基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计

关键词：射频识别标签天线;印刷偶极子天线;小型化

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北京邮电大学学报

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基于!"#$应用的小型化印刷偶极子天线设计

李秀萍$，刘

禹!，曹海鹰$

（北京邮电大学电信工程学院，北京$；中国科学研究院自动化研究所，北京$）$?""FB#!?"""F"

摘要：为了研究满足工程需要的射频识别（G标签天线，以!给出了印刷偶极子标签天HIJ）KE&LMN工作频段为例，线及其小型化设计?所设计的!在驻波比小于$工作带宽约为KE&LMN印刷偶极子标签天线的性能指标为：K&时，；天线增益为$；天线尺寸大小为DE&"OMNKE:/B==PE&KF==?小型化后的天线尺寸缩小为D$KF==P!FK&==，面积减小了约E在驻波比小于$天线带宽约为!，天线增益为$给出了小型化天线的BQ，K&时，!"OMNK!:/?此外，实测结果，并且与理论结果进行了比较，结果吻合良好?关

键

词：射频识别标签天线；印刷偶极子天线；小型化

文献标识码：R

中图分类号：;A%!%K&D

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<引

言

［］

自动识别过程?相对于条码技术，GHIJ可以实现对

电子标签的快速读写，具有体积小、形状多样、使用寿命长、可重复使用、存储容量大、能穿透非导电性材料等特点，并且可以实现多目标识别和移动目标识别，通过与互联网技术的结合可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享?GHIJ技术用于物流、制造与服务等行业可以大幅提高企业的管理和运作效率，并降低流通成本；用于身份识别、资产管理等

（G技术$是G,:1(.*0)0+<1:0+71.1<,71(+HIJ）[8

一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术，诞生于!最早用于军事领域中敌我"世纪E"年代，目标的识别?它包括电子标签（）和读写器（7,*0,:C3）附有编码的标签和读写器通过天0*!个主要部分，

线进行无接触的数据传输，完成一定距离情况下的

收稿日期：!""&C$"C$D

基金项目：国家“项目（）；韩国M（／／F#D计划”!""ERRE!""&")70<Y!$资助项目；澳门科技发展基金项目""&!""&R）作者简介：李秀萍（—），女，副教授，：$%BEZC=,1-_-1!\)7?0:)?<+?UU

关键词：射频识别标签天线;印刷偶极子天线;小型化

9-

北京邮电大学学报

第&C卷

领域则可以实现快速批量的识别和定位，并根据需要进行长期跟踪管理!因此，"#$%技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重大的应用潜力!在天线分为标签天线和读写器天线&"#$%系统中，种情况，当前的"、#$%系统主要集中在’#(#（）、)*+,-.(/0(#和微波频段!天线的原理和设计在低频、高频和0(#频段有根本的不同!低频和高频"在该区域没有电磁#$%系统工作在近场区，面积减小了约3天线带9<!在驻波比小于)+,时，宽约&，天线增益为)&6.(/+&78!

!印刷偶极子天线结构

印刷偶极子天线的结构如图)（）所示，俯视图=如图)（）所示，其相应的结构尺寸见表)>!带有通孔的微带巴伦线是馈电点到&个印刷偶极子臂的平衡—不平衡变压器!偶极子臂及微带巴伦线的长度／微带线的接地板和偶极子臂在同一大约!3波长，波的传播，天线之间的作用是通过电磁耦合完成的!因此，天线的研究工作主要集中在0(#频段和微波频段!受应用场合的限制，"#$%标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚至需要嵌入到物体内部!"#$%标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠性!此外，标签天线和读写器天线还分别承担接收能量和发射能量的作用，这些因素对天线的设计提出了严格要求!当前国内外对"#$%天线的研究主要集中在天线的结构以及环境因素对天线性能的影响上!

天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性!方向性天线具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰，比较适合电子标签应用!天线增益和阻抗特性会对"#$%系统的作用距离产生较大影响；天线的工作频段对天线尺寸以及辐射损耗有较大影响!

对于"#$%标签天线的设计要求主要包括：天线的物理尺寸小，要小得能够贴到需要的物品上；具有全向或半球覆盖的方向性；具有高增益，能提供最大可能的信号给标签的芯片；阻抗匹配好，无论标签在什么方向，天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配；具有鲁棒性及低成本!

当标签贴近读写器时，标签天线的阻抗由于反射波会产生改变，这样，标签天线需要比规定更宽的带宽以防止谐振频率的偏移!与微带贴片天线相

比，偶极子天线能提供更宽的带宽［&1-］!本文介绍了

应用于$2.频段&+3!&+34*,5(/的"#$%印刷

偶极子标签天线的设计，并给出其小型化的设计和测试结果!本文设计的&+3,5(/标签天线的性能指标为：在驻波比小于)+,时，工作带宽约为,6.(/；天线增益为)+378；极化方式为线极化，为方向性天线；天线尺寸大小为*9::;3,+4::!在此天线的基础上，进一步对天线进行了小型化工作!改进后天线的尺寸缩小为*)+4::;&4+,::，

平面!本文所研究的"#$%系统工作于$2.频段，带宽为&+3!&+34*,5(/!天线在#"3介质板上加

工，介质板的厚度为：!?6+4::，介电常数"@?3+,，损耗角正切A=B

#?6+6)3!正面的微带线馈线通过通孔和印刷偶极子振臂相连［9］!图)所示的印刷偶极子天线的等效电路模型如图&所示!

