论文来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/7247651

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摘要

文章提出了一种用于主动射频识别（RFID）标签应用的紧凑型单馈双模天线。该天线由一个位于FR4基板上的开槽贴片、一个馈电微带线和一个体积仅为60 mm × 50.3 mm × 6 mm（0.48λ₀ × 0.40λ₀ × 0.048λ₀，其中λ₀为中心频率的波长）的泡沫垫片组成。它在自由空间中表现为偶极子，在金属表面上则表现为贴片天线。

构建了一个原型，能够在自由空间中提供390 MHz（2.28-2.67 GHz）的阻抗带宽，在金属表面上提供470 MHz（2.32-2.79 GHz）的阻抗带宽，并进行了测量。提供了这两种情况下的辐射模式、峰值增益和辐射效率的测量结果。

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一、天线设计

A. 天线结构

图1展示了所提天线的几何结构，该天线由馈电微带线、刻蚀在FR4基板上的开槽贴片和一个泡沫垫片组成。整体尺寸为60mm×50.3mm。FR4基板的厚度（H1）为1 mm，介电常数为4.4，损耗正切为0.02。图1(a)中，贴片上有两个垂直槽，槽宽（Ws）为2 mm。中间槽的长度（Ls1）为25 mm；开口槽的长度（Ls2）为15 mm。每个槽由一个开口端的50 Ω微带线馈电。两个微带线在馈电点合并，可以连接到一个主动RFID芯片或同轴电缆用于测量，如图1(a)所示。

图1 天线结构及样品.

所提天线具有两种工作模式。当放置在自由空间中时，天线工作在偶极子模式。在这种模式下，贴片由开口槽激励，主要的辐射电流水平定向。尽管中心槽中存在强电流，但这些电流对辐射的贡献很小，可以通过去除这些电流来验证。

当放置在金属表面上时，天线工作在贴片模式。这里使用了一个尺寸为120mm×120mm的方形接地平面用于设计目的；接地平面的影响在后续工作中以参数方式研究。在这种模式下，天线由中心槽激励，作为一个传统的5 mm厚的贴片天线工作。

B. 天线演进

首先，设计一个常规的5 mm厚的开槽贴片天线，放置在接地平面上。使用一个50 Ω微带线，称为线-1，通过槽激励贴片。然后，去除接地平面，这将导致天线阻抗失配。接着，调整线-1的长度；这条传输线可以在Smith Chart上旋转失配的天线阻抗。目标是将阻抗尽可能地接近开路点。

接下来，将天线放置在自由空间中，在现有贴片的边缘切割一个槽，并使用一个单独的50 Ω微带线，称为线-2，馈电槽。新槽可以激励偶极子模式。在这种模式下，可以通过槽的长度（Ls2）和开口微带线（L2）来调整天线。调整后，将偶极子模式天线放回到金属表面；线-2的天线阻抗将会失配。然后，调整线-2的长度，并将其阻抗尽可能接近开路点。

最后，合并线-1和线-2。在此阶段，必须保持两个线的绝对长度。当放置在金属表面上时，完成的天线的线-1侧将匹配，而线-2侧将处于开路状态；因此，只能激励贴片模式。在自由空间中，线-2侧将匹配，只能激励偶极子模式。

二、天线仿真与测试

所提天线的原型已制造完成，如图1(b)所示。为清晰展示同轴电缆与贴片的连接，泡沫垫片被去除。同轴电缆的内导体焊接到微带线上，外导体焊接到贴片上。

测试结果如下。

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总结

提出了一种单馈双模主动RFID标签天线，该天线在微波频段工作。双模功能是通过使一种模式具有匹配的阻抗，而另一种模式在两种场景下具有无限输入阻抗来实现的。当在自由空间中使用时，天线作为偶极子工作；当应用于金属表面时，它作为贴片工作。与以往的双重应用RFID标签天线不同的是，所提天线的结构不包含接地平面。原型展示了所提设计的潜在应用和良好性能。