RFID射频天线的设计
从RFID技术原理和RFID天线类型介绍上看,RFID具体应用的关键在于RFID天线的特点和性能.目前线圈型天线的实现技术很成熟,虽然都已广泛地应用在如身份识别、货物标签等RFID应用系统中,但是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID应用场合,采用线圈型天线则难以设计实现相应的性能指标.同样,如果采用微带贴片天线的话,由于实现工艺较复杂,成本较高,一时还无法被低成本的RFID应用系统所选择.偶极子天线具有辐射能力较强、制造简单和成本低等优点,且可以设计成适用于全方向通讯的RFID应用系统,因此,下面我们来具体设计一个工作于2.45GHz(国际工业医疗研究自由频段)的RFID偶极子天线.
半波偶极子天线模型如图4a所示.天线采用铜材料(电导率:5.8e7s/m,磁导率:1),位于充满空气的立方体中心.在立方体外表面设定辐射吸收边界.输入信号由天线中心处馈入,也就是RFID芯片的所在位置.对于2.45GHz的工作频率其半波长度约为61mm,设偶极子天线臂宽w为1mm,且无限薄,由于天线臂宽的影响,要求实际的半波偶极子天线长度为57mm.在AnsoftHFSS工具平台上,采用有限元算法对该天线进行仿真,获得的输入回波损耗S11分布图如图5a所示,辐射场E面(即最大辐射方向和电场矢量所在的平面)方向图如图5b所示.天线输入阻抗约为72Ω,电压驻波比(VSWR)小于2.0时的阻抗带宽为14.3%,天线增益为1.8.
图5 偶极子天线
(a)回波损耗S11;(b)辐射方向图
从图5b可以看到在天线轴方向上,天线几乎无辐射.如果此时读写器处于该方向上,应答器将不会做出任何反应.为了获得全方位辐射的天线以克服该缺点,可以对天线做适当的变形,如在将偶极子天线臂末端垂直方向上延长λ/4成图4c所示.这样天线总长度修改为(57.0mm+2×28.5mm),天线臂宽仍然为1mm.天线臂延长λ/4后,整个天线谐振于1个波长,而非原来的半个波长.这就使得天线的输入阻抗大大地增加,仿真计算结果约为2kΩ.其输入回波损耗S11如图6a所示.图6b为E面(天线平面)上的辐射场方向图,其中实线为仿真结果,黑点为实际样品测量数据,两者结果较为吻合说明了该设计是正确的.从图6b可以看到在原来弱辐射的方向上得到了很大的改善,其辐射已经近似为全方向的了.电压驻波比(VSWR)小于2.0时的阻抗带宽为12.2%,增益为1.4,对于大部分RFID应用系统,该偶极子天线可以满足要求.
图6 变形偶极子天线
(a)回波损耗S11;(b)辐射方向图
总之,RFID的实际应用关键在于天线设计上,特别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说,要求RFID能够实现全方向的无线数据通讯,且还要价格低廉、体积小.因此,我们所设计的上述这种全向型偶极子天线的结构简单、易于批量加工制造,是可以满足实际需要的.通过对设计出来实际样品的进行参数测试,测试结果与我们的设计预期结果是一致.
