一種UHF頻段RFID閱讀器天線的小型化設(shè)計(jì)

隨著被動(dòng)式UHF頻段RFID系統(tǒng)在物流供應(yīng)鏈、倉(cāng)儲(chǔ)和零售存儲(chǔ)管理中被大量采用，手持式RFID閱讀器單元的研究與設(shè)計(jì)變得越發(fā)重要。對(duì)手持式閱讀器單元的主要要求有尺寸小、重量輕、電池壽命長(zhǎng)和對(duì)于特定的應(yīng)用有合適的閱讀范圍。另外，也要考慮到閱讀器單元對(duì)標(biāo)簽閱讀方向性方面的問(wèn)題。
被動(dòng)式UHF頻段RFID系統(tǒng)使用電磁波通過(guò)閱讀器與標(biāo)簽間的耦合進(jìn)行通信。圖1顯示了被動(dòng)式UHF頻段RFID系統(tǒng)。閱讀器發(fā)射連續(xù)波(Continuous Wave，CW)信號(hào)給標(biāo)簽來(lái)激活標(biāo)簽的芯片，然后向標(biāo)簽發(fā)射命令信號(hào)，標(biāo)簽通過(guò)背向反射其相應(yīng)的識(shí)別碼來(lái)進(jìn)行通信。標(biāo)簽芯片沒(méi)有內(nèi)部電源，所以其所有需要的能量都來(lái)自于閱讀器通過(guò)天線所發(fā)射的電磁波。

RFID閱讀器的發(fā)展越來(lái)越傾向小型化、便攜化。UHF頻段的RFID系統(tǒng)工作頻率在900 MHz左右，傳統(tǒng)形式的天線對(duì)于手持RFID系統(tǒng)來(lái)說(shuō)太大，閱讀器天線在閱讀器的尺寸中占據(jù)越來(lái)越大的比例。在保持天線性能的前提下，閱讀器天線的尺寸縮減難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閱讀器電路，因此天線尺寸的小型化，成為目前RFID閱讀器天線研究的趨勢(shì)。
UHF頻段RFID系統(tǒng)工作對(duì)天線主要的要求有：在VSWR2時(shí)阻抗帶寬的范圍約為902 MHz~928 MHz，有一定的增益，低成本，低剖面，單向輻射。
由于微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，成本低的優(yōu)良特性，UHF頻段RFID閱讀器的天線一般選用微帶天線類型。所以本文主要基于微帶天線來(lái)研究UHF頻段RFID閱讀器的天線的小型化。

1 射頻識(shí)別閱讀器天線小型化設(shè)計(jì)
1．1 微帶貼片天線
下面通過(guò)經(jīng)典的微帶天線設(shè)計(jì)理論，簡(jiǎn)單分析矩形微帶天線的工作原理。微帶貼片天線是由一層或多層厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)(大約十幾分之一波長(zhǎng))的介質(zhì)層和覆蓋其上下兩面的金屬接地板以及輻射元(尺寸可以和波長(zhǎng)相比擬)構(gòu)成。輻射元形狀多種多樣，常見的如方形、矩形、圓形等。矩形微帶天線的形狀如圖2(a)所示，假設(shè)電場(chǎng)沿貼片寬度與介質(zhì)板厚度方向沒(méi)有變化，僅沿貼片的長(zhǎng)度(約二分之一波長(zhǎng))方向變化，則輻射基本上是由貼片的兩開路端縫隙產(chǎn)生，此時(shí)矩形微帶天線可看成是相距二分之一波長(zhǎng)同相激勵(lì)并向地板以上半空間輻射的二元縫隙陣對(duì)于有較高效率的輻射器，當(dāng)介質(zhì)基片厚度為h，天線工作頻率為fr，相對(duì)介電常數(shù)為εr時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[5]中公式，可以得到其實(shí)用寬度及諧振單元長(zhǎng)度。假設(shè)選用介電常數(shù)εr為2．5，厚度h=5 mm，可以得到該微帶天線的尺寸寬W至少約為101 mm，長(zhǎng)L約為124 mm，再加上基板的沿伸長(zhǎng)度，大約增加20％，所以得到的尺寸約為120 mm×150 mm，占用了較大的面積，很不利于閱讀器天線的集成。用高介電常數(shù)材料的貼片天線可能是最明顯的削減貼片導(dǎo)體尺寸的方法。其主要制約是減小了帶寬及效率。使用高介電常數(shù)材料的成本也是一個(gè)限制因素，盡管近來(lái)已有一些低成本的高介電常數(shù)陶瓷材料可使成本控制在一定范圍內(nèi)。但是使用這些材料的高損耗因數(shù)會(huì)明顯降低印制天線的輻射性能。以下給出一種有效減小微帶貼片天線尺寸的方法，進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1．2 1／4波長(zhǎng)貼片夭線
根據(jù)以上對(duì)微帶天線原理的分析，工作于主模的矩形微帶天線其內(nèi)場(chǎng)分布在L／2處，該處為電場(chǎng)的零點(diǎn)，在該處將上貼片與地導(dǎo)通不影響內(nèi)場(chǎng)分布，然后將其中的一半舍去即構(gòu)成1／4波長(zhǎng)貼片天線，一種用于削減貼片天線尺寸的技術(shù)。它的一條輻射邊在一個(gè)貼片天線與接地面的短路平面上中斷了。類似于偶極子線天線和單極子線天線之間的關(guān)系，短路平面起著鏡像的作用，有效地使貼片導(dǎo)體尺寸減半。