双频RFID读写器天线的研究与设计

张谢馥　李健

摘 要：射频识别（RFID）技术作为物联网发展的核心技术，已广泛应用于各个领域，包括车辆自动识别电子收费系统、公共交通、医药、零售、物流、金融等领域。但是，各国电磁波管制频段范围不尽相同，没有建立全球化行业标准，使得RFID系统在应用时产生许多问题。因此，本文设计了一款工作于2.45GHz和5.8GHz的双频RFID读写器天线，该天线在IE型贴片天线的基础上进行了改进，在E型贴片的对称位置处加上两个开路存根，仿真结果显示其具有较好的双频特性。

关键词：RFID;天线;双频;微带线

中图分类号：TN820文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）26-0029-03

2016年12月19日，由国际物联网贸易与应用促进会等单位联合举办的“2016中国RFID世界最有影响力评选活动”中，2016中国RFID行业年度最有影响力成功应用奖项的获奖应用案例有：贵州送变电钢丝绳RFID标签管理系统研发成功;京沈高铁轨道板首次装上RFID“中国芯”;全国首批汽车电子标识安装启动，无锡成首个试点城市;深圳首创“电子标识卡”实现公交优先红灯少等8秒钟;天津机场自助行李托运系统投用 1min完成操作;武汉300余太智能潲水垃圾车上岗带“身份”能防失踪[1]。可见，RFID技术自1948年第一次被提出，经过70年的发展，已广泛应用于交通运输、物流管理、健康医疗、物品防伪等众多领域[2]。RFID技术因其独特的优势日益成为新的经济增长点，对RFID技术的研究将会带来极大的经济效益。

目前，RFID技术面临的一个问题是在全球没有统一的标准，不同的频段在各个国家都有各自的规划和应用。例如，北美指定915MHz为RFID频段，这是可行的，因为此频段是划分给ISM（Industrial Scientific Medical，工业、科学、医学）使用的频段。而在欧洲，915MHz就不适用于RFID技术。868MHz频段在欧盟规定中可以用于RFID系统，在中国则用于无线数据通信。可见，在全球没有统一的频段标准，使得RFID在应用时难以满足无障碍地在不同国家和地区流通的需求，这是RFID面临的最大问题。而随着世界经济的高速发展，各国之间的货品往来越来越频繁。物联网（The Internet of things）的建设，更是对RFID系统提出了更高的要求。在这种背景下，多频天线得以研制，使得一个RFID读写器天线可应用于多个系统，可以在不同的国家或地区畅通无阻[3]。

双频天线的设计目前使用较多的是多层贴片结构及单层贴片结构。经分析，多层贴片结构复杂，体积大，成本较高。所以，本文将重点研究单层贴片结构[4]。

单层贴片结构实现双频天线的常用方式有：偏置的同轴馈电、双馈电、加载缝隙或开槽。本文将采用偏置同轴馈电的方式研究双频RFID天线的设计，偏置的同轴馈电结构的原理是矩形辐射贴片的长度对应一个谐振频率，其宽度对应另一个谐振频率，然后从对角线的一角进行同轴馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上[5]。

1 双频读写器RFID天线结构设计

随着通信技术的发展，国内RFID天线开始应用于微波波段，微波频段的天线也开始受到了越来越多的关注，成为大家开始研究的新的方向。从微带天线的双频化技术的研究可以发现，多层贴片层叠式的双频天线结构比较复杂，不易于加工和集成。相较而言，单层贴片结构的多频天线结构就比较简单、紧凑，加工制造比较容易，而且更容易加载到物体上，适用范围更广。因此，接下来将利用单层贴片的方法进行多频天线的设计。本文在设计天线的过程中所使用的软件是基于有限元法的三维电磁仿真软件ANSYS HFSS 15.0。本节所设计的天线为双频RFID读写器天线，要求读写器可以在2.45GHz和5.8GHz两个频段进行工作[6]。

双频RFID读写器天线采用相对介电常数为1的空气作为介质，该天线具有结构紧凑、成本低等特点。该天线结构如图1所示。

该天线具有3层结构：贴片层、介质层和接地板。如图1（a）所示，介质板尺寸为L×W，贴片由左右两部分组成，并通过尺寸为A×B微带线连接。该天线的馈电方式采用同轴探针馈电，馈电位置如图1（b）所示。介质层采用相对介电常数为1的空气，实际应用中可用介电常数相同的材料代替。本次设计的天线馈电端口的输入阻抗设置为[50Ω][7]。根据已经选定的介质基板的相关参数和天线的电学特性，可以通过TX Line软件计算出微带线宽度和介质基板的厚度，具体参数见表1。

2 仿真分析及验证

本文采用HFSS仿真软件进行仿真，具体的仿真模型如图2所示，并使用该软件对已建好的天线模型进行优化，得到天线的回波损耗（S11）仿真结果如图3所示。由图3可以看出，两个谐振点分别位于f1=2.45GHz和f2=5.8GHz，且在f1和f2谐振点处的回波损耗分别达到-25dB和-36dB，均满足S11<-10dB的要求[8]。

3 结语

本文设计了一款双频RFID读写器天线，该读写器天线工作在RFID系统的微波波段，分别为2.45GHz和5.8GHz频段，在谐振频率2.45GHz和5.8GHz处的回波损耗分别达到-25dB和-36dB，满足S11<-10dB的指标要求，且该款天线远场辐射性能稳定，满足RFID读写器天线的设计要求。

参考文献：

[1]周晓光，王晓华，王伟.射频识别（RFID）系統设计、仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2]谭民，刘禹，曾隽芳.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]王洪泊.物联网射频识别技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[4]游战清，刘克胜，张义强，等.无线射频识别技术（RFID）规划与实施[M].北京：电子工业出版社，2005.

[5]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6]李海柱.探究RFID技术在智慧校园中的应用[J].内蒙古教育（职教版），2013（12）：24-26.

[7]贺凯.RFID技术在图书馆的应用[J].科学时代（综合版），2007（12）：111-113.

[8]刘晓辉.物联网中的RFID技术及物联网的构建[J].数字技术与应用，2017（8）：83-84.