近年來射頻識別(Radio Frequency of Identificatio，RFID)技術的應用逐漸廣泛，同時也倍受重視。特別是UHF頻段的RFID系統(tǒng)，由于其傳輸距離遠、傳輸速率高，受到了更多地關注。典型的RFID系統(tǒng)由RFID閱讀器和標簽兩部分組成，RFID無源標簽依靠RFID閱讀器發(fā)射的電磁信號供電，并通過反射調制電磁信號與閱讀器通信。因此，RFID標簽天線設計的優(yōu)劣對其系統(tǒng)工作性能有關鍵的影響。

常見的射頻識別閱讀器天線有折合振子天線、分形天線、微帶天線以及軸向模螺旋天線。由于折合振子天線和分形天線一般為線極化天線，難以滿足閱讀器對各方向電子標簽的識別要求，所以在較多場合不適用；而微帶天線由于其面積尺寸過大，在小型化的閱讀器手持機上的使用受到了限制；軸向模螺旋天線同樣因軸向高度過高，在實際使用中也受到了限制。因此，如何設計出一種小尺寸、低剖面、高性能的圓極化射頻識別天線成為了關注的焦點。

四臂螺旋天線由于其圓極化性能出色，被廣泛應用于GPS領域。隨后經過進一步發(fā)展，Wang—lk Son等人將四臂螺旋天線應用至RFID，并利用平面倒F天線代替了傳統(tǒng)的單極子天線作為四臂螺旋天線的天線臂，如圖1所示，實現(xiàn)了良好的效果。文中利用該方式，設計了一種在尺寸和性能上更具優(yōu)勢的RFID閱讀器天線。

圖1、倒F折疊四臂螺旋天線

1、小型化四臂螺旋天線的設計

1.1、四臂螺旋天線的設計

文中設計的倒F四臂螺旋天線的結構如圖2所示。天線由4個完全相同的倒F天線組成，水平部分印制在介電常數(shù)為9.6，尺寸為60 mm×60 mm，厚度為1 mm的矩形微波復合介質板上，垂直部分印制在相同的4個厚度為1 mm的FR4小介質板上。4個天線饋電為等幅饋電，相位按逆時針相位依次滯后90°，形成右手圓極化。

圖2、倒F四臂螺旋天線結構示意圖

由于螺旋天線的4個臂相距較近，相對兩臂之間的距離約為0.18 λ，天線4個臂之間的耦合較強。因此，在4個單獨端口進行匹配時，不能按傳統(tǒng)的方法，將每個端口單獨匹配，再加功分網絡，則應充分考慮4個臂之間的耦合。利用Ansys HFSS進行仿真可發(fā)現(xiàn)，位置相對的臂之間的耦合要遠大于相鄰臂之間的耦合，如圖3所示。是因為相對兩個臂上的電流相互平行，所以相互影響過大，而相鄰臂上的大部分電流相互垂直，則影響較小，因而在一定范圍內只考慮相對臂之間的耦合。假設4個天線臂端口按逆時針分別為端口1、端口2、端口3和端口4，反射系數(shù)分別為Γ11、Γ22、Γ33和Γ44，相對天線臂之間的耦合系數(shù)為M13和M24，由于天線兩對臂之間的對稱性，所以只需分析天線臂1和3之間的關系。假設端口1處的相位為0，能量從端口1傳輸?shù)蕉丝?產生的相位差為θ，而端口1和端口3的饋電相位相差180°，則從端口1耦合到端口3的能量在天線臂3端口處產生的相位為-180°-θ，由于天線間距較小，θ較小，所以可認為端口1耦合到端口3的能量在端口3處的相位為-180°。端口3的饋電相位為-180°，則其反射能量的相位為180°。在端口3處看，從端口送出的能量包含端口3反射的能量和端口1耦合的能量，上文已得出反射能量和耦合能量在端口3處的相位分別為180°和-180°，所以當反射的能量和耦合的能量大小相等時，其等幅反相相互抵消，達到最佳匹配效果，即

Γ33=M13 (1)

反之滿足Γ11=M13時，端口1處達到最佳匹配。同理可分析端口2和端口4。

圖3、天線的S參數(shù)仿真結果

1.2、饋電網絡的設計