一種基于高阻表面的2.45 GHz頻段讀寫器天線

　　微帶天線以其體積小、低剖面、易加工以及易與電路集成等諸多優(yōu)點在通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，高性能圓極化微帶天線的應(yīng)用愈加廣泛。

　　隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，對讀寫器天線，尤其是微帶天線的尺寸、性能有了更高的要求。因此，國內(nèi)外的專家學(xué)者對微帶天線的小型化、寬頻帶、高增益等技術(shù)做了廣泛而深入的研究。但是尺寸的過分縮減會引起天線其他性能的急劇劣化，其中對帶寬與增益的影響尤為明顯，因此各個參數(shù)與性能之間需折中考慮。

　　本文設(shè)計了一款采用縫隙耦合饋電的2.45 GHz讀寫器圓極化微帶天線，通過對貼片邊緣進行開槽，改善耦合縫隙，并融入高阻表面微波光子晶體結(jié)構(gòu)，最終使天線的帶寬、增益、尺寸等參數(shù)性能均有所改善。這是一款性能良好的天線。新穎的天線結(jié)構(gòu)及有效的設(shè)計思路對于讀寫器天線的設(shè)計具有實際的指導(dǎo)意義。

　　1 縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)及高阻表面理論模型

　　微帶天線饋電除了微帶線饋電和同軸線饋電兩種基本方式外，還包括臨近耦合饋電、縫隙耦合饋電、共面波導(dǎo)饋電等一些新技術(shù)[1]。綜合比較，縫隙耦合饋電天線具有低剖面結(jié)構(gòu)，易與微波電路連接，容易調(diào)節(jié)阻抗匹配，而且容易得到大帶寬[2]，因此適用于高性能天線的設(shè)計。

　　高阻抗電磁表面是電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)的一種，由金屬和介質(zhì)材料組成，它不僅和其他類型(如介質(zhì)型和金屬型)EBG結(jié)構(gòu)一樣具有抑制表面波的作用，還能在一定的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)同相反射，可以代替金屬反射面作為天線的接地板，從而降低天線的輪廓[3]。圖1是一種最常見的高阻反射面。

　　高阻電磁表面由于單元尺寸遠小于工作波長，所以電磁特性可以采用集總電路組件——電容和電感來進行描述。相鄰的金屬單元之間產(chǎn)生電容，連接它們的導(dǎo)電通路產(chǎn)生電感，其特性就如同并聯(lián)LC諧振電路。

　　根據(jù)等效表面阻抗模型，高阻表面單元的諧振頻率和帶寬為：

　　2 天線設(shè)計結(jié)構(gòu)與性能分析

　　本文從縫隙耦合微帶天線理論模型出發(fā)，天線采用單個饋源激勵,調(diào)節(jié)阻抗匹配線接入饋線雙臂的位置，使饋線雙臂的長度相差?姿/4，使兩個端口的激勵等幅而相位差為90°，從而實現(xiàn)圓極化。可以根據(jù)實際需要，通過調(diào)整阻抗匹配線的彎折方向?qū)崿F(xiàn)左旋或右旋圓極化，饋電方式簡單有效。輻射層介質(zhì)為空氣，其介電常數(shù)低而厚度較大，在提高輻射特性的同時可展寬天線頻帶。饋線層介質(zhì)為聚乙烯，其介電常數(shù)較高而厚度較薄，在減小寄生輻射的同時可獲得良好的傳輸性能。

　　2.1 天線耦合縫隙設(shè)計

　　耦合縫隙的形狀及參數(shù)影響電磁耦合量，從而影響天線的帶寬。耦合量對諧振頻率影響很大，充分的耦合會顯著降低諧振頻率。因此，選擇合適的縫隙有利于天線的寬頻帶設(shè)計和小型化設(shè)計。縫隙的寬度對耦合量影響不是很大，相比較來說縫隙的長度對耦合量的影響比較大?？p隙太窄，導(dǎo)致耦合量不夠;縫隙太寬，又會影響方向圖的前后比從而減小輻射效率?？p隙長度增長，會使諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這也說明縫隙長度越長，貼片與饋線之間能量耦合能力越強。

