RFID 2.4GHz天线设计

引言

RFID技术利用无线射频方式进行非接触双向通信，可达到识别并交换数据的目的。与磁卡和IC卡等接触式识别技术不同，RFID系统的电子标签和读写器之间无需物理接触就可完成识别，属于非接触识别。RFID技术具有一些独特的优点，它可更广泛地应用于交通运输、医疗和防伪等领域中。

随着我国经济的迅猛发展，铁道部已投入大量资金用于建立全路车号自动识别系统的工程建设中，目标是在所有机车上安装电子标签，在所有区段站、编组站、大型货运站安置地面读写装置，对运行的列车以及车辆信息进行准确的识别。铁路射频车号自动识别系统已经成为铁路信息化建设的一个重要组成部分。TKCG-08RFID列车自动识别系统正是在这一背景下进行研发的，它利用微波射频通信技术，实现了列车车号的自动识别。其数据通信方案如图1所示。

　　数据传输是RFID系统运行的一个重要环节。射频信号通过阅读器天线和标签天线的空间耦合(交变磁场或电磁场)实现数据传递，因此，天线在整个RFID系统中扮演着重要角色，一方面天线的好坏决定了系统的通信质量，另一方面天线决定了系统的通信距离。

根据工作频段不同，在RFID产品中使用不同类型的天线，可选择的天线种类很多。在选择的时候，天线大小、成本、性能都是非常重要的因素。三种最常见的短距天线设备是PCB微带天线、芯片天线和有一个连接器的鞭状天线。TKCG-08地铁列车识别系统应用主要是将阅读器安装在线路轨道中间，射频卡安装在车体下部中央相应的位置，如图2所示。当列车以一定速度通过阅读器时，阅读器识别出射频卡相应的卡号，进而得到列车车号信息。由于射频卡体积有限，而且需要控制成本，微带天线具有低成本、高性能、小尺寸等优势，因此选择微带天线作为本系统使用的天线形式。

　　微带天线

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线、同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射，因此微带天线可看作是一种缝隙天线，如图3所示。和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小、重量轻、成本低，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于用印刷电路技术大批量生产，能与有源器件和电路集成为单一的模件，容易获得圆极化，容易实现双频、多频段工作等。

　　根据天线辐射特性的需要，可以设计贴片导体为各种形状。通常贴片天线的辐射导体与金属底板距离为几十分之一波长。假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化，仅沿约为半波长的导体长度方向变化，则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定。

微带天线利于选取合适的馈电位置使辐射元与馈线良好匹配，且体积小剖面低、电性能优良、实现了一维小型化。基于此小型化天线采用微带天线形式。而微带天线实现圆极化的馈电方法主要有: 双馈点馈电和单馈点馈电。其中每一种馈电方法又分别可采用直接馈电、缝隙耦合馈电、探针馈电等多种馈电方式。直接馈电的单馈点法不需设计任何复杂的移相网络和功率分配就可实现圆极化辐射，是实现圆极化的简易方法，所以一般采用单馈点直接馈电的方式馈电。

微带天线设计

根据微带天线理论，贴片单元宽度W的尺寸直接影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻以及输入阻抗。考虑到要兼顾辐射效率和避免产生高次模，通常要求宽度W满足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分别是天线的高度和宽度。但在实际设计时应考虑边缘场的影响，要对L值进行修正，因此L由公式(4)决定：

　　因为电场沿 L方向非均匀分布，故可通过改变同轴馈点在 L方向上的位置来改变馈电点的阻抗大小，达到信号的匹配状态。馈电点位置的导纳如公式(6)所示：

　　式中Z0是把天线视为传输线时的特性阻抗;Y0是其对应的导纳;ZW是壁阻抗;β是介质中的相位常数; L1、 L2为馈点沿 L 方向分别到辐射电极边沿的距离。通过改变L1、 L2的大小可以使输入阻抗满足阻抗匹配的要求。

　　设计中还要考虑到辐射电极的长和宽L、W要满足矩形贴片天线圆极化工作必要条件，即：

　　式中Qr，Qd，Qe，分别对应辐射，介质和导体损耗的Q值。

我们在设计时，考虑到微带天线应用在手持扩频通信设备中，要求天线具有剖面雹体积轻、小型化的特点。根据上述公式计算出天线的实际尺寸，然后在AGILENT公司的电路和系统分析软件ADS上建模，仿真优化，得到图4所示的天线模型。该天线工作频率为2.4GHZ，尺寸为10MM×7.88mm，天线固定在尺寸为53mm×6.72mm的基板上，其材料选用FR4，相对介电常数为4.4，基板厚度为1.2mm。对