面向RFID應用的2.4GHz微帶天線的設計與實現(xiàn)

　　引言

      RFID技術利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，可達到識別并交換數(shù)據(jù)的目的。與磁卡和IC卡等接觸式識別技術不同，RFID系統(tǒng)的電子標簽和讀寫器之間無需物理接觸就可完成識別，屬于非接觸識別。RFID技術具有一些獨特的優(yōu)點，它可更廣泛地應用于交通運輸、醫(yī)療和防偽等領域中。

      隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鐵道部已投入大量資金用于建立全路車號自動識別系統(tǒng)的工程建設中，目標是在所有機車上安裝電子標簽，在所有區(qū)段站、編組站、大型貨運站安置地面讀寫裝置，對運行的列車以及車輛信息進行準確的識別。鐵路射頻車號自動識別系統(tǒng)已經(jīng)成為鐵路信息化建設的一個重要組成部分。TKCG-08RFID列車自動識別系統(tǒng)正是在這一背景下進行研發(fā)的，它利用微波射頻通信技術，實現(xiàn)了列車車號的自動識別。其數(shù)據(jù)通信方案如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)傳輸是RFID系統(tǒng)運行的一個重要環(huán)節(jié)。射頻信號通過閱讀器天線和標簽天線的空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，因此，天線在整個RFID系統(tǒng)中扮演著重要角色，一方面天線的好壞決定了系統(tǒng)的通信質(zhì)量，另一方面天線決定了系統(tǒng)的通信距離。

      根據(jù)工作頻段不同，在RFID產(chǎn)品中使用不同類型的天線，可選擇的天線種類很多。在選擇的時候，天線大小、成本、性能都是非常重要的因素。三種最常見的短距天線設備是PCB微帶天線、芯片天線和有一個連接器的鞭狀天線。TKCG-08地鐵列車識別系統(tǒng)應用主要是將閱讀器安裝在線路軌道中間，射頻卡安裝在車體下部中央相應的位置，如圖2所示。當列車以一定速度通過閱讀器時，閱讀器識別出射頻卡相應的卡號，進而得到列車車號信息。由于射頻卡體積有限，而且需要控制成本，微帶天線具有低成本、高性能、小尺寸等優(yōu)勢，因此選擇微帶天線作為本系統(tǒng)使用的天線形式。 

　　微帶天線

      微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線。它利用微帶線、同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射，因此微帶天線可看作是一種縫隙天線，如圖3所示。和常用的微波天線相比，它有如下一些優(yōu)點：體積小、重量輕、成本低，饋電網(wǎng)絡可與天線結構一起制成，適用于用印刷電路技術大批量生產(chǎn)，能與有源器件和電路集成為單一的模件，容易獲得圓極化，容易實現(xiàn)雙頻、多頻段工作等。 

　　根據(jù)天線輻射特性的需要，可以設計貼片導體為各種形狀。通常貼片天線的輻射導體與金屬底板距離為幾十分之一波長。假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化，僅沿約為半波長的導體長度方向變化，則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開路邊沿的邊緣場引起的，輻射方向基本確定。

      微帶天線利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線良好匹配，且體積小剖面低、電性能優(yōu)良、實現(xiàn)了一維小型化?；诖诵⌒突炀€采用微帶天線形式。而微帶天線實現(xiàn)圓極化的饋電方法主要有: 雙饋點饋電和單饋點饋電。其中每一種饋電方法又分別可采用直接饋電、縫隙耦合饋電、探針饋電等多種饋電方式。直接饋電的單饋點法不需設計任何復雜的移相網(wǎng)絡和功率分配就可實現(xiàn)圓極化輻射，是實現(xiàn)圓極化的簡易方法，所以一般采用單饋點直接饋電的方式饋電。

      微帶天線設計

      根據(jù)微帶天線理論，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻以及輸入阻抗?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模，通常要求寬度W滿足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分別是天線的高度和寬度。但在實際設計時應考慮邊緣場的影響，要對L值進行修正，因此L由公式(4)決定：

