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第51卷第4期2023 年8 月D0I:10.7631/issn.1000-2243.22130福州大学学报（自然科学版）Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)耦合馈电小型圆极化高增益RFID阅读器天线Vol.51 No.4Aug.2023文章编号：10 0 0-2 2 43(2 0 2 3)0 4-0 512-0 5张侦锐，袁家德（福州大学物理与信息工程学院，福建福州350 10 8）摘要：提出一种圆极化高增益超高频射频识别（RFID）阅读器天线.天线为微带结构，由分别印制在上下两层介质基板上的辐射贴片、L形馈电结构、接地面、4个短路加载小贴片等组成.采用在辐射贴片中心蚀刻十字形槽，L形结构耦合馈电，在天线四角加载短路小贴片等方法，实现天线的圆极化和高增益.天线总尺寸（LWH)为16 0 mm160mm21.6mm，实测S|-10dB的频率覆盖范围为8 9 6 9 9 3MHz，轴比小于3dB的频率覆盖范围为9 0 2 9 40 MHz，覆盖频段内最大增益8.5dBi.所设计的天线易加工、成本低、圆极化、增益高，可应用于各种RFID系统的测试环境中.关键词：射频识别；阅读器天线；耦合馈电；高增益；圆极化中图分类号：TN827.4Circularly polarized high gain RFID reader antenna with coupling feed(College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China)Abstract:A circularly polarized high gain ultra high frequency radio frequency identification(RFID)reader antenna with coupling feed is proposed.The antenna consists of radiation patch L-shaped feedstrip,ground,four short-circuit small patches,where they are printed on the upper and lower dielectricsubstrate,respectively.The circular polarization and high gain of the antenna are obtained by etching across-shaped slot in the center of the radiation patch,coupling feed with an L-shaped strip,and loadingshort-circuit small patches at the four corners of the antenna.The size of the antenna(LxWxH)is160 mm 160 mm 21.6 mm.The measured frequency range of Si I-10 dB is 896 to 993 MHz andthe frequency range with an axial ratio less than 3 dB is 902 to 940 MHz.The maximum gain in theworking frequency band is 8.5 dBi.The proposed antenna has some advantages,such as easy to manu-facture,low cost,circular polarization,high gain,and can be well applied in the RFID systems.Keywords:radio frequency identification(RFID);reader antenna;coupling feed;high gain;circular0引言随着射频识别（radio frequency identification，RFI D）技术的发展，其对天线性能也提出更高要求。RFID阅读器天线的增益性能直接影响对标签的识别距离2，因此诸多文献对高增益、小型化和圆极化阅读器天线展开了研究常用的实现天线高增益的方法较多，如将单元变成阵列3-4、采用多模式的高阶模谐振5-7 等。同时，很多文献提出新方法来实现天线的小型化和高增益，如文献8 采用加人引向天线的原理提升天线的增益；文献9-10 采用缝隙加载方式抑制副瓣，提高天线方向性，实现高增益；文献11利用短路加载的方式改变表面电流分布来提高增益；文献12 利用耦合谐振馈电的方式实现高增益但上述文献中多用损耗较小的介质基板材料，成本高，不适合批量生产，或是尺寸过大，不适合应用在某些特定的RFID系统环境中.本研究设计一种应用于超高频RFID阅读器的圆极化高增益天线.采用新结构和馈电方法，同时实现了天线单元的小型化、圆极化和较高的增益.