UHF RFID阅读器宽波束圆极化天线设计
钟亚君 吴次南 刘泽文
摘 要： 为扩大射频识别系统中阅读器天线的有效识别范围，设计了一款宽波束圆极化微带天线。天线采用输出相位差为90°的功分器正交馈电激励起圆极化波，并结合圆形金属电容片耦合馈电技术、贴片表面开槽技术以及使用折叠导体墙结构。整体尺寸为113 mm×113 mm×13.27 mm，圆极化轴比带宽以及阻抗带宽均覆盖840～960 MHz，天线3 dB波瓣宽度为104°，增益值为4.8 dBi。
关键词： RFID； 圆极化微带天线； 耦合馈电技术； 导体墙
中图分类号： TN821+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0085?04
Abstract： In order to expand the effective recognition range of the reader antenna used in the radio frequency identification system， a wide beam circularly?polarized microstrip antenna was designed. The Wilkinson power divider′s orthogonal feeding with 90° output phase difference is used in the antenna to stimulate the circularly?polarized wave. The coupling feed technology of the circular metal capacitance sheets， paster surface slotting technology and fold conducting wall structure are combined in the antenna. The overall dimension of the antenna is 113 mm×113 mm×13.27 mm. The circularly?polarized axial ratio bandwidth and impedance bandwidth are 840～960 MHz. The 3 dB beam width of the antenna is 104°， and its gain is 4.8 dBi.
Keywords： RFID； circularly?polarized microstrip antenna； coupling feed technology； conducting wall
0 引 言
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术作为一种非接触式的自动识别技术正应用于各行各业。RFID读写器天线、电子标签天线的性能对提高整个识别系统的性能有着重要的意义[1]。在多标签识别应用中，不仅要求阅读器天线具有良好的圆极化特性，以免出现极化失配导致漏读情况发生，而且天线的识别范围需要足够大以覆蓋待测标签。同时，电子标签容易受到环境的影响，其谐振频率可能发生偏移[2]，这要求阅读器天线具有宽频带特性。
目前实现圆极化天线可使用单点馈电法、多点馈电法或者多元法[3]。其中多点馈电法可以得到较宽轴比带宽，极化性能较好。扩展工作带宽方法多种多样，例如在辐射贴片上增加寄生单元可以有效扩宽带宽[4]。对于扩展天线波束覆盖宽度，实现方法为控制波束扫描或者增加天线单元3 dB波瓣宽度。天线波束偏转需要设计馈电网络和控制电路[5]，制作相对复杂，成本较高，文献[6?7]用导体墙结构有效扩宽了天线3 dB波瓣宽度，其主要应用于基站天线，本文尝试将金属导体墙结构运用于RFID阅读器天线设计。
本文设计出宽波束圆极化阅读器天线，使用威尔金森功分器正交馈电激励起两个幅度相等、相位相差90°的正交模以实现圆极化波，使用圆形金属电容片对微带贴片进行耦合馈电以扩宽工作带宽，圆极化轴比带宽以及阻抗带宽均覆盖840～960 MHz。运用折叠导体墙结构使天线获得104°，3 dB波瓣宽度，并设计空气层结构作为介质适当提高天线增益，增益值为4.8 dBi。利用曲流技术在贴片表面开槽实现天线小型化，总体尺寸为113 mm×113 mm×13.27 mm。
1 天线结构设计
天线主体部分为微带天线，辐射贴片的宽度可由以下关系式[8]得到：
由图4的仿真结果可知，在频率为920 MHz时，两个输出端口实现约90°相位差，回波损耗在中心频率附近为-36 dB。功分器实现了两个输出端口能量基本相等，相位相差90°，其谐振频率满足设计要求，可用于给天线主体馈电。
3 天线参数仿真与调试
天线采用空气层结构和导体墙结构，其谐振频率将偏离理论计算初值，利用电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）调试结构参数。导体墙与贴片间距影响3 dB波瓣宽度和天线增益，导体墙与辐射贴片距离越近，能量将集中在腔体中，导致增益减小[11]，综合考虑变量与性能的关系，最终得到参数值如表1所示。
由图5可知，天线增益值约为5.4 dBi，3 dB波瓣宽度为104°，天线辐射主体仿真结果满足设计要求。
将设计好的功分器与天线主体组合构成整体模型仿真与优化，整体尺寸为113 mm×113 mm×13.27 mm。回波损耗仿真结果如图6所示，功分器与天线主体结合后，谐振频率有所偏移，因为功分器结构改变了天线阻抗值，回波损耗小于-10 dB，带宽增大。轴比仿真结果如图7所示，轴比小于3 dB带宽，覆盖840～960 MHz。方向图仿真结果如图8所示，增益减小为4.8 dBi，3 dB波束宽度为104°。
4 结 论
通过理论计算和仿真分析等研究表明，本设计采用输出相位差为90°的功分器正交馈电使天线实现了良好的圆极化特性，电容金属片耦合馈电有效提高了工作带宽，天线辐射主体与功分器相互影响，最终实现较宽工作频段，贴片表面开槽技术缩小了天线尺寸，空气层结构增加了天线增益，使用导体墙结构有效扩展了天线3 dB波瓣宽度。该设计得到了一款用于UHF RFID阅读器的宽波束、宽频带小型圆极化天线，其总体性能良好，具有一定的实用价值。
注：本文通讯作者为刘泽文。
参考文献
[1] 王宜菲.超高频RFID天线设计技术研究[J].现代电子技术，2012，35（11）：113?114.
