摘 要： 2.45 GHz頻段是RFID常用的頻段之一。為了實現一款該頻段的性能良好的天線，在改善縫隙耦合饋電天線結構的基礎上，在天線設計中融入高阻表面型微波光子晶體結構。新穎的天線結構及有效的設計思路，使天線在保持高增益的情況下，在更寬的頻帶上具有更好的穩(wěn)定性，同時也減小了天線的尺寸，使天線整體性能更加完善。
關鍵詞： 圓極化天線； 縫隙耦合； 高阻表面
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)點在通信等領域得到廣泛的應用。目前，高性能圓極化微帶天線的應用愈加廣泛。
隨著RFID技術的發(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，國內外的專家學者對微帶天線的小型化、寬頻帶、高增益等技術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，因此各個參數與性能之間需折中考慮。
本文設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構，最終使天線的帶寬、增益、尺寸等參數性能均有所改善。這是一款性能良好的天線。新穎的天線結構及有效的設計思路對于讀寫器天線的設計具有實際的指導意義。
1 縫隙耦合饋電結構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、共面波導饋電等一些新技術[1]。綜合比較，縫隙耦合饋電天線具有低剖面結構，易與微波電路連接，容易調節(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計。
高阻抗電磁表面是電磁帶隙（EBG)結構的一種，由金屬和介質材料組成，它不僅和其他類型(如介質型和金屬型)EBG結構一樣具有抑制表面波的作用，還能在一定的頻帶范圍內實現同相反射，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生電容，連接它們的導電通路產生電感，其特性就如同并聯LC諧振電路。
根據等效表面阻抗模型，高阻表面單元的諧振頻率和帶寬為：
2 天線設計結構與性能分析
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°，從而實現圓極化?？梢愿鶕嶋H需要，通過調整阻抗匹配線的彎折方向實現左旋或右旋圓極化，饋電方式簡單有效。輻射層介質為空氣，其介電常數低而厚度較大，在提高輻射特性的同時可展寬天線頻帶。饋線層介質為聚乙烯，其介電常數較高而厚度較薄，在減小寄生輻射的同時可獲得良好的傳輸性能。
2.1 天線耦合縫隙設計
耦合縫隙的形狀及參數影響電磁耦合量，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計和小型化設計。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。
結合常用的“工”型、“十”型、“H”型耦合縫隙的形式，本文設計了“國”字型耦合縫隙。“國”字型耦合縫隙結構緊湊而且可調參數更多。外圍縫隙寬度較窄而內側縫隙寬度較寬，所以耦合縫隙結構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計。
2.2 天線加載高阻表面的設計
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，因此應用高阻表面是實現低剖面天線的一種極好的選擇。
實際應用中，高阻表面必須有足夠的單元數，否則應用效果不明顯[4]。如果在2.45 GHz頻段采用圖1所示的結構設計高阻表面，單元尺寸過大，在本文天線的饋線層大小的面積上，可容納的單元數不超過4個。因此，必須實現高阻表面的小型化設計。
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。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構來改變電容的量值[5]。由此本文設計了開縫嵌入式結構，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)，先后設計了L縫、F縫嵌入式結構，如圖2所示。
參考文獻[6]設計的交互嵌入式結構(如圖2(a)所示)相比圖1所示結構，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，金屬貼片開縫后，表面電流流經的路徑變長，貼片等效的電尺寸變大，從而增強了單元之間的耦合電容，因此開縫結構與交互嵌入式結構的設計思路完全相同。在交互嵌入式結構的基礎上，結合開縫技術可以更有效地減小單元尺寸，從而更有效地利用貼片面積。本文設計的F縫嵌入式結構可減小單元尺寸超過70％，在實現高阻面小型化設計中效果顯著。
如圖3(a)所示，曲線1為未開縫的嵌入式結構對應的反射相位曲線。在保持L型縫隙長度及寬度不變的情況下，數字遞增的反射相位變化曲線，對應著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。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，調節(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)所示的單元結構組成高阻反射面，在饋線層大小的面積上，可容納的單元數為42個，添加高阻表面后，天線的仿真結果如圖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構，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，從而實現了小尺寸設計，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 天線頻帶展寬的設計
為了提高帶隙寬度，可以采用低介電常數基板、高磁導率基板和提高基板厚度來實現。然而采用低介電常數的基板和提高基板厚度不利于天線的小型化設計，并且只有特殊材料的磁導率大于1,實際的應用受到限制。
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。通過調整槽的尺寸，可以調節(jié)天線諧振參數。
3 天線設計與應用
本文所設計的天線結構如圖7所示。
仿真結構中，高阻反射面緊貼饋線層放置，文中為了展示天線的結構，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用金屬反射面的效果。分析發(fā)現，主要是實物高阻表面的帶寬不夠理想。因此，如何在實際應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構的基礎上，融合高阻反射面，實現了天線的小型化、寬頻帶、高增益，從而實現了性能優(yōu)化的天線。
本文從縫隙耦合微帶天線的理論模型出發(fā)，通過改進天線的結構并引入高阻表面，實現了天線的小型化、寬頻帶和高增益，實現了一款性能優(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構和設計思路對于讀寫器天線設計來說具有實際的指導意義。
參考文獻
[1] TARGPMSLO S D, WATERHOUSE R B, POZAR D M. Design of wide-band aperture stacked patch microstrip antennas[J]. IEEE Trans. on Antenna and Propagation,1998: AP-461:245-1251.
[2] KOSSEL M, BEMEDOCLTER H, BAECHTOLD W. Circular polarized aperture coupled patch antennas for an RFID system in the 2.4 GHz ISM Band[J]. 0-7803-5454-0/99/1999 IEEE.
[3] SIEVENPIPER D, ZHANG Li Jun, ROMULO F, et al. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band[J]. IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. 1999,47(11):2059-2074.
[4] 付云起, 袁乃昌, 溫熙森. 微波光子晶體天線技術[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2006.
[5] ABEDIN M F, ALI M. Effects of a smaller unit cell planar EBG structure on the mutual coupling of a printed dipole array[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let-ters, 2005,4:274-276.
[6] 閆敦豹. 人工磁導體結構及其應用研究[D]. 長沙：國防科學技術大學博士學位論文,2006.
下載文檔