　　因為電場沿 L方向非均勻分布，故可通過改變同軸饋點在 L方向上的位置來改變饋電點的阻抗大小，達到信號的匹配狀態(tài)。饋電點位置的導納如公式(6)所示：

　　式中Z0是把天線視為傳輸線時的特性阻抗;Y0是其對應的導納;ZW是壁阻抗;β是介質(zhì)中的相位常數(shù); L1、 L2為饋點沿 L 方向分別到輻射電極邊沿的距離。通過改變L1、 L2的大小可以使輸入阻抗?jié)M足阻抗匹配的要求。 

　　設計中還要考慮到輻射電極的長和寬L、W要滿足矩形貼片天線圓極化工作必要條件，即：

　　式中Qr，Qd，Qe，分別對應輻射，介質(zhì)和導體損耗的Q值。

　　我們在設計時，考慮到微帶天線應用在手持擴頻通信設備中，要求天線具有剖面薄、體積輕、小型化的特點。根據(jù)上述公式計算出天線的實際尺寸，然后在AGILENT公司的電路和系統(tǒng)分析軟件ADS上建模，仿真優(yōu)化，得到圖4所示的天線模型。該天線工作頻率為2.4GHZ，尺寸為10MM×7.88mm，天線固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4，相對介電常數(shù)為4.4，基板厚度為1.2mm。對貼片天線進行單點直接饋電，饋電點到貼片中心的距離為4.2mm，保證了天線體積的小型化。在饋線末端開出一個0.38mm的接地孔，以便和接地層相連。Length的長度與板厚有關系，板厚1.2mm，對應的Length長度為3.175mm。一體式結構適合大規(guī)模的生產(chǎn)和調(diào)試，并且堅固抗折，適合在卡狀設備中使用。

　　為了優(yōu)化射頻卡天線的傳輸性能，天線的輻射電阻必須適應射頻電路的阻抗特性。阻抗匹配是指在天線能量傳輸時，要求負載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時的傳輸不會產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之則在傳輸中有能量損失。在設計天線時，為了防止信號的反射，要求線路的阻抗為50歐姆。通過ADS的仿真分析后得到50歐的微帶參數(shù)為：銅箔厚度為0.7mil，基片厚度為10mil，導線寬度為20mil，導線距地平面的距離為31mil。

      仿真結果與整版測試

      應用ADS的高頻信號仿真對天線進行仿真，仿真結果如圖5所示。

　　從仿真圖 5的(a)(b)(c)中可以看出天線工作在頻率為2.44GHz的時候,天線輻射特性良好，主輻射方向垂直于天線表面。由于微帶天線尺寸和接地板尺寸都比較小，把天線放在一個常見的周圍環(huán)境中進行操作的時候要進行一些調(diào)整[5]。圖(d)顯示三個遠程控制2.4GHZ天線的反射測試方法的結果。紅線表示天線放在周圍沒有障礙物的自由空間里面的反射結果。把天線放在塑料障礙物里，通過降低回聲頻率來影響性能，對性能的影響更加明顯。在設計的過程中應重點考慮這一因素并加以調(diào)整。在實際應用中，在天線前端加上功率放大器和濾波器，能有效的增大天線發(fā)射功率，進而提高射頻卡的整體性能。使用頻譜儀對發(fā)射功率進行測試，結果顯示發(fā)射功率達到了預期的指標(不小于20 dBm)，發(fā)射功率測試結果及射頻卡樣機實物如圖6所示。

　　結語

      天線的小型化適應未來通信的發(fā)展趨勢，如何兼顧增益和頻帶是實現(xiàn)小型化必須要考慮的問題。本文所設計的微帶天線，具有體積小、重量輕、成本低、輻射效果好等優(yōu)點。室內(nèi)和現(xiàn)場測試表明：該微帶天線性能穩(wěn)定，可以滿足TKCG-08地鐵列車自動識別系統(tǒng)指標要求，同時對于其他射頻卡板載微帶天線的開發(fā)設計也具有一定參考意義。