物联网应用超高频RFID贴片天线的设计及金属对其性能影响研究

2018-05-11公安部检测中心刘莹陈俊韩井玉吕杨韦婧

中国安全防范技术与应用 2018年2期

■ 文/公安部检测中心刘莹陈俊韩井玉吕杨韦婧

1 引言

随着物联网技术的发展，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术由于其快速、实时、准确等特点已成为其信息交互不可缺少的技术工具和手段。目前，国内RFID主要使用的频段有低频（125 kHz以下）、中高频（13.56 MHz）、超高频（902～928 MHz）和微波（2.4 GHz）以上等几大类。一般RFID标签天线只适用于非金属物质的表面，而采用金属表面结构的诸多产品，如集装箱、机车、电子车牌、电力设备等，由于金属结构对天线性能的影响，使得传统的超高频RFID标签贴片天线几乎不能正常工作。同时，由于物联网中便携式产品及移动通信产品等小型设备越来越多，对RFID天线提出更高的要求。

本文设计了一款谐振频率在915 MHz～925 MHz间超高频RFID标签贴片天线，并通过开槽技术，有效的减小了天线尺寸，提高增益，并通过在贴片天线底部增加金属平面，研究了金属结构对贴片天线性能的影响。

2 天线理论设计

根据贴片天线理论可以对天线的长、宽等物理特性进行计算，从而减少仿真计算的时间，提高研发效率。

2.1 天线宽度计算

在天线基质材料、厚度和工作频率确定之后，根据公式（1）可计算贴片天线的宽度。

2.2 天线长度计算

根据公式（2）和（3）可以得到天线长度L。

2.3 天线小型化设计

为了更好提高贴片天线应用环境，在不影响天线特性情况下，可以通过提高介电常数或开槽技术等实现天线的小型化。

2.3.1 提高介电常数

对于矩形贴片天线，谐振频率被定义为公式（4）。

从式可知，谐振频率不变的情况下，当基质材料的介电常数增加，天线的长度可以减小，实现天线的小型化。

2.3.2 开槽技术

通过在天线贴片或地面上嵌入一些槽，改变电流原来表面路径，使电流绕着开槽表面曲折流过，从而增加了电流路径，如图1所示。随着开槽长度的增加，相当于延长了有效波长，缩短了天线尺寸，天线的谐振频率会随之降低，但对天线增益和带宽影响很小。

图1 开槽技术电流流向示意图

3 仿真及测试结果

3.1 贴片天线结构模型

根据上面贴片天线的设计理论，设计一款贴片天线的结构如图2所示。由于在实际使用过程中，RFID贴片天线经常使用PCB的材料作为基质材料，因此本款贴片天线的基质材料选为。天线长135mm，宽50mm，在贴片和地之间有一个1.5mm厚的空气层，该空气层可增加天线的带宽并提高辐射效率，贴片和地在另一侧短路相接，在贴片每一面开两个33mm×3mm的矩形开槽。

按照图2所示天线结构尺寸在仿真软件中建立模型，并进行仿真计算。同时，为了研究金属对天线性能的影响，在天线模型的底部放置了300mm×300mm金属面，得到回波损耗仿真计算比对结果如图3所示，天线方向图的仿真比对结果如图4所示，天线的3D极化图如5所示。

图2 天线的结构

图3 回波损耗

图4 天线辐射方向图

由图3可知，在无金属面，天线的谐振频率为0.9223GHz，回波损耗最小值为-37.54dB， -10dB带宽约105 MHz。增加金属面时，天线的谐振频率为0.9187 GHz，向低频移动，回波损耗值为-39.17dB，-10dB带宽大概为115MHz。结果表明，金属面对天线的谐波频率、回波损耗和-10dB带宽存在影响。

图4为天线的辐射方向图，红色曲线为电场面，蓝色曲线为磁场面。在无金属面的情况，电场面看起来像一个倒置的葫芦，磁场面辐射方向图看起来像字母“O”，天线呈水平方向全向辐射模式，只是正向辐射比反向辐射强度大。当在贴片天线下面放置金属面时，由于金属面的反射作用，其正向辐射比反向辐射值大很多。结果表明，金属面对天线的辐射方向性存在一定影响。

图5为天线3D极化图，在无金属面时，天线最大增益为1.8361dB，增加金属面时，天线的最大增益提高至3.1746dB。结果表明，由于金属面对天线辐射能量的反射作用，使得天线增益更高。