一款高前后比圆极化RFID读写器天线

1 概述

       目前RFID系统得到的广泛的应用，比如物流业，制造业以及零售业。相对于其他识别方式，RFID系统拥有大量优点，比如低成本，便利，高速率以及良好的环境适应能力。

       一般而言，整套RFID系统由读写器、读写器天线和标签组成。其中读写器天线在读写器和标签之间传递所需的信息，起到了至关重要的作用。通常读写器天线为圆极化形式，这样可以提高对标签的阅读能力。

       对于现有的圆极化RFID读写器天线而言，可以满足RFID系统对读写器天线低轮廓、简单结构和制造简单的需求，但其中的大部分都具有较高的后瓣。当整套RFID系统中含有2块背靠背的读写器，并且每块读写器仅负责其正向半球范围的标签识别时，需要读写器天线具有高前后比的方向图，这种方向图在正半球内的最小值应大于后半球内的最高值，以便后续的信号处理模块能够顺利识别标签是否位于其正向半球范围内并仅处理各自区域内的标签。这对圆极化RFID读写器天线的设计提出了新的要求。

       本文使用Altair公司的FEKO软件设计了一款拥有高前后比的圆极化RFID读写器天线，适用于国内UHF频段RFID系统(920MHz-925MHz)在前述特定应用环境下的使用。该读写器天线结构简单，成本低廉。仿真结果显示该读写器天线具有良好的性能，所具有高前后比方向图可以满足使用要求。

2 天线设计

       图1所示为所设计的圆极化天线结构示意图，图2为对应的FEKO模型。

       该天线的辐射部分主要由半径为R的圆形贴片，一对切角和四条缝隙组成。低成本的FR-4介质板用作天线的基底，其厚度h=3mm，介电常数4.4，损耗正切0.02。

       这里围绕Z轴旋转45度的一对切角用来产生圆极化所需的正交场分量。切角的长度C取决于要求的工作频率和所需的轴比。图1中所示的布局可以产生右旋圆极化，相应的左旋圆极化可以由相对于X轴对称的切角对得到。谐振频率和所需的轴比同样取决于馈点的位置，该参数应当合适选择。

       圆形辐射片上的四条缝隙可以延长电流路径，进而减少贴片尺寸，同时遏止天线后瓣。为了获得圆极化所需的正交场分量，这四条缝隙相对于贴片中心呈对称分布。这种布局可以在不恶化圆极化模式的情况下产生所需的扰动，缝隙的尺寸主要影响谐振频率。

       地板尺寸对天线的谐振频率影响较小，主要影响天线方向图。合适尺寸的地板可以产生所需的低后瓣。这里地板的边长L=169.4mm，这样便可以产生满足前述使用场景的高前后比方向图。

3 仿真结果

       使用FEKO软件对所设计的圆极化RFID读写器天线进行仿真优化。得到的S11特性如图3所示，其-15dB带宽为23MHz(912.5-935.5MHz)，在要求的工作频段范围内(920-925MHz)，S11基本上小于-25dB，显示了优良的端口阻抗特性。

       天线的法向轴比特性如图4所示，仿真得到的3dB轴比带宽从917.5MHz到926MHz，涵盖了要求的工作频段。

       在中心频点处的仿真方向图如图5所示，从该图可以清晰的看出所设计的RFID圆极化读写器天线具有所需要的高前后比方向图，正半圈主极化方向图的最小值均大于负半圈主极化方向图的最大值，同时交叉极化隔离度大于20dB，可以满足前述的特定场景下的使用需求。

       图6所示为仿真增益特性，在要求的工作频段内主极化增益在2dB左右，可以满足使用需求。

4 结论

       本文使用Altair FEKO电磁仿真软件设计了一款具有高前后比方向图的圆极化RFID读写器天线，FEKO具有优秀的建模、分析和后处理功能，大大方便了天线设计。该天线使用一对切角形成所需的圆极化；四条缝隙减少贴片尺寸，并同合适尺寸的金属地一起控制方向图后瓣。仿真结果显示该天线具有良好的端口阻抗和轴比特性，所拥有的高前后比方向图适合各自负责其正半球范围内标签读写的背靠背RFID读写器天线对的要求。