一种具有WiMAXWLAN频段双陷波功能的要点

由天下分享时间：2025/3/20 23:42:59 加入收藏我要投稿点赞

一种922MHz平面倒F型标签天线

潘雯冯全源

(西南交通大学信息科学与技术学院，成都 610031)

摘要：本文针对射频识别系统（RFID）标签天线的设计要求，设计了一种基于平面倒F型结构的标签天线。对称的结构设计对标签芯片形成了平衡馈电使标签天线在金属材料表面也能保持较好的工作性能，匹配负载网络在实现天线谐振频率调节的同时增强天线的回波损耗和增益性能。本文使用HFSS软件仿真，结果表明此标签能很好的工作在922MHz频率上，具有60MHz的带宽，最大回波损耗值达到-28dB。关键词：射频识别，标签天线，平面倒F天线

Design and Analysis For a kind of Inverted-F RFID tag antenna

Pan Wen Feng Quanyuan

(School of Information Science & Technology, Southwest JiaoTong University of China, Chengdu 610031)

Abstract: This paper designs a kind of tag antenna based on inverted-F antenna to meet the needs of tag antenna used in RFID (Radio frequency of identification) system. For the symmetrical structure gives symmetrical power supply to the microchip, the proposed antenna shows acceptable performance variation when attached on metallic surface. The loop impedance-matching adjusts the operating frequency and increases the retureloss and gain of tag antenna. The simulation results of software HFSS show that this tag antenna operates well at 922MHz with a bandwidth of 60MHz and the maximum returnloss can reach -28dB.

Key words: RFID(Radio frequency of identification), tag antenna, plannar inverted-F antenna

模式通过改变标签天线等效负载把芯片中存储的信

1 引言

息调制到反射信号的振幅上，这种模式决定了天线工作过程中天线谐振频率必然有漂移所以较宽的工

随着微电子技术迅猛发展，射频识别技术

作频带才能保证天线能够很好的与芯片共轭匹配从

（RFID）已经渗透到生产，销售，流通等各领域，有

而将从阅读器发射的电磁场中转化来的能量最大限

着广阔的应用前景。目前RFID系统主要有两种工作

度的供给芯片。此外实际应用还要求天线的尺寸小，

模式。一种是适于低频和高频（如6.78MHz,

增益高，具有全向性以及附着在不同材料物品上能

13.56MHz）的感应耦合模式，也称近场工作模式。

保持较好工作性能。

另一种是超高频和微波波段（860～960 MHz,

本文设计了一种工作在922MHz基于倒F型结

2.4GHz）的反向散射模式也称远场工作模式是目前

构的标签天线。通过匹配负载获得较高增益和宽频

研究的热点。?

带特性，平衡馈电结构保证其贴敷在金属表面的工

RFID系统主要由读写器，标签和中间件构成

作性能。选用输入阻抗值为6.2-j127Ω的芯片

[1][2]。其中标签由集成芯片和天线组成，反向散射

(ALN-9338-R)。HFSS软件仿真结果显示这种标签天

线结构的各项性能均达到设计要求。

基金项目：国家863计划信息技术领域项目资助，项目

号：2009AA01Z230

·6·

2 天线结构和性能分析

基本的平面倒F型天线（PIFA）包括矩形贴片，接地板和短路带，具有体积小，增益高，剖面低，带宽相对较宽的特点[3][4]。

图1 平衡馈电倒F天线的平面结构

当金属物质靠近标签天线时，由于电磁感应作用，其接地板会产生涡流，吸收的射频能量转换为自身的电场能导致原有射频场强的总能量下降。同时涡流又有自身的感生磁场，该磁场的磁力线与金属表面垂直，且方向与射频场强相反对原磁场的阻碍效果使得射频场强的分布在金属表面发生“变形”，磁力线在金属表面时候几近平行，贴在或靠近金属表面的标签由于无法“切割”磁感线而不能获得激活自身电路的射频能量。使天线不能正常工作。本文提出的微带天线结构如图1所示，采用2片关于中心轴对称的倒F天线，该结构对称轴也是贴片天线的奇模对称轴等效于虚地短路，形成一种平衡馈电结构[5]。相对于单个倒F天线由辐射贴片和接地板构成的不平衡馈电结构，平衡馈电可以有效的改善金属材料对标签天线的影响。两条连接辐射贴片与芯片的对称传输线起到调节天线输入阻抗达到和芯片阻抗共轭匹配的作用。

