基于RFID的小型圓極化天線的研究

1 具體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了一維小型化?；诖思靶⌒突炀€采用微帶天線形式。而微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的饋電方法主要有：雙饋點(diǎn)饋電和單饋點(diǎn)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(diǎn)法需要制作獨(dú)立的3 dBi耦合器，形式復(fù)雜且對(duì)隔離端口隔離度要求很高，暫不考慮；縫隙耦合法在設(shè)計(jì)小尺寸天線時(shí)增益很難到達(dá)6 dBi的設(shè)計(jì)要求；探針饋電難以兼顧駐波比、軸比、增益同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)。直接饋電的單饋點(diǎn)法不需設(shè)計(jì)任何復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，是實(shí)現(xiàn)圓極化的簡(jiǎn)單易行的方法，所以采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電?；诳涨荒Ｐ屠碚撛O(shè)計(jì)在方形貼片上通過(guò)切角引入幾何微擾，即附加簡(jiǎn)并模分離單元，使簡(jiǎn)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(diǎn)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(duì)介電常數(shù)來(lái)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(guò)厚，基片厚度和波長(zhǎng)之比過(guò)大會(huì)加大表面波輻射損耗，引起表面波的明顯激勵(lì)以致輻射效率降低，厚度的增加只能在保證表面波激勵(lì)最小的條件范圍內(nèi)增加。所以設(shè)計(jì)此時(shí)沒(méi)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。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(duì)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(huì)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(diǎn)，即可通過(guò)調(diào)整挖孔大小來(lái)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(guò)某種形式的電抗加載可增加系統(tǒng)帶寬，運(yùn)用此概念用寄生加載來(lái)增加帶寬。為避免共面寄生加載時(shí)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(lái)增加帶寬。文中還采用加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(guò)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(diǎn)，解決了一般閱讀器天線不好加載匹配的問(wèn)題，通過(guò)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(qiáng)產(chǎn)生輻射的邊緣場(chǎng)，且介質(zhì)基片損耗必須足夠小以降低衰減，故采用價(jià)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(mǎn)足低損耗低介電常數(shù)的特點(diǎn)。且采用填充FR4介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)小型化。主輻射面邊長(zhǎng)

   
    諧振頻率給定時(shí)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(méi)填充介質(zhì)前體積減小近一半以實(shí)現(xiàn)小型化。綜上所述得出設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)大概值為78 mm，由于寄生單元的加載所需輻射面邊長(zhǎng)<78 mm，以此值為基點(diǎn)利用HFSS來(lái)仿真優(yōu)化。表l是仿真結(jié)果，可得切角對(duì)增益影響不大而連同L與r對(duì)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(shí)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(lái)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(lái)優(yōu)化軸比。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)圓極化要求產(chǎn)生兩個(gè)極化正交、幅度相等、模電壓相位相差90°的簡(jiǎn)并模，即L與切角滿(mǎn)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(mǎn)足上述關(guān)系時(shí)會(huì)導(dǎo)致兩簡(jiǎn)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(duì)改善增益是沒(méi)有效果的。L與r要滿(mǎn)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(mǎn)足關(guān)系式(1)，所以在調(diào)節(jié)r的同時(shí)也要調(diào)節(jié)L，而一般L越大增益就會(huì)越大。但要在滿(mǎn)足上述關(guān)系下增大和調(diào)節(jié)L，因?yàn)檩椛涿?、介質(zhì)板和地平面等效為一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的低阻抗微帶傳輸線，在傳輸線兩端斷開(kāi)形成開(kāi)路。兩開(kāi)路端電場(chǎng)可分解為相對(duì)于接地板的垂直和水平分量。兩個(gè)垂直分量電場(chǎng)相反，水平分量電場(chǎng)方向相同。在垂直于接地板方向，兩水平分量電場(chǎng)產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)同相疊加，形成了最大輻射方向。如果L與r(即)不滿(mǎn)足關(guān)系式會(huì)影響電場(chǎng)方向，不能使兩水平分量電場(chǎng)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?yàn)殡S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(huì)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(duì)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(lái)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(huì)較大改變阻抗，C1≥33 pF時(shí)對(duì)阻抗改變幾乎沒(méi)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(diǎn)位置沿等電阻圓順時(shí)針移動(dòng)。本天線的創(chuàng)新點(diǎn)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(diǎn)沿等電阻圓逆時(shí)針移動(dòng)。

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(lái)后用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的駐波和阻抗進(jìn)行測(cè)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(duì)天線的增益和軸比進(jìn)行測(cè)量，增益為6．22 dBi，軸比為1．37 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7~圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本天線以?xún)纱髣?chuàng)新點(diǎn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并研究了適用于900 MHz無(wú)源RFID系統(tǒng)的6 dBi小型圓極化天線，實(shí)測(cè)的增益、阻抗、帶寬、方向圖及軸比都滿(mǎn)足RFID系統(tǒng)的要求。