0 引言

　　無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種借助于電磁波傳播和感應(yīng)而進(jìn)行的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)作為一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，被列為21世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。目前已廣泛應(yīng)用于物流管理、動(dòng)物識(shí)別和電子收費(fèi)等領(lǐng)域。無(wú)源UHF RFID技術(shù)具有工作距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳送速度快等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的RFID技術(shù)。在UHF RFID系統(tǒng)中，天線(xiàn)性能的高低直接影響系統(tǒng)的識(shí)別距離，是一個(gè)非常重要的器件。隨著UHF RFID技術(shù)的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線(xiàn)越來(lái)越受關(guān)注。在眾多可適用于UHF RFID系統(tǒng)閱讀器的天線(xiàn)中微帶貼片天線(xiàn)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工制作而被更多的研究和應(yīng)用。傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線(xiàn)尺寸為諧振頻率的半波長(zhǎng)，天線(xiàn)的尺寸受到嚴(yán)格的限制。可以通過(guò)提高介質(zhì)基片介電常數(shù)、加載短路探針、加載縫隙等方法實(shí)現(xiàn)貼片天線(xiàn)尺寸的減小，但是天線(xiàn)的性能會(huì)受到很大的影響，尤其是天線(xiàn)的增益和帶寬。本文在這樣的背景下設(shè)計(jì)了一款小型化、高增益微帶天線(xiàn)。該天線(xiàn)基于Minkowski分形結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上通過(guò)矩形切角來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化，滿(mǎn)足UHFRFID系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)的要求。該微帶分形天線(xiàn)的中心

　　工作頻率為915 MHz，增益最大可以達(dá)到6.15 dBi，-10 dB阻抗帶寬為905～930 MHz，物理尺寸為140 mm×140 mm。仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性。

　　1 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

　　分形結(jié)構(gòu)通常是按照一定的分形因子對(duì)初始單元進(jìn)行自相似迭代生成的，初始單元決定了分形圖形的框架，分形因子決定了分形圖形的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Minkowski分形邊界的構(gòu)造過(guò)程如圖1所示。

　　設(shè)初始貼片的直線(xiàn)邊長(zhǎng)為a，分形因子IF=1/n，即貼片直線(xiàn)邊中央挖去的矩形區(qū)域?qū)挾葹閍/n，設(shè)挖去的矩形區(qū)域深度為b，即挖去一個(gè)a/n×b的矩形區(qū)域，深度和寬度之比：

　　對(duì)于矩形微帶貼片天線(xiàn)單元M0、一階Minkowski分形貼片微帶天線(xiàn)單元M1和二階Minkowski分形貼片微帶天線(xiàn)單元M2而言，M1和M2是在M0的基礎(chǔ)上分形而來(lái)，貼片總尺寸不變，如圖2所示。不同的分形因子1階Minkowski分形貼片微帶天線(xiàn)如圖3所示。

　　通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，Minkowski分形貼片微帶天線(xiàn)具有良好的尺寸縮減特性，可以諧振于更低的頻率，隨迭代系數(shù)的增加諧振頻率逐漸降低，但是當(dāng)?shù)禂?shù)超過(guò)2時(shí)，諧振頻率的降低趨于緩慢，并且加工難度也隨之增加。因此迭代系數(shù)一般小于2。

　　本文設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器天線(xiàn)以FR4(介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.02)為介質(zhì)基板，中心頻率為915 MHz，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由一個(gè)矩形非對(duì)稱(chēng)切角的1階Minkowski分形貼片、金屬底板、一個(gè)探針和FR4介質(zhì)板構(gòu)成。FR4介質(zhì)板的厚度為1.0 mm，大小為140 mm×140 mm，輻射貼片的大小為135 mm×135 mm，分形矩形的大小為34 mm×34 mm。當(dāng)前的圓極化微帶天線(xiàn)多采用對(duì)稱(chēng)等腰直角三角形切角的方法，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，采用更易加工和調(diào)整的對(duì)角線(xiàn)上非對(duì)稱(chēng)正方形切角的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極，切角矩形大小為16 mm×16 mm。金屬地板采用200 mm x200 mm的鋁板。為了增加天線(xiàn)帶寬、提高天線(xiàn)帶寬、提高天線(xiàn)增益和降低天線(xiàn)成本，在FR4介質(zhì)板和地板之間設(shè)置了空氣層，空氣層厚度為6.0 mm，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。微帶貼片天線(xiàn)為側(cè)饋，單元與饋線(xiàn)之間需要匹配網(wǎng)絡(luò)，這無(wú)形當(dāng)中就增加了天線(xiàn)的尺寸。本文設(shè)計(jì)的微帶分型天線(xiàn)采用50 Ω同軸線(xiàn)的背饋方式。這種方式無(wú)需阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整饋電端口在x軸的位置即可實(shí)現(xiàn)阻抗變化，從而進(jìn)一步減小了天線(xiàn)的尺寸。

　　2 天線(xiàn)的仿真和測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)ANSOFT公司的電磁仿真軟件HFSS 11.0對(duì)該讀寫(xiě)器天線(xiàn)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，天線(xiàn)的回波損耗S11參數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到天線(xiàn)在900～925 MHz之間回波損耗小于-12 dB，阻抗帶寬為8%，滿(mǎn)足了UHF RFID系統(tǒng)的要求。

　　天線(xiàn)具有較好的方向性，最大工作增益可以達(dá)到6.15 dB，如圖7和圖8所示。圖9所示的軸比參數(shù)仿真圖表明該天線(xiàn)基本滿(mǎn)足了圓極化的要求。

　　圖10所示為天線(xiàn)加工實(shí)物圖，最后利用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A對(duì)該天線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。|S11|<-10 dB的工作帶寬在905～930 MHz之間。實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，得到預(yù)期的結(jié)果。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　隨著UHF RFID技術(shù)的發(fā)展，小型化、高增益、低成本的天線(xiàn)成為研究的重點(diǎn)。本文提出了一種用于UHFRFID讀寫(xiě)器的圓極化微帶天線(xiàn)。該天線(xiàn)性能良好，符合RFID系統(tǒng)的工作要求，此外通過(guò)以單一的饋電結(jié)構(gòu)以及在貼片和地板之間加上空氣層介質(zhì)，降低了天線(xiàn)的實(shí)際制作成本，仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。