频段，上述天线的圆极化带宽仍需进一步展宽。陈志宁教授提出一款通用超高频RFID圆极化读写器微带天线[9]，通过采用连续旋转四馈电叠层结构有效地展宽了天线带宽，使得在818～964 MHz频带范围内驻波比小于1.5且轴比小于3 dB。在文献[9]的基础上，文献[10]采用古币型贴片和圆环形带条形式的连续旋转四馈电叠层微带天线，同样获得了较宽的天线带宽。尽管上述天线获得了较好的性能，但馈电结构稍显复杂，加工成本相对较高。

为了实现宽带高增益的圆极化天线，并且达到天线性能与制作复杂度之间的平衡，本文在传统叠层微带天线宽带化的基础上，通过采用改进的T型微带功分移相双馈电网络，并引入匹配调谐片和金属短路柱，进一步提升了天线的阻抗带宽和圆极化带宽。本文设计了一款应用于超高频RFID系统的圆极化天线，该天线可以覆盖840～960 MHz的频率范围。

1 天线结构和原理设计

为了实现宽带化和高增益设计，同时降低制作成本，本文提出的天线采用空气介质并利用金属螺丝短路柱固定支撑的叠层微带双馈电结构，天线结构如图1所示。

下层馈电层天线为主辐射贴片，上层附加一寄生贴片，主辐射贴片通过电磁耦合对寄生贴片进行馈电，设计时使两个贴片天线的谐振中心频率各不相同，通过选择合适的空气层厚度[H1]和[H2]以及贴片大小[L1]和[L2，]可以调整这两个谐振频率，使各谐振带宽相互交叉，从而形成双峰谐振电路展宽其工作带宽。主辐射贴片尺寸较大，工作在较低频段，寄生贴片尺寸较小，工作在较高频段，为了均衡双峰的频宽，根据[Q]值和相对带宽可确定空气层厚度[H1]和[H2，]并且要求[H2>H1，]初步选取[H1=]12 mm，[H2=]18 mm。在矩形叠层微带天线高度确定的基础上，可初步確定天线贴片的尺寸初值，然后利用HFSS建模仿真优化。

图2给出了叠层微带天线边缘馈电的输入阻抗曲线，从图中可以看出，当[L1=]149 mm，[L2=]127 mm时，在超高频 RFID所需频段内能获得较为平坦的阻抗曲线。

为了实现圆极化工作，采用T型功分移相器双馈电方案产生两路幅度相等、相位相差90°信号。相对于单馈电微扰实现圆极化，双馈电方案可以在两个馈点之间互相补偿不必要的电抗，减少贴片高次模对阻抗带宽和轴比的影响。并且双馈电方案较四馈电方案减少了馈电功分网络的复杂度，降低了天线加工误差的要求。另外，T型功分移相馈电网络较Wilkinson功分移相馈电网络在效率上大大提高，避免了由于失配造成的电阻耗能导致增益降低的缺陷。引入的T型馈电功分移相电路原理图如图3所示，与常用的均匀[14]波长传输线移相不同，此处的[14]波长相移变换线分为阻抗不同的两段，且满足[θ2+θ3=90°，]仿真分析发现这对于轴比带宽的展宽和调谐具有一定的效果。T型功分移相馈电网络的物理实现在弯折处采用切角的方式，如图1所示，目的在于消除弯折处不连续性引入的寄生电抗（会引起相位和振幅误差、输入与输出失配以及可能的寄生耦合）来展宽天线的阻抗带宽。T型功分移相器输入端接N型50 Ω馈电射频接头，为了抵消由于馈电接头探针带来的电感效应，在探针上引入电容耦合匹配调谐贴片进行电抗的补偿，进一步实现天线的宽带匹配。

2 仿真和实验结果分析

按上述天线结构设计了一个天线，并利用HFSS对其进行仿真分析研究。仿真分析发现，贯穿接地板、主辐射贴片和寄生贴片的中心金属短路柱不仅作为支撑立柱很好地解决了加工问题，而且还能使得贴片电流分布更均匀，在一定程度上获得了更好的轴比带宽。另外，改进的T型馈电网络中两段不同特性阻抗的移相变换线能够微调两路输出功分比，进而可以调节天线的轴比工作频率范围，图4给出了在[θ2=]30°时不同[W2]和[W3]情况下顶点轴比的HFSS仿真结果，从图中可以看出两种情况下3 dB轴比带宽发生明显偏移。

采用设计的馈电网络给叠层天线馈电后，由于馈电接头探针的存在，输入阻抗仍然有较大的虚部且为感性，故需要引入容性来补偿。通常当感抗不是很大的情况下，可以在T型馈电网络输入端直接并联一小段开路线实现容抗补偿，但当感抗较大时在馈电点直接并联开路线面积会比较大，这对天线的辐射性能影响较大，故选择在T型馈电网络下方的馈电探针上并接匹配调谐片。图5给出加入匹配调谐片前后的输入阻抗曲线，从图中可以看出，加入匹配调谐片后，超高频RFID频段上阻抗实部保持在50 Ω附近，虚部在0 Ω附近，实现了很好的匹配。

