一种小型UHF RFID读写器天线设计

摘要：基于RFID系统对天线的要求，提出了一种适用于UHF频段上的RFID读写器天线。该天线采用背馈馈电方法，通过在分形结构上采用非对称矩形切角来实现天线的小型化和圆极化。利用电磁仿真软件分析了天线性能，仿真与测试结果吻合良好。
关键词：分形；田极化；超高频；微带天线

0 引言
无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种借助于电磁波传播和感应而进行的自动识别技术，该技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，被列为21世纪十大重要技术之一。目前已广泛应用于物流管理、动物识别和电子收费等领域。无源UHF RFID技术具有工作距离远和数据传送速度快等特点，被认为是最具有应用前景的RFID技术。在UHF RFID系统中，天线性能的高低直接影响系统的识别距离，是一个非常重要的器件。随着UHF RFID技术的发展，小型化、高增益、低成本的天线越来越受关注。在众多可适用于UHF RFID系统阅读器的天线中微带贴片天线因其结构简单、便于加工制作而被更多的研究和应用。传统的矩形微带贴片天线尺寸为谐振频率的半波长，天线的尺寸受到严格的限制。可以通过提高介质基片介电常数、加载短路探针、加载缝隙等方法实现贴片天线尺寸的减小，但是天线的性能会受到很大的影响，尤其是天线的增益和带宽。本文在这样的背景下设计了一款小型化、高增益微带天线。该天线基于Minkowski分形结构，并在其基础上通过矩形切角来实现圆极化，满足UHFRFID系统对天线的要求。该微带分形天线的中心
工作频率为915 MHz，增益最大可以达到6．15 dBi，-10 dB阻抗带宽为905～930 MHz，物理尺寸为140 mm×140 mm。仿真结果和测试结果吻合较好，从而验证了本文设计的正确性。

1 天线的设计
分形结构通常是按照一定的分形因子对初始单元进行自相似迭代生成的，初始单元决定了分形图形的框架，分形因子决定了分形图形的内部结构。Minkowski分形边界的构造过程如图1所示。

设初始贴片的直线边长为a，分形因子IF=1／n，即贴片直线边中央挖去的矩形区域宽度为a／n，设挖去的矩形区域深度为b，即挖去一个a／n×b的矩形区域，深度和宽度之比：

对于矩形微带贴片天线单元M0、一阶Minkowski分形贴片微带天线单元M1和二阶Minkowski分形贴片微带天线单元M2而言，M1和M2是在M0的基础上分形而来，贴片总尺寸不变，如图2所示。不同的分形因子1阶Minkowski分形贴片微带天线如图3所示。

通过研究发现，Minkowski分形贴片微带天线具有良好的尺寸缩减特性，可以谐振于更低的频率，随迭代系数的增加谐振频率逐渐降低，但是当迭代系数超过2时，谐振频率的降低趋于缓慢，并且加工难度也随之增加。因此迭代系数一般小于2。