引言

射頻識別(RFID)技術(shù)在后勤物資分配，制造業(yè)，郵政服務業(yè)等方面的應用已經(jīng)變得相當?shù)钠毡?。標?strong>天線是射頻識別系統(tǒng)中一個非常重要的部件，它負責進出標簽的信號的接收和發(fā)射。不同國家允許RFID使用的頻段是不同的，例如920~925MHz (中國), 952~954MHz(日本), 868~870MHz (歐洲) 以及 902~928MHz (美國)。為了能使RFID系統(tǒng)可以同時工作在不同的波段，要求天線必須有足夠的帶寬，或者具有多頻工作特性。為此，諸如使用更厚的襯底，孔縫諧振，耦合諧振，加載電抗等技術(shù)可以拓寬天線的帶寬或者使天線能同時工作在兩個頻段。

其中一種設(shè)計方法是，在一個工作在910MHz的偶極子天線中加入縫隙耦合結(jié)構(gòu)，使得天線也可以在2.45GHz頻段工作。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一個結(jié)構(gòu)更為緊湊的雙頻RFID標簽天線。此天線結(jié)構(gòu)與之相比，整體長度減少了10 mm，但同樣可以獲得良好的性能。只要選擇適當?shù)鸟詈峡p隙尺寸，就可以實現(xiàn)天線的雙頻工作特性。本文所設(shè)計的雙頻天線滿足-10dB回波損耗帶寬分別是840MHz到940MHz(11%)和2.26GHz到2.56GHz(12%)。

2 天線設(shè)計

本文所設(shè)計天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙頻標簽天線結(jié)構(gòu)圖

天線制作在相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基片上。天線的基本結(jié)構(gòu)是一個采用中心饋電的對稱偶極子結(jié)構(gòu)。為使天線具有雙頻特性，在長度為L1的偶極子結(jié)構(gòu)中加入了三個長度分別為L2、L3、L4的耦合縫隙。使得長度為L1的偶極子結(jié)構(gòu)末端處電流和長度為L2的耦合縫隙末端處的電流相位差約為180°。如圖2所示的是天線表面電流分布圖。頻率在910MHz時，天線表面電流強度分布由中央向兩端逐漸減小，而頻率是2.45GHz時，天線表面電流分布則主要集中在天線中央長度大約為L2的部分上。這表明，天線可看成是兩個獨立的偶極子天線組合而成，其中一個長度為L1，工作頻段為910MHz附近， 另一個長度為L2。工作頻段為2.45GHz附近?？梢姡ㄟ^控制L1、L2的長度，就可調(diào)節(jié)天線兩個不同的工作頻段。

(a) 910MHz (b) 2.45GHz

圖2 天線的表面電流分布圖

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對上述結(jié)構(gòu)進行仿真分析與優(yōu)化設(shè)計。在設(shè)計中，可首先根據(jù)文獻和經(jīng)驗確定各參數(shù)的初始值。初始值的確定可根據(jù)下述方式：對于長度L1和L2，根據(jù)對稱偶極子天線的設(shè)計理論，選取準則為工作波段波長的四分之一的整數(shù)倍。設(shè)計時中心頻率設(shè)定為910MHz和2.45GHz，對應的自由空間波長分別為330mm和122mm，L1的長度取為四分之一波長的兩倍，即165mm;L2選為四分之一波長，即30mm。其它參數(shù)根據(jù)文獻[6]的結(jié)果，分別取為L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用HFSS進行仿真分析。在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，隨著長度L2的增加，天線的較高的諧振頻率會向低頻帶下降，而較低的諧振頻率則幾乎不變。圖3則給出了長度L2的變化與天線諧振頻率之間的關(guān)系。

圖3 天線回波損耗與長度L2的關(guān)系 圖4說明了縫隙寬度S是如何影響天線的回波損耗的。當縫隙寬度S從0.5mm以步長0.5mm增加到3mm時，天線的較高的諧振頻率從2.58GHz逐步降到2.13GHz，同樣較低的諧振頻率則幾乎不變?；夭〒p耗與中心寬度d之間的關(guān)系示于圖5。很明顯，當寬度d變化時，天線的回波損耗幾乎保持不變。