1. 引言

RFID技術(shù)即射頻識別技術(shù)，是一種無線通信技術(shù)。其技術(shù)原理是通過射頻信號的空間耦合(交變磁場或電磁場)來實現(xiàn)無接觸數(shù)據(jù)交換并達到互相識別目的的一項技術(shù)。RFID系統(tǒng)的組成大致包括計算機系統(tǒng)、識讀器、和標簽。其中識讀器是由天線、耦合元件、芯片組成的讀取和寫入標簽信息的設(shè)備。標簽是由天線，耦合元件及芯片組成作為應(yīng)答器的設(shè)備。計算機系統(tǒng)是利用應(yīng)用層軟件將收集到的數(shù)據(jù)進一步處理并實現(xiàn)應(yīng)用。射頻識別在商品的物流跟蹤、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、支付系統(tǒng)等方面的得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究RFID技術(shù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著深遠的意義。

2. 微帶天線概述

2.1 微帶天線的概念，發(fā)展及應(yīng)用

微帶天線是一種將介質(zhì)基板一面制成一定形狀金屬貼片另一面有導(dǎo)體接地板組成的天線。微帶天線通常用微帶傳輸線或同軸探針來饋電[5]。1953年，Deschamps率先提出微帶輻射器的概念。20世紀70年代以后隨著光刻蝕技術(shù)的發(fā)展以及微帶天線理論模型的提出，實際的微帶天線被制造出來。如今，微帶天線被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達、生物醫(yī)學(xué)、無線通訊設(shè)備、射頻識別系統(tǒng)等方面。

2.2 微帶天線的優(yōu)缺點

優(yōu)點：體積小、重量輕、低剖面、易于集成化、成本低、能與載體共形、易實現(xiàn)雙頻雙極化、無需額外添加匹配電路。

缺點：增益低、諧振頻率帶寬低、輻射空間小、輻射功率小等。

2.3 天線的帶寬

任何天線的工作頻率都會有一定的范圍，天線的電參數(shù)隨頻率的改變而改變，當定義天線的電參數(shù)在容許范圍之內(nèi)的頻率范圍為天線的帶寬。

若天線的中心工作頻率為∫0，最高工作頻率是∫max，最低工作頻率為∫min。

天線的絕對帶寬?∫=∫max-∫min，相對帶寬為 (?∫)/(∫0) ，對于寬頻帶天線通常用表示帶寬(∫max)/(∫min)。

3. 天線多頻的實現(xiàn)方法

3.1 天線多頻的實現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的射頻識別天線一般工作在單一頻段，而多頻讀寫器天線可以同時讀取多個頻段的標簽。目前實現(xiàn)多頻的技術(shù)大致可以分為如下三種:

(1)正交模雙頻微帶天線

正交模實現(xiàn)雙頻的方法是利用矩形輻射貼片長和寬兩正交邊的第一諧振頻率實現(xiàn)雙頻比如TM10和TM01，這種方式的局限是在兩個頻率上呈現(xiàn)正交極化，但是它在低成本和短距離應(yīng)用很廣。而上述實現(xiàn)雙頻的方法，我們可以推廣到任意形狀的貼片。這類天線我們把它稱為正交模式雙頻貼片天線，其特征是利用兩個極化正交的諧振模。這類天線根據(jù)饋電方式的不同又可分為單饋和雙饋兩類。具體饋電方式包括:探針饋電，縫隙饋電和電磁耦合饋電等。

(2)多貼片多頻天線

多貼片多頻天線是利用多個輻射單元來實現(xiàn)雙頻且得到的雙頻的極化可以是同一極化方式也可以是多極化的。這種天線可以有多個貼片結(jié)構(gòu)，分別是疊層結(jié)構(gòu)和共面多頻諧振器結(jié)構(gòu)。

(3)電抗性加載貼片天線

電抗性加載貼片技術(shù)目前使用最為廣泛的雙頻技術(shù)，它是通過在單一貼片上加載電抗性負載來獲取雙頻。電抗性負載包括短截線，開設(shè)槽口，銷釘和電容及縫隙等。

除去以上三種方法還有別的一些方法來實現(xiàn)雙頻，如分形天線，空氣縫隙天線等。

3.2 多頻天線具體實現(xiàn)

如圖3-1所示，是一個三頻的單極子天線的仿真模型圖。圖中該天線有兩個單極子天線模塊組成，分別產(chǎn)生兩個諧振頻率。同時，ACPW結(jié)構(gòu)用于對單極子饋電的同時，本身產(chǎn)生了第三個頻率。天線用到了多貼片和縫隙耦合實現(xiàn)多工作頻率[9]。從而得到的天線回波阻抗如圖3-2所示：

圖3-1天線模型圖 圖3-2天線的回波阻抗圖

如圖所示天線實現(xiàn)了三個工作頻率，分別為0.88MHz、1.6GHz、2.49GHz。

3.3 加工與測試

如圖3-3所示，為三頻天線的加工實物圖。利用微波暗室和失網(wǎng)分析儀對天線的方向圖和回波參數(shù)進行實測，結(jié)果如下圖3-4和圖3-5所示。