经过大量的仿真优化分析，最终确定天线尺寸参数为[L1=]149 mm;[L2=]127 mm ;[H1=]12 mm;[H2=]18 mm;[W1=]13 mm;[W2=]12 mm;[W3=]13 mm;[x=]13 mm;[y=]30 mm;[h=3;][G=]250 mm。为了验证设计方案的可行性，对天线进行加工实验。贴片单元和地板均选用1 mm厚铝板，按照设计尺寸裁切后打定位孔，用M5金属螺丝将两个天线贴片单元支撑固定在地板上。为了便于与接头探针的焊接，匹配调谐片结构选用铜板，最终加工的天线实物图如图6所示。

图7给出了天线的[S11]参数仿真和实测曲线，从图中可以看出，在840～960 MHz频率范围内，[S11]小于-15 dB，即天线的驻波比小于1.5，输入端口的阻抗匹配良好。图8给出了天线的轴向增益和轴比随频率变化的仿真和部分实测结果，同样在840～960 MHz频率范围内，轴比小于3 dB，增益近似达到9 dB，仿真和实测结果具有较好的一致性。天线在中心频率900 MHz处的左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）场的仿真和实测方向性图如图9所示，从方向性图中可以看出天线主极化为LHCP，半功率波瓣宽度达到60°，交叉极化隔离度超过20 dB，圆极化性能良好。

3 结 论

本文根据工程应用设计了一款全球通用超高频RFID系统的圆极化微带天线。天线选用空气介质和叠层结构，利用改进T型功分移相馈电网络进行双馈电实现圆极化工作，并通过中心金属短路柱加载展宽轴比带宽，在馈电探针上引入电容性矩形匹配调谐片补偿天线感抗部分，以及在馈电网络弯折处切角的方式来增加天线的阻抗带宽。仿真和实测结果表明，天线在840～960 MHz频率范围内具有较好的特性，驻波比小于1.5，轴比小于3 dB，增益可达9 dB。设计的天线已成功应用于超高频四通道读写器终端，验证了该设计方案的可行性。该天线成本低廉，加工简单，适合大批量生产制作，应用前景广阔。

参考文献

[1] 高建良，贺建飚.物联网RFID原理与技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

GAO Jianliang， HE Jianbiao. RFID principle and technology of the Internet of Things [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2013.

[2] 张庆.UHF RFID读写器天线设计与相控阵研究[D].成都：电子科技大学，2014.

ZHANG Qing. UHF RFID reader antenna design and phased array research [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2014.

[3] 南敬昌，单晓艳，高明明.应用于RFID 的小型化双频微带天线的设计与分析[J].微波学报，2013，29（4）：65?68.

NAN J C， SHAN X Y， GAO M M. Design and analysis of a small dual?frequency microstrip antenna for RFID [J]. Journal of microwaves， 2013， 29（4）： 65?68.

[4] 李国金，王雷，韩宪明.超高频RFID读写器天线设计与分析[J].激光雜志，2015，36（9）：148?152.

LI G J， WANG L， HAN X M. Design and analysis of UHF RFID reader antenna [J]. Laser journal， 2015， 36（9）： 148?152.

[5] 闫耀峰，雷振亚，王永强.一款UHF波段小型化RFID天线的设计[J].微波学报，2015，31（1）：36?39.

YAN Y F， LEI Z Y， WANG Y Q. Design of a miniaturized RFID antenna at UHF?band [J]. Journal of microwaves， 2015， 31（1）： 36?39.

[6] LIU Qiang， SHEN Junyu， LIU Hongli， et al. Dual?band circularly?polarized unidirectional patch antenna for RFID reader applications [J]. IEEE transactions on antennas propagation， 2014， 62（12）： 6428?6434.

[7] 王钟葆，房少军，傅世强.一种超高频射频识别读写器天线[J].电子学报，2011，39（8）：1873?1877.

WANG Z B， FANG S J， FU S Q. A UHF RFID reader writer antenna [J]. Acta electronica sinica， 2011， 39（8）： 1873?1877.

[8] CHEN Xi， FU Guang， GONG Shuxi， et al. Circularly polarized stacked annular?ring microstrip antenna with integrated feeding network for UHF RFID readers [J]. IEEE antennas wireless propagation letters， 2010， 9： 542?545.

[9] CHEN Zhining， QING Xianming， CHUNG Hangleong. A universal UHF RFID reader antenna [J]. IEEE transactions on microwave theory technique， 2009， 57（5）： 1275?1282.

[10] LIU Xiongying， LIU Yi， TENTZERIS M M. A novel circularly polarized antenna with coin?shaped patches and a ring?shaped strip for worldwide UHF RFID applications [J]. IEEE antennas wireless propagation letters， 2015， 14： 707?710.