收稿日期：2 0 2 2-0 3-30通信作者：袁家德（19 7 4-），教授，主要从事通信天线、射频识别、射频电路等研究，基金项目：国家自然科学基金资助项目（6 2 0 7 112 5）；福州市科技创新平台资助项目（2 0 2 1-P-029）文献标识码：AZHANG Zhenrui,YUAN Jiadepolarization第4期张侦锐，等：耦合馈电小型圆极化高增益RFID阅读器天线 5131天线结构天线结构如图1所示.其中，天线印制在两层厚度均为0.8 mm的FR4介质基板上，上下层介质板长度分别为L2、L，空气层高度为h，通过塑料螺丝固定，辐射贴片印制在上层介质板的上表面，r为辐射贴片中大圆半径，W，和L，为被切掉的矩形尺寸，W，和L，为圆形贴片中增加的矩形尺寸，中间蚀刻有十字槽，十字槽的长度和宽度分别为L4和W4，L形耦合结构印制在上层介质板的下表面，A1、A 2 为L形结构离十字槽的距离，W，为L形结构宽度，Ls和L。分别为L形结构两边长度，接地面在下层介质板的下表面，4个小矩形贴片分布在天线的四角处，通过4根短路引脚接地，矩形贴片宽度为W：天线馈电端口阻W,抗为50 Q，馈点位置离L形结构边缘距离分别为Dz、D，同轴线内芯与L形馈电结构相连，外芯与接地面相连.采用电磁仿真软件ANSYSHFSS对天线性能进行仿真优化，天线最优结构尺寸如表1所示.塑料螺丝辐射贴片Z短路引脚参数取值参数取值参数取值参数取值参数取值参数取值L160.0L150.0L371.02天线性能与影响因素分析2.1原理分析本研究所设计的RFID阅读器天线采用L形耦合馈电结构，通过调整馈电点位置及L形馈电结构的尺寸，在、y 两个方向上激起幅度相等、相位相差9 0 的电流来实现天线远场电磁波的圆极化.电磁能量通过馈电结构耦合到辐射贴片，在辐射贴片上形成表面电流，再产生电磁波向外辐射.贴片上蚀刻的交叉十字形槽，增加辐射贴片的表面电流路径，降低谐振频点，同时能改善辐射贴片和馈电结构之间的阻抗匹配.四周的4个小金属贴片与主辐射贴片之间具有耦合作用，每个小金属贴片通过短路引脚接地产生电感效应，可以降低天线频率。在频率为9 15MHz处不同时刻天线辐射贴片上表面的电流密度分布如图2 所示.从图中可以看出，当t=0时，辐射贴片上的电流都朝着向下的+x方向；当t=T/4时，辐射贴片上的电流都朝着向右的+y方向；当t=2T/4时，辐射贴片上的电流沿-x方向；当t=3T/4时，辐射贴片上的电流沿-y方向.亦即，随着时间的变化，辐射贴片上表面电流方向沿逆时针方向变化，根据电磁场理论，该天线辐射的远场电场方向也会沿逆时针方向变化，故天线在z0上半空间辐射的电磁波是右旋圆极化波.L口WL2L型馈电结构Lh接地面同轴馈线(a)正视图上表面金属Fig.1(Geometry of the proposed antenna表1天线结构尺寸Tab.1Optimized geometric parametersL451.0Ls25.0L81.3WAL6AD.W.I(b)俯视图下表面金属重叠部分图1天线结构图L69.4W6.0W211.9WDLW，11.0W411.1W，8.0口(mm)A15.5A216.5T72.0D7.5D,76.6h20.0http:/514福州大学学报（自然科学版）第51卷(a)t-0Fig.2Surface current density distribution diagram of antenna at 915 MHz at different time2.2参数分析天线结构中的各参数变化均会对天线性能产生影响，本研究仅讨论对天线性能影响较为明显的两个参数，分别是馈电点相对于L形结构边缘的距离（D,）和十字槽宽度（W4）.图3（a）、（b)分别给出了D，的变化对天线|S|和轴比（AR)的影响，从图中可以看出，随着D，增大，天线的|Si|工作频段向高频移动，而天线轴比的工作频段或最低值却往低频偏移.其原因是馈电点位置不同可以直接影响到天线端口阻抗的变化，同时也影响着辐射贴片上的电流分布.经过仿真优化，D,=76.6mm为天线性能最优值.5-10-15-20-25-30-35800850900 950100010501100f/MHz(a)参数D,对|S.lI的影响Fig.3 Influence of parameter D,on antenna performance图4给出十字槽的宽度W4对天线|S,|和轴比（AR）的影响.从图中可以看出，随着W4的增大，天线的|Su|基本不变，而天线轴比最低值先增大后减小.经过仿真优化，W4=11.1mm为天线最优轴比.0-5-108P/-15-20-25-308008509009501 0001 0501100f/MHz(a)参数W,对|S.l的影响图4参数W对天线的性能影响Fig.4 Influence of parameter W4 on antenna performancehttp:/(b)t-T/4图2 天线在9 15MHz处不同时刻表面电流密度分布图D.