[2] 彭章友，孟春阳，任秀方，等.一种宽频带RFID阅读器天线的设计[J].电子测量技术，2015，38（5）：19?23.
[3] 吴建平.RFID系统圆极化宽频带读写器天线的设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.
[4] YANG J， LU C L， HU Y J， et al. Design and analysis of a broad band wide beam circular polarization microstrip antenna [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Shenzhen， China： IEEE， 2012： 1?4.
[5] ABBAK M， TEKIN I. RFID coverage extension using microstrip?patch antenna array [J]. IEEE antennas and propagation magazine， 2009， 51（1）： 185?191.
[6] YE X H， HE M， ZHOU P Y. A compact single?feed circularly polarized microstrip antenna with symmetric and wide?beamwidth radiation pattern [J]. International journal of antennas and propagation， 2013（6）： 1?7.
[7] NAKANO H， SHIMADA S， AMAUCHI J， et al. A circularly polarized patch antenna enclosed by a folded conducting wall [C]// Proceedings of 2003 IEEE Topical Conference on Wireless Communication Technology. Tokyo： IEEE， 2003： 134?135.
[8] 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2013.
[9] LU Y L， CUI H R， SUN X W， et al. A simple UHF RFID circularly?polarized reader antenna design [C]// Proceedings of 2011 IEEE Symposium on Electrical Design of Advanced Pa?ckaging and Systems. Hanzhou， China： IEEE， 2011： 1?2.
[10] 黄韬妃.RFID微带天线的研究与设计[D].成都：电子科技大学，2013.
[11] 叶喜红.宽带宽波束圆极化天线的小型化理论与设计研究[D].北京：北京理工大学，2015.
摘 要： 为扩大射频识别系统中阅读器天线的有效识别范围，设计了一款宽波束圆极化微带天线。天线采用输出相位差为90°的功分器正交馈电激励起圆极化波，并结合圆形金属电容片耦合馈电技术、贴片表面开槽技术以及使用折叠导体墙结构。整体尺寸为113 mm×113 mm×13.27 mm，圆极化轴比带宽以及阻抗带宽均覆盖840～960 MHz，天线3 dB波瓣宽度为104°，增益值为4.8 dBi。
关键词： RFID； 圆极化微带天线； 耦合馈电技术； 导体墙
中图分类号： TN821+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0085?04
Abstract： In order to expand the effective recognition range of the reader antenna used in the radio frequency identification system， a wide beam circularly?polarized microstrip antenna was designed. The Wilkinson power divider′s orthogonal feeding with 90° output phase difference is used in the antenna to stimulate the circularly?polarized wave. The coupling feed technology of the circular metal capacitance sheets， paster surface slotting technology and fold conducting wall structure are combined in the antenna. The overall dimension of the antenna is 113 mm×113 mm×13.27 mm. The circularly?polarized axial ratio bandwidth and impedance bandwidth are 840～960 MHz. The 3 dB beam width of the antenna is 104°， and its gain is 4.8 dBi.
