基于RFID的小型圓極化天線的研究

　　在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽擺放姿態(tài)的不固定要求讀取其信息的閱讀器天線是圓極化，而小型圓極化天線在RFID中有重要應(yīng)用且成為研究熱點。文中設(shè)計并研究了一款902～928 MHz的6 dBi小型圓極化天線，軸比<3 dB。

　　1 具體設(shè)計方案的分析及選擇

　　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。基于此及小型化天線采用微帶天線形式。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。雙饋點法需要 制作獨立的3 dBi耦合器，形式復(fù)雜且對隔離端口隔離度要求很高，暫不考慮;縫隙耦合法在設(shè)計小尺寸天線時增益很難到達(dá)6 dBi的設(shè)計要求;探針饋電難以兼顧駐波比、軸比、增益同時達(dá)到最佳狀態(tài)。

　　直接饋電的單饋點法不需設(shè)計任何復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配就可實現(xiàn)圓極化輻射， 是實現(xiàn)圓極化的簡單易行的方法，所以采用單饋點直接饋電的方式饋電?；诳涨荒Ｐ屠碚撛O(shè)計在方形貼片上通過切角引入幾何微擾，即附加簡并模分離單元，使簡 并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離。方形切角天線具有較寬的極化和阻抗帶寬。邊沿饋電技術(shù)易控制輸入阻抗水平，隨著饋線和貼片接觸點不同諧振阻抗從幾歐到 250Ω不等，考慮阻抗匹配則采用邊沿饋電。但由于微帶天線諧振腔內(nèi)高Q值諧振特性導(dǎo)致窄頻帶特性。天線采用增大基片厚度和降低基片相對介電常數(shù) 來降低Q值?；殡姵?shù)越低、厚度越厚，其Q值越小則帶寬越大。但基片過厚，基片厚度和波長之比過大會加大表面波輻射損耗，引起表面波的明顯激勵以致輻 射效率降低，厚度的增加只能在保證表面波激勵最小的條件范圍內(nèi)增加。所以設(shè)計此時沒有一味增加基片厚度而是采用在FR4介質(zhì)基片上進(jìn)行挖孔?？諝獾慕殡姵?數(shù)為1，小于FR4的介電常數(shù)，從而使等效相對介電常數(shù)減小。

　　這樣既降低了介電常數(shù)又控制了厚度從而不會影響小型化和避免了輻射效率低，這是本天線的一大 創(chuàng)新點，即可通過調(diào)整挖孔大小來方便的調(diào)節(jié)介電常數(shù)，使介質(zhì)等效介電常數(shù)在1~4.4范圍內(nèi)變化，等效介電常數(shù)由FR4的體積與圓孔體積的比例大小決定。 通過某種形式的電抗加載可增加系統(tǒng)帶寬，運用此概念用寄生加載來增加帶寬。為避免共面寄生加載時輻射方向圖隨頻率有較大變化，采用不共面寄生加載，設(shè)置一 塊銅片作為寄生單元放在主饋貼片上面以提供容性電抗來增加帶寬。文中還采用加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來展寬帶寬。

　　匹配網(wǎng)絡(luò)采用與微帶饋線先串聯(lián)電容，再引入一塊銅片 與殼體形成結(jié)構(gòu)電容，焊接在微帶上，相當(dāng)于并聯(lián)一定值電容，可通過調(diào)節(jié)銅片位置及大小進(jìn)行匹配以達(dá)到駐波和帶寬要求。結(jié)構(gòu)電容的引入是本天線另一創(chuàng)新點， 解決了一般閱讀器天線不好加載匹配的問題，通過調(diào)節(jié)銅片面積及與殼體距離可方便調(diào)節(jié)并聯(lián)電容大小。展寬帶寬及低介電常數(shù)可增強產(chǎn)生輻射的邊緣場，且介質(zhì)基 片損耗必須足夠小以降低衰減，故采用價格低廉的FR4作為介質(zhì)板，介電常數(shù)為4.4，損耗角為0.02，滿足低損耗低介電常數(shù)的特點。且采用填充FR4介 質(zhì)可實現(xiàn)小型化。主輻射面邊長

　　諧振頻率給定時尺寸與成反比，介電常數(shù)增大，天線尺寸將減小。采用填充介質(zhì)RF4后比沒填充介質(zhì)前體積減小近一半以實現(xiàn)小型化。綜上所述得出設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2 關(guān)鍵尺寸分析

　　2.1 切角大小C、方形主輻射面的邊長L及介質(zhì)板上圓孔半徑r

　　根據(jù)式(1)可算出主輻射面邊長大概值為78 mm，由于寄生單元的加載所需輻射面邊長<78 mm，以此值為基點利用HFSS來仿真優(yōu)化。表l是仿真結(jié)果，可得切角對增益影響不大而連同L與r對軸比有顯著影響。輻射面和孔半徑一定隨著切角增大軸比 先是減小，但當(dāng)大于一定值時軸比又隨切角增大而變差，即切角在一定范圍內(nèi)可優(yōu)化軸比。而僅單一調(diào)節(jié)切角大小來改善軸比不能達(dá)到<3 dB的目標(biāo)，要結(jié)合調(diào)節(jié)輻射面和孔的大小來優(yōu)化軸比。因為實現(xiàn)圓極化要求產(chǎn)生兩個極化正交、幅度相等、模電壓相位相差90°的簡并模，即L與切角滿足關(guān)系 式