图)天线结构图

图&图)所示天线的等效电路模型

图&中，")表示,6"特性阻抗，经过&截阻抗变换器和由通口形成的短路线串联，&个偶极子臂

的等效由特性阻抗为"#$的槽线表示!由图&，给出以下的关系式：

3

关键词：射频识别标签天线;印刷偶极子天线;小型化

第+期李秀萍等：基于DCEF应用的小型化印刷偶极子天线设计

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（）（）!$!*!"*)!’%&"!!)"!"))、)、短路线这里!!!#!#、$#为)个阻抗变换器、及槽线的电长度，为了满足平衡馈电和阻抗匹配的，，$!，要求，令!+,!，!-,.!$$!!!$"印刷偶极子天线小型化设计

为了有效减小标签体积，本文采用对阵子臂进行折曲的方法，天线的体积缩小以带宽和增益的减小作为代价>小型化的印刷偶极子天线如图0所示，改进后的天线的尺寸缩小为*#/?11@)?/+11，比小型化之前面积减小了约0AB>表#给出了小型

化后的天线尺寸>

#!"*##)$##的值大约为)/0.

，等于电路板厚度的电长度%表!"#$%&’(天线尺寸表

11

小型化前天线尺寸

小型化后天线尺寸

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)#/0

&2#&2)0/0阵子臂

’’2#0/023

’2)#/,()2#,/+)*()*/,&4)*&4),/,&5

*&5*/,微带巴(##(##/,伦线

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*’5*/,通孔*,/0*,/+接地板

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#0

’7

#0/,

图*给出了)/0+89:印刷偶极子天线的仿真结果，由图可知，天线的中心工作频率为)/0389:，回波损耗+##$;*,2<，驻波比小于#/+时的工作带宽为0+,=9:（)/)")/3+89:）>

图*)/0+89:印刷偶极子天线仿真曲线

图0)/0+89:小型化印刷偶极子天线俯视图

)仿真结果和测量结果的比较

如图+所示，在厚度为,/?11的CD0介质板上实现了本文所设计的小型化天线，测量结果和仿真结果的比较如图3所示>

图+小型化印刷偶极子天线实物图

图3小型化印刷偶极子天线仿真和测量结果比较曲线

从图3可知，小型化印刷偶极子天线仿真结果

的谐振中心频率为)/0*89:，+##$;

032<>在驻

关键词：射频识别标签天线;印刷偶极子天线;小型化

-.

北京邮电大学学报

第$J卷

波比小于!天线带宽为$（$"#时，$%&’(")*!），相对带宽为-天线测量得到的谐$"#+,’("./；

，比仿真结果的振频率为$，!)*"#23"#,’(!!01向高频偏移了-在驻波比小于!$"*),’(%&’(4"#

时的工作带宽约为$（），比)%&’($"*)!$"++,’(仿真结果的$$%&’(增加了!%&’(4

图-给出了天线方向图的"面测量结果，由图实际测量结果为1，可知，在"面!为零时，%"+#23实际测量的)，仿真结果为.23波束宽度为#%5$54

刷偶极子标签天线，并给出了仿真和测量结果4当频率低于$该天线的测量与仿真结果吻"$,’(时，合良好4当频率高于$测量得到的谐振"$,’(时，频率较仿真结果向高频偏移-%&’(4小型化的设计可以将天线面积减小约*-/4下一步工作是进一

步改善小型化后的天线带宽和增益特性，以扩展其实际应用范围，并分析小型化天线的交叉极化特性，以明确其极化纯度4

图-$"*#,’(小型化印刷偶极子天线"面方向图

由于测量条件的限制，未进行天线增益的测量，图.给出了仿真得到的天线增益，在!0%5

、中心工作频率处，计算得到的小型化天线增益约为!"$234

图.小型化印刷偶极子天线增益图

结束语

本文设计了一种工作于$"*#,’(的小型化印

致谢

感谢江苏省专用集成电路设计重点实验

室开放课题的资助（6789:%+%$）参考文献：

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关键词：射频识别标签天线;印刷偶极子天线;小型化

基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李秀萍， 刘禹， 曹海鹰， LI Xiu-ping， LIU Yu， CAO Hai-ying

李秀萍,曹海鹰,LI Xiu-ping,CAO Hai-ying(北京邮电大学,电信工程学院,北京,100876)，刘禹,LIU Yu(中国科学研究院,自动化研究所,北京,100080)

北京邮电大学学报

JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS2006，29(5)10次

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本文链接：/Periodical_bjyddx200605018.aspx授权使用：都晓东(wfqinghua)，授权号：8d2f057d-b667-49a4-a34c-9e1a0128bb82

下载时间：2010年10月25日

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