该天线结构采用FR4(?r=4.4)基片厚度1.5mm, 尺寸为80mm×40mm。天线各部分参数如表1所列。

表1 天线的平面结构参数（单位mm）

W1 W2 W3 W4 h1 h2 h3 80 22 38.5 3.3 40 20 18 调整短路带宽度w4可以改变辐射源表面电流的有效路径长度从而调整天线的谐振频率，w4越宽电流路径越短，谐振频率越高，w4越窄谐振频率越低。调整w2即调整用于匹配的传输线宽可以有效的

调整天线的谐振频率，w2越宽频率越高，越窄频率越低。同样可以由改变面电流有效路径原理解释同时w2改变匹配传输线的特性阻抗值以及因传输线不连续性引入的寄生电抗值从而达到调整工作频率的作用[6][7]。用HFSS软件仿真w2从20.5mm到23.5mm变化情况, 谐振频率从860MHz变化到960MHz, 回波损耗（returnloss）特性曲线变化如图2。选择w2为21.5mm谐振频率为920MHz, 此时回波损耗为-23dB。天线输入阻抗特性如图3。

图2 天线谐振频率随w2变化情况

图3 天线输入阻抗特性曲线

3 加载环形结构的倒F天线结构

上述天线结构通过改变w2或w4来调整工作频

率会使天线增益减小且不易做到对谐振频率做细微的调整。通过加载一条窄的贴片，构成环形匹配负载网络，通过调整环形的大小和加载贴片的宽度可以改变天线谐振频率并有效增加增益。结构如图4所示。

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图4 加载环形匹配负载的倒F天线结构

芯片的输入阻抗显示高容性，因此标签天线输入阻抗应是感性的才能与之共轭匹配，环形负载的匹配结构是等效于电感耦合的匹配网络[8]，等效电路如图5所示。

图5 匹配网络等效电路图

耦合系数为M可以通过调整h4以及窄贴片宽度来调整[5]。芯片输入端阻抗Zin（电感L），环路匹配网阻抗值Zloop，天线输入阻抗Za，则有：

2Z(2?fM)in?Zloop?Z a其中Zloop??j2?fL

于是可得R2in?(2?fM)/Ra(f)；

Xin?2?fL

调整h4和加载的窄贴片宽度可以改变耦合系数M及环形匹配网络的电感值从而改变芯片输入端阻抗值。h4增大谐振频率降低。HFSS仿真回波损耗对于h4从33mm到34.5mm的变化情况如图6。回波损耗对于加载窄贴片宽度从0.5mm到1.5mm的变化情况如图7。

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图6 回波损耗对于h4的变化曲线

图7 回波损耗对于窄贴片宽度的变化曲线

最终选择最优的匹配网络参数加载窄贴片宽度0.5mm，h4为34.5mm。回波损耗和阻抗特性如图8，图9。通过加载环形匹配网络实现微调谐振频率到922MHz时使增益从原来的-23dB提高到-28dB。回波损耗小于-3dB的频带宽度有60MHz。通过HFSS软件仿真在金属物质表面性能如图10。回波损耗变化到-23dB，带宽基本不变，能很好的满足设计要求，在金属材料表面保持各工作参数的性能。

0-5X: 0.892Y: -3.033X: 0.954Y: -3.261-10)Bd(ssol-15nruter-20-25-300.80.820.840.860.880.90.920.940.960.981freq(GHz) 图8 回波损耗的性能

12001000800600re4 结论

本文设计了一种基于倒F型结构的超高频标签天线。使用HFSS软件进行了一系列仿真，调节该结构的几个重要敏感参数可使天线工作在所需频段并能够在金属物质表面保持良好的工作性能。通过加载环形匹配负载实现微调天线谐振频率在922MHz的同时使回波损耗值达到-28dB，工作带宽达到60MHz的宽频特性，基本满足RFID标签天线的设计需求。

非金属表面金属表面resistance400im2000-200-400-6000.80.911.11.2freq(GHz)1.31.41.51.6 图9 天线输入阻抗特性曲线

0-5-10returnloss(dB)-15-20-25-300.320.340.360.380.40.42freq(GHz)0.440.460.480.5 图10 贴敷在金属表面与自由空间回波损耗特能曲线比较

参考文献

[1] Finkenzeller Klaus. RF ID Handbook [M]. London: Wiley, 1999

[2] Finkenzeller Klaus.射频识别(RFID)技术:无线电感应的应答器和非接触Ic 卡的原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001 [3] 赖晓铮,刘焕彬,张瑞娜,等. 一种平面倒F纸基RFID 标签天线[ J ]. 东南大学学报:自然科学版, 2008, 38 (3) : 3762379. [4] H.Haruki and A.Kobayashi, “The Inverted-F Antenna for Portable Radio Units,” Conv. Rec. IECE of Japan (in Japanese), March

1982,p.613.

