一種小型UHF RFID讀寫器天線設計

摘要：基于RFID系統對天線的要求，提出了一種適用于UHF頻段上的RFID讀寫器天線。該天線采用背饋饋電方法，通過在分形結構上采用非對稱矩形切角來實現天線的小型化和圓極化。利用電磁仿真軟件分析了天線性能，仿真與測試結果吻合良好。
關鍵詞：分形；田極化；超高頻；微帶天線

0 引言
無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種借助于電磁波傳播和感應而進行的自動識別技術，該技術作為一種快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術和信息標準化的基礎，被列為21世紀十大重要技術之一。目前已廣泛應用于物流管理、動物識別和電子收費等領域。無源UHF RFID技術具有工作距離遠和數據傳送速度快等特點，被認為是最具有應用前景的RFID技術。在UHF RFID系統中，天線性能的高低直接影響系統的識別距離，是一個非常重要的器件。隨著UHF RFID技術的發展，小型化、高增益、低成本的天線越來越受關注。在眾多可適用于UHF RFID系統閱讀器的天線中微帶貼片天線因其結構簡單、便于加工制作而被更多的研究和應用。傳統的矩形微帶貼片天線尺寸為諧振頻率的半波長，天線的尺寸受到嚴格的限制。可以通過提高介質基片介電常數、加載短路探針、加載縫隙等方法實現貼片天線尺寸的減小，但是天線的性能會受到很大的影響，尤其是天線的增益和帶寬。本文在這樣的背景下設計了一款小型化、高增益微帶天線。該天線基于Minkowski分形結構，并在其基礎上通過矩形切角來實現圓極化，滿足UHFRFID系統對天線的要求。該微帶分形天線的中心
工作頻率為915 MHz，增益最大可以達到6．15 dBi，-10 dB阻抗帶寬為905～930 MHz，物理尺寸為140 mm×140 mm。仿真結果和測試結果吻合較好，從而驗證了本文設計的正確性。

1 天線的設計
分形結構通常是按照一定的分形因子對初始單元進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部結構。Minkowski分形邊界的構造過程如圖1所示。

設初始貼片的直線邊長為a，分形因子IF=1／n，即貼片直線邊中央挖去的矩形區域寬度為a／n，設挖去的矩形區域深度為b，即挖去一個a／n×b的矩形區域，深度和寬度之比：

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

通過研究發現，Minkowski分形貼片微帶天線具有良好的尺寸縮減特性，可以諧振于更低的頻率，隨迭代系數的增加諧振頻率逐漸降低，但是當迭代系數超過2時，諧振頻率的降低趨于緩慢，并且加工難度也隨之增加。因此迭代系數一般小于2。