　　結(jié)合常用的“工”型、“十”型、“H”型耦合縫隙的形式，本文設(shè)計了“國”字型耦合縫隙?！皣弊中婉詈峡p隙結(jié)構(gòu)緊湊而且可調(diào)參數(shù)更多。外圍縫隙寬度較窄而內(nèi)側(cè)縫隙寬度較寬，所以耦合縫隙結(jié)構(gòu)緊湊但是又可以保證足夠的耦合量。因此在提高天線帶寬的情況下，有利于天線的小型化設(shè)計。

　　2.2 天線加載高阻表面的設(shè)計

　　為了提高天線的性能以及減小后向輻射，縫隙耦合微帶天線一般在天線下方放置金屬反射面，金屬反射面與天線之間需要保持?姿/4的高度，天線的剖面尺寸較大。在特定的頻段，高阻表面對于入射的平面電磁波具有同相反射的特性,天線和高阻表面之間的距離可以幾乎為零，因此應(yīng)用高阻表面是實現(xiàn)低剖面天線的一種極好的選擇。

　　實際應(yīng)用中，高阻表面必須有足夠的單元數(shù)，否則應(yīng)用效果不明顯[4]。如果在2.45 GHz頻段采用圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計高阻表面，單元尺寸過大，在本文天線的饋線層大小的面積上，可容納的單元數(shù)不超過4個。因此，必須實現(xiàn)高阻表面的小型化設(shè)計。

　　從高阻表面等效電路模型來看，降低帶隙頻率可通過增大等效電感L和電容C來實現(xiàn)。電感由電磁表面的材料決定，當制備材料確定后，電感就確定了。而影響電容的因素則很多，可以通過改變周期單元的結(jié)構(gòu)來改變電容的量值[5]。由此本文設(shè)計了開縫嵌入式結(jié)構(gòu)，貼片單元分支線線寬和分支線間距均為0.4 mm，單元邊長為13 mm，襯底材料為Rogers RO3210(tm)，先后設(shè)計了L縫、F縫嵌入式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　參考文獻[6]設(shè)計的交互嵌入式結(jié)構(gòu)(如圖2(a)所示)相比圖1所示結(jié)構(gòu)，可以形成更強的耦合電容，減小單元尺寸超過60%。但是隨著迭代次數(shù)的增加，減小單元尺寸效果微乎其微，沒有充分利用有限的貼片面積。研究發(fā)現(xiàn)，金屬貼片開縫后，表面電流流經(jīng)的路徑變長，貼片等效的電尺寸變大，從而增強了單元之間的耦合電容，因此開縫結(jié)構(gòu)與交互嵌入式結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路完全相同。在交互嵌入式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合開縫技術(shù)可以更有效地減小單元尺寸，從而更有效地利用貼片面積。本文設(shè)計的F縫嵌入式結(jié)構(gòu)可減小單元尺寸超過70%，在實現(xiàn)高阻面小型化設(shè)計中效果顯著。

　　如圖3(a)所示，曲線1為未開縫的嵌入式結(jié)構(gòu)對應(yīng)的反射相位曲線。在保持L型縫隙長度及寬度不變的情況下，數(shù)字遞增的反射相位變化曲線，對應(yīng)著L型縫隙由靠近貼片中心到靠近貼片邊緣的變化過程。因此，為有效減小單元尺寸，L型縫隙可以開在貼片最外側(cè)。F型縫隙由L型縫隙和直線型縫隙組成。保持L型縫隙開在貼片外側(cè)，調(diào)節(jié)F型縫隙的直線縫位置，反射相位的影響如圖3(b)所示。直線縫越靠近貼片中心，對諧振頻率影響越大。F型縫隙可以有效利用單元的有效面積，最大限度地減小單元尺寸。其中，縫隙越寬、越長，諧振頻率就越低，但是縫隙長度對諧振頻率的影響最大。

