一种RFID小型圆极化四臂螺旋天线的设计

近年来射频识别(Radio Frequency of Identificatio，RFID)技术的应用逐渐广泛，同时也倍受重视。特别是UHF频段的RFID系统，由于其传输距离远、传输速率高，受到了更多地关注。典型的RFID系统由RFID阅读器和标签两部分组成，RFID无源标签依靠RFID阅读器发射的电磁信号供电，并通过反射调制电磁信号与阅读器通信。因此，RFID标签天线设计的优劣对其系统工作性能有关键的影响。

常见的射频识别阅读器天线有折合振子天线、分形天线、微带天线以及轴向模螺旋天线。由于折合振子天线和分形天线一般为线极化天线，难以满足阅读器对各方向电子标签的识别要求，所以在较多场合不适用；而微带天线由于其面积尺寸过大，在小型化的阅读器手持机上的使用受到了限制；轴向模螺旋天线同样因轴向高度过高，在实际使用中也受到了限制。因此，如何设计出一种小尺寸、低剖面、高性能的圆极化射频识别天线成为了关注的焦点。

四臂螺旋天线由于其圆极化性能出色，被广泛应用于GPS领域。随后经过进一步发展，Wang—lk Son等人将四臂螺旋天线应用至RFID，并利用平面倒F天线代替了传统的单极子天线作为四臂螺旋天线的天线臂，如图1所示，实现了良好的效果。文中利用该方式，设计了一种在尺寸和性能上更具优势的RFID阅读器天线。

图1、倒F折叠四臂螺旋天线

1、小型化四臂螺旋天线的设计

1.1、四臂螺旋天线的设计

文中设计的倒F四臂螺旋天线的结构如图2所示。天线由4个完全相同的倒F天线组成，水平部分印制在介电常数为9.6，尺寸为60 mm×60 mm，厚度为1 mm的矩形微波复合介质板上，垂直部分印制在相同的4个厚度为1 mm的FR4小介质板上。4个天线馈电为等幅馈电，相位按逆时针相位依次滞后90°，形成右手圆极化。

图2、倒F四臂螺旋天线结构示意图

由于螺旋天线的4个臂相距较近，相对两臂之间的距离约为0.18 λ，天线4个臂之间的耦合较强。因此，在4个单独端口进行匹配时，不能按传统的方法，将每个端口单独匹配，再加功分网络，则应充分考虑4个臂之间的耦合。利用Ansys HFSS进行仿真可发现，位置相对的臂之间的耦合要远大于相邻臂之间的耦合，如图3所示。是因为相对两个臂上的电流相互平行，所以相互影响过大，而相邻臂上的大部分电流相互垂直，则影响较小，因而在一定范围内只考虑相对臂之间的耦合。假设4个天线臂端口按逆时针分别为端口1、端口2、端口3和端口4，反射系数分别为Γ11、Γ22、Γ33和Γ44，相对天线臂之间的耦合系数为M13和M24，由于天线两对臂之间的对称性，所以只需分析天线臂1和3之间的关系。假设端口1处的相位为0，能量从端口1传输到端口3产生的相位差为θ，而端口1和端口3的馈电相位相差180°，则从端口1耦合到端口3的能量在天线臂3端口处产生的相位为-180°-θ，由于天线间距较小，θ较小，所以可认为端口1耦合到端口3的能量在端口3处的相位为-180°。端口3的馈电相位为-180°，则其反射能量的相位为180°。在端口3处看，从端口送出的能量包含端口3反射的能量和端口1耦合的能量，上文已得出反射能量和耦合能量在端口3处的相位分别为180°和-180°，所以当反射的能量和耦合的能量大小相等时，其等幅反相相互抵消，达到最佳匹配效果，即

Γ33=M13 (1)

反之满足Γ11=M13时，端口1处达到最佳匹配。同理可分析端口2和端口4。

图3、天线的S参数仿真结果

1.2、馈电网络的设计

一般四臂螺旋天线的馈电方式有两种，自相移馈电和功分网络馈电。自相移形式由于其相位不易控制，且4个天线臂结构产生差异，方向图也略有变化，因此选择采用功分网络来实现馈电。威尔金森形式的功分器尺寸较大，且隔离电阻会导致损耗增加，因此该处采用简单的T型功分器。图4为功分网络的结构图。

图4、T型功分结构图

2、天线的仿真与实测结果

图5给出了仿真和实测的驻波结果对比图，由图中可看出，仿真和实测结果吻合良好，天线在国内UHF。频段920～925 MHz内的实测驻波在1.2以下，且在908～928 MHz内的驻波均在1.5以下，可满足实际应用。图6给出了天线增益和轴比随频率的变化，可看出天线的峰值增益为3.5 dB，轴比在带内<2 dB。图7和图8给出了天线在XZ和YZ面的归一化方向图，从图中可看出天线的3 dB波束宽度>120°，前后比>15dB。图9给出了天线的实物照片，天线的整体尺寸为6 mln<60 mm<6 mm，与传统RFID天线相比尺寸较小。综上所述，该天线性能优越，满足目前UHF频段RFID系统对于天线的要求。

图5、天线驻波仿真和测试结果图

图6、天线的增益和轴比随频率的变化

图7、天线XZ和YZ面二维归一化方向图

图8、天线实物图

3、结束语

文中运用新的结构和耦合匹配理论，设计了一种小型圆极化四臂螺旋天线。该天线可应用于UHF频段的射频识别系统中。与传统的射频识别天线相比，其具有尺寸小、剖面低、圆极化和宽波束等优点。经制作测试，实测与仿真结果吻合良好。

作者：王永强、雷振亚、李磊、陈雷，西安电子科技大学天线与微波技术国防科技重点实验室