基于RFID的小型圓極化天線的研究

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、增益同時達到最佳狀態(tài)。直接饋電的單饋點法不需設(shè)計任何復雜的移相網(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。基片介電常數(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)基片上進行挖孔。空氣的介電常數(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，相當于并聯(lián)一定值電容，可通過調(diào)節(jié)銅片位置及大小進行匹配以達到駐波和帶寬要求。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到<3 dB的目標，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)系時會導致兩簡并模之間的相位差大于或<90°導致軸比變差。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到最大同相疊加從而導致增益減小。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)
    為使天線的負載能夠吸收全部入射波功率所以進行阻抗匹配，若不匹配將會引起嚴重反射，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于短路。而在適當范圍內(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6 dBi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。