一种双频单极子RFID标签天线的设计

丁大业，范 婷，何潇潇

(1.山西省地震局，太原 030021；2.太原科技大学 机械工程学院，太原030024；3.山西中部引黄工程建设管理有限公司，太原 030000)

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术能通过无线电信号识别目标并读写相应的数据，是一种非接触式的无线通信技术。由于RFID具备高速率，小体积，大容量，强穿透性等性能被广泛应用在门禁系统，库存跟踪，生产控制及管理等行业[1]，是物联网的核心技术之一。读写器、天线及芯片构成了RFID系统[2]，作为发射与接收无线电信号的重要部分，RFID标签天线性能好坏直接影响到数据的读取质量。因此，研发特定应用背景下满足要求的标签天线受到越来越多的关注，具有一定的应用价值。

RFID标签天线的工作频段分为低频段(125～134.2)kHz，高频段(125～134.5)MHz，超高频段(860～960)MHz及2.45 GHz、5.8 GHz等微波频段。其中超高频段(UHF)由于读写距离长，数据传输速率快，能短时读取多个标签[3]，已成为目前RFID领域的研究热点。薛建彬等[4]设计了一款中心频率为918 MHz的图书标签天线。甘勇等[5]采用T型匹配结构设计了一款工作在920 MHz的小型化高增益天线。邓伟等[6]利用改进型的共面波导设计了一款UHF小型化标签天线。钟涛等[7]设计了一款柔性可拉伸UHF标签天线，并通过反复拉伸测试验证了标签天线可应用在可穿戴电子领域。

根据电磁学辐射原理，天线的尺寸与电磁波长成正比，工作频率越高，天线的尺寸越小。因此，高频率的标签天线在小型化方面更具优势，目前，2.45 GHz及5.8 GHz微波频段标签天线鲜有报道。针对以上所述，本文利用纸基介质，采用微带馈电，设计了一款结构简单，易于加工的双频单极子RFID标签天线，并利用有限元仿真软件HFSS对其进行分析，结果表明该天线的中心工作频率分别为2.45 GHz、5.8 GHz，带宽分别为12.2%、61%，且回波损耗均在-18 dB以下，具有良好的辐射性能。

1 标签天线的结构设计

考虑到实际应用的需要，RFID标签天线的介质基板采用相对介电常数为2.5，损耗角正切为0.06，厚度为0.8 mm的柔性纸基材料。介质基板上表面的金属薄层由两个长度不同的单极子天线构成，右侧较长的单极子(L3+L4+L5)主要决定了标签天线的低频工作频率，左侧较短的单极子(L1+L2)主要用于实现标签天线的高频工作频率，将这两个单极子分别折叠以实现小型化。两个单极子在一端合并，并由特性阻抗为50 Ω的微带线馈电，在介质板的下表面敷以长度为Lg的金属薄层作为接地板。标签天线的俯视及侧视如图1所示。

图1 RFID天线的结构图Fig.1 The structure diagram of RFID antenna

设计的RFID标签天线由两个单极子组成，每个单极子天线的长度选取可以依据下面的公式:

(1)

(2)

2 标签天线的仿真与优化

根据预先设置的初始参数，利用HFSS仿真软件对该标签天线进行建模并仿真，建立好的模型如图2所示。

图2 RFID天线仿真模型Fig.2 The simulation model of RFID antenna

天线的回波损耗常用反射系数S11表示，即天线入射功率与反射功率的比。回波损耗越大表示天线与馈电线匹配程度越好，S11在数值上等于回波损耗的负值。工程上，一般用S11<-10 dB所对应的频带宽度为天线的带宽。

根据初始参数对该天线结构进行仿真，得出的回波损耗如图3所示。由图可见两个中心频率分别为f1=2.44 GHz，f2=5.4 GHz ，其S11分别为-25 dB及-18 dB，满足小于-10 dB的要求，但是高频点f2偏小，由此对L2进行调节，如图4所示，随着L2长度的减小，高频点增加，低频点轻微偏移，回波损耗随着长度的增加而减小。当L2=7.1 mm时，阻抗匹配较好，但高频点偏大。在此基础上，调整L5的长度，如图5所示，随着L5长度轻微增加，低频点轻微减小，高频点受到影响逐渐减小，只有当L5=9.6 mm时，高低频点才满足要求。因此，需合理调整两个单极子的长度，调节任意一个单极子的长度都可能造成另外一个频点的偏移，需要不断的优化。

图3 天线的回波损耗Fig.3 The return loss of antenna

图4 L2长度的变化对回波损耗的影响Fig.4 The influence of the change of L2 on return loss

图5 L5长度的变化对回波损耗的影响Fig.5 The influence of the change of L5 on return loss

由图6可知，接地板的长度Lg对天线的回波损耗及频点影响较大，随着Lg的增大，高低频点分别先增大后减小，只有当Lg=16 mm时，满足设计要求。因此，选择L2=7.1 mm，L5=9.6 mm，Lg=16 mm，得到的效果最佳。

图6 Lg长度的变化对回波损耗的影响Fig.6 The influence of the change of Lg on return loss

3 结果分析

经过优化后天线的尺寸为36 mm×30 mm×0.8 mm，最终参数如表1所示，其仿真结果如图7所示，从图上可可以看出f1=2.45 GHz，S11=-19 dB，相对带宽为12.2%，f2=5.8 GHz，S11=-31 dB，相对带宽比较大为61%，满足此次设计要求。

表1 经优化后天线的尺寸参数 Tab.1 The optimized size parameters of the antenna

图7 天线经优化后的回波损耗Fig.7 The return loss of the optimized antenna

图8是当天线在不同工作频率下的电流表面分布，由图可见，当天线工作在较低频率2.45 GHz时，天线的电流集中分布在微带馈线和右侧低频单极子表面上；当工作在5.8 GHz时，天线的电流集中分布在微带馈线和左侧高频单极子表面上，这表明在不同工作频率下，天线表面电流分布不同导致天线的性能不同。

图8 天线在不同工作频率下的表面电流分布Fig.8 The Surface current distribution of antenna at different operating frequencies

标签天线在两个工作频点的三维辐射方向图分别如图9(a)、9(b)所示，由图可知工作频率为2.45 GHz时，天线的最大辐射方向是天线所在平面的正上方与正下方，其增益最大值为1.56 dB，而在5.8 GHz频点处，天线的方向图发生较大的变化，最大增益方向偏离垂直方向，其值为2.58 dB.

图9 天线在不同工作频率下的辐射方向图Fig.9 Antenna radiation pattern at different working frequencies

4 结论

RFID技术的快速进步推动了标签天线朝高频化，小型化方向的发展。根据发展的需要，本文以纸基材料为介质，采用微带方式馈电，设计了一款结构简单，加工方便，易于集成的双频单极子RFID标签天线，并利用有限元仿真软件HFSS对其进行仿真分析，尺寸优化后的仿真结果表明该天线的中心工作频率分别为2.45 GHz、5.8 GHz，回波损耗均在-18 dB以下，带宽较宽，辐射性能良好，具有一定的应用价值。