=71.0 mmD,=76.6 mmD,=81.0 mm图3参数D，对天线的性能影响10864W,=8.0 mmW-11.1 mmW=-14.0 mm(c)t-2T/4108642088020880(d)t-3T/4-D,=71.0 mm-D,=76.6 mmD,=81.0 mm900920f/MHz(b)参数D,对轴比的影响W,=8.0 mmW-11.1 mmW=14.0 mm900920f/MHz(b)参数W,对轴比的影响940940960960第4期3实验结果与讨论根据表1中仿真优化尺寸制作天线实物，如图5所示.采用矢量网络分析仪测量天线端口反射系数ISl，用微波暗室测试天线方向图、轴比和增益.十张侦锐，等：耦合馈电小型圆极化高增益RFID阅读器天线福515(a)俯视图图6 给出天线的|Sl、轴比、增益的仿真和实测结果对比图.从图6(a)可以看出，IS-10dB阻抗带宽为8 9 3 9 8 6 MHz，测试结果为8 9 6 9 9 3MHz.从图6（b）可以看出，天线3dB轴比带宽仿真值为898928MHz，测试值为9 0 2 9 40 MHz.08-576-10P/-15-20-25800850900950 1 000 1 050 1 100f/MHz(a)IS.l曲线图7 给出频率为9 15MHz时天线xoz平面和yoz平面处左、右旋圆极化方向图仿真与测试对比结果.天线增益仿真最大值8.2 dBi，实测最大增益8.5dBi.从对比结果可知，测试与仿真结果较好吻合.103300300-10-20270-10024010L2109/()(a)xoz面Fig.7 Left and right rotation direction diagram at 915 MHz表2 给出已发表的一些典型文献中所提出的天线与本研究设计天线的性能对比.本天线相比于文献13和文献14的天线具有更高的增益，相比于文献8 的天线具有更小的尺寸，相比于文献15的天线在使用相同材质并且尺寸相当的情况下具有更高的增益，因此，本天线具有一定的优势。(b)仰视图图5天线实物图Fig.5Prototype of the proposed antenna一仿真实测54一仿真3实测21880图6 天线仿真与实测结果对比Fig.6Comparison of antenna simulation and measurement003010仿真-RHCP0实测-RHCP30060仿真-LHCP-实测-LHCP90120150180图7 天线频率为9 15MHz时左、右旋方向图http:/(c)侧视图10861P/4202900920f/MHz(b)轴比曲线-10-20270-10024010L2100/()(b)yoz面一仿真实测9409603308008509009501 000 1 050 1100f/MHz(c)增益曲线30仿真-RHCP口60实测-RHCP一仿真-LHCP实测-LHCP90120150180516不同天线文献8 天线文献13天线文献14天线文献15天线本研究天线4结语提出一种应用于超高频RFID阅读器的圆极化高增益天线.采用L形耦合馈电和十字形开槽辐射贴片结构实现天线圆极化，利用4个金属小贴片的耦合作用及短路引脚产生的电感效应，实现天线总尺寸的缩减，天线增益可达到8.5dBi.该天线具有圆极化和高增益的特点，且结构简单和成本低，在RFID系统中具有良好的应用前景.参考文献：1】南敬昌，李锋，李蕾。超高频RFID小型化读写器天线设计J.微波学报，2 0 17，33（3）：44-47.2 CAI Y M,LI K,YIN YZ,et al.Dual-band circularly polarized antenna combining slot and microstrip modes for GPS with HISground plane J.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14:1129-1132.3 YAO Y,REN X J,LIANG Y S,et al.Multipolarized reader antenna with periodic units based on electric field coupling for UHFRFID near-field applications JJ.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2019,67(8):5265-5271.4 TAJIN M A S,DANDEKAR K R.Pattern reconfigurable UHF RFID reader antenna arrayJ.IEEE Access,2020(8):187365-187372.5 NGUYEN T N,TA S X,IKRAM M,et al.A low-profile wideband tri-polarized antennaJ.IEEE Transactions on Antennasand Propagation,2018,67(3):1946-1951.6 LIU Q W,ZHU L,WANG J P,et al.Wideband low-profile differential-fed patch 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