　　采用圖2(c)所示的單元結(jié)構(gòu)組成高阻反射面，在饋線層大小的面積上，可容納的單元數(shù)為42個，添加高阻表面后，天線的仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

　　添加高阻表面后，天線的增益增加了2.5 dBi，天線的后瓣減小了7.4 dB，但是天線的帶寬卻明顯減小。由于高阻表面是諧振式電磁帶隙結(jié)構(gòu)，所以高阻表面的同相反射的頻帶范圍較窄。尤其是高阻表面的單元尺寸的減小，導(dǎo)致了高阻表面帶隙寬度進一步減小，因為在改善單元尺寸的過程中，利用單元形狀的變化來增大耦合電容，從而實現(xiàn)了小尺寸設(shè)計，但是電感量沒有變化。由公式(1)可知，尺寸減小的同時帶寬也在減小。因此天線的帶寬需要進一步展寬。

　　2.3 天線頻帶展寬的設(shè)計

　　為了提高帶隙寬度，可以采用低介電常數(shù)基板、高磁導(dǎo)率基板和提高基板厚度來實現(xiàn)。然而采用低介電常數(shù)的基板和提高基板厚度不利于天線的小型化設(shè)計，并且只有特殊材料的磁導(dǎo)率大于1,實際的應(yīng)用受到限制。

　　在矩形貼片的適當位置引入凹槽，改變貼片上的電流分布，天線可以獲得雙頻帶的特性。通過調(diào)整槽的尺寸，使兩個諧振頻率適當接近，便形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路。貼片邊緣的電流分布密集，在邊緣開槽，開槽尺寸小而擴展帶寬顯著。通過調(diào)整槽的尺寸，可以調(diào)節(jié)天線諧振參數(shù)。

　　3 天線設(shè)計與應(yīng)用

　　本文所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　仿真結(jié)構(gòu)中，高阻反射面緊貼饋線層放置，文中為了展示天線的結(jié)構(gòu)，高阻反射面才適當下移一段高度。由圖8、圖9、圖10所示的仿真結(jié)果可以看出，開槽前駐波比小于2時的工作帶寬約為300 MHz，開槽后駐波比小于2時的工作帶寬約為570 MHz，開槽后駐波在工作頻帶內(nèi)更加平坦，可見開槽后天線帶寬得到很大提高。開槽前、后天線增益變化不大，約為7.57 dBi。

　　開槽貼片的同時應(yīng)用高阻面,天線增益增加了2.36 dBi,天線的后瓣減小了10.6 dB，天線諧振頻率略微有所升高。筆者實際制作了天線，高阻反射面緊貼饋線而放置，高阻面的介質(zhì)厚度為2 mm，因此剖面厚度為2 mm，與金屬反射面的?姿/4的剖面厚度相比，剖面尺寸相當小。通過實測，天線駐波比小于2時的工作帶寬約為550 MHz，對實際標簽的讀取距離略低于應(yīng)用金屬反射面的效果。分析發(fā)現(xiàn)，主要是實物高阻表面的帶寬不夠理想。因此，如何在實際應(yīng)用中進一步提高高阻面的帶隙寬度是下一步研究的方向。綜合來看，本文在改善縫隙耦合饋電天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合高阻反射面，實現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶、高增益，從而實現(xiàn)了性能優(yōu)化的天線。

　　本文從縫隙耦合微帶天線的理論模型出發(fā)，通過改進天線的結(jié)構(gòu)并引入高阻表面，實現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶和高增益，實現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的2.45 GHz頻段RFID讀寫器的微帶天線。本文所提出的天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路對于讀寫器天線設(shè)計來說具有實際的指導(dǎo)意義。