用于物流业中的双极化全向RFID天线设计

摘要：为了使RFID在物流业中有更好的应用，分别采用双点馈电和结构变形的方法，设计并仿真了双馈电点圆形贴片天线和宽带双极化全向变形倒L天线。经HFSS仿真得出，在中心频率点为2．85 GHz时，双馈电点圆形贴片天线获得了双极化，变形倒L天线获得了32．3％(VSWR<2)的宽带。
关键词：双极化全向天线；圆形贴片天线；倒L天线；RFID

0 引言
    目前，随着射频识别(RFID)在身份识别、银行业、交通卡等的广泛应用，其越来越受到社会各个领域的关注。此外，随着国家将“物联网”的建设提到战略产业的地位，RFID在物流仓储方面的应用已越来越受到各个物流公司的重视。RFID在物流仓储中的应用过程包括物流过程中的货物追踪、信息的自动采集、仓库管理应用、港口应用、邮政包裹、快递等。如文献中已对应用于身份识别等领域中的RFID天线做了很多研究。在物流业中，RFID的应用不同于身份识别中RFID的应用，它需要能够在较长的距离内和各个不同的方向上实现信号发射与接收，这就要求应用在物流业中的天线具有全向性。同时由于物流识别系统的主发射接收系统不可能做得很大，其天线极化方向就不一定能够做成圆极化，这就要求把RFID的天线做成一个双极化天线，使其在任何方向都使主接收系统能够接收到RFID标签板的信号。

1 双馈电点圆形贴片天线设计
    目前圆形贴片天线的研究主要趋于小型化，双极化的研究基本没有涉及。双馈电点圆形贴片的天线就是为了使圆形贴片产生双极化。
1．1 双馈电点固贴片天线尺寸
    双馈电点圆形贴片的天线分为两个部分：馈电部分与圆形贴片部分。馈电部分是由一个馈电口引出馈线，然后在馈线上分支形成两根馈电线，分别馈于圆形贴片天线两条垂直相交的直径上，且两根分支馈线的线长相差λ／4。为了使天线阻抗匹配值为50 Ω，在馈口处设置了一根调匹配支节，如图1所示。通过调整L2与L1的长度，使天线的阻抗至50 Ω，这种形式的匹配电路加工制造简易，成本低廉。

    L2，L1的计算公式如下：
    令ZL=1／YL=RL+jXL，则支节处向负载看进去的输入阻抗为：
 
    双馈电点圆形贴片天线结构如图2所示。

    使用介质板的介电常数ε=3．3，介质板厚度为0．2 mm，天线半径为17 mm，天线工作中心频率f=2．85 GHz，其他尺寸如表1所示。

1．2 双馈电点圆形贴片天线仿真结果
    双馈电点圆形贴片天线仿真结果如图3，图4所示。图3给出了其驻波比，图4是其E面辐射方向图，可以看出在2．8～2．92 GHz范围内驻波比小于2。从图3，图4中可以看出达到了最初的设计目的。

2 宽带变形倒L天线设计
2．1 宽带变形倒L天线尺寸
    倒L天线由水平单元与垂直单元组成，具有水平极化与垂直极化性能，并且其长度和大约为λ／4，故其具有低轮廓特性。但是其频带比较窄，典型的只有中心频率的百分之一。本设计的变形倒L天线带宽会有很大的拓宽。倒L天线的结构图如图5所示。

    使用的介质板为FR4板，介电常数ε=4．4，介质板厚度为1．5 mm，线宽W=1 mm。
    其结构尺寸如表2所示。

2．2 变形倒L天线仿真结果
    变形倒L天线仿真结果如图6，图7所示。图6给出了其驻波比，图7给出了其E面方向图。从图6可以看出，2．37～3．29 GHz其驻波比小于2，带宽为32．3％，远远高于普通倒L天线的带宽。由此可以看出，已经达到了设计要求。

3 结论
    本文设计仿真了两款双极化全向天线，中心频率均为2．85 GHz，两款天线仿真结果均达到了设计要求。其中，双馈电点圆形贴片天线可适合于不规则包裹的货物信息采集追踪，在本设计中使用的介质板就是一款软介质材料，其厚度为0．2 mm。变形倒L天线的带宽达到了32．3％，可用于要求宽带情况下的货物信息追踪。