读写器如何选择RFID天线

  前言

  近年来，在将UHF RFID 技术应用于珠宝、无人零售等领域时，让读写器天线辐射在近场区域，能更有效的保证读写的准确率。因此，基于UHF RFID 近场天线的研究越来越多。与 NFC 相比，UHF RFID 近场天线有读写速度更快，通信容量更大等优点。根据耦合方式的不一样，近场天线主要可以分为两类，即电场耦合、磁场耦合，选择良好性能的RFID天线至关重要。

  一、 RFID通道门天线

  微带天线最简单形式是一个单层介质板，两个金属面分别印刷在介质基板上下两个表面，下层导体相当于地板，若上层导体为窄的长条，即为微带传输线，若为各种形状的贴片(包括方形贴片，圆形贴片等等)，就是如图所示的微带天线。传统微带天线的主要问题在于带宽很窄，一般只1%~3%，因此相关的研究主要集中在如何拓展其阻抗带宽。将微带天线理解为一个谐振腔，其带宽和谐振腔的 Q 值成反比，因此可以通过增加微带天线剖面和减小基板的介电常数来实现，同时也可以对贴片开缝和使用寄生单元等方法，通过多谐振点原理阻抗带宽。微带天线的设计预期是，辐射结构可以将电场有效辐射到空间中，馈电结构可以将电场有效束缚在其中，实现高辐射效率，好的定向辐射特性。

  边馈微带天线几何结构图

  实现圆极化，天线必须满足有两个幅度相等、相互正交且在相位上相差 90°的电场分布。如果微带天线在同一频率下工作于两个模式，且两个模式的表面电流幅度相等、相互正交且相位上相差 90°便可以辐射圆极化波。因此，圆极化的实现形式有以下三种：

  ? 单点馈电。微带天线单点馈电实现圆极化的原理是在辐射贴片上加入微扰结构(切角、矩形槽、枝节等)。

  微带天线单点馈电实现圆极化

  ? 正交双馈。对微带天线加入双端口馈电网络进行馈电，馈电网络提供幅度相等、相位差相差 90°的两个电流信号输出端口 F1、F2，两个端口分别接入辐射贴片的正交位置，使得辐射贴片形成了幅度相等、相互正交且相位上相差 90°的两个表面电流。

  微带天线双点馈电实现圆极化

  ? 旋转馈电。旋转馈电可以看成是由多个幅度相等、相位相差 90°的线极化微带天线通过旋转满足相互正交性，从而实现了圆极化。

  微带天线旋转馈电实现圆极化

  通道门天线设计如下图所示，由于读写器带宽为 11%(860-960MHz)，而常规微带天线带宽为 3%，不满足设计要求，所以选用叠层微带天线展宽天线带宽，其结构共分为三层，最底层为地板层;中间层为馈电层，由下层贴片与馈电网络组成，印刷在 FR4 的介质基板上，馈电网络由一个一级的威尔金森功分器与两个一级的 T 型功分器组成，T 型功分器对馈电贴片两个馈点进行 90°相差馈电，馈电点的位置相互正交;最顶层为上层贴片，粘贴在天线罩上，天线罩采用 ABS 材质。

  二、 RFID手持机天线

  为了RFID手持机在服装门店或者大型仓库下提高盘点的准确性，需要尽可能的去扩大阅读的范围，减少漏读率，特别是车辆定位系统、仓储管理系统等，由于标签摆放方式的不确定性，一般使用圆极化读写器天线，采用具有宽波束特性的读写器天线。

  ? 组合式天线

  基于场叠加的原理，边射天线通过加载水平全向辐射的偶极子、环天线来达到展宽波束的效果，比如基于寄生环的宽波束圆极化天线，波束宽度为 140°。天线结构如图所示，下层为一个微带天线，上层为印刷在介质基板上的金属圆环，通过微带天线边向辐射场与金属圆环水平全向辐射场的叠加，展宽了波束。

  ? 金属背腔加载

  此方法是基于减小天线辐射口径的原理，天线可以通过开缝、使用高介电常数基板等途径实现小型化，从而减小了天线的辐射口径，达到展宽波束的目的。一种宽带宽波束双圆极化天线，天线结构如图所示，整体尺寸大小为 0.84λ×0.84λ×0.38λ ，天线的最大波束宽度达260°。天线由一组相互正交且呈弯曲状的偶极子组成，较宽的偶极子形式决定了天线具有宽带性能，底座的 3dB 耦合电桥使天线具有双圆极化的特性，再经过金属腔体加载，使天线沿边射方向辐射，并且展宽了天线的波束宽度。

  ? 改变天线地板结构

  其宽波束方法是将常规的微带天线装配三维地结构上，天线波束宽度可以达到 110°，与不装配三维地结构的微带天线相比，其圆极化波束宽度展宽30°。并且改变三维地结构的参数，可以使得展宽波束的度数有一定的改变。

  手持机一般采用金属腔体对微带贴片进行部分遮挡的方法(PePA)来对天线进行辐射波束展宽.

  手持机天线结构如下图所示，天线由三部分组成，由金属地板以及印刷在 taconic RF-35 介质上的微带贴片组成的微带天线，馈电部分为悬置的微带线通过探针与天线的辐射贴片相连，侧面为折叠的金属腔体。首先，对微带天线辐射贴片进行开缝处理，其作用有两个，一是有效的延伸了电流路径，从而达到小型化的效果;二是减小辐射口径，达到展宽波束效果。馈电网络部分采用 90°相差的等幅双点馈电，实现了天线良好的宽带轴比性能。其次，采用将折叠金属腔结构加载到微带天线，进一步有效地减小了天线结构尺寸、展宽了辐射波束。

  三、 总结

  随着 5G 时代的到来，物联网技术必然会被得到广泛的应用，而射频识别(RFID)技术作为物联网中的关键技术，与其他识别方式相比具有很多的优点，因此，射频识别系统在市场中所占的份额越来越大，对天线的设计也提出了更高标准要求，多频段、小型化、共型等特性。