　　而孔的大小又與L成一定的匹配關(guān)系(下文詳述)，從而如果切角、L、r不滿足上述關(guān)系時會導(dǎo)致兩簡并模之間的相位差大于或<90°導(dǎo)致軸比變差。而 增益受L與r共同影響，單一增大L對改善增益是沒有效果的。L與r要滿足一定關(guān)系才能優(yōu)化增益。r的大小直接影響介質(zhì)板的等效介電常數(shù)在1～4.4范圍內(nèi) 變化，調(diào)節(jié)r就可方便容易的調(diào)節(jié)等效介電常數(shù)。半徑越大，介質(zhì)板中空氣的比例越大，等效介電常數(shù)就越小。而等效介電常數(shù)與￡要滿足關(guān)系式(1)，所以在調(diào) 節(jié)r的同時也要調(diào)節(jié)L，而一般L越大增益就會越大。但要在滿足上述關(guān)系下增大和調(diào)節(jié)L，因為輻射面、介質(zhì)板和地平面等效為一段長為L的低阻抗微帶傳輸線， 在傳輸線兩端斷開形成開路。兩開路端電場可分解為相對于接地板的垂直和水平分量。

　　兩個垂直分量電場相反，水平分量電場方向相同。在垂直于接地板方向，兩水 平分量電場產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同相疊加，形成了最大輻射方向。如果L與r(即)不滿足關(guān)系式會影響電場方向，不能使兩水平分量電場達(dá)到最大同相疊加從而導(dǎo)致增益 減小。還發(fā)現(xiàn)切角深度的加深使諧振頻率向右稍微偏移。因為隨切角深度的加大，有效諧振邊減小，使得諧振頻率發(fā)生一定偏移。

　　2.2 匹配網(wǎng)絡(luò)

　　為使天線的負(fù)載能夠吸收全部入射波功率所以進(jìn)行阻抗匹配，若不匹配將會引起嚴(yán)重反射，使效率降低，影響增益與軸比，故銅片的尺寸、位置和串聯(lián)電容對天線的增 益和軸比有重要影響。本天線采用串并聯(lián)結(jié)合將阻抗匹配到50 Ω，等效電路，如圖2所示。其中，R、L為微帶饋線的等效電阻和電感，C1為串聯(lián)電容，C0為銅片形成的等效并聯(lián)電容。在不加匹配網(wǎng)絡(luò)前阻抗位置在感性阻 抗區(qū)，所以進(jìn)行串并聯(lián)電容來增大容抗使阻抗向容性阻抗方向變化。電容容抗為l/jωC1，C1越大容抗越小，較小串聯(lián)電容會較大改變阻抗，C1≥33 pF時對阻抗改變幾乎沒有影響，如果電容再增大就相當(dāng)于短路。而在適當(dāng)范圍內(nèi)隨著串聯(lián)電容的增大，阻抗點位置沿等電阻圓順時針移動。本天線的創(chuàng)新點在于作 為結(jié)構(gòu)電容的銅片，與殼體形成平板電容，相當(dāng)于與微帶并聯(lián)電容，形成的平板電容器電容

　　銅片面積S與平板電容器電容成正比，銅片與殼體距離d與之成反比。隨著銅片與殼體距離減小、銅片面積增大，阻抗點沿等電阻圓逆時針移動。

　　3 優(yōu)化后的結(jié)果

　　根據(jù)仿真天線各部分最優(yōu)尺寸為：切角為34 mm，圓孔半徑為20mm，寄生單元尺寸為88*91*1 mm，輻射面尺寸為72*72*0.035 m，介質(zhì)板為：119*119*12 mm。在串聯(lián)電容為5.3 pF，銅片大小為9*9 mm，距殼體距離為1.5 mm處阻抗為50 Ω。天線整體尺寸為122*122*40 mm。圖3～圖6為仿真結(jié)果：增益為6.743 dBi，軸比為0.522 dB，在902～928 MHz駐波比<1.2，阻抗值約為50 Ω。

　　天線制作出來后用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的駐波和阻抗進(jìn)行測量：駐波比在40 MHz頻帶內(nèi)都<1.2。工作頻段902~928 MHz內(nèi)阻抗在50 Q附近，阻抗得到良好匹配。利用微波暗室對天線的增益和軸比進(jìn)行測量，增益為6.22 dBi，軸比為1.37 dB。實測結(jié)果見圖7~圖10所示。

　　4 結(jié)束語

　　本天線以兩大創(chuàng)新點為基礎(chǔ)設(shè)計并研究了適用于900 MHz無源RFID系統(tǒng)的6dBi小型圓極化天線，實測的增益、阻抗、帶寬、方向圖及軸比都滿足RFID系統(tǒng)的要求。