[5] 刘志飞，王玲.多应用环境下超高频RFID标签天线设计.工程设计学报2008年2月:第15卷第1期

[6] G . Dubost, “Short or Open-Circuited Dipole Parallel to Perfect Reflector Plane and Embedded in Substrate and Acting at

Resonance, Electron. Lett, Vol. 17, No. 24, November 1981, pp. 914-916. [7] 清华大学微带电路编写组.微带电路。人民邮电出版社. 1976.

[8] Gaetano Marrocco. The Art of UHF RFID Antenna Design: Impedance-Matching and Size-Reduction Techniques。IEEE Antennas

and Propagation Magazine, Vol. 50, No. 1, February 2008.

作者简介：

潘雯，女，硕士研究生，主要研究领域为标签天线，移动天线等。

冯全源，男，教授、博士生导师，主研国家自然科学基金重点项目“自动跟踪同步通信卫星平板相控天线阵”获四川省科技进步一等奖。研究领域为集成电路设计，RFID技术，嵌入式系统，移动天线与智能天线系统，微波及毫米波技术，自适应信息处理，微波器件及材料等。

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一种新型并馈高增益全向微带天线

罗章杰陈星

(四川大学电子信息学院，成都 610064)

摘要：微带天线具有加工容易和价格低廉优势，但目前多数微带全向天线采用串馈形式，存在方向图主瓣指向随频率不稳定的缺陷。本文设计了一种新型全向微带天线，它由刻蚀在介质板上的偶极子组成阵列实现高增益的全向辐射，采用在微带结构中心进行并联馈电方式。仿真结果表明：S11<-10dB带宽为4%（5.7~5.93GHz）；在该工作频带内，天线有良好的水平全向特性，不圆度≤±1dB；天线增益在11.8dBi以上，副瓣低于-13.3dB；主瓣方向在整个频带内保持恒定，指定水平面。关键词：微带天线，全向，高增益，并联馈电

A Novel Corporate-Fed Microstrip Antenna with Omni-directional and

High-gain Pattern

Luo Zhangjie Chen Xing

(School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064)

Abstract: Microstrip antennas have advantages of easy in fabrication and low-cost, but most omni-directional antennas use the serial-fed method, which leads to a problem that their radiation directions vary with respect to frequency. In this paper, a novel omni-directional microstrip antenna is proposed. It comprises dipoles etched on the dielectric substitute and provides the array performance of omni-directional radiation pattern with high-gain in the horizontal plane. The antenna is fed in the corporate-fed method at its center. Results of numerical simulations show, the S11<-10dB impedance bandwidth is 4% (5.7~5.93GHz); in this frequency band, the proposed antenna has good omni-directional radiation patterns with gain variations within ±1dB, high gains more than 11.8dBi, side lobes of 13.3 dB below the main lobe, and in the whole frequency band, main lobes are exactly direct to the horizontal plane without any beam squint.

Keywords: Microstrip antenna; Omni-directional; High-gain; Corporate-feed

线结构，如Antonis Kalis等研究的可转换印刷环阵

1 引言

天线正是利用偶极子组阵实现全向辐射[3]；可以采用多个辐射方向不同的端射天线组阵来实现全向辐射

随着无线通信技术的高速发展，在通信基站等[2]

；还有共形天线，如Qiu Jinghui等设计的圆柱共

多类系统中，全向天线得到了越来越广泛的应用，

形全向天线[4]和Doris I. Wu的圆极化共形微带阵全

对全向天线性能要求也日益提高，如要求全向天线

向天线[5]；Shanjia Xu 等设计的周期性介质柱漏波

的不圆度低、增益高、副瓣小、辐射主瓣方向稳定

全向天线[6]；Ren Xueyao等设计了缝隙阵列全向微