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RFID UHF的小型介质天线

来源:日期:2019年01月25日 浏览:1583 关键词:PIFARFID
移动射频识别( Radio frequency identification, RFID) 概念的提出,使小型化 RFID 阅读器得到了广泛的关注和研究,同时天线的小尺寸结构也成为研究的关键问题。在小型化的 RFID 阅读器终端设计中,减小天线的尺寸相比增益和辐射方向图而言是更重要的设计目标

      移动射频识别( Radio frequency identification, RFID) 概念的提出,使小型化 RFID 阅读器得到了广泛的关注和研究,同时天线的小尺寸结构也成为研究的关键问题。在小型化的 RFID 阅读器终端设计中,减小天线的尺寸相比增益和辐射方向图而言是更重要的设计目标。不同的应用场合对天线性能提出了不同的要求,在要求远距离识别的场合如货箱识别,需要达到数米的识别距离,天线通常和阅读器分离,采用外置的形式,这样可以采用具有高增益、圆极化特性的外置天线。在一些近距离使用场合如货架商品管理上,阅读器识别距离为 0.3 ~ 0.5 m,天线可以和阅读器模块集成,进一步减小阅读器体积,但为了保证有效的读写距离,对内置天线的小型化设计提出了要求: 低剖面、体积小、重量轻、结构简单、易于集成和加工。通过把折叠的偶极子天线弯曲成环状,增加寄生电容,来增加天线的电长度从而减小天线的尺寸。采用两层的周期性结构,将用于 RFID 阅读器的偶极子天线体积减小了50% 。将倒 F 天线( Inverted-F-antenna, IFA) 集成在移动 RFID 阅读器电路,通过开关的通断控制天线工作的频率范围。将 IFA折叠,采用四臂螺旋形式减小天线尺寸,并采用阵列形式增加天线增益。上述的设计中,大部分天线的尺寸较大,不小于 60 mm×60 mm,易于集成的、体积较小的天线,增益都在 0 dB 以下,小型化之后天线的效率降低、带宽变窄。


PIFA 的改进设计


       适合 UHF 频段的 RFID 阅读器使用的天线如微带贴片天线、偶极子天线需要半个波长的谐振长度,不利于实现天线的小型化,而像 PIFA、单极子天线只需要四分之一半波长的物理尺寸,适合用于设计小型化的阅读器天线。


       平面倒 F 天线 ( Planar inverted-F-antenna, PIFA) 是一种常用的平面天线,它具有体积小、重量轻、低剖面、结构简单等优点,被广泛应用于移动通信终端设备上。PIFA 天线由地板、贴片、馈线和接地线构成,它可以看作在贴片长度为半波长的微带贴片天线的基础上,根据镜像原理,将贴片中间接地,贴片长度缩小约一半得到。


       PIFA 的接地使得天线的谐振波长由传统的λ /2 缩短为 λ /4,这是天线小型化的一个主要的原因。现 PIFA 的馈电和接地常采用的是弹性触片加载和探针加载两种形式; 不同于其他小型天线通常带宽阻抗呈“容性”,PIFA 因为接地片的原因带宽阻抗一般呈“感性”。馈电片和接地片结合在一起可以看作双线传输线。忽略其分布电阻和电导,其分布电感和分布电容可以表示为


L = ( hμ /π) cosh-1( d /2a)

C = ( hπε) /cosh-1( d /2a)


式中: h 为辐射单元和接地面之间的高度,d 为接地片和馈电片中心的距离; 2a 为接地片和馈电片的宽度。通过调整接地片和馈电片各自的宽度和长度、它们之间的距离,以及在它们与天线主体连接处开适当尺寸的缝隙可调节天线阻抗,是直接影响天线的谐振频率和带宽的手段。


对于矩形贴片 PIFA,其谐振频率可以由下式近似得出度


fc = c /[4×( a+b) ]


式中: c 为真空中光速,a 为矩形贴片长度,b 为矩形贴片宽度。上图为设计的 PIFA 结构图,采用在矩形辐射贴片上下两侧开槽的方式增加天线的电长度,减小辐射贴片的尺寸。馈电点和短路点之间的距离 d 越大天线的谐振频率越高,贴片和地板之间的高度 hs 越高,天线带宽越宽,开槽的长度增加,天线谐振频率下降。开槽的宽度 l 对天线谐振频率和带宽影响不大。


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