圖3-3三頻天線實物圖 圖3-5 2.45GHz時天線實測方向圖 圖3-5 天線實測回波參數(shù)

多頻天線在很多領(lǐng)域應(yīng)用越來越迫切。例如在射頻技術(shù)應(yīng)用中，現(xiàn)代射頻標準有很多，例如工作在915MHZ，2.45GHz,5.8GHz等，要想同時實現(xiàn)兩個或以上頻段應(yīng)用必須設(shè)計出有兩個以上工作頻率的天線。再例如，我國移動通信處在2G，3G和4G混合應(yīng)用的時代，很多手機要求能同時工作在GSM900/1800/2100MHz, GPRS, EDGE, WCDMA等多種網(wǎng)絡(luò)類型。

4. 雙頻RFID天線的仿真與優(yōu)化

4.1 雙頻RFID天線設(shè)計指標

射頻識別技術(shù)(RFID)常見的工作頻率在超高頻時為860~930MHz，在微波頻段常見的頻率在2.45GHz左右。由此本文設(shè)計了一款同時工作于915MHz左右和2.45GHz左右的雙頻RFID讀寫器天線，要求天線在較低頻率時候的帶寬不低于30MHz，在較高頻率時帶寬不低于70MHz，在915MHz的增益為5，在2.45MHz的增益為10。天線的尺寸為226x188mm。考慮到應(yīng)用到實際中的成本問題，我們采用較為普遍且價格便宜的1.2mm厚度的FR4作為介質(zhì)基板，天線的輻射貼片采用銅片。天線的饋電方式采用同軸線背饋。

4.2 雙頻RFID天線結(jié)構(gòu)

4.2.1 輻射貼片結(jié)構(gòu)

天線的輻射貼片如圖4-1所示，其中藍色為部分為開槽部分：

圖4-1 天線模型 圖4-2同軸線饋電部分

4.2.2 天線饋電

天線的饋電是連接天線與收發(fā)信機之間的電信號能量傳輸?shù)难b置，天線的饋電方式有很多種，在微帶天線中，同軸線是應(yīng)用較為廣泛的饋電方式之一。如圖3-2所示采用的就是同軸線饋電，其中紅色柱狀就是天線的饋電。

4.3 天線的優(yōu)化

我們通過調(diào)整天線的某些參數(shù)可以使天線的性能發(fā)生變化。利用hfss對天線對天線的一些參數(shù)調(diào)整，從而得到最優(yōu)的結(jié)果。調(diào)整輻射貼片與基板之間空氣層h的高度從6mm到8mm，調(diào)整的步幅為0.2mm，天線的回波參數(shù)如圖4-3所示;通過調(diào)整發(fā)現(xiàn)，輻射貼片與基板之間距離在6mm到8mm之間時對天線的兩個工作頻率影響較小，但是在高頻和低頻之間出現(xiàn)了第三個頻率。當h為7mm時，多余頻率s11低于10dB，符合要求。調(diào)整天線矩形縫隙ws的寬度，當ws的寬度為2mm時天線達到最優(yōu)。如圖4-4所示:

圖4-3改變h天線的回波參數(shù)圖 圖4-4 ws變化對天線性能的影響

如圖4-5所示，當輻射貼片與基板之間高度為7mm時，調(diào)整貼片內(nèi)圓半徑b從14mm到24mm，當b為18mm時天線得到最優(yōu)。當b小于18mm時對天線中心頻率大小影響較小但是降低了其回波參數(shù)。當b大于18時，中心頻率發(fā)生偏移向中心靠攏。

圖4-5 b對天線的影響

通過優(yōu)化，得到天線最終尺寸如下表4-1所示：

表4-1天線最終尺寸

4.4 天線的各項性能指標

4.4.1 天線的回波損耗

如圖4-6所示，天線的在低頻時中心頻率為910MHz，S11為-27dB,帶寬為40MHz。天線在高頻時中心頻率為2.46GHz，S11為-23.5dB,天線帶寬為90Mhz。

圖4-6 天線的回波損耗圖 圖4-7天線的史密斯圓圖

4.4.2 smith圓圖結(jié)果和輸入阻抗

如圖4-7所示，為天線的smith圓圖。如圖可知，天線在910MHz時，歸一化阻抗為1.0036+0.0824i。天線在2.44GHz時的歸一化阻抗為1.2636+0.0589i。

4.4.3 天線的三維增益方向圖

如圖所示4-8所示為天線的三維增益方向圖，如圖所示天線的輻射主要在微帶貼片的法方向上，即z坐標軸方向。

圖4-8 三維增益方向圖

4.4.4 E面增益方向圖

E面也就是最大輻射電場所在平面，對于本設(shè)計也就是平行于xoy平面的微帶天線。如圖4-9所示為天線在915MHz方向圖。圖4-10為天線在2.45GHz的時的方向圖。圖4-11為天線在915MHz時的天線參數(shù)計算機結(jié)果和最大遠場數(shù)據(jù)計算結(jié)果。圖4-12為天線在2.45GHz時的天線參數(shù)計算機結(jié)果和最大遠場數(shù)據(jù)計算結(jié)果。