Keywords： RFID； circularly?polarized microstrip antenna； coupling feed technology； conducting wall
0 引 言
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术作为一种非接触式的自动识别技术正应用于各行各业。RFID读写器天线、电子标签天线的性能对提高整个识别系统的性能有着重要的意义[1]。在多标签识别应用中，不仅要求阅读器天线具有良好的圆极化特性，以免出现极化失配导致漏读情况发生，而且天线的识别范围需要足够大以覆蓋待测标签。同时，电子标签容易受到环境的影响，其谐振频率可能发生偏移[2]，这要求阅读器天线具有宽频带特性。
目前实现圆极化天线可使用单点馈电法、多点馈电法或者多元法[3]。其中多点馈电法可以得到较宽轴比带宽，极化性能较好。扩展工作带宽方法多种多样，例如在辐射贴片上增加寄生单元可以有效扩宽带宽[4]。对于扩展天线波束覆盖宽度，实现方法为控制波束扫描或者增加天线单元3 dB波瓣宽度。天线波束偏转需要设计馈电网络和控制电路[5]，制作相对复杂，成本较高，文献[6?7]用导体墙结构有效扩宽了天线3 dB波瓣宽度，其主要应用于基站天线，本文尝试将金属导体墙结构运用于RFID阅读器天线设计。
本文设计出宽波束圆极化阅读器天线，使用威尔金森功分器正交馈电激励起两个幅度相等、相位相差90°的正交模以实现圆极化波，使用圆形金属电容片对微带贴片进行耦合馈电以扩宽工作带宽，圆极化轴比带宽以及阻抗带宽均覆盖840～960 MHz。运用折叠导体墙结构使天线获得104°，3 dB波瓣宽度，并设计空气层结构作为介质适当提高天线增益，增益值为4.8 dBi。利用曲流技术在贴片表面开槽实现天线小型化，总体尺寸为113 mm×113 mm×13.27 mm。
1 天线结构设计
天线主体部分为微带天线，辐射贴片的宽度可由以下关系式[8]得到：
由图4的仿真结果可知，在频率为920 MHz时，两个输出端口实现约90°相位差，回波损耗在中心频率附近为-36 dB。功分器实现了两个输出端口能量基本相等，相位相差90°，其谐振频率满足设计要求，可用于给天线主体馈电。
3 天线参数仿真与调试
天线采用空气层结构和导体墙结构，其谐振频率将偏离理论计算初值，利用电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）调试结构参数。导体墙与贴片间距影响3 dB波瓣宽度和天线增益，导体墙与辐射贴片距离越近，能量将集中在腔体中，导致增益减小[11]，综合考虑变量与性能的关系，最终得到参数值如表1所示。
由图5可知，天线增益值约为5.4 dBi，3 dB波瓣宽度为104°，天线辐射主体仿真结果满足设计要求。
将设计好的功分器与天线主体组合构成整体模型仿真与优化，整体尺寸为113 mm×113 mm×13.27 mm。回波损耗仿真结果如图6所示，功分器与天线主体结合后，谐振频率有所偏移，因为功分器结构改变了天线阻抗值，回波损耗小于-10 dB，带宽增大。轴比仿真结果如图7所示，轴比小于3 dB带宽，覆盖840～960 MHz。方向图仿真结果如图8所示，增益减小为4.8 dBi，3 dB波束宽度为104°。
4 结 论
通过理论计算和仿真分析等研究表明，本设计采用输出相位差为90°的功分器正交馈电使天线实现了良好的圆极化特性，电容金属片耦合馈电有效提高了工作带宽，天线辐射主体与功分器相互影响，最终实现较宽工作频段，贴片表面开槽技术缩小了天线尺寸，空气层结构增加了天线增益，使用导体墙结构有效扩展了天线3 dB波瓣宽度。该设计得到了一款用于UHF RFID阅读器的宽波束、宽频带小型圆极化天线，其总体性能良好，具有一定的实用价值。
注：本文通讯作者为刘泽文。
参考文献
[1] 王宜菲.超高频RFID天线设计技术研究[J].现代电子技术，2012，35（11）：113?114.
[2] 彭章友，孟春阳，任秀方，等.一种宽频带RFID阅读器天线的设计[J].电子测量技术，2015，38（5）：19?23.
[3] 吴建平.RFID系统圆极化宽频带读写器天线的设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.
[4] YANG J， LU C L， HU Y J， et al. Design and analysis of a broad band wide beam circular polarization microstrip antenna [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Shenzhen， China： IEEE， 2012： 1?4.
[5] ABBAK M， TEKIN I. RFID coverage extension using microstrip?patch antenna array [J]. IEEE antennas and propagation magazine， 2009， 51（1）： 185?191.
[6] YE X H， HE M， ZHOU P Y. A compact single?feed circularly polarized microstrip antenna with symmetric and wide?beamwidth radiation pattern [J]. International journal of antennas and propagation， 2013（6）： 1?7.
[7] NAKANO H， SHIMADA S， AMAUCHI J， et al. A circularly polarized patch antenna enclosed by a folded conducting wall [C]// Proceedings of 2003 IEEE Topical Conference on Wireless Communication Technology. Tokyo： IEEE， 2003： 134?135.
[8] 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2013.
[9] LU Y L， CUI H R， SUN X W， et al. A simple UHF RFID circularly?polarized reader antenna design [C]// Proceedings of 2011 IEEE Symposium on Electrical Design of Advanced Pa?ckaging and Systems. Hanzhou， China： IEEE， 2011： 1?2.
[10] 黄韬妃.RFID微带天线的研究与设计[D].成都：电子科技大学，2013.
[11] 叶喜红.宽带宽波束圆极化天线的小型化理论与设计研究[D].北京：北京理工大学，2015.