圖4-9 E面增益方向圖 圖4-10 2.45GHz時的E面增益圖

如圖4-11和4-12所示，可以得出天線在915MHz時，天線的最大增益為6.189,最大輻射強度為0.48749w/sr，方向性系數(shù)為6.2095。天線在2.45Ghz時，天線的最大增益為11.342,最大輻射強度為0.89881w/sr，方向性系數(shù)為11.189。天線的仿真結(jié)果符合預(yù)期。

圖4-11 915MHz時天線參數(shù)最大遠場數(shù)據(jù)計算結(jié)果

圖4-12 2.45GHz時天線參數(shù)最大遠場數(shù)據(jù)計算結(jié)果

5. 天線的加工、測試、調(diào)試、誤差分析和改進

5.1 天線實物的加工、測試、

考慮的成本問題，本設(shè)計采用材料是較為便宜和普遍的銅箔和1.2mm介電常數(shù)為4.4的FR4單面覆銅板材。天線的輻射部分為銅箔，利用激光雕刻機對銅箔進行切割，開槽從而得到輻射貼片。天線的饋電采用的是同軸線背饋，匹配負載的匹配阻抗為50歐姆。由于輻射貼片與基板之間時空氣層，考慮到實驗環(huán)境，我們用泡沫對代替空氣層，對貼片起到一定的支撐作用。

如圖5-1所示為天線加工，焊接完成的實物圖。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對天線的進行實測，測試如圖5-2所示

圖5-1天線加工實物圖 圖5-1天線加工、焊接完成的實物圖

5.2 天線的測試結(jié)果

圖5-3所示為天線實測的回波損耗參數(shù)，天線的兩個中心頻率為912MHz和2.12GHz。圖5-4所示為失量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的實測的駐波比圖，如圖所示天線在912MHz和2.12GHz天線的駐波比為分別為1.19和1.44天線的反射率低于4%，符合天線能量反射損耗的要求。

圖5-3 天線回波損耗 圖5-4 天線的駐波比

5.3 天線的誤差分析

通過對雙頻天線的實際測量，天線在低頻時中心頻率為912MHz符合預(yù)期結(jié)果。天線在高頻時實測中心頻率值為2.12GHz與預(yù)期的2.45GHz相差300MHz。實測時高頻結(jié)果相差比較大。由此可見該雙頻天線在低頻時抗干擾能力比高頻時抗干擾能力強。考慮到天線輻射貼片為銅片容易變形且在現(xiàn)有的實驗室條件下對其加工時尺寸會存在一定的誤差。同時在設(shè)計時，天線在設(shè)計時輻射貼片與基板之間存在空氣層，考慮到實驗室環(huán)境利用同等高度的泡沫代替空氣層對天線起到支撐作用。

在對天線進行實測時，基板與貼片之間空氣層用泡沫代替，但是泡沫介電常數(shù)比空氣略高，通過對泡沫介電常數(shù)從1.1到1.5進行掃描發(fā)現(xiàn)隨著介電常數(shù)增加，高頻中心頻率向左偏移。介電常數(shù)與中心頻率關(guān)系如表5-1所示：

表5-1 介電常數(shù)與中心頻率關(guān)系

另外，在第四章中對天線的優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)基板與輻射貼片之間的高度,矩形縫隙寬度ws都會對天線的中心頻率有一定影響。在對中心開槽的圓形半徑b進行掃描時發(fā)現(xiàn)當b大于18mm時天線的兩個中心頻率在向中心靠攏。而這些尺寸方面的誤差都可能會在加工過程中出現(xiàn)，從而使高頻頻率發(fā)生偏差。除此之外，在焊接匹配負載的時候，由于手工的焊接對饋電的位置把握和焊接工藝的偏差都會對加工的天線實物測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

6. 總結(jié)

本文對射頻技術(shù)進行了總體闡述，對RFID技術(shù)的發(fā)展等做了簡單闡述。在理論知識方面首先介紹了天線的各項性能參數(shù)，例如：天線的增益、方向性、天線的極化、輸入阻抗、駐波比等。隨后舉例矩形微帶天線說明微帶天線的工作原理。在第三章中介紹了天線實現(xiàn)多頻的方法。在第四章和第五章中設(shè)計仿真了一款雙頻RFID微帶天線，并對天線進行了加工實測。在論文設(shè)計過程中，充分利用了學(xué)校的圖書資源和檢索庫的資源，學(xué)習(xí)了很多相關(guān)知識。利用業(yè)余時間學(xué)習(xí)了電磁仿真軟件hfss，能利用仿真軟件對天線進行仿真優(yōu)化。在老師的指導(dǎo)下對天線的實物加工過程有了一定的了解，并在老師的帶領(lǐng)下通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行測試。盡管如此，在整個論文設(shè)計中也走了很多彎路，在之前設(shè)計仿真得幾款天線由于沒有考慮到材料的成本和加工的難度，導(dǎo)致難以實現(xiàn)的問題。